Eðlisfræði raforku

Sérstaða raforkunnar

Rafmagn hefur nokkra sérstöðu sem orkulind þegar það er borið saman við aðrar orkulindir. Rafafl er hvergi að finna í náttúrunni í því ástandi að það megi hagnýta beint án flókins tæknibúnaðar. Hins vegar má grafa kol úr jörðu og brenna eða nýta jarðvarma milliliðalaust. Raforku er líka erfitt að geyma nema í litlum mæli í rafhlöðum sem eru þungar og dýrar. Þannig geymir t.d. bensíntankur bíls miklu meiri orku en sama þyngd af rafhlöðum getur gert. Það er því eitt af meigineinkennum raforkukerfisins að engin raforka er geymd heldur er nákvæmlega jafnmikið rafafl framleitt og notað er hverju sinni.

Veistu hver er munurinn á afli og orku?

Framleiðsla rafafls

Ef straumur flæðir um vír myndast segulsvið
umhverfis vírinn og ef segulsvið hreyfist
nálægt vír fer straumur að flæða um vírinn.

Þetta lögmál er hagnýtt í rafalanum. Rafali er vél sem hreyfir segulsvið framhjá vírum og þess vegna fer straumur að flæða í vírunum. Í hrærivél notandans er hluti af straumnum látinn mynda segulsvið og þetta segulsvið leitast við að snúa vélaröxli hrærivélarinnar. Það er hins vegar hverfill virkjunarinnar sem snýr vélaröxli rafalans. Ef vatnsafl er ekki fyrir hendi má nota jarðgufu til að snúa rafalanum, eins og t.d. í Kröflu. Ef jarðagufa er ekki fyrir hendi má búa til gufu með því að sjóða vatn með hita frá glóandi kolum, kjarnaofni eða öðrum aflgjafa. Þetta er algengt erlendis. Aðalatriðið er að við þurfum eitthvert afl til að snúa rafalanum.

Veistu að hverju þarf að hyggja við skipulagningu virkjunar?

Flutningur rafstraumsins

Nú vitum við að straumurinn er búinn til í rafala virkjunarinnar. Hvernig komum við honum til notandans? Með vír? Rétt, en það er ekki nóg að leggja bara vír frá virkjuninni til notandans - málið er svolítið flóknara en það. Einfaldast væri að láta strauminn flæða jafnt og þétt eftir vírnum og tengja notendurna við hann. En allir vírar hafa þann ókost að þeir veita rafstraumnum viðnám og "stelast til" að breyta svolitlum hluta rafaflsins sem vírinn ber í varmaafl, sem hitar upp vírinn. Því grennri sem vírinn er, þeim mun meira er viðnám vírsins og meira rafafl tapast. Ef leiða ætti t.d. allan rafstraum til Reykjavíkur með jöfnu flæði með einum vír án mikilla tapa yrði hann að vera margir metrar í þvermál! Slíkur vír yrði alltof dýr og fyrirferðarmikill. Hér komum við að öðrum grunneiginleika ramagns sem við verðum að huga að - það er spenna.

Veistu hver er munurinn á straumi og spennu?

Við grípum þá til annars náttúrulögmáls sem segir:

Rafstraumur sem flæðir við ákveðna
spennu flytur rafafl sem nemur margfeldi
straumsins og spennunnar.

• Mestan hluta leiðarinnar er rafaflið flutt á hárri spennu og með litlum straum. Til þess þarf háspennulínu.
• Nálægt þéttbýli er rafaflið flutt í jarðstreng að aðveitustöð.
• Í aðveitustöð er notaður spennir til að lækka spennuna (niður í "millispennu") og auka strauminn (jafnmikið afl!) og straumnum dreift til spennistöðva í hverfum bæjarins.
• Í spennistöðvum er aftur notaður spennir til að lækka spennuna niður í þá spennu sem íbúarnir þurfa (og straumurinn aukinn, óbreytt afl).

Riðspennu má auðveldlega breyta úr háspennu í lágspennu og öfugt. Það er hins vegar mjög flókið og dýrt að breyta jafnspennu.

Veistu hver er munurinn á jafnspennu og riðspennu?

Hve mikið rafafl á að framleiða?

• Flestar virkjanir eru látnar framleiða ákveðið afl, jafnt og þétt, án breytinga. Taka þarf tillit til vatnsforða og staðsetningar við val á þessu fasta afli. Þegar verulega breytingar verða á aflþörf notendanna er framleiðslu hætt eða framleiðsla hafin í einhverjum virkjananna.
• Ein virkjun (eða örfáar) er látin framleiða breytilegt afl eftir aflþörfinni á hverju augnabliki. Þá á summa aflsins í þeirri virkjun og stöðuga aflsins sem hinar framleiða að vera jöfn aflþörfinni. Í virkjunum er sjálfvirkur búnaður (gangráður og spennustillir) sem skynjar breytta aflþörf og bregst við með því að hleypa meira eða minna vatni inn á hverfilinn og breytir segulmögnun rafalans til þess að leiðrétta framleiðslu