1. No category

Elanvändning – direkt och indirekt
Olof Samuelsson
Industriell Elektroteknik och Automation
Översikt
• Belysning
• Pumpar och fläktar
• Elhybridfordon
• Värma & kyla
(Examinerbart)
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
2
Elanvändning
=
~
Glödlampor
• Glödlampor
– Volframtråd i kvävgas
– Lite ljus och mycket värme
– 40 W glödlampa ger ljus som 7 W lågenergilampa
– Förbrukas av att glödtrådsatomer avges
– Livslängd ca 1000 timmar
• Halogenlampor
– Halogengas återför glödtrådsatomerna till tråden 
högre temp OK
– Högre temperatur kräver kvartsglas
– Mer ljus än vanliga glödlampor, 50 till 100 ggr
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
4
Diodlampor
• Halvledareffekt istället för uppvärmning
• 2,5 W lampa ljusutbyte som 25-30 W glödlampa
• 50-100 000 timmars livslängd
• Färgåtergivning ännu inte perfekt
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
5
Glödlampan fasas ut
• EU-s direktiv för ekodesign
Sep 2009
Förbud mot alla matta + klara 100 watts glödlampor
Sep 2010
Förbud mot klara 75 watts glödlampor
Sep 2011
Förbud mot klara 60 watts glödlampor
Sep2012
Förbud mot klara 40 och klara 25 watts glödlampor
Sep 2013
Skärpta krav på lågenergilampor och LED-lampor
Sep 2016
Skärpta krav på halogenlampor
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
6
Dimmer styr ljuset via medelspänningen
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
7
Lysrör
• Argon eller kvicksilver med
jonström
• Avger UV-ljus
• Omvandlas till synligt ljus med
UV-fluoroscerande pulver på +
rörets insida
• Tänds med hög spänning som unät
skapas med glimtändare och
induktor
–
• Glimlampan håller
bimetallkontakten varm=öppen
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
8
Lågenergilampor = lysrör + elektronik
• Hela drivningen i sockeln
• Ger högfrekvent växelspänning
• Kopplingsschema:
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
9
Pumpar och fläktar
• Pumpkurvan beskriver pumpens tryck/flödeskurva
• Systemkurvan beskriver rörsystemet
• Sammankoppling: Skärningspunkt = arbetspunkt
• Yta (grå) i diagrammet = Tryck·flöde= [N/m2·m3/s = Nm/s] =
Effekt!
Tryck (eng Head)
Rörsystemet
Pumpen
Flöde (eng Flow)
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
10
Hur variera flöden? t p
• Till/från-reglering
pmedel  pmax 
p max
p medel
Qmedel  Qmax 
tp
T
tp
T
pmedel  k  Qmedel
• Strypning (Throttling)
T
P=0.7*1.25 = 0.8750
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
Varvtalsreglering
P=0.7*0.6 = 0.4200
11
Effektbehov vid olika flöden
• Varvtalsreglering (Frequency control) bäst!
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
Ex A1.1
12
Drivning av fordon
• Förbränningsmotor (ICE – internal combustion engine) vanligast
• Elmaskin lämpligast
– ICE
2 Nm/kg
– El
20 Nm/kg
• Energilagret ett problem
– Bensintank
12 kWh/kg
– Batterier
0.12 kWh/kg
• Båda har fördelar – kombinera  hybrid
– Elbil med bensindrivet elverk (och laddare för vägguttag)
– …eller bensinbil med elmotor och batteri
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
Ex A1.2
13
Elhybridbil och elcykel ganska lika
• Framdrift med elmotor och
bensinmotor (<30%) tillsammans
• Batteri matar elmotorn
• Framdrift med elmotor och
pedalkraft (<25%) tillsammans
• Batteri matar elmotorn
• Laddas av bensinmotorn
• Laddas från vägguttag (plug-in)
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
• Laddas från vägguttag
14
Dagens elhybridbil – t.ex. Toyota Prius
Elmotor
Energiflöde
Bensinmotor
Konventionell bil har =10-20 %
Elhybridbil har
=20-30 %
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
15
Drivsystemet i en elhybridbil
• Drivsystemets struktur i ett konventionellt manuellt växlat fordon

Tank
IC E
Clutch
GEAR
DIFF
• Drivsystemet i en Parallellhybrid

Tank
IC E
Batt
Clutch
FAS
MTA ?
DIFF
PE
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
16
Ren el- eller bensindrift med elhybridbil
Bensindrift
Eldrift
Elmotor
Bensinmotor
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
17
Laddning av batteri i elhybridbil
Phjul =(Tel+Tbensin)·
Laddning
Bensindrift
• Elmotorn kan gå som generator och bromsar då bilen
– Vid motorbromsning återmatas bromsenergin till batteriet
– Under färd kan gaspådraget ökas för laddning
– Bensinmotorer effektivast vid hög effekt (eco-driving)
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
18
Högre verkningsgrad med hybrid på två sätt
Högre totaleffekt
- Överskottet till batteriet
100
80
60
40
Högre
vridmoment
Vridmoment [Nm]
120
32.5%
30%
27.5%
25%
Högre växel
20
0
0
1000
2000
3000
1. Bättre driftpunkt för förbränningsmotorn
2. Återmatning av bromsenergin till batteriet
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
4000
5000
6000
Varvtal [rpm]
19
Elhybridbil av plug-in-typ – laddhybrid
Laddning
Bensindrift
>85 % förluster
Eldrift
Ca 30 % förluster
Elmotor
Bensinmotor
Genom att ladda från vägguttaget kan bensinmotorns förluster helt undvikas
Bensin/dieselförbrukningen i Sverige kan minskas med 70 %
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
20
Värma
• Konduktivt
– Ri2, kan avges som
ledningsvärme,
konvektionsvärme eller
strålningsvärme (infravärmare)
• Induktivt
– Galvaniskt isolerat
– Virvelströmmar
– Induktionshällar
– Induktiv härdning
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
21
Kyla
• Expansionsvärmepump
– Vätska förgasas
– Ångbildningsvärmet tas från
vätskan/gasen som kallnar (jmf svettning!)
– Den kalla gasen tar upp värmeenergi från
omgivningen
– Gasen komprimeras till vätska i en
kompressor
– Vätskan blir därmed varm
– Värmen avges till omgivningen
• Termoelektrisk
– Termoelement
– Koppar-Vismut-Koppar
– En övergång varm, den andra kall
– Kylväskor, processorkylare
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
22
Verkningsgrad expansionsvärmepump
• Vanligt kylskåp 75%, dvs 1 kWh el in ger 0.75 kWh värme ut
• Villavärmepump
– Värmefaktor = Värmeenergi ut/Elenergi in
– Värmefaktor (COP – Coefficient Of Performance) typiskt 2-4
– Verkningsgrad= Värmeenergi ut/Total energi in
– Verkningsgrad < 100 %
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
23
Sammanfattning
• El används för många direkta ändamål
– Belysa
– Värma
– Kyla
– Förflytta
• Elanvändningen kan effektiviseras genom helhetsperspektiv
– Välisolerad kyl/frys
– Välisolerad byggnad
– Hög mekanisk verkningsgrad på det en elmotor driver
• Ökad elanvändning kan motiveras om total energiåtgång minskar
– Värmepump ersätter olja eller direktel
– Elhybriddrift ersätter renodlad bensindrift
• Igen och igen: styrning av elektrisk energiomvandling viktig – kraftelektronik!
Lunds universitet/LTH/BME/IEA Elenergiteknik Olof Samuelsson
24