Úvod. 1.Struktura p edm tu 2.Bodové hodnocení 3.Organizace cvi ení – prohlídek laborato í
#ÁST
ELETROENERGETIKA
Struktura p ednášek ( koresponduje s profesním zam ením katedry )
1. Výroba elektrické energie v elektrárnách 2. P enos a rozvod el. energie – v ustáleném stavu 3. Poruchové stavy v el. sítích 4. Užití el. energie
ELEKTRÁRNY Pro pr myslové pot eby a pro široké využití v doprav a v domácnostech se elektrická energie vyrábí v elektrárnách. V tzv. klasických tepelných elektrárnách se v kotli oh ívá voda, p em $uje se v páru a ta uvádí do pohybu turbínu. Turbína pohání alternátor, který vyrábí elektrickou energii, jež je odvád na vedeními vysokého nap tí.
Schéma funkce spalovací tepelné elektrárny Teplo se v tepelných elektrárnách vytvá í v kotli spalováním fosilního paliva (tuhým palivem bývá *erné a hn dé uhlí, kapalným palivem je ropa, oleje, mazut, plynným palivem je zemní plyn) nebo št pením atom . Jaderné elektrárny jsou také tepelnými elektrárnami a od elektráren na fosilní paliva se liší tím, že mají místo parního kotle reaktor, v n mž v jaderném palivu probíhá ízená et zová št pná reakce. Jaderným palivem bývá p írodní uran, uran obohacený izotopem U235 nebo plutonium. Vodní elektrárny pohání voda z ek, p íliv a odliv mo e nebo energie mo ských vln. Vodní turbíny lze spustit b hem n kolika minut. Vodní energii, která je okamžit k dispozici, lze proto jednoduše využít p i náhlém zvýšení poptávky po elektrické energii. Vodní elektrárny nejsou tak složité jako elektrárny tepelné. Nepot ebují kotelnu a mají jednodušší turbíny. Lze je ovládat i dálkov a k obsluze sta*í mén zam stnanc . Vhodn dopl$ují tepelné elektrárny v elektriza*ní soustav . Nevýhodou je, že nemohou stát všude, pouze tam, kde je dostate*ný spád vody nebo kde je možné v nádrži naakumulovat dostate*né množství vody. P ílivové a p íbojové elektrárny, nebo dokonce elektrárny využívající mo ského vln ní lze stav t jen na p íhodných místech. Ve sv t pracují i slune*ní a v trné elektrárny, ale zatím jen v zanedbatelném množství, protože slune*ní a v trnou energii ješt nedokážeme dostate*n ú*eln využít. Slune*ní a v trné elektrárny k výrob ur*itého množství energie pot ebují nesrovnateln více prostoru než klasické elektrárny.
Na n kterých vhodných místech se stav jí geotermální elektrárny, které využívají tepla z nitra Zem . 5ádov více energie z hmoty by bylo možné získat v elektrárnách pracujících na principu jaderné fúze. Je to však energetický zdroj, jehož využití bude prakticky možné až v budoucnu. I tady však fúze bude pouze zdrojem tepla, které se na elekt inu p em ní až po n kolikanásobné energetické p em n , na jejímž konci stojí elektrický stroj - generátor. UHELNÉ ELEKTRÁRNY V uhelných elektrárnách se získává elektrická energie spalováním uhlí. Uhelné elektrárny d líme na kondenza*ní a na teplárny. Výroba elektrické energie v moderních elektrárnách je složitý technologický proces, na jehož konci je nejen elektrická energie, ale i produkty vzniklé spalováním uhlí, které se podílejí na zne*iš7ování ovzduší. Jejich odstra$ování je d ležitým úkolem energetik . Další cestou ke zvýšení ú*innosti uhelných elektráren a sou*asn ke snížení škodlivin je využití nejmodern jších za ízení a technologických postup . V uhelných elektrárnách se spalováním uhlí získává tepelná energie, která se p edává vod . Vyvíjí se pára, ta roztá*í parní turbínu a ta zase alternátor vyráb jící elekt inu. Na stejném principu pracují vedle uhelných elektráren i elektrárny spalující mazut nebo zemní plyn. Klasické tepelné elektrárny se v zásad d lí na dva typy, na elektrárny kondenza*ní a na teplárny. Kondenza*ní elektrárny slouží pouze k výrob elektrické energie. To znamená, že veškerá pára p ivedená do turbíny po vykonání práce zkondenzuje na vodu v kondenzátoru. Teplárny na rozdíl od kondenza*ních elektráren dodávají krom elektrické energie i energii tepelnou na vytáp ní, oh ev vody apod. To znamená, že ješt horká pára je z turbíny vedena dále k tepelným spot ebi* m. Výhodou tepláren je vyšší hospodárnost, nevýhodou naproti tomu je skute*nost, že elektrický výkon závisí na okamžitém množství páry odebírané tepelnými spot ebi*i. Práv proto se teplárny nikdy nestaly základními výrobnami elekt iny pro energetické systémy. Jejich další nevýhodou je skute*nost, že je lze budovat pouze v místech koncentrovan jší spot eby tepla, což bývá zejména ve v tších m stských *i pr myslových aglomeracích. Základními výrobnami elektrické energie u nás jsou tedy kondenza*ní elektrárny.
SCHÉMA KONDENZAANÍ ELEKTRÁRNY turbína p eh ívák
~
kotel *erpadlo
kondenzátor
generátor
VODA A PÁRA Voda, která obíhá v hlavním uzav eném okruhu kotel - turbína - kondenzátor - kotel, je chemicky upravená, aby v ní nebyly žádné zbytky minerál a aby nep sobila korozi oceli. Proto je sou*ástí každé elektrárny chemická úpravna vody a chemické laborato e. Voda je do kotle dodávána napájecími *erpadly. V kotli se voda oh ívá p i tlaku dosahujícím až 20 MPa a vypa uje se. Nejstaršími a nejjednoduššími byly válcové kotle, u nichž kotel tvo il nýtovaný buben o velkém pr m ru (do 2,5 m) a délce (do 10 m). Výh evnou plochou byla spodní st na bubnu ohrani*ená vyzdívkou vn jšího roštového ohništ a tahy, kterými procházely spaliny do komína. Kotle plamencové m ly v tší výh evnou plochu p i zachování stejné velikosti bubnu jako u kotl válcových. Plamenec se nazývá vlnitá trouba umíst ná do vnit ku kotle. Roštové ohništ je uvnit plamence, plamenec je obklopen vodou kotle. Kotle trubkové (nebo žárotrubné) jsou dalším stupn m ve vývoji kotl . Jsou to vlastn válcové kotle, do jejichž vodního prostoru jsou zaválcovány bezešvé trubky, kterými proudí horké spaliny. Pro uvedené kotle je charakteristický velký vodní obsah a naopak malá výh evná plocha. Bylo proto t eba vyvinout energetické kotle, u nichž by se výh evná plocha dostate*n zv tšila. Toho se docílilo tím, že výh evná plocha je tvo ena z varných trubek vytáp ných zevn spalinami. V trubkách obíhá kotelní voda a vzniká pára. Kotle m ly nejprve p irozený ob h vody a šikmé uspo ádání trubek, pozd ji nahrazené trubkami strmými. P i velkém zatížení kotle se ale mohlo stát, že v *ásti trubky se utvo ila pára a trubka z stala suchá, což n kdy vedlo k vyboulení trubky a za ur*itých okolností k jejímu prasknutí. Tuto nevýhodu odstra$ují kotle s nuceným ob hem nebo pr tokem vody, tzv. kotle pr tla*né. Sytá pára, která vzniká pouhým varem vody, však obsahuje p íliš málo energie, a proto se dále oh ívá spalinami v tzv. p eh ívácích na teplotu sahající až k 550 ° C. Tato tzv. ostrá pára pak proudí potrubím do turbíny. Energii p edává nejd íve ve vysokotlakém díle parní turbíny, poté v nízkotlakém díle. Aby se dosáhlo co nejvyšší ú*innosti, zavádí se pára po pr chodu *ástí turbíny zp t do kotle k tzv. mezip ih átí, p i kterém se op t zvýší její teplota, a pak se znovu zavede do st edotlaké a nízkotlaké *ásti turbíny. Když pára odevzdala p i pr chodu turbínou využitelnou energii, p ichází do kondenzátoru. Kondenzátor je veliká nádoba, kterou proudí v trubkách chladicí voda vn jšího chladicího okruhu. Pára, která p ichází z turbíny, a jejíž teplota je p ibližn 40 ° C, se dotykem se studenými trubkami chladicího okruhu ochlazuje a kondenzuje - m ní se zpátky ve vodu. Z kondenzátoru se voda (odborn kondenzát) p ivádí *erpadly znovu do kotle. Kondenza*ní teplo odebrané pá e v kondenzátoru se musí chladicí vodou ve vn jším okruhu n kam odvést. Je-li v blízkosti elektrárny velká eka, odvádí se do eky. Pak hovo íme o pr to*ném chlazení. Tam, kde tato možnost není, se voda odvádí do chladicích v ží a ochladí se protitahem vzduchu. V obou p ípadech je teplo zcela bez užitku ztraceno. Chladící v že jsou dvojího druhu: •
s nuceným proud ním vzduchu, tzv. ventilátorové (používané u starších druh elektráren)
•
s p irozeným tahem, tzv. komínové, v tšinou hyperbolického tvaru
VÝROBA ELEKT5INY Kdysi se k výrob elekt iny používaly stejnosm rné generátory, dynama. Pozd ji byly nahrazeny alternátory vyráb jícími p ímo st ídavý proud. St ídavý proud má proti stejnosm rnému velkou výhodu. V transformátorech lze totiž zvýšit jeho nap tí, a tím p edejít ztrátám zp sobeným odporem vodi*e p i rozvád ní elekt iny na velké vzdálenosti. H ídel alternátoru je p ipojena ke h ídeli turbíny. Celá jednotka se otá*í rychlostí 3 000 otá*ek za minutu. Elekt ina vyrobená z generátoru má nap tí 10 -15 kV podle velikosti generátoru. Vede se do blokového transformátoru a transformuje se na velmi vysoké nap tí. U v tšiny velkých elektráren je to 400 kV. Od vývodového blokového transformátoru se odvádí venkovním vedením do rozvodné sít . BLOKY Zmínili jsme se o blokovém transformátoru, pov zme si tedy, co to je blokové uspo ádání elektrárny. S tím, jak se spot eba elektrické energie postupn zvyšovala, stav lo se v elektrárnách víc kotl , turbín a generátor . Pozd ji se p ešlo na tzv. blokové uspo ádání elektráren. Elektrárenský blok znamená v podstat samostatnou výrobní jednotku elekt iny sestávající se z jednoho kotle, navazující turbíny a p íslušenství, generátoru, odlu*ova* popílku, chladící v že a blokového transformátoru. Celá elektrárna se skládá z n kolika blok , které mají spole*nou pouze správní budovu, uhelné hospodá ství, vodní hospodá ství, komín a spole*nou elektrickou sí7 za blokovými transformátory, do které dodávají vyrobenou energii. Blokové uspo ádání elektrárny p ináší adu výhod. V p ípad havárie nebo p i špatných rozptylových podmínkách lze blok *i n kolik blok odstavit, aniž by se výrazn ohrozily dodávky elektrické energie do rozvodné sít . V poslední dob dochází ke zcela plánovitému odstavování blok , které se nejvíce podílely svými emisemi na zne*iš7ování životního prost edí. Dnes už dochází prokazateln ke zlepšování stavu životního prost edí. Kotle budoucnosti Pravd podobn nejvýhodn jší zp sob využití energetického uhlí p edstavuje kombinace tlakového zply$ování uhlí a tzv. paroplynového cyklu. Tento zp sob výrazn zvyšuje ú*innost výroby elektrické energie a odborníci o*ekávají jeho bou livý rozvoj zejména v t ch zemích, které jsou odkázány p evážn na uhelné zdroje energie. Rozemleté uhlí (vysoká sirnatost není problém) se v generátoru (zplynova*i) za vysoké teploty a tlaku nejprve zplynuje. Veškeré pevné *ástice, které jinak unikají do vzduchu, se m ní ve strusku vhodnou pro stavebnictví. Surový plyn je ochlazen, zbaven síry (tu lze výhodn prodat) a dalších ne*istot. Energetický plyn se vede dále do plynové turbíny, v jejíž komo e se spaluje. Vzniká elektrická energie a navíc plyn opoušt jící turbínu je natolik horký, že v kotli oh eje vodu na páru. V parní turbín se pak vyrobí další elekt ina.
JADERNÁ ENERGIE Jak se liší jaderná elektrárna od uhelné? P i pohledu z dálky ne p íliš. Stejné chladicí v že s oblaky vodní páry, stejné dráty elektrického vedení b žící do krajiny. Pojd'me ji prozkoumat blíž. P iblížíme-li se ze strany transformátor pro vyvedení výkonu a vstoupíme do strojovny, uvidíme stejné generátory, turbíny a kondenzátory. Teprve v srdci jaderné elektrárny, v reaktorovém sálu, zjistíme rozdíl. Teplo a jeho prost ednictvím páru pro pohon turbíny nevyrábí ohništ s nezbytným komínem, ale jaderný reaktor. I když budeme *ím dál usilovn ji hledat cesty úspor energie, zdá se, že v dohledné budoucnosti bude pot eba energie na Zemi vzr stat. Hovo í o tom všechny prognózy a je nasnad , že rozvojové zem se budou snažit dohnat rozvinuté zem co nejrychleji. Podle odhad sv tové energetické rady (WEC) z roku 199 se poptávka po primární energii do roku 2020 zvýší o 50% a spot eba elektrické energie dokonce o 50 až 70%. T i *tvrtiny poptávky budou pocházet z rozvojových zemí. Elekt ina slouží *lov ku teprve kolem 120 let, za tu dobu se však zasloužila o pokrok civilizace více než kterýkoliv jiný objev. Budoucí energetická politika ve sv t se bude muset zam it na vy ešení dvou základních problém : rozvoj dostate*n mohutných zdroj elekt iny, které by byly reáln schopné postupn nahradit zten*ující se zásoby fosilních paliv a které by p i tom neemitovaly do atmosféry skleníkové plyny, ohrožující globální klima. V úvahu tedy p icházejí jaderné a obnovitelné zdroje. P i tvorb energetických koncepcí je pot eba vzít v úvahu tzv. hustotu energie, jakou mohou zdroje dosáhnout. Nap íklad pro získání výkonu 1000 MWe je nutné instalovat slune*ní *lánky nebo v trné elektrárny na ploše 50 až 60 km2 nebo p stovat energetické rostliny na ploše 3000 až 5000 km2. Jaderná elektrárna o stejném výkonu vyžaduje jen n kolik km2, a to v*etn požadavk na celý palivový cyklus. P i dnešním pouze jednoprocentním využití energie uranu v sou*asných typech jaderných reaktor nahradí 1 kg uranového paliva 30 tisíc kg *erného uhlí, p i využití uranu v rychlých reaktorech dokonce 1,8 milionu tun *erného uhlí. A to jsou jen n které z pádných argument pro rozvoj jaderné energetiky. Na *asto citovaný problém jaderných odpad je možné se podívat i z druhé strany: malý objem bezpe*n likvidovatelných a kontrolovatelných odpad je práv jednou z p edností jaderné energetiky ve srovnání s jinými pr myslovými odv tvími, která po sob zanechávají miliony tun odpad , mnohdy trvale jedovatých.
PRINCIP JADERNÉ ELEKTRÁRNY Základní princip všech elektráren je vlastn stejný: elekt ina vzniká v generátoru, jehož rotor se velmi rychle otá*í. Ve vodních elektrárnách otá*í rotorem turbína pohán ná energii vodního proudu, u v trných elektráren je to vítr. Turbíny tepelných elektráren žene pára. Energií nabitou páru získáváme z parního kotle, pod kterým m žeme topit uhlím, naftou *i plynem.
Schéma jaderné elektrárny 1. Reaktor, 2. Parogenerátor, 3. Aerpadlo, 4. Turbína, 5. Generátor, 6. Kondenzátor, 7. P ívod a odvod chladící vody Jaderné elektrárny jsou v zásad elektrárny tepelné, teplo pot ebné pro p em nu vody na páru však v nich nezískáváme spalováním paliva, ale jaderným št pením. Po*ínaje turbínou pohán jící generátor je jaderná elektrárna vlastn stejná jako klasická elektrárna uhelná. Jediný rozdíl - ovšem zásadní - je ve zdroji tepla.
STRUKTURA ATOMU, VELIAINY A JEDNOTKY
Jádra atom n kterých prvk se rozpadají a uvol$ují p i tom energii ve form zá ení. Tento fyzikální jev se nazývá radioaktivitou a radioaktivní atomy se nazývají radionuklidy.
Ubývání radioaktivity *asem.
Všechny radioaktivní látky mají jednu charakteristickou vlastnost: jejich aktivita klesá s *asem. Aas pot ebný k tomu, aby se p em nila polovina jader p ítomných na po*átku, se nazývá polo*as p em ny. Po dvou polo*asech klesne aktivita na *tvrtinu, po t ech polo*asech klesne na osminu atd. Jaderná p em na je statistický d j a její pravd podobnost je stejn veliká pro všechny stejn velké *asové intervaly. Polo*asy radioaktivních látek jsou r zné a pohybují se od setin sekundy do milion let. Nap íklad polo*as p em ny jodu 131I je osm dní, polo*as p em ny uranu 238U je 4,5 miliardy let. Izotop draslíku 40K, který je hlavním zdrojem radioaktivity našich t l, má polo*as rozpadu 1,42 miliardy let.
Existuje teorie, že všechny atomy na sv t jsou radioaktivní, pouze jejich polo*as p em ny je tak dlouhý, že jej neumíme zm it. Radioaktivní p em na z stává konstantní bez ohledu na vn jší vlivy, jako je nap íklad teplota nebo tlak. Zdroj zá ení se popisuje pomocí veli*iny zvané aktivita. Je to po*et radioaktivních p em n probíhajících v ur*itém množství radionuklidu za jednotku *asu. Jednotkou aktivity je becquerel (Bq). Dojde-li v látce k jedné p em n za 1 sekundu, má aktivitu 1 Bq. Becquerel je velice malá jednotka. Nap íklad lidské t lo obsahuje n kolik tisíc Bq p irozených
radioaktivních látek, nap . draslíku 40K. To znamená, že každou sekundu probíhá v našem t le n kolik tisíc radioaktivních rozpad jen z tohoto zdroje. Základní veli*inou popisující ú*inek zá ení je dávka. Udává množství energie pohlcené v jednotce hmotnosti prost edí. Její jednotkou je gray (Gy). Nejd ležit jší v c, kterou pot ebujeme m it, je vliv zá ení na *lov ka. Protože r zné druhy zá ení mají p i shodné dávce odlišné ú*inky, zavedla se pro p esn jší vyjád ení ú*inku zá ení na *lov ka veli*ina zvaná dávkový ekvivalent, jehož jednotkou je sievert (Sv). Nap íklad jedno rentgenové vyšet ení plic m že p edstavovat až 1 mSv. Pro práci s ionizujícím zá ením je d ležitý údaj udávající p sobení zá ení v *ase, pro který byla zavedena veli*ina p íkon dávkového ekvivalentu. M í se v jednotkách sievert za hodinu. Pro praxi je to jednotka p íliš veliká, proto se *ast ji setkáváme s milisieverty nebo mikrosieverty za hodinu.
EinsteinBv vztah
E = m . c2
Energie a hmotnost jsou navzájem úm rné a jsou spolu neodd liteln vázány p ekvapiv jednoduchým vztahem E = m . c2. Ur*ité hmotnosti odpovídá ur*itá energie a naopak. Nap íklad každé t leso, které uvedeme do pohybu, se stává t žší, protože energie, kterou mu dodáváme, p edstavuje p ír stek hmotnosti. Aím v tší rychlostí se pohybuje, tím více jeho hmotnost vzr stá. Nem jte však obavy o své t lesné proporce, protože p i rychlostech, jichž m žeme dosáhnout my, je tento p ír stek úpln neznatelný. I kdybychom se mohli pohybovat rychlostí 42 000 km .s-1, zv tšila by se naše hmotnost pouze o 1 % . K tomu, aby t leso zv tšilo svou hmotnost na dvojnásobek, musí se pohybovat rychlostí 261 000 km . s-1 ! Stejn tak se zv tšuje hmotnost t lesa i p i zah ívání, nebo7 tepelná energie je ur*ována rychlostí kmitavých pohyb *ástic t lesa. P i v tší rychlosti kmitání se zv tšuje hmotnost jednotlivých *ástic t lesa a tím i hmotnost t lesa jako celku. P i ochlazování (kdy se tepelná energie uvol$uje) se hmotnost t lesa naopak zmenšuje. Zm ny energie jsou tedy spojeny vždy se zm nami hmotnosti. Uve]me dále jednotky hmotnosti a energie používané v jaderné fyzice. Jednotka hmotnosti kilogram a jednotka energie joule jsou totiž pro mikrosv t *ástic p íliš velké. Proto z praktických d vod používáme ve sv t atom jako jednotku hmotnosti (ozna*ovanou u) 1/12 hmotnosti neutrálního atomu uhlíku 12/6C, což je p ibližn 1,66 . 10-27 kg (tzv. atomová hmotnostní jednotka). Pro naše úvahy posta*í p edpokládat, že hmotnost *ástice jádra nukleonu je zhruba rovna 1 u. Hmotnost atomu v jednotkách u bude potom p ibližn rovna po*tu nukleon . Nap íklad 235U má hmotnost 235,04393 u, nám sta*í uvažovat hodnotu 235 u. Energii ve sv t atom vyjad ujeme v elektronvoltech - eV. Energii 1 eV získá elektron (s elektrickým nábojem 1,602.10-19 C) p i urychlení elektrickým polem o nap tí 1 V. Aíseln je
1 eV roven 1,602.10-19 J, což je i pro sv t atom jednotka pom rn malá, a proto se používají násobky keV = 103 eV a MeV = 106 eV. V t chto jednotkách odpovídá podle Einsteinova vztahu hmotnosti 1 u energie 931,494 MeV.
Struktura látky
V dob objevu teorie relativity toho nebylo o struktu e látky známo mnoho. P edstava atomu jako základního elementu látky prod lala od 5. stol. p . n.1., kdy ji poprvé vyslovil ecký filozof Demokritos, dlouhý vývoj. Zásadní poznatky p inesl rok 1910, kdy britský fyzik E. Rutherford sestrojil planetární model atomu. Ten pak pozd ji zdokonalil dánský fyzik N. Bohr (1913) a kone*n po objevu neutronu i n mecký fyzik W. K. Heisenberg (1934). Tím samoz ejm vývoj názor na strukturu látky neskon*il, objevily se nové teorie, nová a d mysln jší experimentální za ízení, na kterých se potvrzují p ekvapující p edpov di. Tak jak moderní fyzika proniká stále více do hlubin struktury látky, objevuje se atom stále složit jší. Jak vypadá skute*n elementární *ástice látky? Na tuto otázku nemá fyzika dodnes definitivní odpov ]. P ipome$me si: atom se skládá z nesmírn malého jádra s kladným elektrickým nábojem, kolem n hož obíhají záporn nabité elektrony. Jádro atomu tvo í dva druhy *ástic: kladné protony a neutrální neutrony. Dohromady jim íkáme nukleony (z latinského nucleus = o ech, jádro). Po*et proton v jád e ozna*ujeme Z a po*et nukleon A; po*et neutron je pak A - Z. Konkrétní atom prvku X zapisujeme AZ X. Elektronový obal atomu má p ibližn z desettisíckrát v tší pr m r než samotné jádro. Hmotnost elektronu je asi 1836krát menší než hmotnost nukleonu. To je tak malá hodnota, že ji m žeme p i pozorování hmotnosti atomu zanedbat na elektrony p ipadá mén než 0,05 %. celkové Graf závislosti hmotnosti *ástice na rychlosti. hmotnosti atomu. Prakticky je tedy veškerá Závislost hmotnosti *ástice na rychlosti je hmotnost atomu koncentrována do jádra, které má vyjád ena uvedeným vzorcem. Hmotnost je rovna m0 (klidová hmotnost) jen p i v=0. obrovskou hustotu -1 cm3 "jaderné látky" by vážil P i malých rychlostech 400 milion tun! oproti rychlosti sv tla c je p ír stek hmotnosti Protože je však velikost jádra tak miziv malá oproti rozm ru celého atomu, skládá se látka p edevším z prázdného prostoru.
VAZEBNÁ ENERGIE JADER
nepatrný. P i rychlostech blízkých c již není možno p ír stek hmotnosti zanedbat a musíme s ním po*ítat nap . p i návrhu velkých urychlova* nabitých *ástic.
Jaderné síly
Jakmile se zjistilo, že jádro atomu se skládá z proton a neutron , vznikla otázka, jaké síly drží tyto *ástice pohromad v atomovém jád e.
Stavba atomu - schématický obrázek atomu kyslíku. Tento atom kyslíku má 8 proton , 8 neutron a 8 elektron . Tento izotop má v p írodní sm si zastoupení 99,76 %.
Je z ejmé, že tyto síly nemohou být elektrické, nebo7 dva kladn nabité protony se podle Coulombova zákona odpuzují. Ani p itažlivá gravita*ní síla toho mnoho nezachrání, protože po výpo*tu zjistíme, že je asi 1036krát slabší než odpudivá elektrická. Z ejm jde o nový druh sil, které se nazývají jaderné síly. O vysv tlení jejich podstaty se významn zasloužil japonský fyzik H. Yukawa v roce 1935. P itažlivé jaderné síly jsou asi tisíckrát siln jší než síly elektromagnetické, ale mají velmi nepatrný dosah. Za*ínají p sobit teprve tehdy, když jsou nukleony tak t sn u sebe, že se tém dotýkají. Další vlastností t chto sil je, že jsou nábojov nezávislé. To znamená, že mají stejnou velikost mezi dv ma protony, dv ma neutrony i mezi protonem a neutronem.
Hmotnostní schodek a vazebná energie V roce 1919 sestrojil britský chemik F. W. Aston nový typ hmotnostního spektrografu (p ístroje, kterým se dá zjiš7ovat p esná hmotnost izotop prvk podle jejich pohybu v elektrických a magnetických polích). P i m eních zjistil, že hmotnost atomových jader je o
n co nižší než sou*et hmotností jednotlivých nukleon , které jádra tvo í. Rozdílu mezi ob ma hmotnostmi íkáme hmotnostní schodek jádra. K vysv tlení tohoto poznatku nám sta*í op t vzorec Alberta Einsteina. Atomové jádro je vázaný systém *ástic. P edstavme si, že bychom cht li jádro rozd lit na jednotlivé nukleony. Museli bychom p ekonat soudržnost nukleon vázaných jadernými silami a dodat jim energii. Jestliže však *ástici dodáme energii, vzroste její hmotnost. Volné nukleony musí být tedy t žší než vázaná soustava nukleon . Naopak p i spojení proton a neutron do jednoho jádra snižuje jejich energii práce p itažlivých jaderných sil, dochází k uvoln ní stejn velké energie a k úbytku hmotnosti. Energie volných nukleon je tedy v tší než energie jádra, které z nich složíme, o rozdíl nazývající se vazebná energie. To platí i obecn : každá *ástice ve vesmíru pat í k Názorné vysv tlení hmotnostního n jakému systému (jádro, atom, molekula, krystal, schodku. Volné nukleony jsou t žší planeta ...). Pokud chceme *ástici od systému odd lit, než jádro z nich vytvo ené. Rozdíl musíme jí dodat energii v tší, než kterou je v systému hmotností nazýváme hmotnostní vázána. P ináležitost *ástice k n jakému systému je tedy charakterizována vazebnou energií Ev, kterou schodek. *ástice musí za vstup do systému "zaplatit". P itom sníží svou hmotnost o hodnotu m = Ev . c-2. Podle toho vazebnou energii, jádra chápeme i jako míru jeho stability. Aím je vazebná energie jádra v tší, tím je nesnadn jší rozložit ho na jednotlivé volné nukleony. 5ekn me si ješt pár slov o vazebných energiích atomu a molekuly. Podle p edchozího výkladu bude vazebná energie atomu Eva energie pot ebná k odd lení elektronového obalu od jádra atomu a vazebná energie molekuly Evm energie pot ebná k odd lení jednotlivých atomu molekuly od sebe. O jak velké hodnoty energie jde? M ením a výpo*ty byly získány následující výsledky: Vazebná energie jader je velká, pohybuje se od 2,22 MeV (pro deuteron -jádro t žkého vodíku 2/1H) až po 1800 MeV (pro t žká jádra). Vazebná energie atomu nep evyšuje 0,12 MeV, vazebná energie elektronu v atomu vodíku je 13,6 eV. Vazebná energie atom v molekulách je pouze n kolik eV.
Lze tedy uvolnit alespo$ malou *ást obrovské klidové energie látky, která je soust ed na v jádrech atom - jaderné energie? Pokusy a pozorování krátce po objevení radioaktivity v roce 1896 ukázaly, že se p i rozpadu nestabilních (radioaktivních) atom uvol$uje energie. Množství energie, které získáme p i radioaktivním rozpadu; je však pro praktické využití bezvýznamné. Nap íklad p irozeným rozpadem jednoho kilogramu radia se uvolní p ibližn tolik energie, kolik odpovídá spálení
60 tun uhlí. Rozpad však probíhá velmi pomalu polovina ur*itého po*áte*ního množství radia se rozpadne teprve za 1620 let. Vra7me se nyní ješt jednou k F. W. Astonovi. Jeho p esná m ení na hmotnostním spektrografu ukázala, že vazebná energie je u jader jednotlivých prvk a jejich izotop r zná. Je z ejmé, že *ím více nukleon je v jád e, tím v tší bude vazebná energie. Závislost vazebné energie na po*tu nukleon v jád e však není lineární. Odchylku zp sobují efekty související jak se strukturou jader, tak i s elektrostatickým odpuzováním kladn nabitých proton . Zobrazíme si graficky st ední vazebnou energii (tj. vazebnou energii p ipadající na jeden nukleon) v závislosti na po*tu nukleon . Na tomto grafu lépe vyniknou všechny odchylky od lineárního pr b hu hodnoty st ední vazebné energie nejprve rychle rostou od 0 (pro A=1) do 8 MeV (pro A=16), pak jsou zhruba stejn velké s maximem o hodnot 8,6 MeV (pro A=60, tj. 58Fe, 62Ni) a nakonec pomalu klesají do 7,6 MeV pro nejt žší jádra. Skute*nost, že t žká jádra jsou mén stabilní, je t eba vztáhnout k tomu, že p i zvyšování po*tu nukleon sice p itažlivé jaderné síly v jád e nar stají, ale p sobí pouze mezi sousedními nukleony. Odpudivé síly mezi protony rovn ž nar stají, p sobí však mezi všemi protony. Tím se vazba mezi *ásticemi pon kud uvolní. Nejd ležit jším záv rem je však Graf závislosti st ední vazebné energie pro nás možnost využití jaderné na nukleonovém *ísle A. energie: z grafu plyne, že jadernou energii m žeme uvol$ovat dv ma zp soby št pením (viz konec grafu) a slu*ováním (viz za*átek grafu).
Št pení První možností je št pení t žkých jader na st edn t žká. Podle grafu jsou produkty št pení stabiln jší a celková vazebná energie (která se uvolní p i jejich vzniku) je v tší než vazebná energie t žkého jádra. Proto mohou t žká jádra št pením p echázet do stavu s nižší klidovou energií a p itom se uvol$uje pom rn velká energie ve form kinetické energie produkt št pení kladn nabitá jádra jsou svým elektrickým polem odmršt na od sebe a p i zabrzd ní t chto *ástic v palivu, moderátoru a v ostatních *ástech reaktoru p ejde jejich kinetická energie postupn až na energii kmit atom a molekul, tedy do formy tepelné energie. Z grafu vidíme, že se p itom uvolní asi 1 MeV na nukleon. P i jednom procesu št pení t žkého jádra
se tak uvolní okolo 200 MeV, což je podle Einsteinova vztahu v jednotkách u asi 200/931,494 = 0,21 u. Z kapkového modelu atomových jader plyne, že št pení je energeticky výhodné, jeli parametr št pení Z2/A > 17. Tato podmínka je spln na pro všechna jádra t žší než Ag. Prakticky je však št pení možné pouze pro jádra s A > 230 (Th, U, Pu). Nejv tší pr myslový význam má v sou*asné dob št pení jader uranu 235U v lehkovodních reaktorech. Jaká *ást klidové energie se uvolní? Tento podíl jednoduše spo*ítáme, vyjád íme-li klidovou hmotnost uranu v jednotkách u. S jistou chybou lze hmotnost nukleonu považovat za 1 u. Pak 235 U má hmotnost asi 235 u. Uvoln ná klidová energie 0,21 u/235 u = 8,9.10-4 odpovídá asi 0,1 % klidové energie 235U.
Slu ování Druhou možností, jak získat energii, je slu*ování velmi lehkých jader na jádra t žší (termojaderná syntéza). Z našeho grafu je z ejmé, že slou*ením dvou lehkých jader (nap . 2 /1H a 3/1H) s nízkou vazebnou energií vznikne stabilní jádro s vysokou vazebnou energií. Jejich rozdíl se p itom uvolní. Reakci m žeme chápat tak, jakoby útvar složený p vodn ze dvou jader p ešel do nižšího energetického stavu. Z pr b hu grafu st ední vazebné energie je z ejmé, že p i slu*ování lehkých jader se m že získat až n kolikanásobn více energie na nukleon než v p ípad jaderného št pení. Reakce jaderné syntézy jsou základními procesy uvol$ování energie na Slunci a ve hv zdách.
Schéma jaderného slu*ování (fúze). Znázorn ná reakce probíhá velmi rychle. Tuto reakci budou pravd podobn využívat první energetické termojaderné reaktory. P i jaderném slu*ování se uvol$uje až 1% klidové energie interagujících *ástic.
PROCESY VE SKUTE#NÉ JADERNÉ ELEKTRÁRNF. PALIVO V palivu jaderného reaktoru, jímž bývá oxid urani*itý, sm s oxid uranu a plutonia nebo plutonium, probíhá št pná reakce. Jádro atomu št pitelného prvku (uranu, thoria, plutonia) se m že po nárazu letícího neutronu za p íznivých okolností rozšt pit. Vzniknou dv nová jádra št pné produkty a dva až t i nové neutrony. Št pné produkty mají velmi vysokou kinetickou energii, narážejí do okolních jader a oh ívají tak prost edí. Tím vzniká vysoká teplota, kterou m žeme energeticky využít. Nové neutrony letí dál a mohou št pit další jádra. Rozb hne se et zová reakce, základ jaderné energetiky. V reaktoru mohou probíhat i jiné reakce, nap íklad: •
•
•
Radia*ní záchyt - jádro pohltí p ilétající neutron a získá tak energii, kterou m že *áste*n vyzá it ve form zá ení gama. Touto reakcí *asto reaguje jádro izotopu uranu 238, kterého v palivu bývá více než 90 %. Rozptyl neutronu - neutron se po nárazu na jádro odrazí a letí dál jiným sm rem. Tak *asto reagují jádra uranu s neutrony o vysoké energii. Záchyt neutronu - jádro jiného prvku než uranu neutron pohltí. Materiál ú*inn pohlcující neutrony se nazývá absorbátor. Dobrými absorbátory jsou nap íklad bór nebo kadmium.
Ze života jednoho neutronu.
V reaktoru probíhá ješt mnohem více jiných reakcí, energeticky využít však m žeme pouze spolehliv ovládané a ízené št pení . P ibližme si zjednodušen osud jednoho neutronu v reaktoru VVER, jaké pracují u nás. Izotop uranu 235 se i v p írod samovoln št pí na dv leh*í jádra a jeden nebo více volných neutron . Neutrony ze samovolného št pení by však v reaktoru nesta*ily spustit et zovou reakci. K nastartování reaktoru se používá vn jší neutronový zdroj. Neutron, který za*neme sledovat, má vysokou energii. Pravd podobnost, že p i svém letu rozšt pí jádro izotopu uranu 235 je malá, spíše se p i srážce s ním jen odrazí, jako by se odrazil mí*ek od zdi. Neutron se od jader odráží, aniž by jim p edal *ást své velké energie, pouze m ní sm r letu. Aby mohl jádra št pit, musíme ho zpomalit. Nejlépe se neutron zpomalí srážkou s jádrem, které je p ibližn stejn velké, tedy nap . s jádrem atomu vodíku, které tvo í jediný proton. Reakci si pak m žeme p edstavit jako srážku dvou kule*níkových koulí. Látce, která zpomaluje neutrony, se íká moderátor.
Rychlý neutron se zm nil na pomalý neutron. Ten op t naráží na jádro uranu 235. Tentokrát se už ale neodrazí. S vysokou pravd podobností jádro rozšt pí nastává et zová št pná reakce. Aby se reakce nemohla rozvíjet živeln a nekontrolovan , je v reaktoru absorbátor, který p ebyte*né neutrony pohlcuje. Popsali jsme si osud neutronu v tzv. pomalých reaktorech, které jsou na sv t nejrozší en jší. Št pným materiálem v palivu t chto reaktor je izotop uranu 235. Pro tento izotop je totiž charakteristický r st pravd podobnosti št pení s poklesem rychlosti (energie) neutron . 5ÍZENÁ 5ETfZOVÁ REAKCE Podle pr b hu et zové št pné reakce rozlišujeme v reaktoru t i základní stavy: •
•
•
V podkritickém stavu je hustota absorbéru tak vysoká, že neutrony vznikající p i št pné reakci jsou pln pohlcovány a nemohou vyvolávat št pení dalších jader. 5et zec št pné reakce je p etržen, reakce zaniká. V praxi se takový stav v jaderném reaktoru vytvo í zavedením regula*ních a havarijních ty*í s absorbérem do aktivní zóny reaktoru . D lá se to v p ípadech, kdy chceme snížit výkon reaktoru nebo ho odstavit z provozu. P i kritickém stavu je hustota (po*et vložených ty*í) absorbéru a paliva taková, že ze dvou až t í neutron vzniklých p i št pení paliva vždy jen jeden vyvolá další št pnou re akci. V takovém p ípad pak et zová reakce stále pokra*uje - nerozr stá se, ani nezaniká. Tomuto stavu odpovídá b žný provoz reaktoru p i stálém výkonu. Nastane-li nadkritický stav, št pná jaderná reakce roste, nebo7 roste i po*et neutron št pících jádra. Takový stav je nutný pro zvýšení výkonu reaktoru
1. Podkritický stav et zové št pné reakce, 2. Kritický stav et zové št pné reakce, 3. Nadkritický stav et zové št pné reakce
REAKTOR Aby reaktor úsp šn fungoval, musíme do n ho dát palivo, moderátor, absorbátor a chladivo, které bude odvád t teplo vzniklé p i št pení jader. Podle druhu a konfigurace (sestavení) t chto komponent se reaktory rozd lují na mnoho r zných typ .
Palivo bývá tvo eno palivovými proutky. Malé tabletky paliva se poskládají na sebe, *ímž vytvo í proutek o pr m ru asi 9 mm. Svazek t chto proutk tvo í palivovou kazetu. U reaktoru typu VVER 1000 se nap íklad v šestibokých palivových kazetách vkládá do reaktoru p es 47 tisíc proutk , v každé kazet je jich 317. Aást reaktoru, do které se vkládá palivo a kde také probíhá št pná reakce, se nazývá aktivní zóna. Palivové proutky jsou chrán né povlakem ze speciální slitiny, nej*ast ji na bázi zirkonia, která zaru*í p edání tepla z paliva chladivu a zárove$ nepropustí radioaktivní št pné produkty. U n kterých typ reaktor je palivo ve form koulí, které se voln spouští do aktivní zóny.
1. Pohon svazkové ídící ty*e 2. Víko tlakové nádoby reaktoru 3. Vývody vnitroreaktorového m ení 4. Ochranná trubka svazkové ty*e 5. Palivové kazety 6. Pláš7 aktivní zóny 7. Tlaková nádoba reaktoru
Moderátorem bývá u reaktoru, kde št pení obstarávají pomalé neutrony, nej*ast ji voda, ale také grafit nebo t žká voda (D2O). U reaktor , které pracují na bázi rychlých neutron (tj. št pitelným izotopem je uran 238 nebo plutonium), moderátor chybí. Absorbátor se do aktivní zóny vkládá také ve form ty*í, podobn jako palivo. Palivové kazety n kdy mívají dv *ásti - v dolní je palivo, v horní absorbátor. Výkon reaktoru se pak reguluje výškou vytažení nebo zasunutí kazet do aktivní zóny. Pro p ípad okamžitého zastavení výkonu reaktoru jsou p ipraveny havarijní ty*e. V nich bývá mnohem vyšší koncentrace absorbátoru než v ty*ích regula*ních.
Havarijní ty*e jsou vysunuty nahoru nad aktivní zónu, kde drží pomocí elektromagnet . V p ípad pot eby havarijní signál vypne elektromagnety a ty*e spadnou volným pádem do aktivní zóny, *ímž št pnou reakci zastaví. U n kterých reaktor se dokonce ty*e do aktivní zóny vst elují, takže jejich zásah je ješt rychlejší. Chladivem je médium, které odvádí teplo. P i št pení jader odletují nová jádra (št pné úlomky), narážejí do okolních jader a svou kinetickou energii tak zp sobují zah ívání okolí. Teplonosné médium odvádí toto teplo tam, kde ho m žeme využít. Št pící se materiál je pot eba neustále ochlazovat, aby nedošlo k roztavení povlaku na palivovém proutku a úniku št pných produkt . Jako chladivo se nejlépe osv d*uje oby*ejná voda, t žká voda, oxid uhli*itý, helium, sodík a n které soli nebo slitiny. Reaktory mívají jeden nebo více chladicích okruh . Nejjednodušší schéma jaderné elektrárny je jednookruhové. P ímo v reaktoru se varem vody vytvo í pára, která se vede k turbín . Zde koná užite*nou práci a po ochlazení v kondenzátorech se vrací zp t do reaktoru. Celý cyklus se stále opakuje. Je to velmi jednoduchý postup, ale má jednu nevýhodu voda z reaktoru m že být radioaktivní, m že s sebou nést stopová množství aktivovaných korozních pro dukt . S touto vodou se dostává do styku velká *ást strojního vybavení elektrárny, hlavn turbína, kondenzátory a *erpadla. Proto se ten to zp sob u nových generací elektráren již neužívá.
Ve v tšin zemí, v*etn Aeské republiky, se provozují dvouokruhové elektrárny. Voda z reaktoru koluje v tzv. primárním okruhu. Trubky primárního okruhu procházejí vým níkem, tzv. parogenerátorem, kde oh ívají vodu sekundárního okruhu. Teprve v n m vzniká pára, která se vede k turbín a do kondenzátor . Sekundární chladicí okruh v bec nep ijde do styku s reaktorem. N které elektrárny se speciálními typy reaktor užívají dokonce t íokruhové schéma provozu. Jsou to nap íklad rychlé množivé reaktory, využívající jako chladivo v primárním okruhu tekutý kov. BEZPEANOST JADERNÝCH ELEKTRÁREN P i provozu jaderných elektráren je bezpe*nost základním a prvo adým požadavkem. Vznikající radioaktivní materiál a radioaktivní zá ení se nikdy nesmí dostat do vn jšího prost edí a ohrozit personál elektrárny nebo dokonce obyvatelstvo v blízkém i dalekém okolí. Jaderná elektrárna musí odolat zem t esení i jiným živelním pohromám, pádu letadla, teroristickým útok m, technickým závadám i selhání obsluhy. Ze základních opat ení pro zajišt ní radia*ní bezpe*nosti jaderných elektráren jsou nejvýznamn jší bariéry jaderných elektráren a autoregulace reaktoru. Bariéry jaderných elektráren První bariéra spo*ívá už v samé struktu e jaderného paliva. Krystalická struktura nej*ast ji používaného oxidu urani*itého UO2 má sama schopnost udržet p i normálním provozu reaktoru 99 % vznikajících radioaktivních št pných produkt . Druhou bariérou je hermetický obal palivové ty*e. Jeho úkolem je zachytit zbylé asi 1 % plynných produkt št pení. Dokonce ani p i porušení hermeti*nosti palivové ty*e není ohrožena radia*ní bezpe*nost v primárním okruhu elektrárny. T etí bariérou je vlastní reaktorová nádoba, která je dostate*n pevná, a hermeticky Bariéry reaktoru PWR. uzav ený primární okruh. tvrtou bariéru tvo í tzv. ochranná obálka neboli kontejnment. P estože selhání všech už zmín ných t í bariér je velmi nepravd podobné, je pro další zvýšení bezpe*nosti prostor primárního okruhu moderních jaderných elektráren uzav en pod ochranný železobetonový obal - kontejnment. Tato ochrana je budována i na naší elektrárn v Temelín . Autoregulace reaktoru Dalším významným prvkem zaru*ujícím bezpe*nost jaderné elektrárny je princip autoregulace reaktoru. Autoregulace je schopnost reaktoru omezit náhlé zm ny výkonu automaticky i bez využití regula*ních orgán . Pokud dojde k neo*ekávanému zvýšení výkonu reaktoru, autoregulace vrátí výkon k p vodním provozním hodnotám. Vývoj reaktor sm uje práv k t mto typ m s tzv. inherentní (vnit ní) bezpe*ností.
VYHO5ELÉ PALIVO V palivu jaderných elektráren št pnou reakcí vzniká ada prvk , dá se íci, že skoro celá Mend lejevova tabulka. Vyho elé palivo bývá považováno za odpad, ale již dnes je jasné, že tento odpad se brzy m že stát cenným zdrojem surovin nebo palivem pro jiný typ elektrárny. Aást vyho elého paliva se p epracovává zp t na klasické jaderné palivo. Vysokoaktivní odpady, které zbudou po p epracování vyho elého jaderného paliva, nebo samotné vyho elé palivo, které se (zatím) nebude nijak zpracovávat, se uloží hluboko pod zem. Je to nejbezpe*n jší zp sob, jak s ním naložit. Ve sv t se hlubinná úložišt již budují a existují projekty na nové zajímavé metody. P ed únikem radioaktivních látek do biosféry chrání n kolikanásobné d myslné bariéry. Sama p íroda nám však podává d kaz, že zcela posta*uje ta nejp irozen jší z nich - hornina.
Co obsahuje vyho elé palivo? Vyho elé palivo z jaderných reaktor tvo í mén než 1 % objemu všech jaderných odpad na sv t , avšak obsahuje p es 90 % veškeré radioaktivity. Jeden reaktor s výkonem kolem 1000 MW produkuje ro*n kolem 30 tun vyho elého paliva. Protože palivo má vysokou hustotu, p edstavuje to objem jen asi 1,5 m3. Palivo vy$até z reaktoru obsahuje stále ješt 95 % nespot ebovaného uranu, z toho 1 % št pitelného 235U a 1 % št pitelného izotopu plutonia 239 Pu. Ostatní št pné produkty, které dnes považujeme za odpad, tedy p edstavují jen asi 1 200 kg. Hlavní podíl radioaktivity nesou mezi t mito št pnými produkty cesium 137Cs a stroncium 90Sr, oba s polo*asem rozpadu kolem 30 let. V d sledku radioaktivního rozpadu vyho elé palivo postupn ztrácí radioaktivitu a *etné radioizotopy p echázejí na neaktivní prvky, jejichž odd lení z odpadu by v budoucnu mohlo být zajímavé. Je to nap . platina, ruthenium, rhodium, paladium, st íbro, prvky vzácných zemin atd.
Jak se zm ní jaderné palivo po "vyho ení" v reaktoru. Palivové *lánky pro tlakovodní reaktory jsou pokryty obalem z vysoce odolné slitiny zirkonia, která je mnohem odoln jší než nap íklad nerezav jící ocel. Palivové *lánky v reaktoru musely vydržet teploty kolem 300 ° C a tlak p es 12 MPa, snadno tedy odolají mnohem mírn jším podmínkám p i skladování a další manipulaci. Vyho elé *lánky se z reaktoru vyjmou a pod hladinou vody kanálem p evezou do bazénu vyho elého paliva, který je v reaktorové hale vedle reaktoru. Tam jsou pod vodou uloženy asi 3 až 4 roky. Voda je neustále chladí, protože radioaktivním rozpadem se v nich stále vyvíjí teplo. Jejich radioaktivita klesne mezitím asi na 50 % p vodní hodnoty. Vyho elé *lánky se pak vloží do speciálních kontejner a odvezou do meziskladu vyho elého paliva. Zde se skladují ádov n kolik desítek let.
Co s vyho elým palivem? Zatím jedinou možností, jak odstranit dlouhodobé radionuklidy, je po*kat, až se rozpadnou na neradioaktivní nuklidy. Toto *ekání bude trvat statisíce let a po celou tuto dobu musíme zajistit, aby se nemohly dostat do biosféry. Metody, kterými toho lze dosáhnout, byly náro*ným výzkumem objeveny,jsou známé a proveditelné. Požadavku na odd lení radioaktivních odpad od biosféry nejlépe vyhovuje jejich znehybn ní v r zných druzích skla, keramických materiál nebo bitumenu a jejich trvalé uložení ve speciálním hlubinném úložišti s adou ochranných bariér. Druhou možností, jak s odpady naložit, je jejich p epracování.
VODNÍ ELEKTRÁRNY Zatímco energie vodního kola byla využívána pro velmi pestrou paletu nejr zn jších lidských *inností, moderní vodní turbíny nacházejí své uplatn ní tak ka výhradn p i výrob elektrického proudu. Vodní síla nám dokáže vyrobit elektrický proud vlastn zadarmo ovšem jen tehdy, když náklady na výstavbu elektrárny a p edevším vodního díla zaru*ujícího pro elektrárnu dostate*ný a soustavný p ívod vody nejsou p íliš vysoké. Proto se "vodní" elektrické energie využívá p edevším v oblastech prudkých tok s velkými spády, které jsou pro tento ú*el nevýhodn jší. A tak jsou na tom dob e t eba v hornatém Švýcarsku nebo v Norsku. Ideální by vlastn bylo stav t vodní elektrárny na vodopádech. Proto také jedna z prvních byla vybudována na Niagarských vodopádech. Technicky je provedena tak, že nad vodopády je voda (samoz ejm jen její malá *ást) odvád na potrubím do elektrárny pod vodopády. K pohonu turbín je tu tedy p evážn využíván zna*ný spád daný rozdílem výšek. Z celkové energie vodopád je využíván jen zlomek, nedá se však p edpokládat, že by to bylo v budoucnu lepší. Ani Ameri*ané, ani Kana]ané by si asi nenechali sv j nejslavn jší vodopád spoutat do potrubí. U nás nejsou p írodní pom ry pro budování vodních energetických d l p íliš p íznivé. Naše toky nemají pot ebný spád a dostate*né množství vody. To lze n kdy docela d mysln obejít. Nap íklad v jedné bývalé šacht zlatých dol v Kremnici na Slovensku byly instalovány turbíny a voda na n byla vedena z povrchové nádrže potrubím o spádu skoro 250 metr . Protože voda se z šachty na povrch musela op t vy*erpat elektrickými *erpadly, vznikal zdánliv nesmyslný koloto*. Jeho ú*elnost však spo*ívala v tom, že turbíny pracovaly v dob velké spot eby elektrického proudu, ve "špi*ce", a naopak voda se vy*erpávala v noci, kdy bylo energie dostatek. Práv jsme si vysv tlili princip tzv. p e*erpávacích (špi*kových) elektráren. Podobných bylo na našem území postaveno n kolik, ne v dolech, ale na povrchu, kde se voda spouští a zase p e*erpává do dvou v r zných výškách postavených nádrží. Takováto elektrárna pracovala nap . pod Aerným jezerem na Šumav , u Pastvin na Divoké Orlici atd. K nejznám jším asi dodnes pat í elektrárna na p ehrad ve Št chovicích na Vltav . Moderními p e*erpávacími elektrárnami jsou nap . Dalešice a elektrárna Dlouhé Strán . V Aeské republice se v minulých desetiletích stav ly spíše vodní elektrárny na mohutných údolních p ehradách, nap . na Vltav . P sobily impozantn , jejich energetický význam je však problematický. Obrovské náklady na výstavbu, tisíce hektar zatopené zem d lské p dy a mnohdy i nep íznivý vliv na klima nem že vyvážit energetické zisky z takovýchto staveb. To platí samoz ejm nejen u nás, ale všude ve sv t . Získávat vodní energii tímto zp sobem má smysl jen tehdy, když podobná vodohospodá ská díla mají zárove$ i jiné ú*ely - umož$ují splavnost ek, chrání p ed povodn mi, slouží k zavlažování nebo jako rezervoáry pitné *i užitkové vody.
VODNÍ TURBÍNY Vodní kolo bylo výsledkem geniálního nápadu a dokonalého emeslného zpracování na základ dlouholetých zkušeností. Dosáhlo svého vrcholu a nastal *as, kdy se nedalo zlepšit.
Nový kvalitativní skok ve využití vodní síly p inesly až turbíny, výsledek v deckého bádání a p esných výpo*t v oboru zvaném hydromechanika. Její zákony první popsal a matematicky stanovil francouzský fyzik Daniel Bernoulli. Z jeho teoretických prací pak vyšel profesor göttingenské univerzity Jan A. Segner a sestavil pravzor turbíny - Segnerovo kolo. Segnerovo kolo má velmi jednoduchý princip - dutým h ídelem se žene voda pod vysokým tlakem do trysek, z kterých tryská ven a podle zákona akce a reakce roztá*í systém. Nep ímým pokra*ovatelem Segnerových snah se stal francouzský inženýr B. Fourneyron. Vystudoval hornickou školu, kde poslouchal p ednášky profesora Burdina o hydrodynamice a vodních kolech, tehdy v hornictví velmi rozší ených. Fourneyron vyšel ze zajímavé myšlenky, že základem pro dokonalejší vodní motor nebude výkonn jší svislé vodní kolo, ale naopak kolo vodorovné. V tom se shodoval se R zné typy Segnerova kola. svým u*itelem Burdinem, který dokonce p edložil francouzské Akademii spis o vodních kolech spolu s návrhem dokonalejšího ešení, jež nazval turbínou podle latinského turbo = kroužiti. Burdinovo ešení bylo zajímavé, ale konstruk*n jen nazna*ené. A práv v této chvíli vstoupil do hry Fourneyron. Postavil malou pokusnou turbínku o výkonu pouhých 6 ks (podle tehdejších m ení), ale co bylo d ležit jší m la ú*innost plných 80 %, což je *íslo, o kterém se žádnému vodnímu kolu nem že ani snít.
Ob žné kolo Kaplanovy turbíny (vlevo zav ené, vpravo otev ené). Typy vodních turbin Fourneyron dal sv tu nový, vysoce ú*inný, ekologicky neškodný a prakticky zadarmo fungující motor. Vývoj se však samoz ejm nezastavil. Fourneyronova turbína byla radiální to znamená, že voda protékala ob žným kolem turbíny ve sm ru jeho polom ru. Brzy se objevily i turbíny axiální, ve kterých voda protéká ve sm ru osy. Další rozhodující slovo ve vývoji turbín vyslovil anglický konstruktér, žijící v USA, J.B. Francis. P i konstrukci použil na svou dobu velice moderní metodu modelování. Ironií osudu mu to p ineslo velké obtíže. Jeho turbíny m ly sice vynikající parametry, nedaly se však matematicky vyjád it. A to bylo pro konzervativní evropské v dce záminkou k jejich odmítnutí. Praktické výsledky však brzy prokázaly, že lepší turbíny neexistují, a tak se za*aly rychle ší it i v dosud skeptické Evrop .
Také další konstruktér turbín pocházel z Ameriky. Jmenoval se Pelton a postavil turbínu bez rozvád cího kola. Vodu na lopatky (ve tvaru zvláštních misek) p ivád jí trysky. Také tuto pon kud netradi*ní turbínu (nazývá se Peltonovo kolo) evropští hydrotechnici zprvu zavrhli. Brzy se však prokázalo, že na malých tocích, které ale mají velký spád, je nenahraditelná. Porovnávat kvalitu turbín je totiž ošidné. Nedá se jednozna*n íci, která je lepší a která horší. Všechno totiž záleží na typu vodního toku, který má turbínu pohán t. Práv konkrétním podmínkám je t eba konstrukci turbíny p izp sobit. Zkušenosti a praxe tak nakonec prokázaly, že pro prudké horské eky je nejvýhodn jší Peltonova turbína, pro dolní toky s malými spády jsou lepší turbíny Francisovy. Ty m ly však jednu nevýhodu. Jejich otá*ky byly p íliš nízké, takže generátor na výrobu elektrického proudu k nim musel být p ipojován p es složité p evody, což zna*n snižovalo celkovou ú*innost. Tento problém vy ešil až profesor n mecké univerzity v Brn Viktor Kaplan. Po dlouhých pokusech postavil vhodnou rychlob žnou turbínu pro malé spády. Ani on však nebyl ušet en obrovských potíží a útok z odborných kruh . Kritiky se nakonec vystup$ovaly do takové intenzity, až se p epracovaný Kaplan zhroutil. Ale to již m la jeho turbína adu stoupenc , mimo jiné i mezi jeho *eskými spolupracovníky. Netrvalo dlouho a vydala se na vít zné tažení sv tem. Dnes jich po celém sv t pracují stovky *i tisíce. Výrazným znakem Kaplanových turbín je možnost nastavování lopatek rozvád cího i ob žného kola podle pr to*ného množství. Aby nedocházelo k ví ení vody, které ohrožuje hladký chod turbíny, má ob žné kolo Kaplanovy turbíny jen *ty i lopatky. Pro* jsou vlastn turbíny o tolik výhodn jší než vodní kola? Odpov ] je jednoduchá - mají mnohem v tší ú*innost, to znamená, že dokáží využít ze stejného vodního toku mnohem více energie. Zatímco vodní kola získají z energie skryté ve vodním proudu asi 30 % k užite*né práci, ú*innost turbín je až 90 %. Pat í k nejú*inn jším motor m v bec. Je to proto, že zatímco vodní kola zužitkují pouze ráz (tlak vody, její.polohovou energii) na lopatky, v p ípad kola na svrchní vodu i její hmotnost, turbíny zužitkují pohybovou energii vody, Navíc voda v turbín p sobí sou*asn na všechny lopatky, u vodního kola jen na pom rn malou *ást jeho obvodu. V principu mají turbíny rovn ž ob žné kolo s Bánkiho turbína. lopatkami. Voda jím však protéká pln , na jedné stran ob žného kola do lopatek vstupuje, na druhé vychází. V tšina turbín má navíc ješt rozvád cí kolo, které je pevné, neotá*í se a slouží k p ivád ní vody na lopatky ob žného kola. Zaru*uje vlastn , aby voda na lopatky p icházela v tom nejoptimáln jším sm ru. Velmi d ležité je zak ivení lopatek obou kol, ur*ované podle náro*ných hydrodynamických výpo*t nebo pomocí modelování. Rozvád cí kolo bývá v n kterých p ípadech nahrazeno n kolika tryskami. Otá*ející se h ídel ob žného kola pak m že p ímo pohán t pracovní mechanismus. Nej*ast ji to bývá generátor pro výrobu elektrického proudu. Podle zp sobu práce se moderní turbíny d lí na rovnotlaké a p etlakové. V rovnotlakých turbínách z stává tlak vody stále stejný - to znamená, že voda vychází z turbíny pod stejným tlakem, pod jakým do ní vstupuje. P íkladem je Peltonovo kolo, nejvýhodn jší pro toky s
malým pr tokem vody, ale s velkým spádem. Takové podmínky nalézáme nej*ast ji v horských oblastech.
Francisova turbína.
U p etlakových turbín vstupuje voda do ob žného kola s ur*itým p etlakem, který p i pr toku turbínou klesá. P i výstupu z turbíny má tedy voda nižší tlak než p i vstupu do ní. Práv takhle pracují Francisovy turbíny, vhodné pro st ední spády. Pro malé výkony na malých spádech jsou vhodné horizontální turbíny, pro malé spády a velké výkony se stav jí vertikální turbíny. Vývoj Francisových turbín ješt není ukon*en. Dosahují výkon až 250 MW, jsou však schopny i 1000 MW a více. Pro nejmenší spády a velký pr tok vody - to znamená pro elektrárny na p ehradních jezerech dolních tok velkých ek - se jako nejvýhodn jší ukazují Kaplanovy turbíny.
Tam, kde by bylo nehospodárné p ivád t elektrický proud z velkých vzdáleností, nebo dokonce stav t velké vodní elektrárny, dob e slouží miniaturní vodní turbíny. Sta*í jim pom rn malé množství vody, nevelký spád a jednoduché stavební vybavení. Jejich výkony se pohybují od 5 kW výše.
NETRADI#NÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
SLUNCE A ELEKTJINA Zdrojem užívané elektrické energie jsou v tšinou fosilní paliva (p edevším uhlí) tedy dávná slune*ní energie zachycená fotosyntézou. Ale i ve vodních a v trných elektrárnách je zdrojem slune*ní energie, nep ímo skrytá v síle vodních tok a v tr . Elekt inu lze získat ze slune*ní energie r znými zp soby, p ímo i nep ímo. 1. P ímá p em na využívá fotovoltaického jevu. Je to jev, p i kterém se v látce p sobením sv tla (foton ) uvol$ují elektrony. Tento d ležitý jev m že nastat v n kterých polovodi*ích (nap . k emíku, germaniu, sirníku kadmia aj.) Fotovoltaický *lánek je tvo en nej*ast ji tenkou desti*kou na ezanou z monokrystalu k emíku. Lze použít i polykrystalický materiál, nebo7 získání monokrystalu je pracné a nákladné. Desti*ka je z jedné strany obohacena atomy trojmocného prvku (nap . bóru) a z druhé strany atomy p timocného prvku (nap . arzenu). Když na desti*ku dopadnou fotony, uvol$ují se záporné elektrony a po nich zbývají kladn nabité "díry". P iložíme-li na ob strany desti*ky elektrody a spojíme je drátem, za*ne protékat elektrický proud. Jeden cm2 dává proud kolem 12 mW (miliwatt ). Jeden m2 slune*ních *lánk m že dát v letní poledne až 150 W stejnosm rného proudu. Slune*ní *lánky se zapojují bud' za sebou (sériov ), abychom dosáhli pot ebného nap tí (na jednom *lánku je 0,5 V), nebo vedle sebe (paraleln ), abychom získali v tší proud. Spojení mnoha *lánk vedle sebe a za sebou se nazývá slune*ní panel. Na družicích nebo kosmických lodích dodávají pot ebnou energii pro všechny p ístroje na palub práv takové panely.
2. Nep ímá p em na je založena na získání tepla. Teplo získáváme snadno pomocí slune*ních sb ra* . V ohnisku sb ra* umístíme termo*lánky, které m ní teplo v elekt inu. Zmi$me se o p ímých p em nách tepla v elekt inu: termoelektrické a termoemisní. Termoelektrická p em na spo*ívá na tzv. Seebeckov jevu. V obvodu ze dvou r zných drát vzniká elektrický proud, jestliže jejich spoje mají r znou teplotu. Takové jednoduché za ízení ze dvou r zných drát spojených na koncích se nazývá termoelektrický *lánek. Jeho ú*innost závisí na vlastnostech obou kov , z nichž jsou dráty vyrobeny, a na rozdílu teplot mezi teplým a studeným spojem. V tší množství termoelektrických *lánk vhodn spojených se nazývá termoelektrický generátor. Teplo pro zah ívání teplého spoje se získává ho ením fosilních paliv nebo z radioaktivních látek *i ze slune*ního zá ení. P i využívání slune*ního zá ení se teplý spoj umístí v ohnisku fokusa*ního sb ra*e. Studený spoj m že být ve vod *i v p d .
Alov k p em $uje energii slune*ního zá ení v jiné pot ebné formy energie, a to bu] p ímo (vlnovka), nebo nep ímo (*áry). Slune*ní zá ení m žeme m nit v energii Fotovoltaické elektrárny chemickou, tepelnou, elektrickou a Na plochu velikou 1 m2 a vodorovn položenou dopadá u nás mechanickou. p ibližn 1200 kWh slune*ní energie za rok. Na stejn velkou plochu nad zemskou atmosférou a postavenou kolmo ke slune*ním paprsk m dopadá ro*n 12 000 kWh, tedy 10x více než k nám. V kosmickém prostoru se nest ídá den a noc, nejsou žádná oblaka, slune*ní zá ení není ni*ím zeslabováno. Napadá nás proto otázka, zda by bylo možné sbírat slune*ní zá ení mimo zemskou atmosféru, p em nit je tam v elektrickou energii a tu pak posílat na povrch Zem . Kam v prostoru umístit takovou slune*ní elektrárnu, aby nespadla na Zemi nebo neodlet la pry* do vesmíru? Ve výšce 200 km je rychlost družice 8 km/s. Zemi ob hne jednou za p ldruhé hodiny. Nás zajímá, v jaké výšce ob hne družice Zemi práv za 24 hodiny. Vypo*teme, že je to ve výšce 36 000 km nad zemským povrchem. To znamená, že ve výšce 36 000 km ob hne družice Zemi za 24 hodiny - to je za stejnou dobu, za kterou se Zem oto*í lx kolem své osy. Umístíme-li tedy družici do vzdálenosti 36 000 km nad zemský rovník, bude stále nad stejným místem, jako by tam "visela". Takové družici se íká geostacionární (tj. stojící nad ur*itým bodem zemského povrchu). Um lé družice jsou ve stavu beztíže a to má dvojí význam: um lá družicová elektrárna m že mít velikost mnoha kilometr *tvere*ných a lze ji snadno natá*et tak, aby byla stále kolmo ke slune*ním paprsk m. Družicová elektrárna nebude konstruována na Zemi, ale v kosmickém prostoru ve stavu beztíže, ve výšce nad 200 km a odtud pak bude vynesena do vzdálenosti 36 000 km nad rovník. P i konstrukci družicové elektrárny bude tedy celé "staveništ " i s materiálem a montéry létat kolem Zem v beztížném stavu, nebo7 jen tak se dají zkonstruovat rozsáhlé panely pro fotovoltaickou p em nu. Dopravu materiálu na ob žnou dráhu bude zajiš7ovat raketoplán. Družicových elektráren je plánováno n kolik. Navržené panely mají rozlohu 5 km x 12 km, tedy 60 km2. Na slune*ní *lánky panel bude dopadat slune*ní zá ení 60 000 000 m2 x 1,4 kW/mz = 84 000 000 kW, a to ve dne v noci. Tato družicová elektrárna by m la vyráb t elekt inu ze slune*ního zá ení koncem tohoto desetiletí a v té dob bude už pravd podobn ú*innost fotovoltaických *lánk p es 20 %. Celkový výkon obou panel dohromady by tedy byl 16 000 000 kW ve form stejnosm rného proudu. Stejnosm rný proud z panel se bude m nit na decimetrové rádiové vlny, které budou vysílány sm rem k Zemi. Decimetrové vlny snadno procházejí atmosférou i oblaky. Na Zemi bude energie decimetrových vln zachycena p ijímací anténou a p em n na ve st ídavý proud rozvád ný normální sítí. Po všech
p em nách by z p vodních 84 milion kW zá ení m lo být v síti na Zemi 10 000 000 kW. Pro srovnání uve]me, že p ibližn 7 takových družic by mohlo zcela krýt veškerou energetickou pot ebu našeho státu. Palivový *lánek Elekt inu lze získávat ze slune*ního zá ení také p es energii chemickou. Nakonec i klasické tepelné elektrárny využívající uhlí p edstavují zp sob, jak chemickou energii uhlí (tj. fosilní energii slune*ní) zm nit v teplo a teplo v elekt inu. Chemickou energii m žeme však m nit p ímo v elekt inu nap íklad tak, že pomocí slune*ního zá ení rozložíme vodu na vodík a kyslík. Tím se p vodní energie zá ení uskladní jako energie chemická do obou plyn . P i slu*ování obou plyn tj. p i okysli*ování vodíku vzniká op t voda. Nahromad ná energie se p itom uvolní bud jako teplo (p i ho ení), nebo jako elektrický proud (v palivovém *lánku). Palivový *lánek je m ni*, ve kterém se energie chemická m ní v energii elektrickou. Na rozdíl od ostatních elektrochemických *lánk (primárních, jako je baterie do Palivový *lánek. svítilny, a sekundárních, jako je akumulátor), palivový *lánek dostává látky a katalyzátor, aby mohl pracovat. Na obrázku je znázorn n vodíkokyslíkový *lánek. Z jedné strany se do n ho p ivádí vodík, z druhé kyslík. Vzniklá voda je odvád na z *lánku pry*. Elektrony, které odevzdává vodík katod , se pohybují vn jším obvodem ke kyslíkové anod , kde je p ebírá kyslík. To je tedy elektrický proud získaný z energie chemické. Palivové *lánky budou pravd podobn d ležitým zdrojem elektrické energie v budoucnosti. P edstavují uskladn nou slune*ní energii a lze je získávat v neomezeném množství. Ú*innost palivových *lánk je vysoká (až 90 %), zatímco generátory elektráren na fosilní paliva dosahují pouze 35 % ú*innosti. Provoz palivových *lánk je *istý, nebo7 jejich produktem je voda.
Na vodorovn umíst nou plochu jednoho metru *tvere*ního v našich krajinách dopadá za rok více než 1 000 kWh slune*ní energie. Obrázek znázor$uje podrobné rozložení po republice. Údaje jsou v MWh. Nejvíce slune*ního zá ení dopadá na jižní Morav .
Palivové *lánky pracují zcela bezhlu*n , jelikož neobsahují žádné pohyblivé *ásti. Pomocí palivových *lánk lze získávat elekt inu pro domácnost (s výkonem 12 kW). Vyráb jí se však už baterie mnoha palivových *lánk s výkonem až 13 000 kW (užívají se zejména v astronautice). Slune ní tepelné elektrárny
Slune*ní tepelná elektrárna je za ízení, ve kterém se m ní slune*ní zá ení na elektrickou energii ve velkém m ítku. Slune*ní tepelná elektrárna je vlastn oby*ejná tepelná elektrárna, která pot ebné teplo získává p ímo ze slune*ního zá ení. Za tím ú*elem je kotel slune*ní
elektrárny umíst n na v ži v ohnisku velkého fokusa*ního (ohniskového) sb ra*e. Slune*ní zá ení se soust e]uje na kotel zvaný absorbér pomocí mnoha otá*ivých rovinných zrcadel tzv. heliostat . V kotli se získává horká pára, která pak pohání turbínu, turbína pohání generátor a generátor dává elektrický proud - tedy jako v oby*ejné tepelné elektrárn .
VFTRNÉ ELEKTRÁRNY
PODSTATA VfTRU Vítr je pohyb vzduchu v *i zemskému povrchu. Na pravidelnost tohoto proud ní siln p sobí nerovnom rné zah ívání vzduchu slune*ním zá ením, st ídání teplot a tepelné rozdíly mezi mo em a pevninou, horami a údolími, zalesn nými a holými plochami a podobn . V proud ní vzduchu pak nastávají *asté výkyvy, které se v krajním p ípad projevují v trnými bou emi.
Princip v trného stroje.
V pohybu v tru výrazn p evládá vodorovná složka. Je charakterizován jednak sm rem, odkud vane (ve stupních nebo sektorech - sever 360° nebo 0°, východ 90°, jih 180°, západ 270°), jednak rychlostí (m enou v m/s nebo km/s - viz Beaufortova stupnice). P evládající v try nad velkými územími ur*ují všeobecnou cirkulaci atmosféry, zatímco místní v try ur*itého sm ru a charakteru se vyskytují nad menšími územími. V tropických a subtropických pásmech je proud ní v tru pravidelné. Sm rem k rovníku proudí pasáty a v horních vrstvách opa*ným sm rem antipasáty. Pro oblast jihovýchodní Asie je typické p lro*ní st ídání monzun vanoucích na pevninu z mo e s antimonzuny sm ujícími opa*n .
Ve st ední Evrop nejsiln jší v try (vich ice) dosahují 9.stupn Beaufortovy stupnice, tedy rychlosti i p es 80 km/h.
Výkon v tru stoupá s t etí mocninou jeho rychlosti. Jestliže se rychlost zvýší dvakrát, podává vítr osminásobný výkon. Výkon v tru totiž plyne z rovnice P=1/2 q v3 S, kde P je výkon [W], q hustota vzduchu [kg/m3] - ta souvisí mimo jiné s tlakem, výškou a teplotou - a S plocha, kterou vítr proudí [m2]. Lze to snadno odvodit z rovnice pro kinetickou energii E=1/2 m.v2. Sta*í vyjád it hmotnost jako hustotu vyjád enou objemem (m=qV) a výkon jako práci (energii) d lenou *asem. Vychází: P=E/t=1/2 qVv2/t. Pak už sta*í uv domit si, že objem vzduchu narážejícího po *as t na plochu vrtule *iní V/t=vS, a rovnice výkonu v tru je hotova. P íklad? Vzroste-li rychlost v tru z 5 m/s (rychlý b h) na 10 m/s (špi*kový sprinter na trati 100 m), výkon vzroste z 81 W/m2 na 648 W/m2, skute*n tedy osmkrát.
V trné kolo snižuje rychlost vzdušného proudu, *ímž se *ást pohybové energie p em $uje na energii mechanickou. Nejvyššího výkonu se dosahuje p i zpomalení vzdušného proudu na t etinu. Z toho pak plyne teoretický limit všech v trných kol, formulovaný prvn v roce 1926: Neztrátová, tedy ideální v trná elektrárna m že p em nit 6/27 energie vzdušného proudu v energii mechanickou. Jinak e*eno, její teoretická ú*innost dosahuje 59 %.
Ú*innost jednotlivých typ v trných energetických za ízení - sou*initelem rychlob žnostil k lje pom r obvodové rychlosti lopatek k rychlosti v tru. Ú*innost je dána pom rem výkonu odevzdaného rotorem k výkonu v tru.
Otá*ky kola jsou zpomalovány t ením v jeho vlastním mechanismu, t ením v tru a vznikem vír . Navíc se konce lopatek vždy pohybují rychleji než jejich st edové *ásti, a proto také výsledná ú*innost závisí na sou*initeli rychlob žnosti (bývá ozna*ován k ), tedy pom ru rychlosti, jakou se otá*ejí konce lopatek, a rychlosti v tru. Zmenšíme-li po*et lopatek, zvýší se sou*initel rychlob žnosti *ili rychlost otá*ení rotoru. Sou*asné v trné turbíny mívají jednu až t i lopatky, a tomu odpovídá sou*initel k mezi *ty mi a deseti. V nejlepším p ípad pak dosahují ú*innosti 45 %.
Za využitelné se považují v try dující rychlostí mezi 3 a 26 m/s (asi 15 až 95 km/h) ve výškách do 200 metr . Tak široké rozmezí rychlostí nem že jedno za ízení efektivn pokrýt, protože by se musely výrazn m nit otá*ky rotoru, a tím i p ipojeného generátoru. Podobn jako automobilový motor, pracuje i v trný agregát nejú*inn ji p i daných otá*kách. Samotné generátory s prom nnou rychlostí otá*ek vykazují vysokou ú*innost, ale vyžadují elektroniku, která udržuje konstantní kmito*et nezbytný pro p ipojení k ve ejné distribu*ní síti.
Éra v trných mlýn trvala n kolik set let. Po celou dobu m ly jedinou konkurenci v podob vodního kola. Ta se však nemohla uplatnit v sušších oblastech. Vynález parního stroje, prvního motoru zcela nezávislého na p írodních silách, znamenal p irozený úpadek obou prvních motor . P esto se vývoj v trných mlýn , p esn ji v trných turbín, nezastavil. Jen do*asn z stal na okraji zájmu. V roce 1890 byl v Dánsku uveden do provozu první elektrický generátor pohán ný v trnou turbínou. Po*átkem našeho století se už po sv t otá*elo n kolik velkých turbín s výkonem okolo 100kW. V roce 1941 dokonce Ameri*ané postavili ve Vermontu v trnou turbínu o výkonu 1 250 kW, ale krátce po zahájení provozu se jí utrhl list a skon*ila ve šrotu. Od konce druhé sv tové války do po*átku 70. let nebylo d vodu se v trnou energetikou zaobírat pro hojnost energie získávané spalováním fosilních paliv. Teprve první ropná krize v roce 1973 zap sobila jako podn t k dalšímu výzkumu. Za tu dobu výrazn postoupily technické znalosti, a tak se díky poznatk m z aerodynamiky a stavby letadel objevily konstrukce, které mají s dávnými mlýny vn jškov spole*né jen jedno - stojí za bezv t í, a jinak se pohybují. Obrovská vrtule moderní v trné turbíny je upevn na na zpravidla vodorovn uložené h ídeli na vrcholu štíhlé v že. Rovina, v níž se n kolik desítek metr dlouhý jednolistý až t ílistý rotor otá*í, se nastavuje pohybem celé aerodynamicky krytované gondoly, ve které je uložen také generátor s p evodovkou. Konce lopatek dosahují obrovských obvodových rychlostí, což zp sobuje krajní namáhání materiálu. Náhlé nápory v tru, stejn jako jistá asymetrie vrtule mohou zp sobit nebezpe*né rozkmitání celé konstrukce. Porovnání n kolika možných velikostí a typ v trných Dosáhnou-li nápory v tru kritické rychlosti, elektráren: 1) malý typ o výkonu kolem 90 kW, hrozí havárie a turbínu je t eba odstavit, 2) dánská v trná elektrárna TVIND s t ílistou vrtulí o zapojí se brzd ní rotoru a vrtulové listy se výkonu 2 MW, 3) dvoulistá v trná elektrárna ze nastaví proti v tru svým nejužším profilem. Severní Karoliny, 4) n mecká v trná elektrárna GROWIAN o výkonu 2 až 3 MW, 5) n mecký projekt Tato opat ení odpadají u turbín se svisle jednolisté v trné elektrárny o výkonu až 10 MW. uloženým rotorem. Systém Dariieus má navíc tu p ednost, že celé velmi hmotné technické za ízení spo*ívá nízko pod rotorem, což zvyšuje stabilitu konstrukce. Odborníci dlouho p edpokládali, že výkon nejv tších turbín nep ekro*í 3 MW. Mimochodem, první takový gigant, vysoký 150 m, postavila v roce 1982 firma Grosse Windenergie Anlage a uvedla jej do provozu na pob eží Severního mo e ( GROWIAN ). Jednu z možností, jak zabránit nežádoucímu rozkmitání velkých v trných generátor , p edstavuje atypická jednolistá vrtule. Rozdíly rychlosti v tru v horní a spodní *ásti kruhu, který opisuje dvoulistá vrtule, mohou totiž dosahovat až 2,8 m/s. Na každou polovinu pak p sobí rozdílné síly, které rozkmitají listy. Takový stav nem že u jednolisté vrtule nastat a lze ji navíc dokonale vyvážit protizávažím. V N mecku vznikl dokonce projekt jednolisté turbíny o výkonu 10 MW.
SVfT A VfTRNÁ ENERGETIKA Nejdále ve využití energie v tru pokro*ili ameri*tí odborníci, kte í systematicky rozpracovali široký soubor otázek, do n hož zahrnuli techniku a technologii, ekonomiku a energetiku, ale také sociologii a ekologii, stejn jako právní stránku v ci a ve ejné mín ní. Vycházeli z faktu, že už koncem minulého století pracovalo v USA kolem šesti milion malých v trných za ízení a zem má mnoho rozlehlých oblastí s velmi dobrými v trnými podmínkami. Platí to p edevším o Kalifornii, kde vznikla celá v trná pole - v trné farmy. Ze sou*asných více než 20 000 st edních a velkých v trných agregát na celém sv t jich v Kalifornii pracuje p es 16 600. Technologii v trných energetických za ízení se poda ilo nejdále dovést v Dánsku, zemi, kde vítr duje po 300 dn v roce podle n kterých údaj pochází každé t etí v trné za ízení na sv t od dánského výrobce. V zemi pracuje p es 3 000 agregát , které p edstavují více než 7 % instalovaného výkonu elektráren. Dánové se rozhodli pro masivní státní podporu tohoto obnovitelného energetického zdroje, jenž by m l v roce 2010 pokrývat dokonce 10 až 13 % celostátní spot eby elektrické energie. Obdobný úmysl nazna*uje také Velká Británie, kde v trný potenciál p ekra*uje údajn až sedminásobek celkových energetických pot eb. Zem Evropských spole*enství p ijaly program rozvoje v trné energetiky v roce 1980. Za*aly stanovením technických a hospodá ských možností v jednotlivých *lenských zemích a zpracováním jejich v trných energetických atlas . Sou*asný výkon evropských v trných agregát p esáhl 500 MW. Na základ úsp šných projekt , zvlášt v Dánsku, Nizozemsku, N mecku a Velké Británii, rozhodla Evropská unie do roku 2000 zvýšit instalovaný výkon na 4 000 MW - dvojnásobek dnešního celosv tového výkonu. Do roku 2010 pak po*ítá EU s 25 000 MW, což je zhruba dvojnásobek veškerého dnešního instalovaného výkonu v AR, a v roce 2030 hodlá dosáhnout dokonce 100 000 MW. To je výkon, který má pokrývat 20 % celkové západoevropské spot eby elektrické energie!
Pokud se naplní tyto optimistické výhledy, lví podíl na nich budou mít zem s mo ským pob ežím, tedy s nejp íhodn jšími podmínkami. Jinde se vítr z ejm do*ká využití v kombinaci s dalšími obnovitelnými zdroji. Avšak ješt p ed n jakými dvaceti lety i v dnešních "v tných mocnostech" se na svištící vrtule v krajin pohlíželo spíše jako na technickou kuriozitu než vážn mín ný dopln k tepelných *i jaderných Cena rozhoduje. Pokles náklad na elektráren. Dnes celé v trné farmy p esv d*iv jednotku energie z n kterých dokazují, že energie v tr m že cenov konkurovat obnovitelných zdroj podle klasickým zdroj m. A cenová konkurenceschopnost amerických pramen (centy/kWh). je stále ješt tím, co sv t energetiky posuzuje na prvním míst .
VÍTR VE ST5EDNÍ EVROPf
V trná mapa orienta*n ukazuje mnohaleté celoro*ní pr m rné rychlosti v tru p es 4 m/s (ve výšce 10 m) a p es 5,3 m/s (ve výšce 30 m). Vznikla podle podklad Aeského hydrometeorologického ústavu. V trný atlas AR vytvo ený Ústavem fyziky atmosféry Akademie v d AR podrobn mapuje dlouhodobé rozložení energie v tru nad naším územím a umož$uje vybrat nejp íhodn jší lokality pro stavbu v trných farem.
Orienta*ní graf výkonu první v trné elektrárny a.s. AEZ - EWT 315. Po*íta*ový ídící systém spouští elektrárnu p i rychlosti v tru 3,5 m/s. Nejvyššího výkonu 315 kW dosahuje p i 14,5 m/s a odpojuje se p i 24 m/s. Konstrukce o celkové hmotnosti 35 t odolává v tru do rychlosti 60 m/s (p es 216 km/h).
Po*ítá se s plochami 3 x 3 nebo 4 x 6 km v nadmo ských výškách zpravidla nad 700 m (v tšinou však leží v chrán ných krajinných oblastech, kde je zakázáno stav t). Až na ídké výjimky se energeticky p íhodné lokality nacházejí v horských pohrani*ních pásmech a v oblasti Aeskomoravské vrchoviny. Podle p edb žných odhad by bylo možné v Krušných horách postavit 320 až 340 v trných elektráren o jednotkovém výkonu 300 až 500 kW. Tj. celkem až 170 MW (výkon 1 bloku starší uhelné elektrárny).
V trná mapa. Aísla p ibližn ozna*ují místa, kde v roce 1994 stálo osm v tších v trných turbín o instalovaném výkonu v tším než 50 kW (v závorkách výrobce nebo dodaveatel): 1) Boží Dar v Krušných horách - 75 kW (Vítkovice) 2) Dlouhá Louka nad Osekem v Krušných horách - 315 kW (Energovars z Dobré) 3) Hory u Karlových Var - 75 kW (Vítkovice) 4) Hrubá Vrbka u Kuželova v podh í Bílých Karpat - 175 kW (Winpower, Dánsko) 5) Strabenice v podh í Ch ib - 315 kW (Vítkovice) 6) Sta í* u Frýdku-Místku - r zné výkony (zkušební polygon firmy Energovars) 7) Bílý K íž v Beskydech - 60 kW (Tacke, SRN) 8) Mravene*ník u Lou*né nad Desnou v podh í Jeseník - 250 kW (Worldwind, Dánsko)
P enos a rozvod elektrické energie Matematicko – fyzikální modely elektrických sítí
D lení elektrických sítí Elektrické sít d líme z n kolika hledisek :
A. Z hlediska parametr : Sít s prostorov soust ed nými parametry (sít NN a VN) tzv. krátká vedení, u kterých respektujeme *inný odpor R u stejnosm rných sítí, u st ídavých sítí respektujeme *inný odpor R a induk*nost vedení L. Sít
s prostorov
rozloženými parametry (sít
VVN) tzv. dlouhá vedení, u kterých
respektujeme *inný odpor R, induk*nost L a kapacitu C; u vedení se jmenovitým nap tím 400 kV a výše ješt respektujeme svodovou vodivost G.
B. Z hlediska hladiny nap tí : p enosové sít – 400 kV, 220 kV, *áste*n 110 kV, distribu*ní sít – *áste*n 110 kV, 35 kV, 22 kV, 10 kV, 6 kV, 0.4 kV.
C. Z hlediska topologie :
Paprskové sít (obr. 1.1).Tento druh sít je velmi jednoduchý, snadno se udržuje, snadné je rovn ž vyhledávání poruch. Tento typ rozvodu nemá zajišt no rezervní napájení. Výpadek kteréhokoli prvku rozvodu má za následek výpadek napájení jednoho nebo více odb rných míst.
Obr. 1.1
Pr b žné sít (obr. 1.2). Tento typ sít je p ehledný, ale vzhledem ke své konfiguraci musí mít v tší pr ezy kabel z napájecí rozvodny. Po*et kabel je menší než u paprskové sít .
Obr. 1.2 Okružní sít (obr. 1.3).U tohoto typu sít má každé odb rné místo napájení ze dvou stran (i p i jedné vstupní elektrické stanici), Tím se zvýší spolehlivost napájení jednotlivých odb r . V tšinou se tento typ rozvodu provozuje jako rozpojený a p i poruše n kterého vodi*e se provádí p íslušné manipulace.
Obr. 1.3
M ížové sít (obr. 1.4). Tzv. zjednodušená m ížová sí7 vyžaduje nejmén dva napáje*e. Jednotlivá vedení (v tve) se stýkají v uzlech, které tvo í pojistkové sk ín
nebo
rozvodnice. P i poruše (nap . zkrat) je pojistkami odpojeno p íslušné vedení, ale uzel je napájen z ostatních v tví. Tento typ sítí je náro*ný na údržbu (kontrola stavu pojistek), zajiš7uje však nejvyšší spolehlivost napájení jednotlivých odb r .
Obr. 1. 4
Parametry vedení V obecném p ípad mají vodi*e *ty i parametry :
*inný odpor R [ ], induk*nost L [H], kapacita C [F], svod (svodová vodivost) G [S].
Jednofázový model vedení s uvedením jednotlivých parametr je na obr. 2.1.
Obr. 2. 1
P i výpo*tech stejnosm rných vedení bude brán v úvahu pouze jeden parametr – *inný odpor. P i výpo*tech st ídavých vedení NN a VN pak dva parametry – *inný odpor a induk*nost vedení. (Pozn. V n kterých p ípadech (kabelová vedení NN) lze i u st ídavých obvod( induk)nost zanedbat.)
P i výpo*tech st ídavých vedení VVN a ZVN budou brány v úvahu všechny *ty i parametry vedení. (Pozn. U vedení s menším jmenovitým nap tím než 400 kV se zanedbává svodová vodivost.) Ainný odpor R a induk*nost vedení L tvo í tzv. podélnou impedanci vedení, která je vyjád ena vztahem :
Z=R + j L
[ ]
(2. 1)
Reálnou *ást podélné impedance tvo í *inný odpor, imaginární *ást tvo í induktivní reaktance (X =
L).
Kapacita vedení C a svodová vodivost G tvo í tzv. p í*nou admitanci vedení, která je vyjád ena vztahem :
Y=G+ j
=2 f
f
C
[S]
(2. 2)
... kruhová frekvence [s-1] … frekvence [Hz]
#inný odpor vedení Ainný odpor vedení je závislý na vodivém materiálu vedení. Odpor vedení je p ímo úm rný m rnému odporu vedení, délce vedení a nep ímo úm rný pr ezu vedení.
R=
R
l S
… odpor vedení [ ] … m rný odpor vodi*e [
. mm2 . m-1]
(2.3)
l
… délka vodi*e [m]
S
… pr ez vodi*e [mm2]
Ainný odpor se udává p i ur*ité teplot (20°C), je totiž teplotn závislý. Pro vodi*e platí, že odpor s rostoucí teplotou roste a naopak. Tuto závislost zohled$uje teplotní sou*initel odporu . Pro odpor p i libovolné teplot platí vztah :
R = R 20 . (1 +
R
… *inný odpor p i teplot
R20
… *inný odpor p i teplot 20°C [ ]
)
(2.4)
[ ]
… teplotní sou*initel odporu [K-1] … teplotní rozdíl od 20°C [K]
Ainný odpor je také frekven*n závislý (skinefekt), lze tedy íci, že st ídavý odpor je vyšší než odpor stejnosm rný. R ST5 = k . R SS
(2. 5)
Pro pr myslové kmito*ty je ovšem zvýšení odporu nepatrné (k = 1) a není s ním obvykle uvažováno. Protože se v elektrických sítích používají jako vodi*e p edevším lana (nikoli dráty), je použití základního vztahu pro *inný odpor (2.3) problematické. Proto je výrobcem vodi*e stanovena hodnota *inného odporu vtažená na jednotku délky (obvykle kilometr) RK. Pro výsledný odpor lana pak platí jednoduchý vztah :
R = RK .l [ ;
.km-1; km]
(2. 6)
Ohmický odpor zem Protože v mnoha p ípadech je zem používána jako vodi* elektrické energie, je nutno vyjád it také *inný odpor zem .
RZ =
2
f. 10 -4
[Hz;
.km-1]
(2. 7)
Pro sí7ový kmito*et 50 Hz je tedy odpor zem p ibližn 0,05
. km-1. V této hodnot
není zahrnut p echodový odpor zemni* .
Induk nost vedení Kolem vodi*e se vytvá í elektromagnetické pole, které p sobí na okolní vodi*e i na vodi* samotný. Proto vykazuje každé elektrické vedení také induk*nost. Odvození induk*nosti vedení vychází ze znalostí ešení elektromagnetického pole. Rozlišujeme vlastní induk*nost vodi*e a vzájemnou induk*nost mezi jednotlivými vodi*i.
V praxi se nej*ast ji používá vztah :
L Cst = 0,46 log
aS + 0,05 [mH . km-1] r
LCst
… induk*nost vedení na jeden kilometr [mH . km-1]
aS
… st ední vzdálenost vodi* [m]
r
… polom r vodi*e [m] a S = 3 a 12 . a 13 . a 23
[m]
(2. 23)
(2. 22)
(a12, a13, a23 … vzdálenosti jednotlivých fází) Uvedené vztahy platí pro trojfázové venkovní vedení, pro jiné druhy venkovních vedení je rozlišné vyjád ení st ední vzdálenosti vodi* .
Kapacita vedení
Kolem vodi*e se vytvá í elektrické pole, které p sobí na okolní vodi*e i na vodi* samotný. Proto vykazuje každé elektrické vedení také kapacitu. Odvození kapacity vedení vychází ze znalostí ešení elektrostatického pole. St ední kapacita vodi*e je dána aritmetickým pr m rem kapacit jednotlivých vodi* .
C st =
1 (C1 + C 2 + C 3 ) = 3
0,0242 1 = d 2m d 2m log S 18 ln S r DS r DS
d S = 3 d 12 d13 d 23
(2. 46)
DS = 3 D12 D13 D 23
m=3 a bc
(2. 47)
(2. 48)
[µF.km-1]
(2. 45)
Svodová vodivost
Svod (svodová vodivost) je zp sobena vodivosti izolátor . Svod tedy závisí na kvalit izolátor , ale také na provozních a atmosférických podmínkách. Svod zp sobuje *inné ztráty na vedení. Svod se také obvykle vyjad uje v hodnotách svodových ztrát na kilometr vedení.
PS = 3 U f2 G S = U S2 G S
PS
[W.km-1; V; S.km-1]
(2. 50)
… svodové ztráty [W.km-1]
Uf
… fázové nap tí [V]
US
… sdružené nap tí [V]
GS
… svodová vodivost [S.km-1]
Dimenzování vodi B Nároky na elektrická vedení jsou velmi obsáhlá a *asto i protich dná. Požadují se nízké po izovací náklady, nízké provozní náklady a na druhé stran
vysoká p enosová
schopnost, spolehlivost, odolnost v *i vliv m okolí, bezpe*nost provozu, hospodárnost atd.
Pr ez vodi* elektrického vedení musí být takový, aby vyhovoval celé ad hledisek : proudové zatížení vodi*e s ohledem na oteplení, dovolený úbytek nap tí, odolnost v *i zkratovým proud m, mechanická odolnost, hospodárnost, bezpe*nost provozu (správná funkce elektrických ochran).
Dále bude rozebráno pouze dimenzování na dovolený úbytek nap tí. Vodi*e a kabely musí být dimenzovány tak, aby p i p edpokládaném zatížení nezp sobily nedovolený pokles nap tí. Úbytek nap tí na daném vedení tedy nem že p esáhnout dovolenou hodnotu úbytku nap tí. Konkrétní požadavky jsou uvedeny v r zných technických normách. Hodnota úbytku nap tí je rovna rozdílu hodnoty nap tí na za*átku vedení a hodnoty nap tí na konci vedení U = U1 – U2. Výpo*et úbytku nap tí je možno provést p i znalosti výpo*tového proudu daných spot ebi* a p íslušné konfigurace sít . Pro tento výpo*et je také nutno provést úvahu o respektování jednotlivých parametr vedení. Ve v tšin výpo*t se totiž n které parametry vodi* zanedbávají. Základní výpo tové schéma P i výpo*tu je možno vycházet ze základního zapojení vedení.
Obr. 3. 1
Stejnosm rné sít Pi
ešení úbytku nap tí stejnosm rných vedení je nutno považovat zát žnou
impedanci ZS pouze za *inný odpor RS rovn ž vedení má pouze *inný odpor R. Stejnosm rné vedení je dvouvodi*ové, úbytek nap tí se vytvá í v obou napájecích vodi*ích. Pro úbytek nap tí stejnosm rného vedení za p edpokladu konstantního pr ezu a materiálu vodi*e platí vztah :
U=2
U
l IP S
(3. 1)
… úbytek nap tí [V] … m rný odpor vedení [
. mm2 . m-1]
l
… délka jedné v tve napájecího vedení [m]
S
… pr ez vedení [mm2]
IP
… výpo*tový proud [A]
Tohoto vztahu je možno použít pouze u vedení s dráty, kde je možno *inný odpor vedení vypo*ítat z hodnoty m rného odporu, délky a pr ezu. U lan nelze tento vztah použít, protože je tam stanovena hodnota *inného odporu vtažená na jednotku délky (obvykle kilometr) RK. Pro výsledný odpor lana pak platí jednoduchý vztah :
R = RK .l [ ;
.km-1; km]
(3. 2)
Pro úbytek nap tí stejnosm rného vedení pak platí následují vztah :
U = 2 R K . l . I P [V;
.km-1; km; A]
(3. 3)
Z hodnoty dovoleného úbytku nap tí UDOV je pak možno vypo*ítat pr ez (pro dráty) nebo dovolenou hodnotu odporu na jednotku délky.
S=2
l IP U DOV
RK =
[mm2;
U DOV 2 . l . IP
.mm2.m-1; m; A; V]
[ .km-1; V; km; A]
(3. 4)
(3. 5)
St ídavé sít U st ídavých sítí je možno také vycházet z náhradního schématu na obr. 3.1. Zát žná impedance vedení má však v tomto p ípad komplexní charakter. Reálnou *ást impedance tvo í *inný odpor RS, imaginární *ást pak induktivní reaktance XS. Charakter této zát žné impedance ur*uje posuv proudu v *i nap tí na konci vedení. Rovn ž vedení má svou impedanci, musíme respektovat *inný odpor vedení R i induk*nost vedení X. Pro impedanci platí vztah :
Z = R + j L [ ] (3. 6) Z = R + j X [ ] (3. 7)
Z
… impedance vedení [ ]
R
… *inný odpor vedení [ ]
L
… induk*nost vedení [H] … kruhová frekvence [s-1]
X
… induktivní reaktance vedení [ ]
Ve v tšin p ípad se impedance vedení uvádí vztažena na jednotku délky (kilometr). Kruhová frekvence je závislá na kmito*tu sít f ( = 2
f).
St ídavé sít jsou jednofázové nebo t ífázové. V p ípad jednofázových sítí se po*ítá s fázovým nap tím a podobn jako u sítí stejnosm rných se jedná o dvouvodi*ové sít . Úbytek nap tí vzniká v každé v tvi vedení. U trojfázových sítí se rovn ž vychází z jednofázového modelu (obr. 3.1), v modelu jsou znázorn ná fázová nap tí. U symetrických trojfázových sítí je ovšem sou*et (vektorový) proudu všech t í fází roven nule, st edním (nulovým) vodi*em teoreticky neprotéká proud, a proto úbytek nap tí vzniká pouze v jedné v tvi (fázový vodi*). U st ídavých obvod je ovšem nutno vycházet ze skute*nosti, že pr b hy proudu a nap tí jsou *asov prom nné (sinusové) a je tedy nutno brát v úvahu jednotlivé *asové posunutí. Tato posunutí vyjad ují tzv. fázorové diagramy. Pro model na obr. 3.1 platí následující fázorový diagram na obr. 3.2. Zvyklost p i kreslení fázorových diagram je taková, že hodnota fázového nap tí na konci vedení se kreslí do kladné reálné osy Gaussovy roviny. Z uvedeného fázorového diagramu vyplývá, že úbytek nap tí má jak reálnou tak i imaginární složku. P i ešení úbytku nap tí na vedeních NN a VN, kde zát žný úhel
je velmi malý je v tšinou brána v úvahu
pouze reálná složka úbytku nap tí. Pro fázovou hodnotu úbytku nap tí trojfázového st ídavého vedení pak platí vztah :
U F = R . I * + X . I j = R . I cos + X . I sin
I*
… *inná složka proudu (I . cos )
Ij
… jalová složka proudu (I . sin )
(3. 8)
Obr. 3. 2
Úhel
je *asové posunutí proudu oproti nap tí, které je dáno charakterem spot ebi*e
(zát že). Situace na obr. 3.2 a následn vztah 3.14 p edpokládá induktivní zát ž spot ebi*e, která je nej*ast jší. V p ípad kapacitní zát že by se proud p edbíhal p ed nap tím. Ve vztahu 3.14 by se znaménko + zm nilo na -. Pro hodnotu sdruženého úbytku nap tí u trojfázové soustavy je nutno fázovou hodnotu vynásobit 3. V p ípad , že jsou zadány hodnoty *inného odporu a induktivní reaktance na kilometr vedení platí vztah pro fázovou hodnotu úbytku nap tí :
U F = R K . l . I * + X K . l . I j = R K . l . I cos + X K . l . I sin
(3. 9)
V p ípad jednofázového (dvouvodi*ového) vedení je nutno p íslušnou délku vedení vynásobit dv ma (úbytek nap tí je tvo en v obou v tvích vedení). Protože vycházíme z p edpokladu, že na pr ezu vedení je závislá hodnota *inného odporu a hodnota induktivní reaktance je na pr ezu vedení prakticky nezávislá (nepodstatn
závislá), je nutno pro danou hodnotu dovoleného úbytku nap tí vypo*ítat hodnotu *inného odporu.
R=
U DOV X . I sin U DOV = I cos I cos
X tg
(3. 10)
Z této hodnoty odporu je pak velmi jednoduše možno vypo*ítat pr ez vedení (v p ípad drátu) nebo odpor na jednotku délky (v p ípad lan). Úhel
(viz. obr. 3.2) je tzv. úhel vedení. Velikost tohoto úhlu je ur*ena pom rem
induktivní reaktance vedení a odporu vedení. Jak vyplývá v fázorového diagramu :
= arc tg
X R
(3. 11)
Výpo et st ídavých sítí VVN P i ešení vedení VVN (obecn
p i ešení st ídavých vedení všech nap 7ových
hladin) je nutno respektovat všechny *ty i parametry elektrických vedení : *inný odpor, induk*nost, kapacitu a svodovou vodivost. Tyto parametry p i ešení elektrických sítí NN a VN zjednodušen považujeme za prostorov soust ed né tj. výsledné hodnoty t chto parametr nahradíme jedním fyzikálním prvkem. Samotný výpo*et vedení se pak provádí podle náhradního schématu, které obsahuje prostorov soust ed né parametry.
Náhradní schéma st ídavého vedení (jedné fáze) je na následujícím obrázku.
Obr. 6. 1
U1
nap tí na za*átku vedení (fázové)
U2
nap tí na konci vedení (fázové)
I1
proud na za*átku vedení
I2
proud na konci vedení
R
*inný odpor vedení
L
induk*nost vedení
C
kapacita vedení
G
svodová vodivost vedení
Pro ešení vedení m žeme využít teorii *ty pól , kdy vedení p edstavuje pasivní, lineární, soum rný *ty pól.
Základní rovnice *ty pólu jsou následující :
A, B, C, D
U1 = A . U 2 + B . I 2
(6.1)
I1 = C . U 2 + D . I 2
(6.2)
jsou tzv. Blondelovy konstanty.
Pro p esná ešení vedení (zvlášt vedení VVN) nelze ovšem zjednodušovat vedení na náhradní schéma s prostorov soust ed nými parametry, ale je nutno respektovat prostorov rozložené parametry vedení.
P irozený výkon
Je-li vedení vvn zatíženo vlnovou impedancí Z V , p enáší tzv. p irozený výkon, pro který platí vztah. 2
U2 SP = ZV
kde:
(2.40)
U2
sdružená hodnota nap tí na konci vedení,
ZV
vlnová impedance vedení.
Vlnová impedance charakterizuje p enosovou schopnost vedení. Je-li vedení provozováno pod p irozeným výkonem, má kapacitní charakter (zdroj jalové energie Q). Je-li provozováno nad p irozeným výkonem, má charakter induktivní (spot ebi* jalové energie Q).
Výpo et vedení náhradními lánky
Pro p ibližné metody výpo*tu vedení vvn se používají tzv. náhradní *lánky. P i tomto ešení uvažujeme soust ed né parametry vedení do n kolika náhradních impedancí a admitancí. Parametry vedení se pak vhodným zp sobem zapojují. Rozlišujeme dva základní náhradní *lánky T *lánek a q *lánek. Každý náhradní *lánek má jiné hodnoty Blondelových konstant. Blondelovy konstanty odvozujeme z podélné impedance vedení ZK a p í*né admitance YK, pro které platí:
Z K = ( RK + j LK ) Y K = (G K + j C K )
kde.
[ .km ] [S .km ] 1
(2.41)
1
(2.42)
Rk, Lk, Ck, Gk parametry vedení vztažené na 1 km délky
Blondelovy konstanty vypo*tené pomocí náhradních *lánku dosazujeme spole*n z hodnotami na konci vedení (U2, I2) do rovnic pro *ty pól.
U 1 = A.U 2 + B I 2 I 1 = C.U 2 + D I 2 (2.43)
Náhrada pomocí T lánku P í*ná admitance je umíst na do st edu vedení. Podélná impedance je rozd lena na dv poloviny a umíst na na za*átek a konec vedení. Zapojení T *lánku a rozd lení proud a nap tí je zobrazeno na schématu.
Obr. 2.7 Model náhradního T-*lánku Odvozením z rovnic pro sou*et nap tí a proud dle Kirchhofových zákon a jejich vzájemným porovnáním dostaneme Blondelovy konstanty pro T *lánek.
Z K .Y K .l 2 ) 2 Z K .Y K .l 2 B = Z K .l.(1 + ) 4 C = Y K .l A = D = (1 +
[ ] [ ] (2.44) [S ]
Náhrada pomocí O lánku P í*ná admitance je rozd lena na dv polovina a umíst na na za*átek a konec vedení. Podélná impedance je umíst na do st edu vedení. Zapojení q *lánku a rozd lení proud a nap tí je zobrazeno na schématu.
Obr. 2.8 Model náhradního q -*lánku Odvozením z rovnic pro sou*et nap tí a proud dle Kirchhofových zákon a jejich vzájemným porovnáním dostaneme Blondelovy konstanty pro q *lánek. Z K .Y K .l 2 A = D = (1 + ) 2 B = Z K .l C = Y K .l.(1 +
Z K .Y K .l 2 ) 4
[ ] [ ] (2.45) [S ]
Poruchové stavy v elektriza ních sítích Poruchové stavy v elektriza*ních sítích (ES) mohou být r zné (p ep tí, podp tí, p etížení, vypadnutí alternátoru ze synchronismu, atd.). Nej*ast jší poruchy v ES jsou zkraty a zemní spojení. Zkrat vzniká poruchovým spojením dvou *i více fází navzájem, nebo spojením fází se zemí (v soustav s uzemn ným uzlem). Zemní spojení vzniká v izolované soustav . P í*inou vzniku zkratu bývají poruchy izolace zp sobené p ep tím, úderem blesku, stárnutím izola*ních materiálu vodi* , mechanickým
a tepelným poškozením vodi*
a
izolací. P i zkratu se celková impedance poruchového obvodu výrazn snižuje, zv tšují se proudy. To vede ke snížení nap tí v místech blízkých zkratu. V míst zkratu vzniká obvykle elektrický oblouk, jehož odpor snižuje zkratové proudy. Odpor oblouku se m ní v d sledku jeho délky a ur*ení odporu oblouku je složité. Proto ve výpo*tech zkratových proud
odpor oblouk
zanedbáváme. P sobením velkých zkratových proud se zkraty v elektriza*ních soustavách projevují nep íznivými ú*inky, které ohrožují bezpe*nost provozu soustavy, bezpe*nost za ízení, ale p edevším vážn ohrožují bezpe*nost obsluhy elektrických za ízení. Aím je vyšší zkratový proud tím jsou jeho ú*inky výrazn jší. Kv li zamezení havárií za ízení je pot eba za ízení dimenzovat tak, aby t mto ú*ink m bezpe*n odolalo. Proto zjiš7ujeme velikost zkratových proud za nejmén p íznivých podmínek.
Základní druhy zkratB Toto jsou základní druhy zkrat pro které po*ítáme zkratové proudy. •
Jednofázový zkrat – nej*ast jší druh zkratu, jedna fáze je spojena se zemí.
•
Dvoufázový zemní zkrat – dv fáze jsou spojené navzájem a se zemí.
•
Dvoufázový zkrat– dv fáze jsou spojené navzájem.
•
Trojfázový zkrat –soum rný zkrat, v kabelových sítích, všechny t i fáze jsou
navzájem spojené.
a) Soum rný trojfázový zkrat
b) Dvoufázový zkrat izolovaný
c) Dvoufázový zkrat zemní
d)
Jednofázový zkrat
Dimenzování elektrických za ízení Elektrická za ízení dimenzujeme tak, aby odolávala ú*ink m zkratových proud . Zkratová odolnost za ízení je charakterizovaná t mito hodnotami: •
Dynamický proud Id, udávající jaký proudový náraz p i zkratu za ízení snese.
•
Krátkodobý proud It, charakterizující jakým proudem je možno zatížit za ízení na
ur*itou dobu, aby nedošlo k nadm rnému oteplení •
Vypínací proud Ivyp, u vypína* (jisti* ) je to maximální hodnota, kterou vypína*
vypne.
Vztahy pro výpo et zkratových hodnot P i výpo*tech zkratových proud po*ítáme tzv. po*áte*ní soum rný rázový zkratový proud Ik´´. Jedná se o efektivní hodnotu st ídavé soum rné složky p edpokládaného zkratového proudu, z stala-li by hodnota impedance stejná jako v okamžiku zkratu. Po*áte*ní rázový zkratový proud Ik3´´ p i 3-fázovém zkratu.
I k´´3 =
.c.U N
[kA, , kV , ]
3. Z (1)
(3.1)
Po*áte*ní rázový zkratový proud Ik2´´ p i 2-fázovém zkratu.
I k´´2 =
3.c.U N
[kA, , kV , ] (3.2)
Z (1) + Z ( 2)
Po*áte*ní rázový zkratový proud Ik1´´ p i 1-fázovém zkratu.
I k´´1 =
kde:
3.c.U N
[kA, , kV , ] (3.3)
Z (1) + Z ( 2) + Z ( 0 )
c – nap 7ový *initel, viz. tabulka, UN – jmenovité sdružené nap tí v míst zkratu, Z(1) – výsledná sousledná impedance zkratového obvodu, Z(2) – výsledná zp tná impedance zkratového obvodu, Z(0) – výsledná nulová impedance zkratového obvodu.
Tabulka nap 7ových *initel c:
Zkrat v soustav nn vn, 110 kV, 220 kV 400 kV, 750 kV
cmax 1 1,1 1,05
cmin 0,95 1 1
P i zb žných výpo*tech se pro jednoduchost zanedbávají r zné okolnosti, které by komplikovaly výpo*et a zárove$ jej zp es$ovaly. Výsledkem jsou hodnoty proud , které jsou vyšší než kdybychom po*ítali pracn jším a p esn jším výpo*tem. V praktických výpo*tech se obvykle po*ítají hodnoty pro 3 – fázový a 1 – fázový po*áte*ní rázový zkratový proud, nebo7 tyto dv hodnoty bývají nejvyšší. Naopak nejmenší hodnoty nabývá 2 – fázový po*áte*ní rázový zkratový proud, tento proud bývá d ležitý pro nastavení ochran.
Postup p i výpo tu zkratových pom rB •
Sestavení náhradního schématu soustavy (pro soum rné zkraty náhradní schéma
sousledné složky, pro nesoum rné zkraty náhradní schéma všech složek) •
Stanovení impedancí všech prvk
náhradních schémat ( p i zb žném výpo*tu
zanedbáváme rezistenci nebo reaktanci daného prvku). •
Ur*ení výsledné impedance náhradního schéma zkratového obvodu.
•
Výpo*et zkratových pom r .
Zemní spojení
V t ífázových sítích provozovaných s p ímo uzemn ným uzlem nazýváme vodivé spojení jedné fáze se zemí jednofázovým zkratem. V t ífázových sítích provozovaných s izolovaným uzlem, pop . v sítích kompenzovaných (tj. v sítích, jejichž uzel je spojen se zemí p es zhášecí tlumivku nebo, v nichž je vytvo en um lý nulový bod pomocí zhášecích transformátor ) nazýváme vodivé spojení jedné fáze se zemí zemní spojení.
Proud procházející místem zemního spojení není tém
závislý na vzdálenosti od zdroje – je
dominantn vymezen hodnotami kapacit vodi* v *i zemi, a v p ípad p echodných jev i induk*nostmi a odpory v obvodu zemního spojení. Proud zemního spojení i0 je sou*tem ustálené složky proudu i0u a p echodné složky i0p i 0 = i 0 u + i 0p .
Obr. 1a) Náhradní schéma sít s izolovanou nulou [2]
Obr. 2a) Náhradní schéma sít s izolovanou nulou p i zemním spojení [2]
Obr. 3a) Náhradní schéma sít s izolovanou nulou p i zemním spojení a kompenzaci tlumivkou [2]
Obr. 1b) Fázorový diagram k obr. 1a)
Obr. 2b) Fázorový diagram k obr. 2a)
Obr. 3b) Fázorový diagram k obr. 3a)
Elektrické stanice
Elektrické stanice jsou definovány jako ucelená za ízení v uzlu elektriza*ní soustavy, sloužící bu] k transformaci nap tí na jinou hladinu a jejímu dalšímu rozvád ní „transformovny“ nebo k rozvedení elektrické energie stejného nap tí „spínací stanice“ nebo k p em n proudu ze st ídavého na stejnosm rný a jeho dalšímu rozvád ní „m nírny“ a také „kompenzovny“, které slouží k vyrovnávání jalových složek proudu, tyto se již dnes vyskytují jako sou*ást elektrických stanic, rozvodných za ízení nebo pr myslových závod . Rozloha elektrických stanic je dána jejich za*len ním do elektriza*ní soustavy, jmenovitým nap tím soustavy, po*tem p ípojnicových systém , instalovaným výkonem transformátor apod.
Stanice jsou elektrické celky obsahující n kolik rozvodných za ízení, transformátory umíst né na transformátorových stanovištích a další silová za ízení, pro zm nu nap tí, frekvence a dalších veli*in nebo k jejich usm rn ní. Dále pro svou *innost pot ebují za ízení vlastní spot eby, akumulátorové baterie, kompresorovnu pro výrobu stla*eného vzduchu pro ovládání spínacích p ístroj , uzemn ní, vytáp ní, v trání a také osv tlení.
#len ní elektrických stanic Elektrické stanice je možno rozd lit podle mnoha r zných hledisek, nap .:
a) dle ú elu -
transformovny, sloužící k transformaci elektrické energie na požadovanou hladinu nap tí vhodnou k dalšímu rozvodu
-
spínací stanice, sloužící k rozvodu elektrické energie téže hladiny nap tí m nírny, sloužící k p em n st ídavého proudu na jiný, bu] na proud o jiném kmito*tu *i na proud stejnosm rný
b) dle zpBsobu obsluhy -
s trvalou obsluhou
-
bez obsluhy s pravidelným dozorem
-
bez obsluhy s dálkovým ovládáním
Hlavní ásti elektrických stanic a) elektrická ást -
rozvodná za ízení, jsou hlavní *ástí elektrické stanice a slouží k rozvád ní, m ení, jišt ní a kontrole elektrické energie a pro spínání a p epínání elektrických obvod
-
transformátory
-
kompenza*ní za ízení – statické nebo rota*ní
b) spole ná a pomocná ást -
slouží k zabezpe*ení provozu a údržb elektrických stanic
c) stavební ást -
veškeré budovy, pozemky, komunikace a další náležitosti spojené s vlastní stavbou elektrické stanice
Schémata elektrických stanic Schémata elektrických stanic nám ur*ují jejich provozní vlastnosti a jsou ur*ovány mnoha odlišnými parametry, jako jsou nap .: -
provozní požadavky
-
bezpe*nost provozu
-
provozní a ekonomická hospodárnost
Schémata elektrických stanic by m la být, je-li to možné, co nejvíce p ehledná a také co nejjednodušší . Schéma elektrické stanice tvo í odbo*ky a p ípojnice. Odbo ky (Obr. 1.1 ) - jsou základním prvkem rozvodného za ízení a tvo í je soubory p ipojených p ístroj , které slouží ke spínání, m ení a ochran p ívod a vývod elektrické energie. D lení odbo*ek: 1) dle funkce a) hlavní -
alternátorové
-
transformátorové
-
vývodové - venkovní - kabelové - motorové
- kondenzátorové - tlumivkové - jiné b) pomocné -
spína*e hlavních p ípojnic
-
spína*e pomocných p ípojnic
-
pro m ení nap tí
-
pro bleskojistky
2) dle výzbroje a) provozní b) záložní -
s plnou výzbrojí
-
s *áste*nou výzbrojí
Obr.1.1 a) p ívod venkovním vedením
Obr.1.1 b) odbo)ka k transformátoru do výkonu 400 kVA
Obr.1.1 c) p ívod kabelem
W1
W2
Obr.1.1 d) vývod z transformovny vn/nn nebo odbo)ka k transformátoru s výkonem nad 400 kVA
Obr.1.1 e) odbo)ka v rozvodn s pomocnou p ípojnicí
P ípojnice (Obr. 1.2) - zajiš7ují samotné propojení odbo*ek mezi sebou. P ípojnice jsou holé vodi*e o pr ezu daném jejich proudovým zatížením a funk*ními požadavky, jako jsou pevnost a zkratové pom ry. V praxi se u rozvodných za ízení, podle druhu použitého schématu setkáváme s provedením bu] s jedním *i více systémy p ípojnic. Podle po*tu se pak tato za ízení d lí na: a) s p ímými p ípojnicemi -
jednoduchými
-
jednoduchými a pomocnými
-
dvojitými
-
dvojitými s jednou ve funkci pomocné p ípojnice
-
dvojitými a pomocnými
-
trojitými
-
trojitými a pomocnými
b) s okružními p ípojnicemi okružní p ípojnice jsou uzav enou soustavou p ípojnic zapojených do polygonu troj, *ty nebo až osmiúhelníku. Z d vod revizních prací na vypína*ích se rozd lují na p ípojnice: -
se záložním spína*em
-
bez záložního spína*e
c) bez p ípojnic -
nap . spojení H
d) s v tším po tem vypína B na odbo ku
na Obr. 1.2 - a) – e) vybraná schémata p ípojnic vystihující provedení systém p ípojnic vn, které se u nás používají:
W 11
W 12
Obr. 1.2 a) jednoduchý systém p ípojnic
W1 W2
Obr. 1.2 b) dvojitý systém p ípojnic
Obr. 1.2 c) okružní p ípojnice – polygon zapojený do šestiúhelníku
Obr.1.2 d) systém bez p ípojnic – spojení H
W1
W2
Obr. 1.2 e) rozvodna s 1 ½ vypína)em na odbo)ku
Teoretický rozbor kompenzace jalového výkonu a filtrace vyšších harmonických Výroba, p enos a rozvod a v neposlední ad
spot eba elektrické energie jsou
realizovány ve trojfázové st ídavé soustav . Pro provoz n kterých za ízení, a7 už na stran elektrických sítí, nebo spot ebi*
elektrické energie , je nutné vytvo it elektromagnetické
nebo elektrické pole. To se vytvá í bu] vinutími (induk*ností), nebo elektrodami (kapacitou). Na induk*nosti dochází k fázovému posuvu proudu za nap tím, na kapacit
se fázov
opož]uje nap tí za proudem (viz. Obr. 1 a 2). Chování jednotlivých prvk
elektriza*ní
soustavy stejn jako spot ebi* elektrické energie je možné popsat jejich impedancí, která v sob zahrnuje nejen složku *innou (ohmickou), ale i složku jalovou (induktivní nebo kapacitní).
Obr. 1 Posuv nap tí a proudu induktivních spot ebi)(
Obr. 2 Posuv nap tí a proudu kapacitních spot ebi)( Jalovou je nazývána z toho d vodu, že energii do této impedance vloženou nelze nikterak zužitkovat, ale p esto se p enáší mezi zdrojem a spot ebi*em. P i tomto p enosu však vznikají na jednotlivých prvcích p enosových a distribu*ních sítí ztráty, které jsou ve form tepla uvol$ovány do okolí. V n kterých p ípadech se jeví jako velmi ú*elné vkládat do elektrických sítí další za ízení, obvykle kondenzátory, kterými se jejich charakter (a tedy i impedance) zm ní, a tím se ztráty *áste*n
eliminují. Toto snížení ztrát nazýváme
kompenzace jalového výkonu. Posuv mezi proudem a nap tím nám udává veli*ina nazvaná ú*iník, což je kosinus úhlu fázového posunu mezi 1. harmonickou nap tí a proudu.
Obr. 3 Snížení fázového posunu Z obrázku vidíme, že kosinus uhlu
je podíl *inného výkonu k výkonu zdánlivému.
Vložením kondenzátoru do obvodu se zdánlivým výkonem S1 a ú*iníkem cos
1
snížíme
jalový výkon Q1 na hodnotu Q2. Snížení prob hlo za p isp ní jalového výkonu
Q
dodávaného kondenzátorem. Jako matematický model kompenzace jalového výkonu použijeme st ídavou sí7 s paralelním kondenzátorem. Na tomto zapojení a k n mu p íslušnému fázorovému diagramu jasn vidíme, že po p ipojení kondenzátoru dojde ke zm n fázoru proudu (z I´ na velikost IK).
Obr. 4 St ídavá síE s paralelním kondenzátorem
Celkový proud vedení se potom zm ní na
I K = I ´+ I C
(1.1)
Za p edpokladu, že *inný výkon z stane konstantní, se zm ní po p ipojení kondenzátoru fázový posuv z hodnoty
na hodnotu
K
a pom r jalových složek proud IjK a Ij bude stejný
jako tangenty p íslušných úhl . I jK Ij
=
tg tg
=k
K
(1.2)
kde k nazýváme koeficientem kompenzace. Tzv. stupe$ kompenzace obdržíme, ode*teme-li koeficient kompenzace od jedné. kp =1 k =
Ij
I jK Ij
=
I C tg tg = Ij tg
K
(1.3)
Výkon kondenzátoru pot ebný ke zm n fázového posuvu z hodnoty QC = U I C = U 2
C = P (tg
tg
K
na hodnotu
K:
)
(1.4)
Ztráty ušet ené kompenzací:
Puš = P
PK =
[
]
R R ( P 2 + Q 2 ) P 2 + (Q QC ) 2 = 2 [QC (2Q QC )] 2 Us Us
(1.5)
Snížení ztrát v procentech ztrát p vodních v d sledku vykompenzování odb ru s p vodním ú*iníkem cos na cos Puš % = ( P
K,
*ili ztráty ušet ené kompenzací lze také vypo*ítat jako:
PK )
100 1 = P cos 2
1 cos 2
cos 2
100 = 100 1
K
cos 2 cos 2
(1.6) K
A stejn tak i procentní snížení velikosti úbytku nap tí oproti stavu p ed kompenzací: U % = 100 1
cos cos
(1.7) K
Z hlediska jejího p ipojení do sít rozlišujeme kompenzaci: -
individuální. Kompenza*ní za ízení je v tomto p ípad p ipojeno p ímo na svorky spot ebi*e nebo v jeho t sné blízkosti. Od jalového výkonu je odleh*ená celá elektriza*ní soustava od zdroje až po spot ebi*. Úspory ztrát jsou nejvyšší, avšak
využití kompenza*ního prost edku je závislé na provozu kompenzovaného za ízení. Používá se nap . pro kompenzaci magnetiza*ního proudu asynchronního motoru a transformátor , kompenzace zá ivkových a výbojkových svítidel. -
skupinovou, kdy je kompenza*ní za ízení p ipojeno na p ípojnicích rozvad *e pro skupinu spot ebi* . Nap íklad je to kompenzace na hlavních rozvad *ích vn/nn v rozvodech pr myslových podnik . V tomto p ípad je odleh*en úsek vedení od tohoto rozvad *e ke zdroji. Vzhledem k soudobosti spot ebi* vychází kompenza*ní výkon menší a je nutná jeho regulace.
-
centrální, pokud je kompenzace p ipojena na p ípojnice vstupní trafostanice podniku. Vzhledem k soudobosti chodu spot ebi* op t klesá pot ebný kompenza*ní výkon. Rovn ž je nutná regulace a v tšinou je t eba ešit kompenzaci na úrovni vysokého nap tí, což p edstavuje vyšší náklady.
-
kombinovaná kompenzace je logickou kombinací p edchozích variant. Ve skute*nosti bývá pom rn dost rozší ená, zejména v rozsáhlých pr myslových sítích.
Základní rozd lení technických prost edkB pro kompenzaci jalového výkonu
Rota ní kompenza ní za ízení Mezi rota*ní kompenza*ní za ízení pat í synchronní kompenzátory a synchronní motory. Synchronní elektrický stroj se vyzna*uje zejména tím, že se mu magnetiza*ní energie dodává samostatným budícím vinutím napájeným ze zdroje stejnosm rného proudu. Synchronní stroje sloužící ke kompenzaci jalového výkonu jsou p evážn konstruovány pro hladiny vysokého nap tí – obvykle pro sít 6 kV. P estože budící soupravy synchronních stroj
tvo í moderní a velmi rychlé ízené usm r$ova*e, je i ve spojení
s rychlými regulátory jalového výkonu odezva na pot ebu zm ny jalového výkonu zatížena jistým zpožd ním. Synchronní stroje jsou tedy zcela nevhodné ke kompenzaci spot ebi* , jejichž spot eba jalového výkonu se dynamicky m ní, jako nap íklad u obloukových pecí, dynamicky ízených reverza*ních stejnosm rných pohon apod.
Vzhledem k vysokým jednotkovým výkon m synchronních stroj (p ibližn od 1 do 15 Mvar) a pomalejší regulaci jalového výkonu oproti jiným kompenza*ním za ízením se tyto stroje využívají jako centrální kompenzace velkých pr myslových sítí. P ipojují se k p ípojnicím podružných pr myslových rozvoden 6 kV nebo p es samostatný transformátor 22/6 kV k p ípojnicím hlavních rozvoden.
Statické kompenzátory Na rozdíl od rota*ních kompenzátor
nejsou statické kompenzátory závislé na
dodávce *inné energie. V klasickém pojetí jsou tvo eny pasivními kompenza*ními prvky, jako jsou výkonové kondenzátory. V pojetí novém to jsou tzv. aktivní filtry.
Prosté kondenzátory Jedním z mnoha typ výkonových kondenzátor je kondenzátor ur*ený pro zlepšení ú*iníku elektrických za ízení na st ídavý proud. Po p ipojení na nap tí má jednofázový kondenzátor jalový výkon Qc podle vztahu: QC = U 2
C
kde … úhlová rychlost (pro 50 Hz to je hodnota 100 ), C … kapacita kondenzátoru. Kvalitu kondenzátor výrazn ovliv$ují ztráty. Ztráty sestávají z n kolika komponent, nap . ztráty dielektrika, vnit ních pojistek, vybíjecích odpor , spoj atd. Ztráty jsou reprezentovány tangentou ztrátového úhlu kondenzátoru tg .
Kompenza ní filtry Pro pot eby filtrace harmonických proudu a sou*asn pro kompenzaci ú*iníku se užívají výkonové sériové LC filtry. Takovýto kompenza*ní filtr tvo í sériový rezonan*ní obvod RLC (obr. 4). Tlumivka L a kondenzátor C jsou *ist reaktivní *ástí, zatímco ohmická,
a tím i ztrátová složka p edstavuje sériový odpor R. Impedance tohoto obvodu je dána vztahem: Z =R+ j
L
1 C
Obr. 7 Kmito)tové charakteristiky L, C a LC filtru
ZpBsoby ízení kompenza ního výkonu
StupRovit
ízené kompenzátory
U stup$ovitého ízení výkon je d ležitou otázkou volba po*tu a velikostí stup$ . Tato otázka platí jak pro kompenzátory kontaktní, tak pro bezkontaktní na hladinách nízkého i vysokého nap tí. Volba po*tu stup$ závisí na reálné velikostí jednoho stupn , celkovém pot ebném kompenza*ním výkonu a na žádané hodnot vykompenzování, obvykle cos 0
0,33.
0
0,95, neboli tg
Kontaktní
Regulované kontaktní kompenzátory pracují na principu p ímého p ipínání kondenzátor nebo chrán ných kompenza*ních sekcí, pop . jejich skupin na kompenzovanou sít' podle povel regulátoru jalového výkonu. Kontaktní kompenzátory s prostými výkonovými kondenzátory se b žn používají v sítích, kde se nevyskytují harmonické složky proudu a kde nejsou kladeny vysoké nároky na rychlost kompenzace. P i použití klasických styka* je jejich velkým nedostatkem možnost vzniku p echodových jev p i nedefinovaném kontaktním p ipnutí kondenzátoru na sít' . Velké proudové rázy mohou dosahovat až t icetinásobku hodnot jmenovitých proud . Další velkou nevýhodou kontaktních kompenzátor
zp sobenou nesynchronním
spínáním je vznik rušivých jev p i sepnutí jako zp tný vliv na napájecí sít'. Aasto zp sobují impulsní rušení citlivých elektronických za ízení, m icí a regula*ní techniky, elektronických vah, výpo*etní techniky atd. Tyto nevýhody jsou *áste*n eliminovány p ed azením ochranných tlumivek a zejména použitím moderních spínacích kontaktních prvk .
Bezkontaktní
Tam, kde jsou kladeny vyšší nároky na rychlost zm ny jalového výkonu, je možno použít místo styka*
bezkontaktní spína*e. Sou*asn je nutno použít rychlejší regulátor
jalového výkonu. Kondenzátor m se zde zpravidla p ed azují ochranné tlumivky. Rychlost regulace závisí na algoritmu, který používá regulátor jalového výkonu. V praxi je výhodné použít podobný regula*ní proces jako pro kompenzátory kontaktní. P ipínání a odepírání jednotlivých stup$ rychleji.
Plynule ízené - pasivní
kompenzátoru je pak podobné, pouze se d je podstatné
S dekompenza ními leny
Plynulé ízení jalového proudu je možné uskute*nit ízením proudu procházejícího tlumivkou. Použije-li se fázov
ízený tyristorový spína* v antiparalelním zapojení, získáme
základní zapojeni výkonového obvodu dle obr. 8.
Obr. 8 Fázové ízeni proudu p i induktivní zát ži Tento, pro jednoduchost jednofázový obvod umož$uje m nit *ist induktivní proud od nulové hodnoty až do plné hodnoty dané impedanci tlumivky L. Chceme-li ídit kapacitní proud, nelze použít fázov
ízený spína* a tlumivku pouze
nahradit kondenzátorem. Problémem jsou p echodové jevy. 5ešení je však prosté, sta*í když se paraleln k p vodnímu obvodu spína*e a tlumivky p ipojí kondenzátor, jak znázor$uje obr. 9.
Obr. 9 Zapojení plynule ízeného kompenzátoru Je-li nyní Ic > IL , potom výsledný kompenza*ní proud je Ik = Ic- IL a má charakter kompenza*ního proudu m nícího se v rozmezí 0
IK
IL .
Principiální zapojení výkonového obvodu trojfázového kompenzátoru s plynule ízeným kompenza*ním výkonem na principu dekompenzace je na obr. 10. Ze znalosti produkce harmonických proudu dekompenza*ního *lenu je možné
ešit zapojení
kondenzátorové baterie jako soustavu LC filtr .
Obr. 10 Princip zapojení plynule ízeného kompenzátoru s dekompenza)ním )lenem Ty filtrují komponenty harmonických vlastního kompenzátoru a sou*asn i soustavu, kterou kompenzují. Vhodné je použít v každé fázi kompenza*ní filtr na 5., 7. a dále na 11. a 13. harmonickou. Dimenzování filtr a jejich pom rné rozd lení závisí zejména na charakteru kompenzované nelineární zát že. Pro p edstavu uve]me vhodné pom rné rozd lení kompenza*ního výkonu pro ízený šestipulsní usm r$ova*, které je pro filtry 5., 7., 11. a 13. harmonické v pom ru 3 : 2 : 1 : 1.
Správné nadimenzování kompenza*ního filtru u plynule ízeného kompenzátoru je velice d ležité a má rozhodující vliv na funk*nost, spolehlivost a životnost celého kompenzátoru. Plynule ízené pasivní kompenzátory se používají tam, kde dochází k velmi rychlé zm n kompenza*ního výkonu, nap . u bodových svá ecích automat , ízených pohon , odst edivek v cukrovarech, na vysokém nap tí u pohon válcovacích tratí nebo elektrických obloukových pecí atd. Díky moderním aktivním filtr m ztrácejí tyto kompenzátory poslední dobou pro oblast nízkého nap tí praktický význam.
Plynule ízené – aktivní Aktivní filtry lze chápat jako paraleln nebo sériov zapojené generátory ízené vhodným regula*ním systémem tak, aby i v dynamických stavech byla zajišt na požadovaná kompenzace nevhodných harmonických složek. Zp sobem zapojení aktivního filtru do sít pak lze vylepšit proud, nap tí nebo obojí. Podle t chto požadavk lze aktivní filtry d lit na paralelní (deriva*ní), sériové a kombinované.
Paralelní aktivní filtr Paralelní aktivní filtr tvo í ízený generátor proudu zapojený paraleln k zát ži. Je schopen odstranit nežádoucí harmonické proudu tím zp sobem, že generuje shodné složky opa*ného sm ru a zavádí je do sít . Výsledný proud je potom zbaven zvolených harmonických. Tímto zp sobem se filtruje proud odebíraný ze sít , a tím se také upravují deformace nap tí zp sobené zát ží. Takto je možné v každém okamžiku uskute*nit selektivní kompenzaci podle okamžitého výskytu harmonických složek bez nebezpe*í, že dojde k nežádoucí rezonanci. Generováním jalové složky první harmonické proudu je paralelní aktivní filtr schopen provád t velmi rychlou kompenzaci jalového proudu, pop ípad pomocí sousledných a nesousledných složek upravovat nesymetrickou zát ž na symetrickou. Pomoci ídicích algoritm lze tyto vlastnosti libovoln kombinovat.
Obr. 11 Paralelní aktivní filtr a jeho p ipojení do sít
Sériové aktivní filtry Aktivní sériový filtr je zapojen mezi svorky sít a svorky spot ebi*e a je tvo en generátorem nap tí. Tento filtr umož$uje upravit p ivád né nap tí na požadovaný tvar. Schematické zapojení a jeho p ipojení do sít s nelineární zát ží je na obr. 12.
Obr. 12 Sériový aktivní filtr a jeho p ipojení do sít
Elektrické osv tlení Sv tlo pat í k d ležitým *initel m, které významn
podmi$ují úrove$ životního
prost edí. Sv tlo vyvolává v *lov ku fyziologické a psychologické reakce, které jsou ovlivn ny množstvím sv telné energie, jejím *asovým a prostorovým rozložením, druhem sv tla a jeho barevnou jakostí. Nedílnou sou*ástí prost edí, které *lov ka obklopuje, je sv telné prost edí už proto, že prost ednictvím zraku získává *lov k 80 až 90 % všech informací o prost edí, které ho obklopuje. V Aeské republice se spot ebovává asi 11 % elektrické energie na osv tlování a v dobách energetických špi*ek to m že být až 20 %. Racionalizace v této oblasti m že p inést zna*né úspory p i zachování normovaných požadavk na hladiny osv tlení a p i dodržení
hygienických p edpis . Racionalizací se rozumí zavád ní nových typ osv tlovacích zdroj a svítidel a regulování provozu osv tlovacích soustav.
Podstata sv tla Sv tlo je elektromagnetické zá ení, které je schopno prost ednictvím zrakového orgánu vzbudit zrakový vjem. Zá ení lze charakterizovat frekvencí anebo vlnovou délkou. Vlnové délky viditelného sv tla jsou v rozmezí (3,8 až 7,8).10-7 m. S viditelným sv tlem sousedí ultrafialové zá ení na stran kratších vlnových délek a infra*ervené zá ení na stran delších vlnových délek. Ke vzniku sv tla v sou*asných sv telných zdrojích dochází z hlediska druhu dodávané energie a látky, ve které se tato energie m ní na sv telnou na t chto t ech základních principech:
inkadescencí neboli tepelným buzením vznikajícím p i zah átí pevné látky na vysokou teplotu, vybuzením atom v elektrickém výboji, luminiscencí pevných látek.
Typickým p edstavitelem prvního typu sv telných zdroj jsou oby*ejné a halogenové žárovky. Dodávanou energií je energie tepelná, vzniklá pr chodem elektrického proudu wolframovým vláknem. Druhý typ p edstavují všechny nízkotlaké a vysokotlaké výbojové zdroje, to znamená zá ivky, rtu7ové, sodíkové, halogenidové a nové typy výbojek. Sv tlo zde vzniká p i nepružných srážkách atom , iont a elektron ve sloupci výboje, který se nachází v elektrickém poli. T etí typ vzniku sv tla je založen na principu p em ny zá ení o kratší vlnové délce nap íklad ultrafialového na viditelné zá ení o delší vlnové délce. Tento jev nastává v tzv. luminoforu, což je u zá ivky sv tlá vrstva látky nanesená na vnit ní povrch trubice. Zá ivka bez luminoforu vyza uje hlavn na vlnové délce
= 2,53.10-7m. Toto zá ení
pat í do oblasti ultrafialového zá ení. P i použití luminoforu se ultrafialové zá ení transformuje do viditelné oblasti. Zá ivka s luminoforem vyza uje podstatn více sv tla než zá ivka bez luminoforu.
Základní sv teln technické veli iny Sv telný tok
Elektromagnetické zá ení ve viditelné oblasti je energetickou veli*inou, která p sobí na zrakový orgán a vyvolává zrakový vjem. Zrak transformuje energetické veli*iny nap . zá ivý výkon na veli*inu fotometrickou a tou je sv telný tok. Sv telný tok
se m í v lumenech
[lm] a je mírou výkonu sv telného zdroje. Nap . zá ivka firmy OSRAM Lumilux L 36/31 má elektrický p íkon 36W. Tento elektrický p íkon se v zá ivce m ní na zá ivý výkon, který zrakový orgán transformuje na sv telný tok o velikosti
= 3350 lm.
V souvislosti se sv telným tokem je nutno definovat m rný výkon sv telného zdroje. M rný výkon nebo také ú*innost sv telného zdroje je dán vztahem
!=
P
[lm.W-1; lm; W]
(1. 1)
… sv telný tok zdroje [lm] P
… elektrický p íkon sv telného zdroje [W]
U zdroj bez p ed adník to znamená u žárovek je výkon zdroje totožný s p íkonem svítidla, u zdroj
s p ed adníkem jako jsou zá ivky anebo výbojky je nutno k p íkonu
sv telného zdroje p ipo*íst p íkon p ed adníku. Nap . jednotrubicové svítidlo se zá ivkou 36 W bude mít p i klasickém induktivním p ed adníku p íkon asi o 5 W vyšší to je 41 W. Navýšení p íkonu pokrývá ztráty v p ed adníku (tlumivce).
Svítivost
Sv telný tok vycházející ze zdroje nebo svítidla má zpravidla nerovnom rné rozložení do r zných sm r prostoru. Z t chto d vod je nutno krom celkového (úhrnného) toku znát prostorovou hustotu sv telného toku v r zných sm rech. Prostorová hustota sv telného toku
se nazývá svítivostí I zdroje anebo svítidla a m í se v kandelách [cd]. Kandela pat í k základním jednotkám soustavy SI. Ve sv teln technické praxi je t eba, abychom znali svítivost zdroje anebo svítidla do všech sm r . Jsou-li tyto hodnoty známy (a výrobce svítidel by je m l uvád t ve svém katalogu), vytvá ejí koncové body vektor jednotlivých svítivostí tzv. fotometrickou plochu svítivosti. P i výpo*tech zpravidla posta*ují n které ezy fotometrickou plochou.
Osv tlenost
Osv tlenost (intenzita osv tlení) E je plošná hustota sv telného toku dopadajícího na plochu A. M í se v luxech [lx] a platí vztah :
E=
A
[lx; lm; m2]
(1. 2)
Osv tlenost lze považovat p i navrhování osv tlovacích soustav za nejd ležit jší veli*inu, protože po*ty lux pro jednotlivé pracovní *innosti a prostory jsou p edepsány v normách a pro projektanty jsou tyto hladiny osv tlenosti závazné.
Jas sv telných paprskB
Zrakový orgán nevnímá sv telný tok, svítivost ani osv tlenost, vnímá pouze to, že jedna plocha ve srovnání s druhou je jasn jší nebo tmavší. Vyšší jas vykazují plochy svítidel nebo sv telných zdroj , kterým se íká primární zdroje. Jas vykazují také všechny plochy, které se v osv tlovaném prostoru nacházejí, jako jsou st ny, strop, podlaha a plochy p edm t v daném prostoru. Tyto plochy se nazývají sekundárními zdroji. Jejich jasy jsou úm rné odraznostem jednotlivých ploch. Pro jas paprsk vycházejících nap . z primárních zdroj platí vztah :
L=
A.cos"
I A cos"
[cd.m-2; cd; m2]
(1. 3)
… pr m t plochy A do roviny kolmé k danému sm ru [m2]
Jas se m í v kandelách na metr *tvere*ní [cd.m-2] a je velmi d ležitou veli*inou p i hodnocení osv tlovací soustavy z hlediska osln ní.
Zdroje sv tla
Žárovky, halogenové žárovky
Pat í mezi nejrozší en jší zdroje sv tla, jejichž vývoj se zdá být ukon*en. Jejich hlavní nevýhodou je malý m rný výkon a nízký život (T = 1000 hod ), jsou citlivé na kolísání nap tí. Jejich výhodou je index barevného podání Ra = 100 , jsou levné. Halogenové žárovky na malé nap tí jsou již dlouhou dobu oblíbeným sv telným zdrojem a to hlavn k dekorativnímu osv tlení. Tyto žárovky jsou vybaveny zpravidla tzv. dichroickým zrcadlem, které usm r$uje viditelné zá ení na osv tlovaný p edm t a propouští infra*ervené zá ení sm rem k objímce žárovky. Halogenový cyklus umožnil zvýšit jejich m rný výkon a jejich život se zvýšil ( T = 3000 hod.). Halogenové žárovky na nízké nap tí jsou vyráb ny v širokém sortimentu hlavn jako dvoustiskové s p íkonovou adou od 60, 100, 150, 200, 500, 750, 1000, 1500 a 2000 W. Existují také halogenové žárovky s paticí E27, jejichž použití se p edpokládá hlavn ve sv tlometech ale také ve stolních lampách atd.
Zá ivky lineární
Jsou to nízkotlaké rtu7ové výbojky, v nichž se ultrafialové sv tlo výboje transformuje ve vrstv luminoforu na viditelné sv tlo. Nejmodern jší koncepce t chto zá ivek dosahují m rných výkon
p es 100 lm.W-1 a index barevného podání Ra> 80.
Lineární zá ivky vyžadují ke své funkci p ed adník, který je bu] induktivní (tlumivka) nebo elektronický. Z p vodního pr m ru trubice $ 38 cm se postupn p echázelo na $ 26 ,16 a 7 mm. Jmenovité p íkony se pohybují od 4 do 65 W. Novinkou v tomto sm ru jsou nové typy zá ivek s ozna*ením TL5 (Philips) o pr m ru 16 mm. Menší pr m r zá ivek umož$uje konstruovat ú*inn jší optické systémy svítidel, trubice vyžadují nové typy svítidel (jsou kratší než standardní). Standardní zá ivky využívají klasické halofosfátové luminofory. Zlepšené podání barev i vyšší výkon vykazují t ípásmové luminofory. Dalším vylepšením je snížení obsahu rtuti, která je ekologicky závadná. U zá ivek je d ležitým pojem barevný tón. Nej*ast jší se používají typy, které mají tón teple bílý, bílý nebo denní. Existují také tóny teple bílý de Luxe, chladn bílý de Luxe, denní de Luxe a Biolux, které mají Ra = 90 p i sníženém m rném výkonu na hodnotu 55 lmW-1. Tóny zá ivek by se nem ly v jednom prostoru míchat. Sv telný tok zá ivek je závislý na kolísání nap tí, mén však než u žárovek a je rovn ž ovliv$ován venkovní teplotou. Teplotn nezávislé jsou zá ivky TL5 a n které další specifické typy. Zavedením elektronických p ed adník , které mají na výstupu frekvenci p es 30 kHz se zvyšuje m rný výkon zá ivek. Elektronický p ed adník v sob
zárove$ spojuje funkci
zapálení výboje a jeho stabilizaci b hem provozu. Elektronický p ed adník umož$uje tzv. m kký start, který podstatn prodlužuje život zá ivky, start je rychlý a bez blikání. Vysoká frekvence vylu*uje míhání sv tla a odstra$uje stroboskopický jev. Ve srovnání s induk*ním p ed adníkem vykazuje elektronický p ed adník menší ztráty i hmotnost.
Život klasických zá ivek se pohybuje od 6000 hod u standardních typ až do 16000 hod u typ TL5.
Zá ivky kompaktní
Kompaktní zá ivky p edstavují skupinu nových sv telných zdroj , které mají podobné geometrické parametry, tém
stejnou kvalitu podání barev a zárove$ mají podstatn vyšší
ú*innost ve srovnání se žárovkami. Jejich sv telný tok se pohybuje v rozmezí 450 až 3200 lm p i m rném výkonu 50 až 80 lm.W-1 a mají podstatn delší život (8 až 10 krát více než žárovky). Fyzikáln fungují kompaktní zá ivky jako zá ivky lineární. Konstruk*n jsou zá ivky jednopaticové, trubice jsou dvojité, *ty násobné a šestinásobné s p íkony 5 až 42W. Tyto zá ivky mají v sob zabudovaný zapalova* a externí tlumivku nebo elektronický p ed adník. Kompaktní zá ivky s integrovaným elektronickým p ed adníkem a paticí E14 nebo E27 (jako žárovky ) existují ve velkém množství variant lišících se tvarem výbojové trubice, celkovou délkou a rozm ry plastového krytu v n mž je umíst n elektronický p ed adník. Existuje rovn ž velké množství výrobc , a to z dálného východu i od renomovaných firem. První jsou levné avšak zpravidla z nekvalitních sou*ástek, což souvisí s jejich poruchovostí a nedodržením parametr .
RtuTové vysokotlaké výbojky
Vysokotlaký rtu7ový výboj vyza uje asi 20 % p ivedené energie ve viditelné oblasti p i špatném podání barev. Luminofor umož$uje dosažení m rného výkonu až 58 lm.W-1, Ra = 60. Život výbojek je 6000 až 8000 hod, výbojka vyžaduje p ed adník, zapalování se provádí pomocnou elektrodou a probíhá v argonu. Vyrábí se v ad p íkon 50, 80, 125, 250, 400 a 1000 W. Využívají se ve vnit ním a venkovním pr myslovém osv tlení, p i osv tlování komunikací, sportoviš7 a architektur. Jsou vytla*ovány efektivn jšími sodíkovými výbojkami
na komunikacích a halogenidovými výbojkami s lepším barevným podáním p i osv tlování vnit ních prostor .
Halogenidové vysokotlaké výbojky
Vlivem dávkování r zných prvk a jejich halogenid
do ho ák rtu7ových výbojek se
zvýšil jejich m rný výkon a také barevné podání Ra>90. Život halogenidových výbojek je až 6000 hod a vykazují širokou škálu p íkon od 40 W do 3,5 kW. Tyto výbojky nalézají uplatn ní ve ve ejném a pr myslovém osv tlení, ale hlavn p i osv tlování sportoviš7, a to i p i televizních p enosech. Vyžadují vysokonap 7ové zapalova*e.
Sodíkové vysokotlaké výbojky
Ke vzniku sv tla zde dochází v parách sodíku, které se vykazují vysokou chemickou aktivitou a proto musí být ho ák z korundové trubi*ky. Výkonová ada sodíkových výbojek obnáší p íkony 50, 70, 150, 250, 400 a 1000 W. Výbojky mají nízký index podání barev Ra =20, a proto se hodí pro osv tlování komunikací, venkovních prostor
a pr myslových
prostor s nízkými požadavky na kvalitu vjemu barev. Výbojky vyžadují vysokonap 7ový zapalova*. Život sodíkových výbojek m že dosáhnout p i dodržování provozních podmínek tzn. dodržení kolísání nap tí do ± 5 % jmenovitého nap tí hodnot 16000 až 28000 hod. Ukon*ení života se projevuje postupným nár stem nap tí na výboji a výbojka za*íná periodicky zhasínat a znovu se zapalovat. Z d vod vysokého m rného výkonu se sodíkové výbojky doporu*ují zavád t v co nejvyšší mí e hlavn na komunikacích. Vyšší m rný výkon vykazují nízkotlaké sodíkové výbojky. Jejich index barevného podání je Ra = 0 a proto se doporu*ují používat jen p i osv tlení výpadových komunikací.
Další sv telné zdroje
Mezi nový typ výbojových zdroj
pat í výbojky CDM, které jsou kombinací
halogenidových a sodíkových výbojek, které je možno vyráb t v malých p íkonech 39 až 150 W, mají m rný výkon v tší než 90 lm.W-1, Ra>80, konstantní parametry a malé rozm ry. Do kategorie bezelektrodových výbojek pat í
sirné výbojky, které mají ba$ku
napln nou sírou a argonem. Výboj je buzen mikrovlnným zá ením s frekvencí 2,45 GHz. Vykazuje vysoký m rný výkon 130 lmW-1 a také vysoký index barevného podání Ra = 85 a používá se v aplikacích se sv tlovody. Do této kategorie pat í rovn ž induk*ní výbojky typu QL a ENDURA. Tyto výbojky mají uvád n život o hodnot 60 000 hod a p ednostn se používají v t žko p ístupných místech, nap . v tunelech.
Elektrická svítidla Svítidla jsou základními prvky osv tlovacích soustav. Jsou to prvky, do kterých se umís7ují sv telné zdroje, které samy o sob nejsou vhodné pro osv tlovací ú*ely a rovn ž nejsou vhodné do n kterých prost edí. Svítidla se skládají z *ástí sv teln *inných a *ástí konstruk*ních. Aásti sv teln *inné slouží ke zm n rozložení sv telného toku, k rozptylu toku, k zábran osln ní anebo ke zm n spektrálního složení sv tla. Jde o reflektory zrcadlov difúzní anebo matované, refraktory, *o*ky, rozptylova*e, stínidla, filtry. Konstruk*ní *ásti svítidla slouží k upevn ní zdroje, k upevn ní sv teln *inných *ástí, k ochran zdroj i sv teln *inných *ástí p ed n kterými prost edími a k p ipojení zdroj k nap 7ové soustav . Krom svítidel pro b žné osv tlovací ú*ely se v praxi *asto využívají sv tlomety. Sv tlomety vyza ují sm rov soust ed ný svazek sv telných paprsk . Používají se p evážn pro osv tlování z velkých vzdáleností.
