Een opgave van de redactie van Stichting Exaktueel. Op basis van artikelen in de media worden opgaven gemaakt die aansluiten bij het natuurkunde onderwijs in het voortgezet onderwijs.
Opgave
Vragen en opdrachten
De kinetische energie van een massa m met snelheid v is gelijk aan Ek=1/2*mv^2. Voor een massa die ronddraait geldt dat de rotatie-energie gelijk is aan 1/2Jω2 met het (massa)traagheidsmoment J=1/2mR2 voor een cilinder met massa m en straal R die om zijn as draait met een hoeksnelheid ω. Het vliegwiel uit het artikel is zo’n cilinder die om zijn as draait. De opgeslagen energie bestaat uit rotatie-energie.
a) Laat zien dat de rotatie-energie van één vliegwiel gelijk is aan 300 MJ.
b) Geef twee redenen waarom het gebruik van windturbines bij elektriciteitsproductie en levering zo belangrijk is.
Met een module, in het artikel genoemd, wordt bedoeld een combinatie van windturbine en vliegwiel. Een dergelijke combinatie kan 250 kW vermogen constant leveren. In een gegeven situatie wordt er door de windturbine een vermogen van 200 kW geleverd. Het vliegwiel kan dan bijspringen.
Hoe lang kan het vliegwiel dan zorgen dat het geleverde vermogen van de module op 250 kW blijft?
c) Als er energie over is kan die worden gebruikt om het âvat van het vliegwiel te vullen'. Bereken de tijd nodig om het vliegwiel vanuit stilstand volledig te âvullenâ, als er 50 kW over is.
d) Noem nog een ander vergelijkbaar mogelijk opslagsysteem voor energie.
Uitwerking vraag (a)
Uitwerking vraag (b)
De wind waait met wisselende kracht, terwijl je graag een constante vermogen zou willen hebben waarop je kunt rekenen. Het systeem van turbine plus vliegwel kan dat realiseren. Vooral voor het overbruggen van korte perioden met te weinig wind. Een tweede reden waarom opslag van belang is heeft te maken met de wisselende vraag naar elektrische energie. Als er veel elektrische energie wordt gevraagd, gaan de generatoren langzamer draaien en dan zakt de frequentie van de spanning (60 Hz). Je kunt dus met een dergelijk systeem van opslag ook de frequentie balanceren.
Uitwerking vraag (c)
Het vermogen om het vliegwiel te vullen is 50 kW. Een volgeladen vliegwiel heeft een energie van 300 MJ. Het opladen duurt dan 6,0*10^3 s . Dat is 1 uur en 40 minuten.
Uitwerking vraag (d)
Je zou de overtollige energie ook kunnen gebruiken om water in een spaarbekken te pompen en met dat water weer turbines aan te drijven die op hun beurt generatoren aandrijven.
