Inzage. 2 Vragen Productie van elektriciteit 19

Inhoudsopgave

1 Productie van elektriciteit 5

1.1 Productie van elektriciteit 6

1.2 Elektrische energiebronnen 8

1.3 Energie-omzetters 12

1.4 Bronspanning 15

1.5 Samenvatting 17

1.6 Antwoorden 18

2 Vragen Productie van elektriciteit 19

3 Gemengde schakeling 21

3.1 Gemengde schakeling van weerstanden 21

3.2 Samenvatting 35

3.3 Antwoorden 36

4 Vragen Gemengde schakeling 39

5 Alternatieve energievoorziening 41

5.1 Windenergie 42

5.2 Zonne-energie 43

5.3 Waterkrachtcentrales 45

5.4 Getijdencentrales 45

5.5 Energie uit biomassa 46

5.6 Geothermische energie 46

5.7 Samenvatting 47

5.8 Antwoorden 47

6 Vragen Alternatieve energievoorziening 49

Inzage

Inzage

1 Productie van elektriciteit

Inleiding

Tegenwoordig heb je vrijwel overal elektriciteit bij de hand. Apparaten die elektriciteit leveren, noem je elektrische energiebronnen. Bijvoorbeeld accu's en generatoren stellen ons in staat om over grote hoeveelheden elektriciteit te beschikken. Er zijn verschillende manieren waarop je elektriciteit kunt opwekken. Met elektriciteit kun je bijvoorbeeld huizen verlichten, auto's starten, machines aandrijven, enzovoort.

Ook antennes zijn elektrische energiebronnen. Zij kunnen ook elektriciteit leveren, ook al is het dan maar een klein beetje.

Leerdoelen Je kunt:

• omschrijven hoe elektriciteit in een centrale wordt opgewekt

• omschrijven wat elektrische energiebronnen zijn

• voorbeelden geven van elektrische energiebronnen, zoals:

– generator of dynamo – batterij

– voedingsapparaat – ontvangantenne – zonnecel

– thermokoppel – accu

• het begrip inwendige weerstand verklaren.

Voorkennis

Je hebt de volgende voorkennis nodig:

• wisselspanning

• gelijkspanning

Inzage

1.1 Productie van elektriciteit

Elektriciteit wordt geproduceerd in elektriciteitscentrales.

Elektriciteitscentrales en hoogspanningsnet in Nederland

Inzage

Tegenwoordig importeert Nederland ook veel elektriciteit uit het buitenland.

Dit is in sommige gevallen goedkoper dan zelf elektriciteit produceren.

De productie van de elektriciteit gebeurt in een generator. Een stoomturbine drijft de generator aan. De stoom ontstaat uit water dat verhit wordt door kolen, gas of olie te verbranden.

De elektriciteit die in de generator binnen in de centrale is opgewekt, wordt

geleverd aan het hoogspanningsnet. Hoogspanningsmasten

Via het hoogspanningsnet wordt de elektriciteit naar de gebruikers vervoerd.

Productie, transport, gebruik

De gebruiker gebruikt de elektriciteit voor:

• verlichting

• verwarming

• voor motoren die machines aandrijven

• enzovoort.

Inzage

De elektrische energie wordt omgezet in licht, in warmte en in beweging.

Licht, warmte en beweging zijn ook vormen van energie.

De energie die opgeslagen is in brandstof wordt dus omgezet in elektriciteit en getransporteerd naar de gebruikers.

Elektriciteitscentrales staan meestal langs het water, omdat de centrale water nodig heeft om als koelwater te gebruiken. Dat betekent dat er warmte uit de centrale via de rivier verloren gaat. Ook komt er warmte uit de schoorsteen in de

buitenlucht terecht. Niet alle warmte die je uit de brandstof haalt wordt dus in elektriciteit omgezet. Van de energie die als brandstof de centrale ingaat komt een gedeelte in de vorm van elektriciteit weer naar buiten. Omdat maar een gedeelte van de energie wordt omgezet in de gewenste vorm, elektriciteit, zeggen we dat er energieverlies is.

De energie die in een ongewenste vorm is omgezet, noem je verlies.

Van de toegevoerde warmte kun je maar 40% omzetten in elektriciteit.

Dat is ook zo in andere gevallen waarbij energie wordt omgezet.

Energieverliezen elektriciteitscentrale

1. Hoe kun je in de praktijk nagaan of je met een elektrische energiebron te maken hebt?

1.2 Elektrische energiebronnen

Een apparaat dat elektriciteit levert is een elektrische energiebron.

Je hebt verschillende energiebronnen. Bijvoorbeeld een:

• generator

• batterij

• accu

• zonnecel.

Inzage

Generator

Met een generator kun je een spanning opwekken.

Vaak is dat een wisselspanning.

Generator in een energiecentrale

Generatoren en dynamo's (zoals een fietsdynamo) werken volgens hetzelfde principe.

Op de as van de dynamo is een magneet gemonteerd. Als je de as laat draaien, draait de magneet langs de ijzeren kernuiteinden van de spoel. De magneet draait ten opzichte van de spoel. Hierdoor wek je een spanning op.

De spanning is een wisselspanning. Dit komt omdat de noord- en zuidpool (N en S) zich wisselend langs de uiteinden van de spoel bewegen.

Sommige dynamo’s geven in plaats van een wisselspanning een gelijkspanning af.

De fabrikant heeft dan een speciale constructie toegepast.

Principewerking fietsdynamo

Batterij

Een batterij is een elektrische energiebron waarbij de elektriciteit ontstaat door een scheikundige werking.

Batterijen zijn gelijkspanningsbronnen

Inzage

Doordat een chemische vloeistof inwerkt op twee platen (of staven), ontstaat de elektrische spanning. De chemische vloeistof heet elektrolyt. De platen moeten altijd van verschillend materiaal zijn.

Eén van de platen wordt positief. Je noemt dit de pluspool. De andere plaat wordt negatief. Deze noem je de minpool.

De richting waarin de polen van een batterij de stroom willen voortstuwen blijft altijd gelijk. Batterijen geven dus een gelijkspanning af.

1. zink (-) 2. anode geleider (+)

Accu

Een loodaccu is een elektrische

energiebron. Net zoals bij een batterij wordt de elektrische energie verkregen door scheikundige werking. Het elektrolyt in een accu is 30% zwavelzuuroplossing (water + zwavelzuur).

De platen in een accu zijn van

verschillende materialen. Voor de minpool van een geladen accu zijn die van zuiver lood. Dat is grijs van kleur. Voor de pluspool zijn ze van loodoxide

(scheikundige verbinding van lood met zuurstof). De kleur daarvan is roodbruin.

Accu's waarin lood als plaatmateriaal is gebruikt, heten loodaccu's.

Behalve loodaccu's heb je ook andere soorten accu's. Bijvoorbeeld de nikkel- ijzer accu, de nikkel-cadmium accu of de nikkel-metaalhydride accu.

Uitvoeringsvorm van een accu

Een accu kun je als deze leeg is weer opladen. Als je een accu oplaadt wordt elektrische energie omgezet in chemische energie.

Net zoals een batterij geeft een accu ook gelijkspanning af.

Inzage

Zonnecel

Een zonnecel is een elektrische

energiebron. De zonnecel bestaat uit een dun plaatje silicium. Dat silicium heeft eenzelfde soort behandeling ondergaan als het materiaal waarvan diodes en transistors worden gemaakt.

Eigenlijk is een zonnecel één grote platte halfgeleiderdiode.

Licht is een zichtbare vorm van

elektromagnetische energie. Licht dat op een cel valt, wordt direct omgezet in elektriciteit. Honderden cellen bij elkaar vormen samen een zonnepaneel.

Zonnecellen geven een gelijkspanning af.

Zonnepanelen

Een bekende toepassing is de energievoorziening van satellieten.

Maar ook in de woningbouw kom je steeds meer zonnecellen tegen.

Er worden soms hele woonwijken gebouwd met zonnecellen op het dak voor de energievoorziening.

Inzage

2. Bekijk de tabel. In de tabel staan namen van voorwerpen.

Elektrische energiebron (Nee/ja) Beweging Warmte Chemische energie Elektrische energie Eektro- magnetische straling Gelijkspanning of wisselspanning

Generator Ja X

Batterij Transformator

Toontrans- formator Voedings-

apparaat

Ontvang- antenne Zonnecel Thermokoppel

Accu

a. Vul Ja in voor als het voorwerp een elektrische energiebron is en Nee voor als dat niet zo is.

b. Kruis in één van de kolommen aan welke vorm van energie door dat apparaat in elektriciteit wordt omgezet.

c. Teken in de laatste kolom het symbool voor de soort spanning die de bron opwekt.

Voor de generator zijn stap a. en b. al ingevuld.

1.3 Energie-omzetters

Met een energie-omzetter kun je energie omzetten in een andere vorm.

Er zijn verschillende energie-omzetters, zoals een:

• transformator

• toongenerator

• voedingsapparaat

• ontvang- en zendantenne

• thermokoppel.

Inzage

Transformator

Een transformator is een elektrische energie-omzetter. Transformatoren werken alleen als er een veranderende spanning op wordt aangesloten.

Voorbeelden van steeds veranderende spanningen zijn wisselspanningen of gelijkspanningen die steeds worden in- en uitgeschakeld. Een transformator kan spanningen en stromen omzetten naar andere waarden.

Uitvoering van een transformator

Toongenerator

Een toongenerator is een elektrische energie-omzetter. In een toongenerator wekt een elektronische schakeling een wisselspanning op. Je kunt bij de toongenerator de frequentie en de amplitude van de wisselspanning regelen. Als je een luidspreker op een toongenerator aansluit kun je de opgewekte wisselspanning hoorbaar maken.

Toongeneratoren gebruik je onder andere als signaalbron bij metingen aan versterkers en frequentiefilters.

Toongenerator

Inzage

Toongenerator

Voedingsapparaat

Een voedingsapparaat is een elektrische energie-omzetter.

Om elektrische energie uit een

voedingsapparaat te halen moet je er elektrische energie aan toevoeren. Een voedingsapparaat kun je meestal aansluiten op het lichtnet. Het voedingsapparaat verandert de wisselspanning van het net in een (zuivere) gelijkspanning. Vaak is de gelijkspanning die het voedingsapparaat afgeeft regelbaar.

Voedingsapparaat

Voedingsapparaten gebruik je voor test- en meetdoeleinden op scholen en in laboratoria. Je kunt er ook accu's mee opladen. Het apparaat is dan speciaal uitgevoerd met vaste laagspanningen.

Inzage

Ontvang- en zendantenne

Een ontvangantenne is een elektrische energie-omzetter

Een ontvangantenne vangt de (elektromagnetische) energie van zenders op. Hierdoor ontstaat in de antenne een spanning van enkele microvolts.

Ontvangantenne's

1 microvolt = 1 miljoenste Volt = 1

1.000.000 V = 10^-6 V.

Zendantennes geven altijd een wisselspanning af. Een zendantenne zet elektrische energie om in elektromagnetische energie.

Thermokoppel

Een thermokoppel bestaat uit

verschillende materiaalsoorten die aan een kant samen worden gelast. Als deze las heet wordt, ontstaat er een

potentiaalverschil.

De spanning die een thermokoppel afgeeft is een gelijkspanning. De grootte van deze gelijkspanning hangt af van de temperatuur van de las en de materialen van het thermokoppel.

Thermokoppel

Een thermokoppel pas je vaak als beveiliging toe in gasgestookte cv-ketels en

gasgeisers. De waakvlam verhit de las van het thermokoppel. Hierdoor wordt genoeg elektriciteit opgewekt om een elektromagneetje te laten werken.

Dat elektromagneetje ontgrendelt een gasklep. Gaat de waakvlam uit, dan gaat de gasklep dicht. Thermokoppels kun je ook toepassen voor temperatuurmetingen in ovens en cilinders van bijvoorbeeld dieselmotoren.

1.4 Bronspanning

Elektrische energiebronnen zetten energie om. Het resultaat is altijd een elektrische spanning. Deze inwendige elektrische spanning noem je de bronspanning. De bronspanning geef je aan met de letter E.

De oude benaming voor bronspanning is Elektro-Motorische Kracht (EMK).

Af en toe kun je deze benaming nog tegenkomen.

Inzage

Inwendige weerstand

Als op een energiebron een verbruiker is aangesloten, vloeit er een stroom.

In de afbeelding zie je een lamp (verbruiker) die is aangesloten op een accu (energiebron).

De stroom vloeit van de pluspool via de draad naar de lamp en vervolgens terug naar de minpool. In het inwendige van de accu vloeit de stroom via de elektrolyt van de min- naar de pluspool.

Een accu in eenvoudige vorm

Op zijn weg door de elektrolyt ondervindt de stroom een (kleine) tegenstand.

Deze tegenwerking die de stroom binnenin de accu ondervindt noem je de inwendige weerstand van die accu. Je geeft de inwendige weerstand van een energiebron aan met R_i.

De bronspanning (E) en de inwendige weerstand (R_i) van een elektrische energiebron zijn in de praktijk niet te scheiden.

Hoewel in werkelijkheid de inwendige weerstand van een loodaccu tussen de platen zit wordt in schema’s de inwendige weerstand altijd naast de platen getekend.

Bij berekeningen over elektrische energiebronnen doe je in gedachten wel alsof de bronspanning E kan worden gescheiden van de inwendige weerstand R_i.

169653 169654

Symbool van een accu: fout getekend Juiste symbool voor een accu

Naast de bronspanning E is er de klemspanning. De klemspanning is de spanning gemeten over de klemmen van de elektrische energiebron.

Inzage

1.5 Samenvatting

• Elektriciteit wordt opgewekt in elektriciteitscentrales.

• In de centrales wordt water verwarmt, waardoor stoom ontstaat. De stoom zorgt via een turbine voor de aandrijving van een generator. De generator zet de

beweging om in elektrische energie. Die wordt geleverd aan het hoogspanningsnet.

Het hoogspanningsnet transporteert de energie naar de gebruiker.

• Van de toegevoerde warmte wordt 40% omgezet in elektrische energie.

• Een apparaat dat energie levert noem je een elektrische energiebron, bijvoorbeeld:

– generator – batterij – accu – zonnecel – thermokoppel.

• Er zijn ook apparaten die energie omzetten:

– transformator – toongenerator – voedingsapparaat

– ontvang- en zendantenne.

• Elektrische energiebronnen zetten energie om. De spanning die een energiebron levert is de bronspanning E.

Inzage

1.6 Antwoorden

1. Door met een voltmeter te meten of er spanning over de aansluitklemmen staat.

2.

Elektrische energiebron (Nee/ja) Beweging Warmte Chemische energie Elektrische energie Eektro- magnetische straling Gelijkspanning of wisselspanning

Generator Ja X b

Batterij Ja X

Transformator Nee X b

Toontrans- formator

Nee X b

Voedings- apparaat

Ja X a

Ontvang- antenne

Ja X b

Zonnecel Ja X a

Thermokoppel Ja X a

Accu Ja X a

Inzage

2 Vragen Productie van elektriciteit

Vraag 1

De manier waarop een elektrische spanning opgewekt kan worden noemen we een proces. Deze processen kunnen we ook omkeren.

Zo ontstaan dus bepaalde verschijnselen door gebruik te maken van elektrische energie.

Noem telkens twee apparaten waarmee je met elektriciteit de bij a tot en met d genoemde verschijnselen kunt krijgen en omschrijf de werking:

a. Scheikundige reactie

b. Magnetisme

c. Warmte

d. Licht

Inzage

Inzage

3 Gemengde schakeling

Inleiding

In deze leerstof bekijken we de combinatie van serie- en parallelschakelingen. Dat noem je ook wel gemengde schakelingen.

In de beroepspraktijk komt vooral de elektronicamonteur deze schakelingen tegen, maar ook voor de energiemonteur is het belangrijk om hier kennis van te hebben.

Leerdoelen Je kunt:

• serie- en parallelgedeelten in een gemengde schakeling herkennen

• een schema van een gemengde schakeling vereenvoudigen

• de vervangingsweerstand berekenen

• kenmerken noemen van een gemengde schakeling met betrekking tot spanning, stroom en weerstand

• praktische toepassingen van gemengde schakelingen noemen

• stroom, deelstromen en vervangingsweerstanden van een gemengde schakeling berekenen, maar ook variaties hierop (bijvoorbeeld vervangingsweerstand gegeven, één weerstand bekend, de andere berekenen en dergelijke).

3.1 Gemengde schakeling van weerstanden

R₁ en R₂ zijn in serie geschakeld.

R₃ en R₄ zijn parallel geschakeld.

De parallelschakeling van R₃ en R₄ staat weer in serie met R₁ en R₂.

Het geheel is een gemengde schakeling. Gemengde schakeling

Serie- en parallelschakeling

In de gemengde schakeling hebben we te maken met de eigenschappen van de parallelschakeling en van de serieschakeling. Hieronder wordt een overzicht van deze eigenschappen gegeven.

In een parallelschakeling van weerstanden is:

• de spanning over elke weerstand even groot U_tot = U₁ = U₂ = U₃ = U_…

• de totale stroom gelijk aan de som van de deelstromen I_tot = I₁ + I₂ + I₃ + I_…

• de vervangingsweerstand vinden we met de formule:

v 1 2 3

1 = 1 + 1 + 1 +...

R R R R of (voor twee weerstanden):

1 2

v

1 2

= × +

R R

R R R

Inzage

In een serieschakeling van weerstanden is:

• de stroom door elke weerstand even groot I_tot = I₁ = I₂ = I₃ = I_…

• de totale spanning gelijk aan de som van de deelspanningen U_tot = U₁ + U₂ + U₃ + U_…

• de vervangingsweerstand gelijk aan de som van de deelweerstanden R_tot = R₁ + R₂ + R₃ + R_…

Berekeningen

In de gemengde schakeling worden de eigenschappen van de serie- en de parallelschakeling allebei toegepast. Wat nieuw is, is de manier waarop we zo’n gemengde schakeling moeten aanpakken.

Gemengde schakeling

We berekenen eerst de vervangingsweerstand van R₃ en R₄. Deze noemen we R_{v 34}. De vervangingsweerstand van twee parallel geschakelde weerstanden kunnen we berekenen met de formule:

3 4

v 34

3 4

300 660 330 660 660

= = = = = 220

+ 330 + 660 990 3

R R

R R R

´ ´ ´

W

We tekenen nu het schema opnieuw en vervangen R₃ en R₄ door R_v34.

We zien een serieschakeling van drie weerstanden.

R3 en R4 zijn vervangen door Rv34

De totale vervangingsweerstand noemen we R_tot, zodat we kunnen schrijven:

R_tot = R₁ + R₂ + R_{v 34}

R_tot = 560 + 220 + 220 = 1.000 W

Vervangingsschema

We kunnen nu het eenvoudigste vervangingsschema tekenen.

Bij de gemengde schakeling berekenen we eerst de

vervangingsweerstanden van paralleltakken of serietakken. We tekenen een steeds eenvoudiger schema tot we de totale vervangingsweerstand overhouden.

Inzage

Het schema dat we nu overhouden noemen we het basisvervangingsschema.

Hierin zit één spanning U_tot, één stroom, I_tot, en één weerstand R_tot.

Basisvervangingsschema van een gemengde schakeling

Nu volgen we dezelfde weg in tegenovergestelde richting en berekenen we de stromen en spanningen.

We berekenen de totale stroomsterkte.

tot tot

tot

= = 10 = 0,1 A = 10 mA 1.000

I U R

We zetten alle gegevens in het schema.

Spanningen over de deelweerstanden

We berekenen de spanningen over de deelweerstanden.

U₁ = I_tot·R₁ = 0,01 × 560 = 5,6 V U₂ = I_tot·R₂ = 0,01 × 220 = 2,2 V U_v34 = I_tot·R_{v 34} = 0,01 × 220 = 2,2 V

+

U_tot = 10 V

Door de gevonden waarden op te tellen zien we dat in een serieschakeling de som van de deelspanningen gelijk is aan de totale spanning.

Ook dit tekenen we in het schema, zodat we de deelstromen I₃ en I₄ kunnen uitrekenen.

Deelstromen in de gemengde schakeling

We berekenen I₃ en I₄ als volgt:

Inzage