OVERAL, variatie vanuit de kern
LESBRv/I4EhvF 3
De zonne-energiecentrale van Fuentes de Andalucía 1
De zonne-energiecentrale van Fuentes de Andalucía Zonne-energie is in overvloed beschikbaar maar het is nog niet zo eenvoudig om die om te zetten naar elektrische energie. Dat kan op kleine schaal met zonnecellen op daken van huizen. Maar er zijn ook zonne-energiecentrales die voldoende elektrische energie leveren voor een kleine stad. Pas geleden is er Fuentes de Andalucía (Zuid-Spanje) een nieuw type zonnecentrale opgeleverd. De Spaanse krant El diario de Andalucía van begin oktober 2011 legde in een artikel uit hoe die centrale werkt. Lees hieronder het eerste deel van dat artikel. Je kunt ook op YouTube kijken naar een filmpje over de nieuwe centrale via de link http://www.youtube.com/watch?v=pZtoioVrgnU.
In Fuentes de Andalucía is gisteren een nieuwe zonne-energiecentrale geopend (figuur 1). Op een terrein, zo groot als een paar voetbalvelden, staan 2650 spiegels rondom een 135 m hoge toren. De spiegels
figuur 1
2
vangen het zonlicht op en weerkaatsen het naar een opvangtank op de top van de toren. het bijzondere van deze zonneenergiecentrale is dat hij ook ’s nachts elektrische energie kan leveren.
De zonne-energiecentrale van Fuentes de Andalucía In figuur 2 is een zonnestraal getekend die vroeg in de morgen vlak over de toren gaat en op de spiegel bij M valt. De spiegel kaatst het zonlicht terug naar de tank op de toren. Een paar uur later staat de zon 26° hoger aan de hemel. Intussen heeft een computer de spiegel zo gedraaid dat de teruggekaatste straal altijd op de tank in de top van de toren komt. Die situatie zie je in figuur 3. zon
(1)
no
zon
rm
(3)
aa
l
26°
(2)
spiegel toren
figuur 2
M
spiegel toren
M
figuur 3
1 De computer stelt elke vier seconden de stand van de spiegels bij. Leg uit waarom dat nodig is. In figuur 3 zie je de straal van het zonlicht (1) en de teruggekaatste straal (2) naar de toren. De zwarte lijn staat loodrecht op de spiegel. Dat is de normaal. De hoek tussen de normaal en de invallende straal heet i en de hoek tussen de normaal en de teruggekaatste straal heet t. 2 Hoe groot zijn hoek i en hoek t in figuur 2? 3 Hoe groot zijn hoek i en hoek t in figuur 3? 4 Over hoeveel graden is de spiegel gedraaid? Eén spiegel heeft een oppervlak van 110 m2. Om een idee te krijgen hoe groot dit is, kun je het spiegeloppervlak vergelijken met het vloeroppervlak van het practicumlokaal van natuurkunde. 5 Hoeveel keer is het oppervlak van een practicumlokaal ongeveer groter dan de spiegel?
3
De zonne-energiecentrale van Fuentes de Andalucía
Boven in de toren staat een grote zwarte bak met vloeibaar nitraatzout. Dat is de ontvanger en die vangt de zonnestralen van de spiegels op. Het zonlicht verhit het nitraatzout in de ontvanger tot een temperatuur van 565 °C. Het hete nitraatzout stroomt dan door een leiding naar beneden en verhit daar het water in de waterbak. Daardoor ontstaat er stoom. Die stoom laat een turbine draaien die weer een dynamo aandrijft. En zo ontstaat elektrische energie voor de huizen en fabrieken van de regio.
In de waterbak heeft het nitraatzout zijn warmte afgegeven aan het water en is daardoor afgekoeld tot 290 °C. Het stroomt naar een opslagtank en van daaruit pompt een pomp het ‘koude’ nitraatzout weer omhoog de toren in. En dan begint het weer van voren af aan. Zie ook figuur 4.
opvangtank 290°C zonnestraling
zonnestraling
565°C
565°C
290°C
290°C nitraatzout
water dynamo
figuur 4
4
turbine
stoom
290°C
565°C
pomp
De zonne-energiecentrale van Fuentes de Andalucía 6 Waarom staat in het krantenbericht het woord ‘koude’ tussen aanhalingstekens? 7 Waarom gebruikt deze energiecentrale nitraatzout en geen water? De temperatuur waarbij een vaste stof smelt heet het smeltpunt. 8 Ligt het smeltpunt van nitraatzout boven of onder 290 °C? Licht je antwoord toe. Stel dat de pomp uitvalt en dat de vloeistofstroom dus stopt. 9 Wat zou er dan in de ontvanger op de toren kunnen gebeuren als het personeel niets doet? 10 Wat zou het personeel kunnen doen om dat te vermijden? Door het uitvallen van de pomp daalt ook de temperatuur van het nitraatzout in de leidingen. 11 Wat zou er dan kunnen gebeuren? Wat moet het personeel dus doen om dat te vermijden?
Een normale zonnecentrale levert weinig of geen energie als de zon niet schijnt. Daarvoor is in deze centrale iets nieuws bedacht. Een deel van het hete zout wordt overdag
afgetapt en in een tweede opslagtank apart gezet. Dat hete zout gebruikt de centrale ’s nachts om elektriciteit te produceren.
12 Leg uit waarom die opslagtank wel heel erg goed geïsoleerd moet zijn? 13 Leg uit hoe het nitraatzout ’s nachts moet stromen om elektriciteit te maken.
De centrale levert jaarlijks 4,0⋅1014 J elektrische energie en dat is genoeg voor de elektriciteitsvoorziening van 25 000 gezinnen. Met deze nieuwe centrale is
ook onze regio Andalusië weer een beetje groener geworden, omdat we daarmee een uitstoot van 30 000 ton CO2 vermijden.
Voor energie wordt naast de J ook de kWh als eenheid gebruikt. Er geldt: 1 kWh = 3,6⋅106 J. 14 Bereken hoeveel kWh een gezin in Andalusië per jaar gebruikt. 15 Even grote gezinnen in Nederland verbruiken 20% minder elektrische energie dan in Zuid-Spanje. Geef een reden waarmee je dat verschil kunt verklaren. 16 Laat zien dat de hoeveelheid elektrische energie die de centrale gemiddeld per seconde levert gelijk is aan 1,27⋅107 J/s.
5
De zonne-energiecentrale van Fuentes de Andalucía Zonlicht in Andalusië heeft in de zomer gemiddeld over dag en nacht een vermogen van 270 W per m2. 17 Bereken het oppervlak van alle spiegels samen. Gebruik daarbij de gegevens boven opgave 5 en informatie uit het eerste deel van het krantenartikel. 18 Laat zien dat het vermogen aan zonnestraling dat alle spiegels samen gemiddeld naar de toren weerkaatsen gelijk is aan 7,87⋅107 W. 19 Het rendement van de centrale is het deel van de weerkaatste zonnestraling dat elektrische energie oplevert. Bereken het rendement van deze centrale. De oude energiecentrale in de regio Andalusië werkte met steenkool en die is nu overbodig geworden. 20 Wat wordt in het krantenbericht bedoeld met: ‘het vermijden van een uitstoot van 30 000 ton CO2’?
6
