33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE

ČESKÁ ELEKTROTECHNICKÁ SPOLEČNOST PRAHA, VUT V BRNĚ

33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE

www.nzee.cz

HROTOVICE 2012

ISBN 978-80-02-02372-2


Tato publikace obsahuje zkrácená znění původních sdělení a některých referátů přednesených na mezinárodní konferenci 33. Nekonvenční zdroje elektrické energie uspořádané v Hrotovicích ve dnech 21. – 23. května 2012 Českou elektrotechnickou společností (UOS pro chemické zdroje elektrické energie) a Fakultou elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.

Organizační výbor konference:

Programový výbor konference:

doc. Ing. Petr Bača, Ph.D. Ing. Petr Křivík, Ph.D. Ing. Pavel Abraham Ing. Jiří Wagner Ing. Pavel Tošer Ing. David Pléha

doc. Ing. Petr Bača, Ph.D. RNDr. Karel Micka, DrSc. doc. Ing. Zdeněk Dostál, CSc. doc. Ing. Jiří Vaněk, Ph.D. doc. Ing. Vítězslav Novák, Ph.D. doc. Ing. Peter Tauš, Ph.D. doc. Ing. Dušan Kudelas, Ph.D.

Matrice pro tisk byly pořizovány přímo z originálů dodaných autory. Z tohoto důvodu vydavatel neodpovídá za jazykovou ani věcnou správnost uveřejněných textů.

OBSAH SBORNÍKU Šimonová, L.: TERMOFOTOVOLTAIKA A JEJÍ VÝVOJ ................................................... 7 Pázral E.: OBNOVITELNÉ ZDROJE A JADERNÁ ENERGETIKA ROK PO FUKUŠIMĚ ..................................................................................................................... 12 Mikšík, F., Kotlík, J.: KOMBINOVANÉ SOLÁRNÍ SYSTÉMY A JEJICH ŘÍZENÍ V RD ...................................................................................................................................... 21 Vaněk, J., Baura T., Veselý A.: ZAŘÍZENÍ PRO DETEKCI DEFEKTŮ POMOCÍ FOTOLUMINISCENCE ........................................................................................................ 27 Stojan, R., Vaněk J., Šimonová L., Veselý A., Frantík O.: LUMINISCENČNÍ SPEKTROSKOPIE FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ ...................................................... 32 Tošer, P., Bača P., Neoral J.: BEZKONTAKTNÍ MĚŘENÍ SOLÁRNÍCH PANELŮ S VYUŽITÍM TERMOVIZE ................................................................................................. 36 Veselý, A.: VLIV OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ NA LUMINISCENČNÍ DIAGNOSTICKÉ METODY SOLÁRNÍCH ČLÁNKŮ ...................................................... 40 Wolf P., Kuřík O., Benda V.: FOTOVOLTAICKÝ SYSTÉM PŘEDÁVAJÍCÍ VÝKON DO ODPOROVÉ ZÁTĚŽE ................................................................................................... 44 Micka, K.: 150 LET OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU ..................................................... 51 Tonar, K., Tošer, P., Bača, P.: VLIV Ti4O7 NA CHOVÁNÍ ZÁPORNÉ AKTIVNÍ HMOTY OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU ....................................................................... 55 Abraham, P., Bača, P.: PULZNÍ NABÍJENÍ OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU ............... 60 Křivík, P.: TEPELNÉ ZMĚNY V OLOVĚNÉM AKUMULÁTORU II .............................. 63 Šembera, J., Veselý, I., Zezulka, F., Sajdl, O.: SYSTÉM PRO MĚŘENÍ, PREDIKCI A ÚSPORY ENERGIE V DOMÁCNOSTECH ....................................................................... 67

Pospíšil, J., Pospíšil, P., Tureček, P.: MONITOROVÁNÍ PROVOZU VÝROBEN OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ............................................................................................. 71 Morte, M.: VYUŽITÍ SMART GRIDS VE VODÍKOVÉM HOSPODÁŘSTVÍ ................. 75 Dostál, Z.: AKUMULAČNÉ PRVKY V ENERGETICKÝCH SYSTÉMOCH .................. 79 Radil, L., Bernáth, F.: NETRADIČNÍ METODY SKLADOVÁNÍ ENERGIE POUŽITELNÉ V PRAXI....................................................................................................... 97 Pléha, D.: VANADOVÉ REDOXNÍ BATERIE ................................................................ 100 Šubarda, J.: PALIVOVÉ ČLÁNKY - VÝVOJ A SOUČASNÝ STAV ............................. 102 Kunovjánek, M., Musil, M., Šubarda, J.: PVA MEMBRÁNY PRO PEMFC PALIVOVÉ ČLÁNKY ........................................................................................................ 106 Máca, J.: VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY .................................................................................. 112 Vyroubal, P., Maxa, J., Solčanský, M., Vaněk, J.: APLIKACE CAE SYSTÉMŮ PŘI NÁVRHU CHLAZENÍ KONCENTRÁTOROVÝCH SOLÁRNÍCH ČLÁNKŮ ............. 116 Tauš, P., Hovorka, I.: ZHODNOTENIE PREVÁDZKOVÝCH PARAMETROV PROTOTYPOV SOLÁRNYCH VZDUCHOVÝCH KOLEKTOROV ............................. 120 Kudelas, D., Urbanová, M.: VYUŽITEĽNOSŤ VETERNÝCH ZARIADENÍ S VERTIKÁLNOU OSOU V KOŠICIACH ....................................................................... 127 Tichý, J., Dvořák., P.: Ni-Zn AKUMULÁTORY ............................................................... 134 Libich, J., Čech, O., Sedlaříková, M., Vondrák, J.: PERSPEKTIVNÍ MATERIÁLY PRO NEGATIVNÍ ELEKTRODY LITHNO-IONTOVÝCH ČLÁNKŮ .......................... 138 Čech, O.: PROGRESIVNÍ KATODOVÉ MATERIÁLY PRO Li-ION AKUMULÁTORY .............................................................................................................. 142

Kazda, T., Čech, O.: OPTIMALIZACE VÝROBY A STABILIZACE STRUKTURY LiCoO2 ................................................................................................................................. 147 Chladil, L., Dvořák, P.: MOŽNOSTI EIS METODY PŘI MĚŘENÍ IMPEDANČNÍCH ZMĚN Ni(OH)2 ELEKTRODY V PRŮBĚHU CYKLOVÁNÍ .......................................... 151 Darmová, V.: SVETELNÉ ZDROJE A ĽUDSKÝ ORGANIZMUS .................................. 155 Kazda, T., Sedlaříková, M., Vondrák, J., Čech, O.: STABILIZACE STRUKTURY LiCoO2 POMOCÍ DRASLÍKU ............................................................................................ 160 Tonar, K.: VLIV VODIVÝCH PŘÍMĚSÍ NAM NA ŽIVOTNOST OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU............................................................................................................... 164 Rozsívalová, Z., Frk, M.: METODY MĚŘENÍ TEPLOTY A JEJICH PŘESNOST .......... 169

Mimo sborník byly některé příspěvky a prezentace vydány v elektronické formě na CD.


1

TERMOFOTOVOLTAICKÉ SYSTÉMY Lucie Šimonová Ústav elektrotechnologie, FEKT VUT v Brně, Technická 3058/10, 616 00 Brno, [email protected] Abstrakt Hlavním cílem termofotovoltaiky je dosažení vyšší účinnosti celého systému za využití běžně dostupných fotovoltaických článků při minimálních nákladech a využití záření jak ve viditelné, tak i v infračervené oblasti spektra. Klíčem k dosažení vyšší účinnosti systému je tzv. spektrální řízení, které může být zajištěno jednotlivými částmi termofotovoltaického systémy. Úvod Pro dosažení maximální účinnosti termofotovoltaického (TFV) systému musí být splněny dvě zásadní podmínky => minimální emise fotonů na FV článek s energií nižší, než je šířka zakázaného pásu fotovoltaického (FV) článku a maximální emise fotonů s energií vyšší či rovnou šířce zakázaného pásu FV článku. Hlavními částmi TFV systému, které se podílejí na splnění těchto podmínek a tím také na vzrůstu účinnosti celého systému, jsou radiátor (někdy také nazývaný jako absorbér či emitor), filtr a běžně dostupný FV článek. Radiátor i filtr může mít různá provedení s odlišnými vlastnostmi i použitými materiály. Stejně tak i zdroj záření/tepla může být různého provedení, což určuje oblast uplatnění takovéhoto systému. U TFV systému se sledují jednak optické parametry - absorpce, odrazivost, emise a propustnost použitých materiálů jednotlivých součástí systému, které se odvíjí jednak od úhlu dopadu záření a od samotných vlastností použitých materiálů. Velmi důležitou vlastností je výsledná účinnost systému, a také výkon celého systému, který velmi silně závisí na teplotě radiátoru. Neméně důležitá je životnost systému i jeho jednotlivých částí a samozřejmě cena.

TFV radiátor Jedná se o velmi důležitou část TFV systému. Tento prvek má za úkol absorbovat co největší spektrum záření bez toho, aniž by došlo k jeho zpětnému odrazu a rozptýlení do okolí. Zároveň musí sloužit i jako emitor fotonů na FV článek, kde jsou tyto přeměněny na energii elektrickou. V běžném FV článku je přeměněna na elektrickou energii pouze malá část dopadající energie a zbylá část je přeměněna na tepelné ztráty. Pokud by se na zadní straně FV článku využila reflexní vrstva, mohou být tyto fotony zpětně odraženy k radiátoru, který tímto zahřívají. Podobného principu můžeme docílit i zařazením filtru mezi radiátor a FV

7

článek. Energie odražených fotonů může být využita při další emisi nebo může přispívat k udržení teploty radiátoru.

Obr. 1: Základní princip TFV. [2] Základním rozdílem TFV oproti FV je schopnost využít fotony o energii E vyšší než je šířka zakázaného pásu Eg FV článku k přeměně na energii elektrickou, ale také využít fotony o energii nižší pro udržení potřebné teploty radiátoru (rekuperace). Při běžné FV přeměně by tato energie představovala tepelné ztráty. Z toho tedy vyplývá, že radiátor, proto aby správně fungoval, potřebuje vysoké teploty. S tím úzce souvisí také šířka spektra, kterou TFV využívá. Běžné FV systémy využívají pouze oblast viditelného spektra, kdežto TFV využívá i oblast infračervenou (IR), jejíž energie je běžně při absorpci přeměněna na ztrátové teplo, ale TFV toto teplo dokáže využít pro udržení požadované teploty radiátoru, čímž se efektivně využije širší spektrum záření včetně záření s nižší energií fotonů, čímž se zvyšuje účinnost celého systému. Jak je vidět na Obr. 2 a v Tab. 1, s rostoucí vlnovou délkou klesá energie fotonů i frekvence. Běžné systémy tyto energie nejsou schopny účinně využít.

Obr. 2: Spektrum záření. [1] Ideálním radiátorem je dokonale černé těleso, které by mělo stálou teplotu a bylo by schopno absorbovat všechno dopadající záření nezávisle na úhlu dopadu s nulovým zpětným odrazem.

8

Zároveň by fungovalo jako dokonalý zářič a množství absorpce by bylo srovnatelné s emisí. Bohužel lidské oko má úzké spektrum reakce, čímž dochází ke klamu oka, takže to, co se nám zdá „absolutně“ černé, bohužel není. Proto existence dokonale černého tělesa je velmi nepravděpodobné. Ale existují materiály, které se některými vlastnostmi tomuto tělesu přibližují – černý uhlík, černá platina, černé zlato či karbid křemíku. Tab. 1: Přehled záření a jejich parametrů.

Reálný radiátor se od ideálního podstatně liší, jelikož nikdy nemůžeme docílit dokonalé absorpce a nulové odrazivosti, ale můžeme se těmto vlastnostem snažit přiblížit. Nejdůležitější podmínkou, pro správnou funkci radiátoru je jeho dostatečná teplota, která se pohybuje mezi 1 200 ≤ TE ≤ 2 000 K, což odpovídá 927 – 1 727 C. Tyto teploty jsou poměrně dost velké, proto se jich dosahuje jednak na vrchní ploše radiátoru, která je vystavena tepelnému záření ze zdroje. Dále je teplota udržována za pomocí ztrátového tepla, resp. odražených fotonů s nízkou energií, které dopadají zpět na stranu radiátoru, která je blíž k FV článku. Od reálných radiátorů se vyžaduje, aby emise fotonů o energii E < Eg byla minimální, případně aby došlo k jejich zpětnému odrazu k radiátoru a zároveň aby docházelo k emisi fotonů o energii E > Eg, pro uplatnění FV přeměny. Reálné radiátory můžeme dělit do dvou základních provedení – šedý radiátor a selektivní radiátor. Šedý vs. selektivní radiátor Pro šedý radiátor je typická stejná spektrální emise pro všechny vlnové délky. Pro všechny druhy radiátorů je zapotřebí volit takové materiály, které mají vysoký bod tavení. Vhodnými materiály mohou být například platina (P), wolfram (W) či karbid křemíku (SiC). Ovšem jako jiné materiály, ani tyto nejsou dokonalé. Vyskytují se různé problémy např. u wolframu, je kladnou stránkou výborná emisivita požadovaných energií a malá pro velké vlnové délky, ale zároveň dochází k oxidaci materiálu mimo vákuum za působení vysokých teplot, stejně tak u karbidu křemíku, i přes to, že se vyznačuje dobrou emisivitou, což je zásadní pro radiátory, taktéž se u něj vyskytují problémy spojené s degradací na vzduchu za působení vysokých teplot. Dalšími problémy u materiálů vhodných pro šedé radiátory může být například pozvolné vypařování či zhoršená emise od určitých vlnových délek. Stejně jako u předchozího typu i u selektivního radiátoru se vyžaduje vysoká emise fotonů o energii E Eg a zanedbatelná emise E < Eg. Selektivní radiátor může mít dvě základní provedení a to v podobě plynné nebo pevné fáze. Plynná fáze, také nazývána plazmovým radiátorem, má oproti ostatním provedením radiátorů jednu zásadní nevýhodu. Vyžaduje totiž

9

velmi vysoké teploty nad 2 000 K a vzhledem k tomu, že hustota plazmy je nízká, je také poměrně nízký výkon, takovéhoto radiátoru. Oproti tomu radiátor pevné fáze vyžaduje teploty sice vyšší než 1 000 C, ale přitom nižší než plazmové radiátory. Opět i v tomto případě je zapotřebí volit materiály s vysokou teplotou tavení. Vhodnými materiály proto mohou být například sloučeniny lanthanoidů s jinými prvky (viz. Tab. 2). U radiátorů v pevné fázi by měl být rozsah emise srovnatelný s Eg dostupných FV článků. Zároveň se musí vzít v úvahu fakt, že žádný materiál, použitý pro radiátor, nebude mít nulovou zpětnou odrazivost, proto je velmi žádoucí využití ještě antireflexní vrstvy (např. Al 2O3). Tab. 2: Ukázka možných sloučenin s lanthanoidy (R), vhodných pro selektivní radiátory. [2] Sloučeniny

Teplota tavení [°C]

Poznámka

> 2 200

-

RxY3-xAl5O12

1 930

0<x<3

RxGd3-xGa5O12

1 750

0<x<3

RxMg1-xAl2O4

2 100

0<x<1

RxZr1-xO2

2 700

0<x<1

RxY2-xO3

2 400

0<x<2

R2O3

Filtry pro TFV Největšího spektrálního řízení pro dosažení vysoké účinnosti u TFV lze dosáhnout právě pomocí filtrů, umístěných mezi radiátorem a FV článkem. Proto, aby bylo dosaženo co nejvyšší účinnosti celého systému, musí splňovat základní podmínky – minimální absorpce záření, velká odrazivost fotonů o energiích E < Eg zpět k radiátoru a maximální propustnost pro fotony o energiích E > Eg. Vhodné filtry dělíme do následujících čtyř skupin => interferenční (úzkopásmové), plazmové, kombinované interferenčně-plazmové a maticové filtry. Interferencí filtry se vyznačují velkou propustností v daném rozsahu spektra, velkou odrazivostí pro nežádoucí vlnové délky, ale také má svá negativa a tím je zhoršená odrazivost pro velké vlnové délky. Ale i přes to je absorpce pro všechny vlnové délky prakticky zanedbatelná. Vhodnými materiály jsou dielektrika. Oproti tomu plazmové filtry mají sice velkou odrazivost, ale velmi významnou absorpci v propouštěném spektru. Jedná se o materiály vodivé a polovodivé. Nejlepší variantou je tedy kombinace těchto dvou filtrů, pro dosažení požadovaných vlastností obou filtrů a tím odstraňují nedostatků obou variant. Přičemž je potřeba, aby interferenční filtr byl zařazen před filtr plazmový. Poslední variantou filtrů je filtr maticový. Jak již sám název napovídá, jedná se o skupinu malých otvorů, určených pro průchod požadovaných vlnových délek, přičemž velikosti a rozestupy otvorů jsou menší než vlnová délka. Tyto filtry mají velkou odrazivost. Vhodnými materiály jsou sloučeniny kovů.

10

Možnosti aplikace TFV systémů Podle toho, jaký zdroj tepla TFV systém využívá, se dá rozdělit do tří skupin, od kterých se odvíjí i samotná oblast uplatnění: Solární TFV systém o sluneční zdroj o běžné využití jako FV, ale s vyšší účinností Nukleární TFV systém o založen na rozkladu radioisotopů o využití v hlubokém vesmíru, kde je solární záření příliš malé pro přeměnu Systém řízeného spalování o využívá spalování plynů, tuhých paliv aj. o využívá část tepla při spalování pro výrobu elektrické energie o severské státy bez el. energie (horské oblasti), armáda, hybridní vozidla o široké komerční využití o výroba tepla i elektrické energie Závěr V této práci bylo shrnuto, jakými způsoby se dá ovlivnit TFV přeměna při využití komerčně dostupných FV článků. Zaměřili jsme se především na stavbu celého TFV systému a vhodné materiály. Pokud by se do budoucna podařilo úspěšně aplikovat některé z možných provedení do skutečné praxe a provozu, dá se předpokládat, že zájem o tyto systémy bude opravdu velký, protože v porovnání s klasickými FV systémy má tento mnoho výhod. Velkým plus TFV systémů je fakt, že by mohly být aplikovány v rozmanitých oblastech uplatnění. Poděkování Tato práce vznikla za podpory interního grantu VUT v Brně č. FEKT-S-11-7. Literatura [1] [2] [3] [4] [5]

Spektrální citlivost solárních článků [online]. Dostupný na WWW: http://www.solartec.cz/cs/fv-systemy/o-fotovoltaice/spektralni-citlivost-clanku.html CHUBB, DONALD L., Fundamentals of thermophotovoltaic energy conversion. Amsterdam: Elsevier, 2007. ISBN: 978-0-444-52721-9 DePOY, D. M., Thermophotovoltaic Spectral Control [online]. 2004-06-09. Dostupný na WWW: http://www.osti.gov/bridge/product.biblio.jsp?osti_id=850113 GREEN, MARTIN A., Third generation photovoltaics; Advanced solar energy conversion, Springer. 2006. ISBN 3-540-26562-7 Spektrum [online]. Dostupný na WWW: http://www.asu.cas.cz/~bezdek/fyzika/spektrum_ab.php

11

4


OBNOVITELNÉ ZDROJE A JADERNÁ ENERGETIKA ROK Emil Pázral Výzkumný ústav zemědělské techniky, Praha 6 - Ruzyně, e-mail: [email protected] Minulost a současnost jaderné energetiky 29. ledna t.r. byl na programu ČT 2 ve večerních hodinách uveden dokument Občan Kurčatov (Igor Vasiljevič, 12.1.1903 – 7.2.1960) s podtitulem Dramatický život otce sovětské atomové bomby. Popisuje se m.j. rozpolcenost člověka – vlastence, který na jedné straně cítí povinnost učinit vše pro to, aby se Sovětský svaz vyrovnal Spojeným státům a nemohla být ohrožena jeho suverenita a mocenské postavení a na straně druhé obrovskou odpovědnost za následky zneužití této zbraně pro lidstvo. Vznikla situace, kdy on a jeho kolektiv spolupracovníků měl veškerou podporu stranického a státního vedení, ale zároveň si ideologicky navzájem příliš nerozuměli. Stalin v rozhovoru s Berijou se měl údajně vyjádřit, že: když nebudou dělat dobrotu, zastřelit je můžeme vždycky! Kurčatov řešil rozpor podporou světového mírového hnutí a usilovnou prací na co nejdřívějším využití jádra pro produkci elektrické energie. A tak již v r. 1954 byla v areálu jaderného výzkumného ústavu v lokalitě Dubna u Moskvy uvedena do provozu jako první na světě jaderná elektrárna o výkonu 5 MW. Reaktor je černobylského typu (moderovaný grafitem) a z experimentálních důvodů je stále ještě udržován v provozu. Spojené státy měly v téže době k dispozici větší počet reaktorů a o větším výkonu, ale pro jejich energetické využití chyběla motivace. Následoval postupný vývoj jaderné energetiky v Evropě i ve světě. Několik zajímavých dat z vývoje v Evropě udává následující tabulka. Jsou uvedena nejstarší a nejnovější, příp. nejdéle provozovaná jaderná zařízení. Tab. 1: Nástin vývoje jaderné energetiky v Evropě Země

Místo

1.

Francie

Chinon Golfech

2.

Německo

3.

bývalý SSSR

4.

Velká Británie

5.

bývalé Československo

12

Rheinsberg Grundremmirgen Neckarwestheim Obninsk Sibiřská Kalininská Smolensk Calder Hall Oldbury Sizewell Jaslovské Bohunice Temelín

GCR PWR

Výkon (MW) 84 1365

FBR BWR PWR APS-1 FBR VVER 1000 VVER 1500 GCR GCR PWR GCHWR (A1) VVER 1000

80 252 1365 30 100 1000 1500 60 230 1258 150 1000

Typ reaktoru

Započetí provozu 1963 1993

Ukončení provozu 1973 dosud v provozu 1966 1990 1966 1980 1989 dosud 1954 2004 1963 2008 2004 dosud ve stadiu příprav 1956 2003 1967 dosud 1995 dosud 1972 1979 2002 dosud

6.

Finsko

7.

Švédsko

8

Maďarsko

Loviisa Olkiluoto Agesta Oskarshamn Pakš

VVER 440 EPR PHWR BWR VVER 440

510 1600 12 1205 440

1977 dosud ve výstavbě 1964 1974 1985 dosud 1980 dosud

Tab. 2: Typy jaderných reaktorů

Označení

Význam

AGR

Advanced Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor - pokročilý plynem chlazený, grafitem moderovaný reaktor Advanced Pressurized Light Water Cooled and Moderated Reactor - pokročilý tlakovou vodou chlazený a moderovaný reaktor Booling Light Water Cooled and Moderated Reactor - vroucí vodou chlazený a moderovaný reaktor Fast Breeder Reactor - rychlý množivý reaktor Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor - plynem chlazený, grafitem moderovaný reaktor High temperature, Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor - vysokoteplotní, plynem chlazený, grafitem moderovaný reaktor Light Water Cooled and Moderated Reactor - obyčejnou vodou chlazený a moderovaný reaktor Light Water Cooled, Graphite Moderated Reactor - lehkou vodou chlazený, grafitem moderovaný reaktor Pressurized Heavy Water Cooled and Moderated Reactor - tlakovou těžkou vodou chlazený a moderovaný reaktor Pressurized Light Water Cooled and Moderated Reactor - tlakovou lehkou vodou chlazený a moderovaný reaktor Reaktor bolšoj moščnosti – kanalnyj (kanálový reaktor velkého výkonu), ruské označení pro sovětský reaktor typu LWGR Vodovodjanoj energetičeskij reaktor (vodo-vodní energetický reaktor), ruské označení reaktoru PWR European Pressurized Water Reactor - evropský tlakovodní reaktor (reaktor budoucí Evropy) Težkovodní reaktor A1 - tepelný, plynem chlazený, těžkou vodou moderovaný reaktor

APWR BWR FBR GCR HTGR LWR LWGR PHWR PWR RBMK VVER EPR GCHWR

Tabulka uvádí nejdříve čtyři rozhodující evropské státy. Je patrno, že vývoj byl všude zhruba stejný. První elektrárny byly uváděny do provozu v padesátých a šedesátých letech a jejich výkony se pohybovaly v řádu desítek MW. Rozhodující nástup jádra byl zaznamenán v 70. a 80. letech s výkony řádově ve stovkách MW. Pak došlo k relativnímu ,,nasycení jádrem“ a zpomalení rozvoje. V devadesátých letech se již také ve větší míře začínají nahrazovat starší postupně dožívající kapacity novými. Jednotkové výkony bloků začínají překračovat hranici 1000 MW. Například v USA byla poslední jaderná elektrárna uvedena do provozu před 30 lety a teprve v únoru letošního roku bylo definitivně rozhodnuto o výstavbě další. Žádostí o novou výstavbu, zpravidla v lokalitách současných elektráren, je kolem dvaceti. U starších a nejstarších elektráren je velmi různá doba jejich provozu – od 10 do 45 let. Ruský Obninsk – 30 MW – byl spuštěn již v r. 1954 a provozován plných 50 let! U současných

13

jaderných elektráren se předpokládá minimální životnost 40 let, ale počítá se s jejich průběžnou modernizací ke zlepšení provozních a bezpečnostních parametrů a ke zvýšení výkonu a k současnému prodloužení životnosti až na 60 let. V USA bylo údajně vydáno již 44 povolení tohoto druhu! Tabulka dále obsahuje údaje z býv. Československa a dalších tří srovnatelných malých evropských států. Je zřejmé, že se od těch velkých nijak zásadně neliší. Dramatický osud naší A – jedničky v Jaslovských Bohunicích, jsme podrobně popsali už loni (palivo – přírodní, neobohacený uran, ukončení provozu zcela zbytečnou, ale dokonale zvládnutou havárií menšího rozsahu). Obdobný vývoj jako v Evropě lze zaznamenat i v ostatních částech světa. Úplný výčet všech jaderných států a podíl jádra na jejich energetické bilanci jsme rovněž uvedli již v loňském příspěvku. Počátkem roku 2011 bylo v provozu celkem 442 reaktorů o úhrnném instalovaném výkonu přes 377 000 MWe, nejvíce v USA, Francii, Japonsku, Velké Británii a Rusku. V Evropě asi 1/3 elektrické energie pochází z jaderných elektráren. V současnosti se ve 13 zemích světa staví 60 nových bloků jaderných elektráren a pro nejbližších 15 let se připravuje dalších 150. Realizace jednoho bloku trvá zpravidla 3 – 5 let a příprava nejméně 15. V Olkiluotu ve Finsku a ve Flamanville ve Francii jsou ve výstavbě reaktory resp. bloky s instalovaným výkonem 1600 a 1700 MWe. Naproti tomu ruský Smolensk – VVER 1500 je teprve ve stádiu přípravných prací. Události ve Fukušimě s výjimkou Německa tyto záměry nijak výrazněji neohrozily, spíše se promítly do zvýšení požadavků na bezpečnost při projektování díla i do zdokonalování kontrolních testů a zvýšení počtu i náročnosti zátěžových zkoušek provozovaných zařízení. Vývoj jaderné energetiky v České republice Československá jaderná energetika započala v Jaslovských Bohunicích (podrobně popsáno loni) a v České republice to byly Dukovany na Jižní Moravě. Jsou prakticky totožné s Bohunicemi, ale celé dodány Škodou Plzeň a jejími československými subdodavateli. V podmínkách socialistického Československa se nevyskytly žádné větší potíže s povolováním stavby. Samotná výstavba proběhla v letech 1978 – 1988. Byly vybudovány 4 bloky VVER 440 (v 213) – údaj v závorce charakterizuje jejich škodovácký původ – původní sovětské nesou označení (v 230). Na každý reaktor 440 MW navazují dva turbogenerátory 220 MW. Historie Temelína začínala obdobně. Investiční záměr stavby byl vydán počátkem roku 1979 a o rok později rozhodnuto o výstavbě čtyř bloků s možností budoucího rozšíření na šest. Pro zajímavost: taková elektrárna už existuje, a sice na Ukrajině v Záporoží. Stavba byla zahájena v r. 1980 a mezi léty 1984 až 1989 bylo uvedeno do provozu pět reaktorů VVER 1000. Poslední, šestý, byl připojen k síti v r. 1995. Všechny jsou v provozu. Přípravné práce v Temelíně začaly v r. 1983 a vlastní výstavba o rok později. Do toho zasáhly události r. 1989. Vláda tehdejší ČSFR vzala v úvahu nové ekonomické podmínky a zastavila výstavbu 3. a 4. bloku. Zbývajících 2000 MW výkonu mělo nahradit 3700 MW postupně odstavovaných uhelných elektráren v severních Čechách (tomu jsme se podrobně věnovali v r. 2010) a rozdíl měl být vyrovnán racionalizací spotřeby a očekávaným snížením výroby v energeticky náročných odvětvích (hutnictví, ocelářství).

14

Následoval rozpad Československa a usnesení České vlády z března 1993, kterým bylo definitivně rozhodnuto o dostavbě 1. a 2. bloku. Ta byla zahájena v r. 1984 a 1985 a bloky uvedeny do provozu v r. 2000 a 2002. Původní sovětská koncepce předpokládala, že proti reaktoru 1000 MW budou pracovat dvě turbosoustrojí o výkonu 500 MW. K vyzkoušení prototypu byla postavena v Horních Počáplech na Labi elektrárna Mělník III., kterou tvoří jediný turbogenerátor 500 MW. Do provozu byla uvedena v r. 1981 a modernizována v r. 1996. Dvě turbosoustrojí mají mít tu výhodu, že při event. poruše nevypadnou ze sítě obě najednou, takže u reaktoru přichází v úvahu k rychlé doregulaci jen polovina výkonu. To ovšem neřeší situaci, kdy k odlehčení dojde v důsledku výpadku sítě. Proto byla – v Temelíně poprvé – zvolena ,,česká cesta“ – vychlazení páry v parním kondenzátoru při současném novém způsobu mnohem rychlejšího snížení tepelného výkonu reaktoru. Krom toho jeden velký turbogenerátor je téměř o 25 % levnější než dva poloviční. V této ,,škodovácké“ podobě byly tedy posléze realizovány oba temelínské bloky. Původní sovětské bloky v Bohunicích byly řízeny a kontrolovány důmyslnými a spolehlivými reléovými systémy. V českých odborných kruzích se označovaly jako ,,sovětská těžkotonážní elektronika“ – název inspirován tzv. težkotonážními nákladními vlaky, provozovanými tehdy u nás po sovětském vzoru. U bloků VVER 440 českého původu byly nahrazeny polovodičovou technikou na bázi integrovaných obvodů ze Závodů průmyslové automatizace (ZPA) a zejména státního podniku DIAMO, jejichž úroveň byla na svou dobu hodnocena velmi vysoko. Původně se s nimi počítalo i pro Temelín, ale průtahy ve výstavbě způsobily, že mezitím byl vyvinut a mohl být aplikován počítačový řídící a kontrolní systém Westinghouse. Nově nabytá svoboda po r. 1989 se pochopitelně projevila také protitemelínskými aktivitami, a sice různými demonstracemi a blokádami, nebo přístupem sdělovacích prostředků. Přitom nelze nepozorovat rozdíl před a po březnu 1993, kdy dostavbu schválila vláda. Například jedna z největších a protestních akcí se krátce předtím uskutečnila přímo před branami Temelína. Velké zástupy lidí tam ,,spontánně“ vyjadřovaly svůj odpor. Aby ne, když šlo o najatý kompars z Temelína a dalších okolních obcí, z nichž jeden každý, krom legrace s tím spojené, dostal za své vystoupení osm stovek československých. Jejich lidoví organizátoři obdrželi číselně srovnatelné částky, ale v říšskoněmeckých markách a po skončení akce nasedli do svých Audin, Bavoráků a Mercedesů a spokojeně odjeli nikoli do Rakouska, ale do Bavorska. Tato zpráva je důvěryhodně ověřena ze dvou nezávislých zdrojů – od pracovnice jednoho výzkumného ústavu, která se v Temelíně narodila a dodnes tam žijí její příbuzní, a od seriozního vědeckého pracovníka ve volné diskusi na jedné elektrotechnické konferenci. V protitemelínském tažení se též smutně vyznamenal i čs. rozhlas. Například v jedné z relací zaznělo asi toto: Kdo je směrodatný k posuzování účelnosti Temelína? Pracovníci Akademie věd? Zaujatí! Vysokoškolští pedagogové? Hlupáci! Energetici? Nekompetentní! Kdo tedy? Inu kdo jiný než Jiřina Bohdalová. To je přece pravý expert k posouzení zbytečnosti Temelína. Obdobným způsobem byla zneužita i osobnost Václava Havla nebo filozofa Erazima Koháka. Celá řada neseriozních, povrchních novinářů si s gustem přihřívala polívčičku ke zvýšení své popularity na takovém jasném propadáku jako je Temelín – jenomže vláda ho schválila! A s vládou si to přece nerozhází! A tak skončili jako když utne. Rakouské a v menší míře i německé akce pokračovaly i nadále a zesílily hlavně po událostech ve Fukušimě, ale již bez výraznější odezvy ve sdělovacích prostředcích.

15

Po Fukušimě se zvýšila také náročnost na bezpečnost jaderných elektráren. Podle požadavků Mezinárodní agentury pro atomovou energii – MAAE – byla většina elektráren v Evropě a v USA podrobena tzv. zátěžovým zkouškám, které každou elektrárnu hodnotí komplexně. A jako nejlepší v Evropě byly dle zpráv z 24.1. t.r. vyhodnoceny Dukovany. Ekologičtí aktivisté reagovali prohlášením, že toto kladné hodnocení se týká hlavně ekonomiky, spolehlivosti a dalších provozních parametrů, ale nikoli bezpečnosti. Ta je nedostatečná a musí se zlepšit v oblasti zabezpečení proti zemětřesení a proti teroristickému útoku. Pokud aktivisté chtějí pro své požadavky podporu od veřejnosti, měli by je řádně zdůvodnit, např. kolikrát, kdy naposled a v jaké intenzitě bylo na Jižní Moravě zemětřesení. Nebo: zatím není znám žádný útok teroristů na jadernou elektrárnu. Chybí zdůvodnění, proč právě Jižní Morava je pro (islámské? jiné?) teroristy atraktivnější než jiné části světa a proč se očekává, že si pro své první zviditelnění tohoto druhu vyberou právě Dukovany a ne nějakou elektrárnu třeba v blízkosti New Yorku, Londýna nebo Paříže. To by pak opravňovalo ke zvýšení bezpečnostních opatření Dukovan (a analogicky také Temelína) nad rámec běžně požadovaný mezinárodními organizacemi. A co nás čeká v nejbližším období? Ve druhém pololetí letošního roku má být vydáno stanovisko o vlivu dostavby JE Temelín na životní prostředí (EIA) a nejpozději do konce roku 2013 má být ukončeno výběrové řízení na dodavatele dalších dvou bloků. Zatím jsou tři zájemci: americký Westinghouse, francouzská Areva a česko-ruské konsorcium Škoda JS, Gidropress a Atomstrojexport. Ve výhledu je i dostavba pátého bloku v Dukovanech. Přístup k jaderné energetice v ostatní Evropě a zvláště v Německu Konkrétní údaje uvádí tab. 1 a loňský článek. Zbývá připomenout, že největší rozvoj jaderné energetiky se odehrával v letech, která se prakticky překrývala s léty studené války. Bylo známo, že za Uralem se nachází 28000 sovětských tanků (podle jiných údajů až 55000) připravených převálcovat Evropu. Tomu a eventuálnímu jadernému ohrožení se čelilo zvýšeným zálohováním energetických kapacit a jejich plošném rozptýlení v podobě málo koncentrovaných jednotek. V nejvíce ohroženém západním Německu mělo 16 elektráren po jednom reaktorovém bloku, v pěti případech dva a v jednom 3 bloky. Výjimkou je Greifswald Nord – sever, kde již název napovídá, že jde o elektrárnu v býv. NDR, kde platila jiná pravidla. Shoda s Bohunicemi a Dukovany je nejen v oblasti technické – instalovány reaktory VVER 440, ale i historii vzniku. V letech 1973 – 1974 byly uvedeny do provozu dva bloky sovětské výroby a v letech 1977 – 1979 – 1989 další tři ze Škody Plzeň včetně navazujících elektrárenských komplexů a dalšího příslušenství. Všechny bloky této elektrárny však byly odstaveny současně v r. 1990. Za záminku postačil určitý nesoulad s požadavky nějaké německé normy či provozních předpisů – kdyby šlo o závažnou věc, musely by být odstaveny i Bohunice, Dukovany, maďarský Pakš a větší počet reaktorů tohoto typu v bývalém SSSR. Opak je pravdou, o čemž svědčí i vysoké evropské hodnocení Dukovan. Dne 15. 5. 2011 bylo zveřejněno stanovisko jednoho německého veřejného činitele, že Greifswald byl odstaven ,,z politických důvodů“. Některé vlivné kruhy zřejmě neunesly, že největší, nejekonomičtější a bezkonkurenčně nejbezpečnější německá jaderná elektrárna pochází z menší části ze SSSR a z větší části ze socialistického Československa. Přitom jiné, rizikovější, zůstaly dále v provozu. Kdyby Greifswald nebyl odstaven, mohl být soupeřem Dukovan o prvenství mezi evropskými jadernými elektrárnami. Ve stanovisku německých expertů, uveřejněném 17.5.2011, tedy dva měsíce po Fukušimě, se uvádí, že ,,německé jaderné elektrárny mají bezpečnostní mezery, ale přesto není třeba je vypínat“. Například čtyři nejstarší provozované jaderné elektrárny nejsou odolné proti pádu letadla. V téže době kancléřka Merkelová hovořila o uzavírání všech jaderných elektráren

16

během nejbližších deseti let. Jenomže vývoj v Německu k bezjadernosti není zase až tak úplně jednoznačný. Připomeňme si, že táž kancléřka Merkelová, podle zpráv ze dne 19.10.2010 byla zastánkyní prodloužení životnosti německých jaderných elektráren o 15-20 let a obrat v jejím smýšlení o 180 stupňů nastal až po Fukušimě! Proti zamýšlenému uzavření jaderných elektráren protestoval ihned např. starosta obce Neckarwestheim, kde po prodloužení měla být elektrárna odstavena až za 7 let a dřívějším odstavením by obec přišla o velkou část svých příjmů. Dle zpráv z 28.5.2011 Němci nevěří, že Merkelová to s uzavřením jaderných elektráren myslí vážně a konaly se i demonstrace za jejich zachování. Zpráva z 11.7. uvádí, že německý prezident oddaluje podpis zákona proti jádru atd. Rozpory napovídají, že hodně záleží na společensko-politické atmosféře. Krásně to nedávno vyjádřila předsedkyně Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (SÚJB) Dana Drábová: ,,Nebude-li veřejnost jaderným zdrojům důvěřovat a akceptovat je, dlouhodobě nepřežijí, i kdyby byly technicky naprosto bezchybné a ekonomicky snášely zlatá vejce“. Jako poslední termín postupné německé likvidace jádra se zpravidla uvádí rok 2022, ale vyskytlo se také datum 2036. Koncem pololetí 2011 oficiálně ohlásily ukončení éry jádra také vlády Švýcarska a Itálie. Premiér Nečas se k tomu vyjádřil, že to povede ke zvýšení ceny elektrické energie až o 30 %, čemuž ale lze čelit další dostavbou Temelína. V období největších protitemelínských štvanic před schválením dostavby českou vládou formuloval své stanovisko také známý novinář Jan Petránek. Uvedl mimo jiné: ,,Ve světě je v provozu 562 jaderných reaktorů, ale hysterie se vytváří pouze okolo Temelína“. Mezitím čas pokročil, reaktorů je méně, ale jejich úhrnný výkon podstatně stoupl. A další vývoj situace? Jeden příklad za všechny: 19.7.2010 uveřejnil denní tisk následující zprávu: Christiane Brunnerová, mluvčí rakouské strany Zelených, vznáší opětné námitky proti Temelínu a vyžaduje jeho likvidaci. Ministr Karel Schwarzenberg reaguje na její vystoupení takto: ,,Je naprostý nesmysl tvrdit, že Temelín je hromada šrotu. Je zvláštní, že se nikdo nevzrušuje kvůli bavorským atomovým elektrárnám, i když ty jsou mnohem starší a leží po větru“. Čím je tedy Temelín tak nepříjemný? V prvé řadě má smůlu, že je blízko Rakouska. A za druhé: leží uprostřed Evropy a je z něho ,,všude blízko“, což znevýhodňuje ostatní energetické konkurenty. Například je známo, že Pobaltské státy – Litva – Estonsko – Lotyšsko stále bojují za větší energetickou nezávislost na Rusku. A kdyby se jim nedostávalo energie z vlastních zdrojů, bude snazší přivést ji z Temelína než třeba z Francie. V případě likvidace jaderné energetiky v Německu a při rozpačitém přístupu Polska a zejména Itálie zbývá v Evropě hlavně Francie a Česká republika, které bude možno považovat za energeticky dobře zabezpečené a schopné i určitého exportu. Ve Francii byla zatím poslední jaderná elektrárna uvedena do provozu v r. 1993 a další, srovnatelná s Temelínem, je ve výstavbě od r. 2007 s plánovaným uvedením do provozu v r. 2014, ale se skutečným spíše v r. 2016. V Evropě zcela výjimečný je přístup Itálie k jaderné energetice a energetice vůbec. Itálie je co rozlohy (více než 300 tisíc km2), sice menší než Francie (asi 544 tisíc km2), ale počet obyvatel (více než 57 milionů) je o něco větší než ve Francii (asi 54 mil.). Jenomže: zatímco Francie má 22 jaderných elektráren s 58 reaktory a jádro pokrývá téměř 80 % produkce elektrické energie, v Itálii byly 4 jaderné elektrárny, každá po jednom bloku, uvedeny postupně do provozu v letech 1963 až 1978 a uzavřeny v letech 1987 – 1990, zřejmě jako důsledek havárie v Černobylu (1986). Stavba jedné velké elektrárny, srovnatelné s Temelínem (2 bloky PWR o výkonu 1100 MW) byla zastavena. S výstavbou dalších se nepočítá. To dále prohloubí

17

tradiční energetickou nesoběstačnost Itálie, což má svůj logický důsledek – nejdražší elektrickou energii v Evropě. Obdobný vývoj situace můžeme vysledovat i v Polsku: (313 tisíc km2 – necelých 40 mil. obyvatel). O výstavbě jaderné elektrárny v lokalitě Žarnowiec se uvažovalo již počátkem osmdesátých let a měly to být takové polské Jaslovské Bohunice nebo Dukovany, dodané z největší části plzeňskou Škodovku (4 x VVER 440, realizace 1986 – 1988). Jenomže po černobylské havárii bylo od záměru odstoupeno a již učiněné objednávky technologických zařízení zrušeny. Podle informací z dubna loňského roku se má o výstavbě jaderné elektrárny v této lokalitě rozhodnout v lidovém referendu. Podle průzkumů veřejného mínění je 50 nebo 54 % obyvatel pro, 35 nebo 38 % proti. Pokud výsledek bude ANO, uvedení do provozu se předpokládá v r. 2020. Míra závislosti státu na dodávkách různých forem energie ze zahraničí se vyjadřuje pojmem Energetická bezpečnost. Česká republika má v tomto ohledu zcela zvláštní postavení. Jako jediná malá země v Evropě i na světě je schopná vlastními silami bez účasti zahraničních partnerů vyrobit veškeré komponenty a postavit jadernou elektrárnu. A protože máme a ještě mnoho let budeme mít i svůj vlastní uran, nemáme se vskutku čeho obávat. Ale o tom snad až příště. Západní Evropou cestuje vyhořelé palivo Existují tři možnosti, jak naložit s vyhořelým palivem jaderných elektráren. První je uložení do vhodných trvalých úložišť, druhou je přepracování a třetí je dočasné uložení do meziskladů, tzv. vyčkávací strategie. Přepracování je velmi efektivní z pohledu dalšího využití paliva při současném podstatném zmenšení objemu, ale je velice nákladné a proto se zatím aplikovalo spíše ojediněle, ale podíl přepracovaného paliva neustále vzrůstá. V současnosti je to v Evropě již asi jedna čtvrtina a celosvětově asi 10 %. Pro zajímavost: v USA se zatím nepřepracovává, ale už se na tom pracuje. Palivo z Belgie, Švýcarska a Nizozemí (a kupodivu také část paliva ze SRN) se přepracovává ve Francii. V České republice, stejně jako ve většině ostatních států, se zatím aplikuje třetí způsob – dočasné uložení do meziskladů. Vyhořelé palivo se nejdříve na dobu asi 10 let uloží do bazénů použitého paliva a poté ve skladovacích kontejnerech do meziskladu vyhořelého paliva na dobu až 60 let. Tam palivo postupně ,,zraje“ – vychládá a ztrácí část radioaktivity. V současné době se z několika vytypovaných lokalit vybírá ta nejvhodnější pro vybudování definitivního úložiště vysoce aktivních odpadů. Zprovoznění se předpokládá v r. 2065. Tam by vyhořelé palivo mohlo být uloženo ,,na věky věků!“ Bez ohrožení životního prostředí radioaktivitou. Ale nebude, protože mezitím se zdokonalí a propracují metody jeho dalšího využití jako druhotného paliva v reaktorech IV. generace a vyšších (Dukovany a Temelín jsou II. generace), v nichž odevzdají ještě více energie než při prvním použití v reaktorech I. a II. generace a dále se tím sníží jejich zbytková radioaktivita. Původní ,,socialistická“ koncepce naší jaderné energetiky předpokládala, že vyhořelé palivo posléze skončí v Sovětském Svazu, kde z něho bude vytěženo především plutonium pro jaderné zbraně. Proto i mezisklady v areálech Dukovan a Temelína byly dimenzovány na množství paliva jen na 40 resp. 30 let provozu. Před listopadem 1989 bylo z Jaslovských Bohunic palivo do SSSR skutečně odváženo a uvolněné kapacity částečně využívány pro palivo z Dukovan. To ale dnes už neplatí, smlouva o odběru vyhořelého paliva byla ruskou stranou vypovězena. Každopádně je třeba počítat s tím, že také toto palivo bude cestovat. A jak to zatím vypadá v evropské praxi?

18

O patřičný rozruch se starají hlavně ekologičtí aktivisté. Tak např. 5.11.2010 je uveřejněna zpráva, že se očekávají protesty proti tomu, že z Francie do Německa přijede vlak s ,,jaderným odpadem“. Šlo o 11 kontejnerů se 123 tunami paliva. Zdá se nelogické, proč by francouzské palivo mělo zatěžovat německé území. 6.11. vychází najevo, že tento transport je již dvanáctý, ten první se uskutečnil už před 37 lety, a není to palivo francouzské, ale německé, které bylo ve Francii na přepracování. Aktivisté bránili převozu sypáním štěrku a kamení na trať a způsobili mnohahodinové zpoždění. Také zapálili jeden policejní automobil. 17.2. 2011 se uskutečnil transport 350 tun ,,odpadu“ uvnitř Německa – z Karlsruhe do Ruhny v Bavorsku. Protože šlo o přemístění z provizorního nedostatečně zabezpečeného meziskladu do nového, perfektního, všestranně vybaveného, způsobili aktivisté jenom čtyřhodinové zpoždění (logičtější by snad bylo, kdyby se převoz snažili urychlit). 26.11.2011 překračuje francouzské hranice další transport do Gorlebenu v Meklenbursku. 4000 demonstrujících sypalo štěrk a kácelo stromy a lehalo si na koleje, ze kterých je policie musela odnášet. Způsobili zdržení vlaku nejméně o 12 hodin. A pro zvýšení bezpečnosti životního prostředí SRN pro jistotu ještě zapálili 6 policejních aut. 28.11. vychází najevo, že jízdě tohoto vlaku bylo bráněno už ve Francii. 190 km dlouhou trasu na německé hranice projížděl transport 109 hodin! Co k tomu dodat? Za současného stavu jsou a čím dále více budou jaderné elektrárny tak zabezpečeny, že je zcela vyloučena havárie na způsob Černobylu nebo Fukušimy. Jakákoli eventuální příhoda se odehraje uvnitř ochranné obálky reaktoru a primárních okruhů bez jakéhokoli vlivu na životní prostředí. Přesto existuje reálné nebezpečí úniku radioaktivity, pokud by zelení aktivisté svými iniciativami způsobili vykolejení a havárii vlaku s takovým následným poškozením kontejnerů, při kterém by došlo ke ztrátě jejich těsnosti a obnažení vyhořelého paliva. Black out po česku aneb cizí vítr v naší elektrizační soustavě Potom, co se stát vypořádal s nadměrnými zisky provozovatelů solárních elektráren, nastal v oblasti obnovitelných zdrojů relativní klid. Ne, že by se vůbec nic nedělo, stále se někde řeší povolit – nepovolit větrné elektrárny nebo bioplynové stanice, ale celkem nic mimořádného. Pravidelní čtenáři tohoto časopisu vědí již od r. 2008, co je a jak funguje Česká elektrizační přenosová soustava (ČEPS). Byla uveřejněna mapka přenosových vedení velmi vysokého napětí (VVN) včetně návaznosti na okolní státy a popsány a kvantifikovány formy pohybu elektrické energie – export, import, tranzit a event. výměna. O rok později jsme informovali o novém pojmenování jevu hrozícího rozpadu sítě v důsledku přetížení – Black Out a rozebrali situaci v kapitole nazvané Cizí vítr v naší elektrizační soustavě. Pokud se od té doby něco změnilo, pak jen to, že dnes je celý problém daleko naléhavější vzhledem k bouřlivému rozvoji větrné energie v Německu, k němuž se navíc přičítají i efekty z tehdy ještě málo, ale dnes velice rozvinuté fotovoltaiky – solárních elektráren. S hrdostí je možno konstatovat, že naše Přenosová vždy obstála, i když to někdy bylo na doraz. Jeden z posledních Black Outů byl také jedním z největších. Zprávy ze 14.1.2012 uvádějí, že trval 22 dní, nadprodukce energie resp. výkonu OZE v Německu dosáhla více než čtyřnásobku obvyklého výkonu, konkrétně 8500 MW. Z toho 3000 MW musela přenést ČEPS, převážně do Rakouska a jihovýchodní Evropy. Za normálních okolností je to okolo 1000 MW. Instalovaný výkon německých větrných a solárních elektráren by měl letos

19

dosáhnout hodnoty asi 55000 MW – to je přibližně čtyřnásobek veškeré elektrárenské kapacity ČEZu (asi 14500 MW), takže intenzita Black Outů dále poroste. Již před několika lety bylo prezentováno řešení, a sice kabelové vedení o stejnosměrném napětí 800000V ze severu na jih Německa, ale zatím nejsou zprávy o tom, že by se k jeho výstavbě přikročilo. Proč také, když ČEPS to zvládne. Polsko uvažuje o ochraně svých sítí pomocí speciálních transformátorů, které by v místech přechodů hranic upravovaly napěťové poměry tak, aby se tok energie zmenšil a případně se dal regulovat. Předseda české vlády Nečas se vyjádřil, že České republika zatím nebude přetoky německé energie omezovat. Podle informace z poloviny ledna t.r. se uvažuje o tom, že dosud bezplatný přenos energie přes naše území by se měl zpoplatnit. Zdá se, že pozitivní obrat byl zaznamenán při návštěvě kancléřky Merkelové v Praze 3. dubna. Z jejího jednání s premiérem Nečasem mj. vyplynulo, že Německo urychlí výstavbu přenosových sítí. Podle denního tisku prohlásila: ,,Těší mě, že Češi nestojí o odříznutí soustavy, ale o jednu společnou síť“. Nás zase těší, že Němci už konečně začnou řešit svoji situaci sami a ne jako dosud na úkor České republiky a Polska. Rozbor dřívější situace, kdy jsme byli součástí propojených sítí socialistických států a nyní – součást jednotné Evropské sítě (UCTE) a rozdíly a důsledky z toho plynoucí jsou dostatečně probrány v již zmíněných článcích z let 2008 – 2009. Literatura [1] [2] [3] [4]

20

PÁZRAL, E.: Co zajímavého přinesl uplynulý rok – Obnovitelné zdroje energie – Elektroinstalatér č. 4/2008, str. 32-34 PÁZRAL, E.: Rok uplynul, zápas pokračuje - Obnovitelné zdroje energie – samostatná příloha čas. Elektroinstalatér č. 3/2009, str. 2-5 PÁZRAL, E.: Mezi obnovitelnými zdroji energie dominují sluneční elektrárny – samostatná příloha čas. Elektroinstalatér č. 3/2010, str. 7-10 PÁZRAL, E.: Tragédie ve Fukušimě a její důsledky aneb je možno nahradit jadernou energii obnovitelnými zdroji? – samostatná příloha čas. Elektroinstalatér č. 3/2011, str. 2-4


5

KOMBINOVANÉ SOLÁRNÍ SYSTÉMY A JEJICH ŘÍZENÍ V RODINNÝCH DOMECH Ing. František Mikšík a Ing. Josef Kotlík, CSc. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, Purkyňova 464/118, 612 00 Brno. [email protected], [email protected]. Abstrakt Spojení termického solárního systému s fotovoltaickým solárním systémem se zdá být jako vhodnou kombinací pro ekologické získávání sluneční energie. Vysoká efektivita termického solárního systému posouvá využití fotovoltaických článků do nových hodnot využitelnosti této technologie. Úvod Zvyšování životní úrovně je cílem takřka všech států po celém světě. Se zvyšováním životní úrovně se však zvyšují i lidské potřeby. To s sebou ovšem nese vyšší energetické náklady na jejich uspokojení. Zvyšuje se tak spotřeba tepelné a především elektrické energie. Trend poslední doby ukazuje, jak spotřeba elektrické energie rok od roku stoupá společně s její cenou. V těchto podmínkách se pak daří prosazovat na trhu výrobkům, které dokážou snížit finanční náklady na energie v domácnosti. Jedněmi z výrobků, kterým se dlouhodobě daří prosazovat, jsou termické solární systémy. Jejich princip spočívá v přímém předávání tepelné energie ze slunce látce, kterou chceme ohřát. Většinou se tyto systémy používají na ohřev teplé užitkové vody a v případě větších instalovaných ploch je lze využít i na přitápění. Avšak ani tento systém, který pracuje především s tepelnou energií ze slunce, se neobejde bez elektrické energie, potřebné pro řízení systému a čerpání ohřívaného média přes solární panely - kolektory. Elektrická energie potřebná pro chod solárního systému je většinou brána od lokálního distributora za smluvenou cenu. Tím však rostou náklady na provoz solárního systému, jehož účelem je snížit finanční náklady na spotřebu energií v domácnosti. Jedním z možných řešení jak získat elektrickou energii je z alternativního domácího zdroje. Kombinovaný solární systém Pod pojmem kombinovaný solární systém budeme v rámci tohoto článku rozumět kombinaci termického solárního systému a fotovoltaických solárních článků. Způsobů kombinace těchto dvou systémů je několik, ovšem nejdříve je nutné si blíže jednotlivé systémy přiblížit.

21

Solární kolektor Princip termického solárního systému je velice jednoduchý. Na obrázku 1 je znázorněno nejčastěji používané zapojení dvou okruhového solárního sytému. První okruh je plněn nemrznoucím médiem, které je po ohřátí v solárním kolektoru přivedeno pomocí oběhového čerpadla do bojleru. Jednou z mála nevýhod termického solárního systému je nutnost přímého slunečního svitu. Malá oblačnost tak může zapříčinit výrazné snížení rychlosti ohřevu média v solárním kolektoru. Při správném nastavení termického solárního systému lze však jejich pomocí snížit náklady v rodinném domě na ohřev teplé užitkové vody o 60 – 70%. Fotovoltaický panel Fotovoltaický(FV) panel je zařízení, jehož účelem je přeměňovat pomocí fotovoltaických článků energii fotonů vyzářených sluncem na elektrickou energii. Na současném trhu je nepřeberné množství různých typů fotovoltaických panelů. Liší se svou velikostí, použitými technologiemi, výkonem atd. Výhodou FV článků je, že jsou schopny, na rozdíl od solárních kolektorů, dodávat elektrickou energii i bez přímého slunečního svitu. Mají však jednu velkou nevýhodu a tou je nízká efektivita. Efektivita u komerčně dodávaných FV panelů se i přes velkou snahu výrobců pohybuje na hranici 0,09. Je proto nutné mít na paměti, že pro dosažení dostatečného výkonu je potřeba instalovat poměrně velké plochy těchto panelů. Výrobci většinou uvádějí, že pro výkon 1kW je potřeba instalovaná plocha 8m2[1]. Pokud tedy uvažujeme instalaci těchto panelů na střechu rodinného domu, což je nejčastější řešení, může být obtížné dosáhnout takového výkonu, který by pokryl celkovou spotřebu elektrické energie domácnosti. I když je obtížné tímto způsobem uživit kompletní požadavky na elektrickou energii v domácnosti, je tento systém vhodným pomocným prvkem. Možné kombinace termického solárního systému a fotovoltaických panelů Termický solární systém a FV panely lze kombinovat ve třech různých provedeních. 1. 2. 3.

Termický solární systém a fotovoltaický systém s dodávkami do sítě Termický solární systém a fotovoltaický systém pro domácí spotřebu Termický solární systém a fotovoltaický panel jako pomocný prvek

První provedení je nejnáročnější na instalovanou plochu. Je zde počítáno s plným pokrytím domácí spotřeby elektrické a tepelné energie a přebytky elektrické energie jsou dodávány do sítě. Toto provedení je také nejnáročnější na pořizovací náklady a instalaci. Při instalaci na již stojící rodinný dům musíme počítat se zásahem do elektroinstalace domu a nákupu komponent (střídač napětí), které dovolí dodávat bezpečně elektrickou energii do rozvodné sítě. Druhé provedení počítá pouze s domácí spotřebou elektrické energie a plným pokrytím požadavků na elektrickou energii termického solárního systému. Lze jej řešit několika způsoby. FV systém je instalován jako primární zdroj elektrické energie a ze sítě je dodávána elektrická energie pouze v případě nedostatku energie z panelů. Další možností je mít oddělené systémy, tedy dvojí elektroinstalaci. Toto zapojení se však v praxi kvůli složitějšímu zapojení příliš nepoužívá. Ačkoliv ve druhém případě odpadá komplikace napojení na veřejnou elektrickou síť, i v tomto případě je třeba osadit poměrně velkou plochu FV panely a pořídit komponenty pro úpravu napětí, abychom mohli s elektřinou zacházet jak jsme zvyklí.

22

Avšak nejzajímavější kombinace z hlediska náročnosti na pořizovací náklady a instalaci je poslední možnost. Termický solární systém a fotovoltaický panel jako pomocný prvek I když vlastníme rodinný dům, ne vždy máme tu možnost nechat si nainstalovat větší plochu fotovoltaických panelů pro domácí spotřebu popřípadě pro prodej do rozvodné sítě. Faktorů, které nám to nemusí dovolit je hned celá řada: Nedostatek volného místa na střeše Nedostatek financí na hrazení pořizovacích nákladů FV systému Zamítnutí odkupu elektrické energie Příliš nákladné zapojení do rozvodné sítě Složité zapojení domácího rozvodu elektrické energie Averze vůči fotovoltaickým elektrárnám V případě, že chceme využívat energii ze slunce formou termického solárního systému a pro osazení větší plochy fotovoltaickými články nám brání některé z výše uvedených faktorů je malý fotovoltaický panel vhodnou alternativou jak zvýšit efektivitu systému. 10 1

8

2 6

12 7 3

10

5 9

11 10 4

Obr. 1.: Schéma jednoduchého dvou okruhového solárního systému s řídící jednotkou napájenou solárním panelem. 1-solární panel, 2-řídící jednotka, 3-nádoba na přípravu TUV(bojler), 4-přívod studené vody, 5-výstup pro spotřebu, 6-oběhové čerpadlo, 7-regulátor nabíjení s 12V výstupem pro spotřebiče, 8-FV panel, 9-akumulátor, 10-teplotní čidla, 11spirálový výměník, 12-expanzní nádoba. V následujícím příkladu si předvedeme, jakým způsobem lze skombinovat TSS s malou fotovoltaickou elektrárnou. Pro potřeby příkladu je uvažován rodinný dům geograficky umístěný v České republice na 49 rovnoběžce. Spotřeba teplé užitkové vody v domě je určena na 82 l/os. [2] pro čtyřčlennou domácnost celkem 328 l/den TUV. Podle [3] dojdeme k výsledku nákladů na elektrickou energii pro pohon oběhového čerpadla pro TSS na 132 kWh. Pro výpočet odběru řídící jednotky použijeme hodnoty získané ze standardní řídící

23

jednotky SP-24 od výrobce Sipalite, která je běžně dostupná na našem trhu. Výrobce u této jednotky udává okamžitou spotřebu 3W [4], což za rok činí 26 kWh. Dohromady tedy v našem případě spotřebujeme na provoz termického solárního systému přes 150kWh elektrické energie. Hodnoty platí pro případ nejjednoduššího zapojení, jak je znázorněno na obr. 1 s použitím jednoho oběhového čerpadla o výkonu 40W a jedné řídící jednotky. Instalovanou plochu solárních kolektorů pro naše potřeby nemusíme brát v potaz. Abychom elektricky uživili tento systém, potřebujeme FV panel o dostatečném výkonu. Na trhu je v současné době nepřeberné množství různých panelů o různých výkonech. Jako ideální by se zdálo použít panel, jehož výstupní výkon je roven součtu příkonů oběhového čerpadla a řídící jednotky. Ve skutečnosti můžeme ale použít panel o něco slabší. Abychom totiž dosáhli co nejvyšší efektivity, je vhodné mít přídavný akumulátor. Akumulátor nám bude ukládat elektřinu v době, kdy nebude dostatečný přímý sluneční svit pro ohřátí teplonosného média pro kontinuální přenos tepelné energie a TSS nebude pracovat. FV systém bude ale částečně pracovat i za těchto podmínek a nevyužitou elektrickou energii bude skladovat. Pomocí akumulátoru tak můžeme snížit požadavky na výkon FV panelu, jelikož nám v době špičkového odběru pomůže se zátěží. Snížení požadovaného výkonu FV panelu závisí na celkovém dimenzování systému a kapacitě akumulátoru, ale předpokládá se, že můžeme použít panel s polovičním výkonem než je součet všech odběrů v systému. V našem případě bychom použili panel o výkonu 30W a akumulátor o kapacitě 33Ah. Pokud ještě připočteme cenu za řídící jednotku FV systému, celkové náklady na pořízení tohoto systému dosáhnou ceny okolo 4500,- [5]. Návratnost takovéhoto systému by pak mohla být 6-7 let v závislosti na růstu cen elektrické energie. Pokud přirovnáme návratnost systému ke standardně instalovaným TSS, jež se pohybuje okolo 15 let [6] zjistíme, že při instalaci obou systému zároveň můžeme o malé procento zkrátit celkovou dobu návratnosti investice. Zmiňované procento není ale příliš velké, jelikož pořizovací náklady TSS se pohybují v řádech desetitisíc. Takto navržený systém má však i další výhody. V případě odstávky elektrické energie se nemusíme obávat poškození solárního systému z důvodů stagnace, jelikož takto postavený systém není na dodávkách závislý. Systém lze samozřejmě rozšířit a můžeme jej použít na celkovou vodohospodářskou stavbu rodinného domu, při zapojení na oběhová čerpadla topení, čerpadlo pitné vody atd. Přidání malé FV elektrárny do již hotového systému je velice jednoduché. Na obrázku 1 je graficky znázorněno propojení FV systému (7,8,9) s řídící jednotkou 2. Pro přímé použití tohoto systému je ovšem nutné použít komponenty, které pracují se stejnosměrným napětím. V současné chvíli jsou již na trhu dostupná homologovaná oběhová čerpadla, která lze bez problémů využít. Ve většině případů se jedná o čerpadla s elektronicky komutovaným motorem[7], která mají minimální náběhový proud a jsou vhodná právě pro použití v kombinaci s FV panelem. Podobně jsou na tom i řídcí jednotky, jejichž elektronika standardně pracuje na stejnosměrný proud. Stand-alone kombinovaný systém Název „Stand-alone“ se vyskytuje ve spojení s FV systémy poměrně běžně a označují se takto tzv. ostrovní systémy, tedy elektricky soběstačné komplexy bez napojení na rozvodnou síť. V našem případě se jedná o zcela samostatný termický solární systém, jehož součástí je již zabudovaný FV článek. Tento systém je vhodný především na chaty a malé obytné budovy bez možnosti dodávek elektrické energie z rozvodné sítě. Předností toho systému je jeho

24

kompaktnost a minimální nároky na instalaci a obsluhu. V současné chvíli takovýto systém však žádný výrobce neposkytuje. Řízení kombinovaných solárních systémů v rodinných domech Pro efektivní využití solární energie je nutné mít kvalitní řídicí jednotku. Moderní termické solární systémy jsou řízeny speciálními řídícími jednotkami k tomu určenými. Na trhu existuje již poměrně velké množství výrobců, kteří se navzájem předhánějí v kvalitě a možnostech svých řídících jednotek. Na obrázku 1 jsou přerušovanými čarami znázorněny základní datové a elektrické linky mezi řídící jednotkou a jednotlivými komponentami termického solárního systému. Aby řídící jednotka mohla správně a efektivně pracovat je nutno zajistit dostatek vstupních dat pro vyhodnocení. V našem případě dostává řídící jednotka informace o teplotách ze solárního kolektoru a zásobníku na TUV. Z těchto hodnot dokáže řídící jednotka určit jestli je nutné zapnout čerpadlo a přesunout zahřáté médium z kolektorů do zásobníku. Tato situace se ovšem týká pouze nejjednoduššího zapojení. V rodinných je totiž běžné postupné rozšiřování a propojování jednotlivých tepelných systémů. Na to je potřeba při pořizování řídící jednotky také myslet, jelikož malé řídící jednotky mají omezený počet datových a logických vstupů a výstupů. Zajímavé a v praxi velmi používané jsou kvalitnější řídící jednotky s přístupem přes http, kdy je možné sledovat či ovládat systém přes internet. Tyto řídící jednotky mají také možnosti rozšířeného nastavení funkcí systémů a dovolují uživateli jednoduše zkoušet různá nastavení pro zvýšení efektivity celého systému. V konečném důsledku je možné pořídit řídící jednotky schopné organizovat veškeré nároky na tepelnou energii v domě od ohřívání bazénu po nastavení teploty v ložnici. Po připojení FV systému se pro uživatele nic nemění. FV systém má vlastní řízení zodpovědné za nabíjení a vybíjení akumulátoru a distribuci elektrické energie. Jediným problémem však zůstává řídící jednotka. Tuzemský trh má pouze omezené možnosti týkající se řídích jednotek na stejnosměrné napětí. Především se jedná o drahé systémy dodávané na míru, nebo velmi jednoduché řídící jednotky na baterie, které jsou pro většinu uživatelů nepřijatelné. Jedním z možných řešení přestavět si řídící jednotku na stejnosměrný zdroj sám, čemuž většinou vnitřní konstrukce většiny řídících jednotek vyhovuje. Popřípadě se obrátit na dodavatelskou firmu, která tuto přestavbu může zprostředkovat. Zkratky a Jednotky l – litr os. – osoba TUV – teplá užitkový voda FV – fotovoltaický TSS – termický solární systém Literatura [1] [2]

Solarenvi a.s. [online]. 2012, last revision 1st of January 2012 [cit. 20. 4 2012]. Dostupné z: ČSN 06 0320: 2006. Tepelné soustavy v budovách - Příprava teplé vody - Navrhování a projektování. Praha: Český normalizační institut, 2006. 20 s.

25

[3]

[4]

[5] [6]

[7]

26

Doc. Ing. Matuška T., Ph.D.: Program pro bilancování solární soustavy pro přípravu teplé vody, včetně tepelných ztrát rozvodů a zásobníku solární soustavy, last revision 22nd of September 2010. Dostupné z:< http://www.fsid.cvut.cz/~matustom/PROVOZ_SK.xls> Šimoník, Z.: Sun Pi s.r.o., Řídící jednotka SP-24 [online]. 2012, last revision 15th of February 2012 [cit. 22. 4. 2012]. Dostupné z: Prokop, L.: Elektřina ze slunce, E-shop [online] 2011, last revision 1st January 2011 [cit. 22. 4. 2012]. Dostupné z : [Gonda, J.: Energie bydlení, Vše o solárních kolektorech [online] 2009. Last revision 7th of August 2009 [cit. 26. 4. 2012]. Dostupné z: [Prokop, L.: Solární oběhové čerpadlo HS5 [online] 2011, last revision 1st January 2011 [cit. 22. 4. 2012]. Dostupné z :


7

ZAŘÍZENÍ PRO DETEKCI DEFEKTŮ POMOCÍ FOTOLUMINISCENCE Vaněk Jiří, Baura Tomáš, Veselý Aleš Ústav elektrotechnologie, Ústav elektrotechnologie, FEKT VUT v Brně, Technická 10, 61600 Brno, e-mail: [email protected] Abstrakt Tento článek pojednává o možnostech detekce defektů v materiálu a ve struktuře solárních článků pomocí fotoluminiscence vybuzené fokusovaným laserovým paprskem a detekovaný CCD kamerou nebo fotonásobičem. Běžně používaná fotoluminiscenční metoda je celkem často využívána pro detekci materiálových defektů v používaných substrátech. K tomu je ale potřeba výkonná InGaAs kamera a kvalitní monochromatický zdroj světla. Navrhované metody tyto požadavky obcházejí použitím Si-CCD kamery nebo fotonásobiče s optickými filtry a zvýšením budící intenzity záření fokusací. Úvod Luminiscence je spontánní (samovolné) záření obvykle pevných nebo kapalných látek, které vzniká jako přebytek elektromagnetického záření tělesa, nad úrovní jeho rovnovážného elektromagnetického záření v dané spektrální oblasti při dané teplotě, což je popsáno Planckovým vyzařovacím zákonem. Látky, u nichž nastává luminiscence, se označují jako luminofory. Z pohledu kvantové mechaniky se jedná o zářivou rekombinaci, při které se nadbytečná energie elektronu při přeskoku z energeticky výše položeného pásu do níže uvolní v podobě fotonu, který tuto látku uvolní a my jej můžeme detekovat. Jedná se o obrácený jev k excitaci elektronu z níže energeticky položeného pásu do výše pomocí dopadajícího fotonu, který je využívám ke generaci volných nosičů v polovodičových solárních článcích. Protože tyto jevy jsou si v některých případech inverzní (generačně-rekombinační jevy), lze již z teoretického hlediska uvažovat, že ve struktuře, ve které dochází k zářivé rekombinaci s vysokou účinností, bude i s vysokou účinností docházet k absorbování fotonu a ke generaci volných nosičů náboje, což je požadovaný fotovoltaický jev. Aby mohlo dojít k zářivé rekombinaci, musí prvně dojít k excitaci elektronů do vyšších energetických hladin (vodivostního elektronového pásu v polovodičovém substrátu). K tomu může dojít absorpcí energie fotonu s energií vyšší než je šířka zakázaného pásu (fotoluminiscence), elektrickým polem (elektroluminiscence), injekcí volných nosičů do materiálu (proudová elektroluminiscence) a dalším mechanismy, které již ale z hlediska detekce defektů struktury fotovoltaických článků nejsou vhodné (chemoluminiscence, katodoluminiscence, termoluminiscence, triboluminiscence atd.). Proudová elektroluminiscence je v současné době jednou s nejvíce používaných metod pro detekci defektů solárních článků, ale tako metoda vyžaduje již kompletně dokončenou struktury solárního článku (lze i použít pro analýzu panelů), a nelze ji použít pro diagnostiku při výrobních mezikrocích. Mezi metody, které lze

27

využít pro diagnostiku stavu materiálu během výrobního procesu se řadí metoda využívající detekce fotoluminiscenčního záření. Fotoluminiscenční skener Námi vyvíjená fotoluminiscenční metoda dokáže detekovat prostorové změny v substrátu a ve struktuře solárních článků, jakou jsou rozložení dislokací [9] nebo změna difúzní délky volných nosičů náboje [10] pomocí skenování povrchu fokusovaným laserovým paprskem a detekcí generovaného fotoluminiscenčního záření. Skenování je na druhou stranu velice časově náročné a porovnatelné s metodou LBIC (Light Beam Induced Current), která před zavedením elektroluminiscenčních metod byla nejvíce používanou metodou pro diagnostiku struktur již hotových solárních článků. Tato metoda se již ve výrobních procesech díky své časové náročnosti vůbec nepoužívá, ale stále má své důležité místo ve vývoji nových struktur solárních článků, protože poskytuje i další informace, které v některých případech nelze z elektroluminiscenční analýzy získat. Hlavní výhoda při použití ve fotoluminiscenci je fokusace laserového svazku na intenzitu několika sluncí, což je intenzita, která generuje dostatečný počet elektron-děr párů s dostatečnou pravděpodobností zářivé rekombinace detekovatelné i křemíkovým CCD čipem. Proto si při této metodě vystačíme i s Si-CCD kamerou na lze obejít požadavek na InGaAs kameru. Popis metody

Obr. 1: (a) Princip luminiscence: Homogenní budící osvětlení testovaného solárního článku je zajištěno laserem s vlnovou délkou od 790 nm do 940 nm (kratší vlnová delka než mezipásová luminiscence). Různé typy čipů použitých kamer umožňuje detekci různých vlnových rozsahů. (b) Spektrální rozsah fotonové emise z křemíkového solárního článku. [1]

28

Skenování fokusovaným laserovým paprskem a detekce CCD kamerou Mapování pomocí kamery je založeno na detekci luminiscenčního světla generovaného dopadajícím fokusovaným laserovým paprskem vysoce citlivou CCD kamerou. Sken celého solárního článku získáme pohybem solárního článku na pohyblivé podložce při pevně fixované kameře nebo pohybujícím se laserového paprsku. CCD kamera

Laserový zdroj

IR propustný filtr

Testovaný fotovoltaický článek Obr. 2: Využití CCD kamery Pro zabránění detekování budícího laserového světla musí být použit vysoce jakostní filtr nepropouštějící vlnové délky budícího záření do vstupu CCD kamery. Detekce luminiscenčního záření je provedena celoplošně prostřednictvím specializované CCD kamery. Ta je staticky upevněna ve stojanu nad X - Y zapisovačem tak, aby pojezd s laserovou diodou v jakémkoliv místě nezastiňoval emitované luminiscenční záření. Jako detektor odezvy luminiscenčního záření metody fotoluminiscence byla zvolena specializovaná chlazená kamera G2-3200 s 3,2MPx CCD čipem KAF-3200ME od firmy KODAK. Tato kamera se vyznačuje nízkým tepelným šumem a nastavitelnou dobou uzávěrky na libovolně dlouhou dobu. Nízký tepelný šum a možnost dlouhé expoziční doby jsou zajištěny efektivním dvoustupňovým chlazením s Peltierovými články, které udržují čip hluboce zmrazený až 45 °C pod okolní teplotou. Luminiscenční světlo bylo buzeno laserovým paprskem polovodičového červeného LASERu 650 nm 5 mW fokusovaného na plochu 0,3 mm2. Intenzita dopadajícího záření je 16 kW.m-2 (16 sluncí)

Obr. 3: Fotoluminiscence detekovaná CCD kamerou

29

Skenování fokusovaným laserovým paprskem a detekce pomocí fotonásobiče Druhá vyvíjená metoda je založena na detekci luminiscenčního světa pomocí detektoru světla na principu fotonásobiče. Sken celého solárního článku získáme pohybem solárního článku na pohyblivé podložce při pevně fixovaného fotonásobiče nebo pohybujícím se laserového paprsku a optického vlákna přivádějící signál do fotonásobiče. Pro zabránění detekování budícího laserového světla musí být použit vysoce jakostní filtr nepropouštějící vlnové délky budícího záření do vstupu detektoru.. Fotonásobičový trubicový detektor

Laserový zdroj

IR propustný filtr

Testovaný fotovoltaický článek Obr. 4: Využití fotonásobičového trubickového detektoru. Pro detekci fotoluminiscenčního záření byl použit detektor Hamamatsu R2228 s IR propustným filtrem Hoya 720 nm. Luminiscenční světlo je buzeno laserovým paprskem polovodičového červeného LASERu 650 nm 5 mW fokusovaného na plochu 0.3 mm2. Intenzita dopadajícího záření je 16 kW.m-2 (16 sluncí)

Obr. 5: Fotoluminiscence fononásobičového detektoru

detekovaná

pomocí

skenujícího

budícího

záření

a

Závěr Uvedené navržené metody se staly východiskem k navržení efektivní konstrukce fotoluminiscenčního detektoru a slouží k analýze materiálu a struktury křemíkových

30

fotovoltaiczých článků. Nevýhoda obou navržených metod je časová náročnost, která neumožňuje jejich nasazení v technologických procesech. Poděkování Tato práce byla vytvořena za podpory projektu CVVOZE CZ.1.05/2.1.00/01.0014 a grantem FEKT-S-11-7. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]

Trupke, T. and Bardos, R. A., Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Orlando, FL, (2005) Cousins , P. J., Neuhaus, D. H. and Cotter, J. E., J. Appl. Phys. 95, 1854 (2004) Bail, M. , Schulz, M., and Brendel, R., Appl. Phys. Lett. 82, 757 (2003) Bardos, R. A., Trupke, T., Schubert, M. C. and Roth, T., Appl. Phys. Lett. 88, 053504 (2006) Sinton, R. A., Cuevas, A. and Stuckings, M. Proceedings of the 25th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Washington, (1996) Trupke, T. and Bardos, R. A., Proceedings of the 15th Crystalline Silicon Workshop, Vail, CO, August( 2005) Trupke, T., Bardos, R. A., Abbott, M. D. and Cotter, J. E., Appl. Phys. Lett. 87, 093503 (2005) Ostapenko, S., Tarasov, I. ,Kalejs, J. P., Haessler, C. and Reisner, E. U., Semicond. Sci. Technol. 15, 840 (2000) Daub, E., Klopp, P., Kugler, S. and Würfel, P., Proceedings of the 12th EPVSC, Amsterdam, Netherlands, (1994) Bail, M., Kentsch, J., Brendel, R., and Schulz, M., Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anchorage, Alaska, (2000) Riepe, S., Isenberg , J., Ballif, C. Glunz, S. W. and Warta, W., Proceedings of the 17th EPVSC, Munich, Germany, (2001) Schubert, M. C., Isenberg, J. and Warta, W. , J. Appl. Phys. 94, 4139 (2003) Pohl, P., Schmidt, J., Bothe, K. and Brendel, R., Appl. Phys. Lett. 87, 142104 (2005) Schubert, M. C., Isenberg, J., Rein, S., Bermejo, S., Glunz, S. W. and Warta, W., Proceedings of the 20th EPVSC, Barcelona, Spain, (2005) Bail, M., Kentsch, J., Brendel R. and Schulz, M., Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, p. 99 (2000)

31

8


LUMINISCENČNÍ SPEKTROSKOPIE FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ Radek Stojan1, Jiří Vaněk1, Lucie Šimonová1, Aleš Veselý1, Ondřej Frantík2 Vysoké učení technické v Brně, Ústav elektrotechnologie, 616 00 Brno, Česká republika, email: [email protected] 2 Solartec s.r.o., Rožnov p. R., Czech Republic 1

Abstrakt V dnešní době existuje mnoho diagnostických metod solárních článků, rozlišujících rozsáhlé defekty krystalické mřížky jako např. dislokace, hranice zrnitosti či velké precipitáty. Zejména uvedené typy defektů jsou typické pro levnější polovodičový materiál, jímž bývá polykrystalický křemík. Charakterizaci defektů na základě různé intenzity emitovaného záření využívají luminiscenční metody. Je důležité si uvědomit, že pokud mluvíme o luminiscenčním záření, stále hovoříme o elektromagnetickém vlnění. Luminiscenční záření je tedy charakterizováno stejně jako elektromagnetické vlnění a to: intenzitou, spektrem, koherencí, dobou trvání a polarizací. Tento článek poskytuje náhled na nové potenciální možnosti využití charakteristických vlastností luminiscenčního záření při detekci defektů solárních článků. Úvod Podle způsobu vybuzení luminiscenčního záření z křemíkových solárních článků, hovoříme o metodách elektroluminiscence a fotoluminiscence. Elektroluminiscence je založena na principu vybuzení luminiscenčního záření v solárním článku přiloženým elektrickým polem. Zářivá mezipásmová rekombinace solárního článku, zapojeného v propustném směru. Za určitých podmínek můžeme říci, že výsledný fotonový proudu přímo souvisí s lokálním rozdělením kvazi Fermiho hladin EFn-EFp a vychází ze vztahu w

w

U rad dz

EL 0

w

Bpn _ dz 0

ni2 B exp 0

E Fn

E Fp

k BT

dz

kde w je tloušťka článku. Měření probíhá při pokojové teplotě a světelná emise je snímána komerčně vyráběnou nízko-šumovou CCD kamerou. Výstupní snímky jsou pak ukazují místa s nižší či vyšší proudovou hustotou, a jsou ve stupních šedi. Za první zmínku o této metodě můžeme považovat zprávu pana T. Fuyuki, který metodu použil pro investigativní určování délky minoritních nosičů náboje a pro analýzu kvality pasivace zadních stran solárních článků.

32

Při fotoluminiscenci je světelná emise vyvolaná energií dopadajícího elektromagnetického záření. Tento jev se řídí dle Stokesova pravidla (někdy též nazýváno Stokesův posun.). Stokesovo pravidlo říká, že vybuzené záření má delší vlnovou délku, než budící. Jedná se tedy o záření s menší energií, než záření budící. Metoda fotoluminiscence je rychlá a bezkontaktní metoda. U obou uvedených metod diagnostikovaný článek vykazuje slabé záření – luminiscenci s maximem v infračervené oblasti. Záření emitované křemíkovým článkem má vlnovou délku přibližně 950 – 1250 nm. Jak je vidět na obrázku 1., maximum emitovaného záření se pohybuje kolem 1150 nm[4].

Obr. 1: Luminiscence křemíku s vyznačeným maximem 1150 nm Charakteristické vlastnosti luminiscence Jak již bylo řečeno, emitované záření solárního článku má vlnový charakter a dá se tedy popsat charakteristickými vlastnostmi: intenzitou (počet fotonů procházejících v daném směru jednotkovou plochou za jednotku času) spektrem (spektrální hustotou fotonového toku na jednotkový interval vlnových délek nebo frekvencí) koherencí (dána vztahy mezi fázemi světelných vln) dobou trvání (je dána vnitřní dobou života excitovaného stavu, z něhož dochází k emisi) polarizací (směr kmitání elektrického vektoru elektromagnetické vlny) Matthew P. Peloso ve své práci uvádí a popisuje jev, kdy emitované záření polykrystalického křemíku při elektroluminiscenci vykazuje lineární polarizaci na čárových poruchách krystalu dislokacích. Při dokazování této závislosti u polykrystalického solárního článku byla tradiční metoda elektroluminiscence rozšířena o použití lineárního polarizačního analyzátoru [2]. Na obrázku 2 můžeme vidět grafickou analýzu vybraných poruch polykrystalu označených písmeny A, B, C, D (tyto defekty jsou vůči zvolené orientaci na diagnostikovaném článku v polohách cca 0°, 30°, 50° a 95° ±5°). Grafická interpretace stupně polarizace (p) vyplývá ze vztahu:

33

kde x, y jsou souřadnice plochy solárního článku a I je intenzita luminiscenčního záření v daném bodě. Stupeň polarizace je vyjádřen jako zlomek polarizované složky světla s ohledem na celkový výkon. Stupeň polarizace se využívá k popisu části elektromagnetické vlny, jež je polarizovaná. Pokud nastane situace dokonale polarizované vlny, stupeň polarizace je roven jedné (100%). Naopak, pokud bychom měli nepolarizovanou vlnu, pak stupeň polarizace je roven nule (0%). Obecně tedy platí, že vlny částečně polarizovány musí mít stupeň polarizace v rozmezí 0 až 1. V případě níže uvedených dislokací se jedná o částečnou polarizaci [1].

Obr. 2: Stupeň polarizace čárové poruchy (vlevo). Intenzita luminiscence v závislosti na úhlu natočení polarizačního analyzátoru (vpravo) [2] Potenciální možnosti charakterizace defektů Polarizované světlo lze získat různými způsoby jako např. odrazem, kdy dochází k částečné polarizaci (až tedy na výjimky - Brewsterův úhel) a tedy k tomu, že jeden směr vektorů E převažuje. Dalším způsobem může být lom světla. Při lomu světla se jedná vždy o polarizaci neúplnou. Otázkou stále zůstává, jakým konkrétním mechanismem k polarizaci na defektu solárního článku dochází. Za úvahu však také stojí možný vliv pasivační vrstvy na charakter vlnění. Pasivační a také reflexní vrstva solárního článku svými optickými vlastnostmi zvyšuje účinnost solárního článku. Při diagnostice pomocí některé z luminiscenčních metod však může hypoteticky dojít k interakci buzeného emitovaného záření s pasivační vrstvou. Zatím byla zmíněna pouze lineární polarizace. Neprozkoumanou oblastí zůstává identifikace defektů na základě eliptické (respektive kruhové) polarizace. Při prvních zkušebních měřeních, ovšem monokrystalických solárních článků (viz. obrázek 3) se selektivním emitorem, nebyl žádný polarizační efekt za použití kruhového analyzátoru pozorován. Měření však bylo omezeno spektrální citlivostí CCD kamery (cca 300–1100 nm).

34

Obr. 3: Elektroluminiscence monokrystalu Závěr Poptávka po kvalitních solárních článcích využívaných v nejrůznějších aplikacích je stále vysoká. S tím také souvisí potřeba co nejlepších výkonnostních parametrů vyráběných článků. Účinnost solárních článků je závislá na různých faktorech. Jedním z aspektů výkonnosti je množství defektů v ploše solárního článku. K tomu, abychom vyráběli solární články s co nejvyšší účinností, je třeba rychle a správně diagnostikovat defekty, jejich původ atd. Nové způsoby či směry v detekci defektů jsou tedy prioritními záležitostmi pro optimalizaci výroby solárních článků s co nejnižší defektivitou. Detekce defektů na základě charakteristické vlastnosti elektromagnetického vlnění jako např. polarizace, může být jedním z inovativních kroků v této široké oblasti. Poděkování Výzkum byl uskutečněn za podpory projektu Materiály a technologie pro elektrotechniku FEKT-S-11-7. Literatura [1]

[2]

[3] [4]

KLIGER, David S.; LEWIS, James W.; RANDALL, Cora Einterez. Polarized Light in Optics and Spectroscopy . United States of America : ACADEMIC PRESS, INC., 1990. 304 s. ISBN 0-12-414975-8. Matthew P. Peloso; Bram Hoex; and Armin G. Aberle; Polarization analysis of luminescence for the characterization of silicon wafer solar cells. Appl. Phys. Lett. 98, 171914 (2011); doi:10.1063/1.3584857 (3 pages) PELANT, I., VALENTA, J. Luminiscenční spektroskopie, I. Objemové krystalické polovodiče. Praha: Nakladatelství Academia, 2006. 327 stran. ISBN 80-200-1447-0. TRUE, Bruce. Photoluminescence and Electroluminescence for Silicon Solar Cell Inspection [online]. Niederlassungen Deutschland : 2010 [cit. 2010-01-14]. Laser 2000,

35


9

BEZKONTAKTNÍ MĚŘENÍ SOLÁRNÍCH PANELŮ S VYUŽITÍM TERMOVIZE Pavel Tošer, Petr Bača, Jiří Neoral Ústav Elektrotechnologie, VUT Brno Fakulta Elektrotechniky a komunikačních technologií, 602 00 Brno, Česká republika, e-mail: [email protected] Abstrakt Předložený článek pojednává především o způsobech měření solárních panelů pomocí termovizní techniky. Jsou zde diskutovány předpoklady pro správné vyhodnocení snímku z termokamery tzv. termogramu jak z teoretického hlediska tak praktického. Úvod Pro bezkontaktní měření povrchových teplot velmi efektivním způsobem je v naprosté většině případů využívána termovizní kamera. Pokud se zaměříme na obor využití, dojdeme k závěru, že její služby se využívají ve velké škále odvětví jako elektrotechnice, elektroenergetice, stavebnictví atd. Tato technologie umožňuje získat kvalitativní i kvantitativní informace za účelem porozumění problematiky tepelných procesů. Teoretický přehled Nejprve je nutné pro správné pochopení definovat pojem termovize. S její pomocí lze v určitém úhlu a z určité vzdálenosti snímat hodnotu emitovaného tepelného záření o vlnové délce dané vlastnostmi zařízení. Dále je pak tepelný tok vizualizován do barevného spektra. Klíčovým parametrem je emisivita povrchu, která souvisí právě s množstvím tepelného záření emitovaného tělesem. Dalšími neméně důležitými vlastnostmi je především úhel snímání, snímaná vlnová délka a také na teplotě povrchu materiálu zařízení apod. Emisivita – souvisí s vlastností materiálu emitovat tepelné záření. U dlouhovlnných termovizních systémů (5-12μm) není příliš velký rozdíl mezi jednotlivými materiály (malý rozdíl mezi světlou a tmavou barvou). Naopak u snímání krátkovlnnými termovizemi (1-2μm) je vliv na nastavení emisivity podstatně větší. Příkladem může být situace měření na materiálu podobném hliníku, který má emisivitu 0,1, pokud bude však na přístroji nastavena hodnota s rozdílná a to pouze o 0,02 dostáváme nepřesnost 20%. Proto je kladen důraz na co nejpřesnější nastavení tohoto parametru vysoce ovlivňujícího celé měření. Vlnová délka – tento parametr je velmi důležitý neboť emisivita má směrovost tj. emisivita závisí na úhlu vyzařování a je pod každým úhlem jiná. Obecně však platí fakt, že emisivita je přibližně konstantní v úhlu do 60° od kolmice, u většiny materiálů do 45°. Pokud je měření prováděno pod větším úhlem emisivita už výrazně klesá a měřené těleso má zdánlivě nižší povrchovou teplotu. Termografie začíná pracovat s vlnovým pásmem infračerveného záření.

36

Jeho hranice začíná tam, kde končí viditelné pásmo a končí, kde začínají vlnové délky mikrovlnné. Termovizní měření také vyžaduje znalosti v oblasti fyziky. Mezi základní zákony potřebné pro pochopení termovizních měření patří Planckův vyzařovací zákon, Wienův posunovací zákon, Stefan-Boltzmannův zákon a ještě 1. 2 . Kirchhoffův zákon.

kde Wλ je spektrální hustota zářivého toku černých objektů do poloprostoru, T je teplota objektu v K, lambda je vlnová délka, h je Planckova konstanta, c je rychlost světla, k je Steffan-Boltzmannova konstanta. Vyčíslením vztahu pro různé vlnové dílky dostaneme graf na Obr.1.

Obr. 1: Vyzařování absolutně černého tělesa pro různé teploty T. Wienův zákon popisuje, že s rostoucí teplotou zářiče se posouvá maximální hodnota spektrální hustoty zářivého toku Wλ ke kratším vlnovým délkám.

Teorie praktického měření V praxi nejsme schopni vyloučit různé okolní vlivy jako vliv záření okolních objektů a záření odražené z povrchu měřeného objektu. Dále je pro měření nutné vzít v úvahu vliv atmosférických podmínek, protože záření po cestě mezi objektem zeslabují a navíc produkují vlastní záření. Pro výpočty je většinou nutné zadat některý z parametrů jako: Emisivita měřeného objektu Relativní vlhkost prostředí Teplota atmosféry Vzdálenost kamery od měřeného objektu Efektivní teplota okolí, nebo odražená okolní teplota

37

Obr. 2: Termogram solárního panelu s tzv. hot-spoty. Vyhodnocení termogramu Na termogramu budou jasně zřetelná místa, která jsou teplejší než ostatní. V závislosti na tvaru a umístění, mohou tyto horká místa a prostory ukazovat různé typy závad. Například pokud bude celý modul teplejší, může se jednat o chybu v propojení. Pokud jsou vidět pouze určitá místa s vyšší teplotou tzv. hot-spoty, může se jednat o zkrat, nebo o vadnou bypass diodu. Tyto diody jsou používány za účelem ochrany jednotlivých článků před tepelným zničením a značném poklesu výkonu. Stíny nebo trhliny v článku se také projeví jako horká místa. Cenné informace také poskytuje měření z přední ale i zadní strany článku. Modelová situace Na Obr.3a) v levé části je zobrazen příklad termogramu s jedním horkým místem nespecifikovaného typu. Po převodu z 2D do 3D formátu Obr.3b) je jasně zřetelný jeden teplotní „peak“. Jako další pro uživatele nevhodné jsou na 3D termogramu vidět i další teplotní špičky. Pro jejich filtraci byl použit Gaussovský filtr v prostředí Matlabu (Obr.4a). Po aplikaci filtru je vidět zřetelné zjemnění povrchu. Toto však ještě není ideální, proto byl navíc použit další filtr (medián). Výsledný termogram je pak zbaven teplotních špiček a lze pouze analyzovat konkrétní defektní místo (Obr.4b). Termogram může být dále upraven změnou sytosti barev atd.

Obr. 3: Termogram s defektním místem a) 2D zobrazení b) 3D zobrazení.

38

Obr. 4: Termogram s defektním místem a) 3D zobrazení - Gaussovský filtr b) 3D zobrazení – Gaussovský + medián filtr. Závěr Termografická kontrola fotovoltaických systémů umožňuje rychlou lokalizaci případné závady na úrovni jednotlivých článků nebo celého modulu. Lze snadno odhalit i případné špatné elektrické spojení jednotlivých částí systému za provozu, což je obrovskou výhodou. Výhody tohoto typu měření jsou nesporné a nalézají uplatnění nejen v kategorii elektrotechniky. Poděkování Tato práce byla podporovaná specifickým vysokoškolským výzkumem na VUT v Brně č. FEKT–S–11–7 a projektem FRVŠ 2333/2012. Literatura [1] [2]

W. Minkina, S. Dudzik, Infrared Thermography-Errors and Uncertainties. 2009, Wiley, ISBN:978-0470747186. FLIR, Měření pomocí termokamery [online]. [cit. 2012-04-25]. Dostupné z .

39


10

VLIV OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ NA LUMINISCENČNÍ DIAGNOSTICKÉ METODY SOLÁRNÍCH ČLÁNKŮ Veselý A. Ústav elektrotechnologie, Vysoké učení technické v Brně, Technická 10, 616 00, e-mail: [email protected] Abstrakt Tento článek si klade za cíl seznámit s aktuální diagnostickou metodou elektroluminiscence: Důraz v tomto článku bude kladen na schopnost detekce a diagnostiky výsledků v závislosti na okolní teplotě, potažmo na teplotě vzorku. Úvod Luminiscence Luminiscencí pevných látek rozumíme přebytek elektromagnetického (světelného) záření, které látka vysílá, nad zářením rovnovážným popsaným Plancovým vyzařovacím zákonem. Přitom ještě musí platit, že toto záření má dobu dohasínání podstatně delší, nežli je perioda světelných oscilací (10-14–10-15 s). Z této definice vyplívá, že z termodynamického hlediska je luminiscence nerovnovážným zářením. To znamená, že látce je zapotřebí dodat jistým způsobem energii (nadbytečnou oproti té, kterou si těleso recipročně vyměňuje se svým okolím pomocí rovnovážného elektromagnetického záření). Tato energie se v látce přemění na světelné luminiscenční záření. Nazývá se excitační nebo budící energií a podle způsobu, jakým je dodávána, bývá zvykem klasifikovat luminiscenční děje takto: Fotoluminiscence – je buzena světlem o vlnové délce ex, která je obvykle kratší nežli lumiscenční emisní vlnová délka em. Relace ex ≤ em se nazývá Stokesův zákon. Elektroluminiscence – vzniká v důsledku přiložení elektrického pole a průchodu elektrického proudu. Elektroluminiscence Měření vychází z reciproční funkce solárního článku, v němž po připojení na zdroj napětí a proudu, dochází k zářivé rekombinaci elektronů a děr, a tím ke světelné emisi. Záření je snímáno pomocí nízkošumové CCD kamery. Defekty na solárních článcích nevyzařují buď žádné světlo a nebo září slaběji a jsou tedy na snímcích snadno pozorovatelné. Tuto metodu lze použít jak na samotné solární články, tak na celé fotovoltaické panely. Výsledky této diagnostické metody jsou, dle teorie, závislé především na teplotě okolí, případně na teplotě samotného měřeného vzorku. Tento článek si proto klade za cíl prezentovat míru tohoto vlivu na výsledky měření.

40

Experiment Inovace pracoviště Aby bylo možné proměřit teplotní závislosti defektů solárních článků, bylo nutné inovovat stávající pracoviště. Budeme používat nízkošumovou CCD kameru G2-3200, která je připojena k počítači pomocí USB portu a komunikuje pomocí komunikačního programu SIMS, který je dodávaný ke kameře. Solární článek bude připojen k laboratornímu zdroji stejnosměrného napětí pomocí kontaktního pole. Jako zadní kontakt bude použita bronzová deska s rozměry 30x30x1 cm, která bude zároveň sloužit pro rovnoměrné rozložení teploty. Pro ohřev a chlazení solárního článku bude využito Peltierových článků, tyto Peltierovy články budou připevněny pomocí montážních spon na spodní straně bronzové desky. Aby bylo možné regulovat teplotu těchto článků, byl sestaven regulátor napětí. Odvod tepla z Peltierových článků nám zajistí okruh vodního chlazení. Vše bude uzavřeno ve světlotěsné komoře, aby okolní světlo neovlivňovalo výsledky měření.

Obr. 1: Blokové schéma měřicího pracoviště Na obrázcích Obr. 2 – Obr. 5 je pomocí metody elektroluminiscence změřen tentýž solární článek při různých teplotách. Z těchto obrázků je patrné snížení kontrastu defektů solárního článků v závislosti na stoupající teplotě. Výsledky proto jasně naznačují, že při zvyšujících se teplotách vzorku v době měření dochází ke snížení schopnosti detekovat a diagnostikovat vady solárních článků.

41

Obr. 2: (vlevo) Vzorek A, I = 2,5 A, U = 1,3V, t = 26°C Obr. 3: (vpravo) Vzorek A, I = 2,5 A, U = 1,3V, t = 40°C

Obr. 4: (vlevo) Vzorek A, I = 2,5 A, U = 1,2V, t = 60°C Obr. 5: (vpravo) Vzorek A, I = 2,5 A, U = 1,3V, = 75°C Závěr Pro elektroluminiscenční diagnostickou metodu solárních článků je jedním z nejdůležitějším parametrem výstupního obrazu jeho kontrast. Čím větší bude kontrast mezi bezdefektní oblasti a oblasti s defektem, tím je možné jednoznačněji identifikovat jak samotný defekt tak i typ tohoto defektu. Z předchozích obrázků je patrné, že rozdíl v kontrastu mezi běžnou teplotou v místnosti a 75 °C je dost značný. Při takto vysokých teplotách už nejsme téměř schopní určit, jestli se skutečně jedná o defekt a případně určit jeho typ.

42

Poděkování Tento výzkum byl uskutečněn za podpory OPVK a specifického výzkumu VUT FEKT-S-11-7. Literatura [1]

[2]

Fuyuki T., Kondo H., Yamazaki T., Takahashi Y. and Uraoka Y.: Photographic surveying of minority carrier diffusion length in polycrystalline silicon solar cells by electroluminescence, Applied Physics Letters 86, 262108 (2005) KOUTNÝ, M. Vliv teplotních závislostí luminiscence solárních článků. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2010. 52 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jan Dolenský

43


11

FOTOVOLTAICKÝ SYSTÉM PŘEDÁVAJÍCÍ VÝKON DO ODPOROVÉ ZÁTĚŽE Wolf P., Kuřík O., Benda V. ČVUT Praha, Fakulta elektrotechnická, Kat. elektrotechnologie, e-mail:[email protected], [email protected], [email protected] Abstrakt Příspěvek se zabývá systémem využívajícím fotovoltaické (FV) panely pro tepelné účely (ohřev) pomocí odporové zátěže. Vzhledem k výrazným poklesům ceny sériově vyráběných fotovoltaických panelů v posledních letech začíná být systém využívající fotovoltaické panely pro tepelný ohřev zajímavý nejen z technického ale i ekonomického pohledu. Systém může být koncipován jako velice jednoduchý, kdy jsou FV panely připojeny přímo k odporové zátěži, nebo kdy je využito regulátoru zajišťujícího sledování bodu maximálního výkonu, tzv. MPP tracking. Oba tyto systémy jsou porovnány z hlediska účinnosti v osvitových podmínkách v ČR. Úvod V současné době se velkoobchodní ceny FV panelů pohybují často pod hranicí 1$/Wp, fotovoltaické systémy začínají být výhodné pro řadu aplikací i bez garantované podpory různých státních programů pro rozvoj obnovitelných zdrojů. Za těchto podmínek může být fotovoltaika postupně využita např. i v domácnostech pro přípravu teplé užitkové vody, což bylo doposud oblastí, kde se využívalo termických kolektorů (tj. přímého ohřevu teplonosného media dopadající sluneční energií). Oba tyto systémy (termický i fotovoltaický) mají své přednosti i nevýhody. Jelikož je využití fotovoltaiky pro tepelné účely relativně novou a málo známou záležitostí, je příspěvek věnován právě jim. Mezi výhody fotovoltaického systému patří: výrazně jednodušší instalace a rozvod energie rozvod energie až ke spotřebiči (bojleru) s nízkými ztrátami vyšší účinnost v zimních měsících kdy je nedostatek energie (vliv teploty) nízké provozní náklady, spolehlivost Nevýhodou může být potřeba výrazně větší plochy (cca. 3 násobné) pro instalaci FV panelů oproti termickým kolektorům při uvažování stejné celoroční energetické výtěžnosti reálného systému.

44

Obr. 1: Princip termického a fotovoltaického ohřevu vody Uvažovaný FV systém se skládá ze sério-paralelně propojených FV panelů, kabeláže, vstupního rozvaděče s odjištěním a přepěťovými ochranami a topné spirály v bojleru obsahujícím tepelnou ochranu a speciálně upravený termostat pro spínání stejnosměrného proudu. Funkce regulátoru bodu maximálního výkonu (MPP) Přímé propojení mezi FV panely a odporovou zátěží vytváří jednoduchý systém, nicméně při použití se potýkáme s problémem impedančního přizpůsobení generátoru (FV panelů) a spotřebiče (odporové zátěže). Provozní podmínky FV panelů se neustále mění a bez využití regulátoru, který zajistí maximální předání energie z panelů do zátěže, systém dosahuje výrazně nižší účinnosti. Nejvíce výrazný vliv na provozní parametry FV panelů má aktuální intenzita záření, dále pak teplota samotných článků. Obr. 2 ukazuje typický průběh V-A charakteristiky FV generátoru (3x FV panel v sérii) a konstantní odporové zátěže (R=25Ω) u systému navrženého pro optimální provoz při intenzitě záření 800W/m2. Je patrné, že při jiných intenzitách je ztráta vlivem provozu mimo bod MPP výrazná, obr. 3.

45

Obr. 2: V-A charakteristika FV generátoru a odporové zátěže (přímka)

Obr. 3: Výkon FV panelů v bodě MPP v závislosti na intenzitě záření (1). Využitelný výkon při odporové zátěži R = 40Ω (2), R = 25Ω (3), R = 20Ω (4). Návrh systému z hlediska celoročního energetického zisku Pokud FV systém neobsahuje sledovač bodu MPP, je obvykle třeba provést návrh komponent z hlediska maximalizace energie během celého roku. Pro osvitové podmínky ČR uvažujme rozdělení energie dopadajícího záření na rovinu FV panelů (sklon 35°, jih) z hlediska jeho intenzity dle obr. 4, [1].

46

Obr. 4: Rozdělení energie dopadajícího záření z hlediska intenzity Ze statistického rozdělení intenzity záření dle obr. 5 lze určit celoroční účinnost systému, resp. ztrátu vlivem odchylky od bodu MPP při přímém připojení FV panelů a odporové zátěže.

Celoroční účinnost (%)

100,0

80,0

73

76

77

75

71

68

63 60,0

40,0

61

54

34

20,0

0,0 100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

2

Intenzita, na kterou je systém optimalizován (W/m )

Obr. 5: Celoroční účinnost systému s ohledem na intenzitu, při které systém pracuje ideálně (v bodě MPP) Výsledky simulace na obr. 5 ukazují, že pro maximální roční energetický zisk je v osvitových podmínkách ČR hodné zvolit odporovou zátěž a FV panely tak, aby systém pracoval ideálně při 600W/m2. Nicméně pokud navrhneme systém pro optimální provoz při 400−800W/m2, není stále ztráta ročně získané energie významná. Maximálně však lze získat ze systému s odporovou zátěží 77% energie v porovnání se systémem se sledováním bodu MPP. V reálném provozu lze očekávat vyšší celoroční pokles účinnosti vlivem odchylky od bodu MPP, jelikož se uplatňuje i vliv teploty. Ten není v simulacích zohledněn, neboť závisí na konkrétném provedení instalace a okolních podmínkách chlazení. Vliv vyšší teploty při vyšších intenzitách by měl za následek snižování účinnosti systému (jednak vlivem poklesu účinnosti FV panelů a jednak větší odchylkou od bodu MPP vlivem nižšího napětí FV panelů).

47

Simulovaný průběh výkonu FV systému s ideálním regulátorem a bez regulátoru během dne s jasnou oblohou a při proměnlivém počasí ukazuje obr. 6 a obr. 7. Simulace vychází z typických parametrů náhradního diodového modelu pro FV články. Opět není uvažován vliv teploty. Během slunečného dne s průběhem dle obr. 6 vyrobí systém s ideálním MPP regulátorem 5,9kWh/kWp energie, bez regulátoru 5,1kWh/kWp. Během dne s průběhem dle obr. 7 vyrobí systém s ideálním MPP regulátorem 2,0kWh/kWp energie, bez regulátoru 0,8kWh/kWp. Nejvyšší zvýšení účinnosti pomocí sledovače bodu MPP je dle simulací během dní s proměnlivým počasím, nebo s dlouhodobě nízkou intenzitou záření. 500

Výkon (W)

400 300

Pmpp Pbojler

200 100

17:20

16:20

15:20

14:20

13:20

12:20

11:20

10:20

9:20

8:20

7:20

6:20

0

čas

Obr. 6: Simulace průběhu výkonu se sledovačem bodu MPP (Pmpp) a bez sledovače (Pbojler) během slunečného dne (neuvažován vliv teploty) 400

Výkon (W)

300 Pmpp

200

Pbojler

100

18:20

17:20

16:20

15:20

14:20

13:20

12:20

11:20

10:20

9:20

8:20

7:20

6:20

0

čas

Obr. 7: Simulace průběhu výkonu se sledovačem bodu MPP (Pmpp) a bez sledovače (Pbojler) během dne s proměnlivým počasím (neuvažován vliv teploty) Provoz v bodě MPP lze zajistit různými způsoby. Jedná se o regulaci na straně FV panelů (přepínání jejich sério-paralelního řazení), na straně topného odporu (změna hodnoty vnitřního odporu) či pomocí regulátoru mezi FV panely a topným odporem. První dvě varianty jsou diskrétní, tj. poskytují obvykle pouze několik kombinací provozu, umožňují

48

tedy pouze částečné přiblížení k provozu v bodě MPP. Využití mechanických stykačů není z hlediska frekvence přepínání příliš vhodné, zapojení pomocí řady polovodičových přepínačů není vhodné z hlediska jejich ceny a potřeby mnoha kusů se sériovým řazením. Jako výhodné se jeví využití regulátoru (např. DC/DC měniče), který zajistí sledování bodu MPP pomocí změny výstupního napětí. Zátěž se jeví jako „měkký spotřebič“, napětí na zátěži je totiž přímo úměrné proudu a je tedy velmi proměnlivé. To je základní rozdíl oproti regulátorům pro nabíjení akumulátorů nebo střídačům pro FV elektrárny, kdy se napětí výstupní pohybuje kolem dané hodnoty systémového napětí (napětí akumulátoru či sítě). S výhodou však lze využít toho, že výstupní napětí není třeba z hlediska vlastní funkčnosti tepelného ohřevu filtrovat, výstupem mohou být pulzy, či jakýkoliv nespecifikovaný průběh za předpokladu vysoké účinnosti regulátoru a provozu v bodě MPP. Pro provoz v bodě MPP musí platit

VMPP I MPP

2 VOUT R

1

,

(1)

E

kde VMPP a IMPP značí napětí a proud FV panelů v bodě MPP, VOUT výstupní efektivní napětí regulátoru, R odpor zátěže a ηE elektrickou účinnost regulátoru. Z rov. (1) lze určit výstupní napětí regulátoru

VOUT

VMPP I MPP R

E

(2)

Účinnost η uvažovaného FV systému využívajícího regulátor je obdobná jako v případě FV elektrárny, přičemž musíme uvažovat konkrétní účinnost jednotlivých prvků systému. FV

KAB

E

MPP

TOP

, (3)

kde koeficienty na pravé straně rovnice představují účinnost FV panelů, kabelových výkonových rozvodů, elektrickou konverzní účinnost regulátoru, účinnost danou přesností určení bodu MPP a účinnost topného tělesa. K návrhu systému a odhadu jeho energetických zisků v jednotlivých měsících můžeme využít běžně používané softwarové prostředky pro návrh FV elektráren (např. PV-GIS, PVSyst, Homer, RETScreen).

49

Provedení regulátorů Regulátor pro využití v systému s FV panely a odporovou zátěží označený SW Control Box vyvinula a nabízí např. firma Sunnywatt CZ, s.r.o., obr. 8. Zařízení je schopno pracovat ve vstupním rozsahu napětí 120−300V a proudu max. 12A. Použitý typ DC/DC měniče je ve snižujícím zapojení, je tedy nutné systém navrhnout tak, aby vstupní napětí z FV panelů vždy bylo dostatečně vysoké pro provoz s určitou odporovou zátěží. Tuto podmínku však není problém v praktickém použití splnit (sériové řazení panelů, nízká hodnota odporové zátěže). Současně se vyšším napětím zjednoduší kabelové rozvody a zvýší účinnost přenosu energie. Regulátor je napájen pouze ze vstupu FV panelů, není tedy třeba externí zdroj pro napájení řídící jednotky. Regulátor je bezobslužný, pro elektrické připojení slouží standardně používané konektory (Multi-Contact MC4) na vstupu i výstupu a jedna zemnící šroubová svorka. Provozní stav je indikován LED diodami na čelní straně (stand-by, 25%, 50%, 75%, 100%), v případě potřeby přesného sledování provozu je třeba využít např. stejnosměrného elektroměru. Výrobek má certifikaci CE a je chráněn průmyslovým vzorem.

Obr. 8: Regulátor SW Control Box 1.0 Literatura [1] [2]

[3]

50

K. Staněk: Fotovoltaika pro budovy, ČVUT-FSV, 2012. Z. Machacek, V. Benda, R. Barinka: Electrical parameters of C-SI photovoltaic cells in dependence on temperature and irradiance, Proceedings of the International Scientific Conference FMNS-2007. ISBN: 978-954-680-537-9 A. Luque, S. Hegedus: Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley. 2003. ISBN: 0-471-49196-9


12

150 LET OLOVĚNÝCH AKUMULÁTORŮ Karel Micka Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, Dolejškova 3, 182 23 Praha 8, [email protected] Abstrakt Jsou objasněny okolnosti, za jakých vznikal nejrozšířenější chemický zdroj elektrické energie, olověný akumulátor. Jsou zmíněny technologické pokroky, které přinesly široké možnosti praktického využití tohoto zdroje. Úvod Vynálezce olověného akumulátoru, Raymond Louis Gaston Planté, se narodil 22.dubna 1834 v rodině zámožných rodičů v departementu Basses-Pyréneés v jihozápadní Francii. Jeho mladší bratr Leopold (1832) byl úspěšným právníkem, starší bratr Francis (1839) se proslavil jako vynikající klavírista. Gaston jevil mnohostranné nadání (pro kreslení, přírodní vědy, matematiku, fyziku a řadu cizích jazyků). Studoval v Paříži na Sorbonně a byl mu (1855) udělen titul magistra přírodních věd . V době svých studií se zajímal o paleontologii a obrátil na sebe pozornost svým objevem zkameněliny prehistorického nelétavého ptáka v jílovitém depozitu v kamenolomu u Meudonu poblíž Paříže. Objev kodifikovala francouzská akademie věd (1855) pod názvem Gastornis Parisiensis a jeho stáří bylo odhadnuto na 55 milionů let. Podobný nález byl později (1870) učiněn v Americe. Pro svou známou zručnost byl Planté pozván, aby demonstroval elektrické experimenty s Ruhmkorffovým přístrojem před císařem Napoleonem III. a jeho manželkou v paláci Tuileries (1858). Šlo vlastně o transformátor, jehož primární cívka s malým počtem závitů, napájená zdrojem stejnosměrného napětí přes přerušovač s blokovým kondensátorem, byla vsunuta do sekundární cívky s velkým počtem závitů. pro získání vysokého napětí. Zařízení mohlo dávat jiskry až mnoho centimetrů dlouhé, a je pravděpodobné, že Planté měl k dispozici i svíticí Geisslerovy trubice a další zajímavé rekvisity. Podle poznámek v jeho notýsku se však zdá, že setkání s císařem v něm nevyvolalo příliš velký dojem. Koncem tohoto roku se rozhodl opustit místo asistenta v laboratoři vyšší průmyslové školy a zařídit si vlastní výzkumnou laboratoř ve svém bytě ve staré pařížské čtvrti Le Marais. Životní úkol – elektrochemie V roce 1859 vynalezl Gaston Planté svůj tzv. „sekundární článek“, složený z dvojice spirálově svinutých olověných desek, oddělených gumovými plátky, v nádobce se zředěnou kyselinou sírovou. Desky nabíjel asi 24 hodin ze dvou Bunsenových nebo tří Danielových článků. Opakovaným „formačním“ procesem nabíjení a vybíjení se kladná deska pokrývala v nabitém stavu povlakem oxidu olovičitého a záporná v nabitém stavu povlakem porésního olova. Již v březnu 1860 představil Gaston Planté svůj pamětihodný objev – olověnou baterii

51

– francouzské akademii věd. Podle principu, který vypracoval v předešlém roce, šlo o devět článků ve dřevěné přihrádce, spojených paralelně a dávajících podle jeho mínění pozoruhodně silné proudy. Je ovšem vhodné poznamenat, že Planté neobjevil princip kyselé olověné baterie. Tento systém studovali již Carl Wilhelm Siemens (1852) a Wilhelm Josef Sandsteden (1854), avšak nedovedli své články k plnému rozpracování. Nicméně, Planté si zasluhuje být považován za „otce olověného akumulátoru“, neboť ukázal, jak využít jevy pozorované Siemensem a Sinstedenem k výrobě užitečného zařízení pro uskladnění elektrické energie. Autor zkoušel různé konstrukce článků za různých podmínek, např. ve zkratu, při rovnoměrném nebo přerušovaném nabíjení. Výsledky svých prvních výzkumů publikoval v Comptes Rendus de l’Académie des Sciences a v některých periodikách. V pozdějších letech vymýšlel praktické aplikace jako elektrické zvonky, důlní lampy, signalisační zařízení, elektrické brzdy pro parní vlaky, apod. Jeho živelný zájem o elektřinu však sahal dále. Po roce 1880 ho zaujaly přírodní jevy jako bouře a kulové blesky, polární záře, nebo cyklony. Zajímaly ho zvláště rozdíly mezi statickou („přírodní“) elektřinou a „dynamickou“ elektřinou z baterií. Za tím účelem sestrojil zvláštní tzv.„rheostatický“ přístroj s rotujícím komutátorem, který generoval několikacentimetrové jiskry (Compt. Rend. 1877, Oct. 29). Podobné aparáty s dvěma protiběžnými ebonitovými disky a dvěma leydenskými lahvemi se prodávaly pro potřeby fysikální školní výuky v Německu a jinde ještě před druhou světovou válkou pod názvem „Wimshurstova indukční elektrika“. Plantého pokusy s velkou skupinou slídových kondensátorů, nabíjených z olověné baterie a spínaných jednou paralelně a podruhé seriově ukázaly, že rozdíl mezi statickou a dynamickou elektřinou záleží pouze na velikosti napětí, které při jeho pokusech dosáhlo údajně až 200.000 V. Své výsledky popsal v knize „Phénomènes Électriques de l’Atmosphère“ (1888). První olověné baterie byly nabíjeny užitím Bunsenových článků o napětí 1,8 – 1,9 V, kde kladná elektroda byl uhlík v koncentrované kyselině dusičné a záporná, oddělená diafragmou, zinek v 10% kyselině sírové. (Někdy se používalo Danielových článků Cu|CuSO4||MgSO4|Zn o napětí 1,1 V.) Na bezpečnost a zdraví při práci se tenkrát příliš nehledělo. Průlom do této neutěšené situace nastal kolem roku 1870 vynálezem Grammova dynama, které začala vyrábět belgická firma Breguet. Stejná firma začala následně vyrábět i Plantého akumulátory. Nyní se výzkumníci zmocnili Plantého systému olovo – kyselina. Francouzský inženýr Camille Alphonse Faure pokryl obě strany olověných desek vrstvou minia, které se po dvoudenním nabíjení změnilo na PbO2 na kladné desce a na houbovité olovo na záporné. Našel se i výrobce. V zápětí se objevily perforované, poněkud tenčí desky, pokryté pastou z houbovitého olova s lepší adhesí. Dále bylo měkké olovo v kolektorech nahrazeno slitinou olova s antimonem, což se stalo dominantní technologií. Tato slitina je totiž nejen pevnější než čisté olovo, ale dá se také lépe odlévat, jak dobře věděli tiskaři. Další pracovníci (E. Volckmar, J.W. Swan et al.) navrhli olověné mřížky jako výhodnější variantu perforovaných desek. Desky s rozvinutým žebrovitým povrchem patentoval C.F. Brush již roku 1881, což byly vlastně předchůdci pozdějších Plantého olověných desek, které jsou dosud ještě používány. Ve stejné době vynalezl S.C. Currie trubkové elektrody. Nové patenty jen pršely, neboť výzkumníci ucítili svou příležitost. Koncem 19. století se v Belgii objevil elektrický automobil doutníkového tvaru, který s olověnou baterií 80 článků vyvinul rychlost 109 km/h. Ve Francii a ve Španělsku se konaly pokusy s elektricky poháněnými ponorkami, a to nejprve s alkalickými, poté s kyselými olověnými akumulátory. Posléze Morseův elektrický telegraf a telefonní společnosti v USA si vynucovaly používání baterií v průmyslovém měřítku. Planté dokonce dodal osvětlovací

52

zařízení pro císařský palác ve Vídni. V Paříži byly instalovány baterie a dynama pro jejich nabíjení pro elektrickou osvětlovací síť již v roce 1882. Průmyslové využití Plantého baterie a zařízení pro získání vysokého napětí mu přinášelo stálý zdroj příjmů. Ze svých příjmů si však ponechával jen tolik, kolik potřeboval na živobytí. Byl potěšen, když jiní měli zisk z jeho vynálezů. Někteří členové francouzské Akademie věd navrhovali jeho zvolení, neměl však zájem a chtěl raději pracovat ve své laboratoři. Planté dostával vyznamenání od různých vědeckých společností. Např. v roce 1881 mu byla udělena cena 10 tisíc franků, kterou však daroval „Humanitární společnosti přátel vědy“, aby podpořil nemajetné badatele. V témže roce mu bylo uděleno nejvyšší francouzské vyznamenání „Rytíř čestné legie“. Jeho sponzor napsal francouzskému ministru financí: „Nevěřím, že přeháním, když stvrzuji, že pan Planté je jedním z největších vynálezců naší doby“. V roce 1882 dostal zlatou Ampérovu medaili od Společnosti pro podporu národního průmyslu. Významný francouzský chemik Jean-Baptiste Dumas řekl: „Jsem šťasten, že vám mohu dát tuto medaili s obrázkem Ampéra a jsem jist, že v budoucnu ji naši následovníci budou udělovat s Vaším obrázkem“. Avšak Planté považoval tuto medaili za neproduktivní kapitál, takže ji prodal a výtěžek dal chudým. Velké pracovní vypětí mělo od roku 1885 za následek zhoršování jeho nervového stavu. Jeho zrak silně slábl při práci s oslňujícími elektrickými výboji, takže se začal učit slepeckému Braillovu písmu. Konec se však blížil. 21. května byl stižen mozkovou mrtvicí na své zahradě v Bellevue sous Meudon. Planté měl však již připravenou závěť. Většinu svého jmění odkázal vědeckým institucím a jeho dům v Bellevue byl přeměněn na útulek pro chudé vědce. Francouzská akademie věd dostala nadační fond, umožňující udílet peněžité ceny na poli elektřiny. Jednu z prvních Plantého cen obdržel Pierre Curie.

Obr. 1: Portrét Gastona Planté s jeho podpisem. Podle [1]. Vzájemné soutěžení mezi deskovými elektrodami vyvinutými jednak Plantém a jednak Faurem bylo dosti živé až do první dekády 20. století. Pastované elektrody se osvědčily pro svou lepší výkonnost v mnoha aplikacích. Nicméně, Plantého desky se stále vyrábějí, i když v mnohem menším počtu. Bylo by však chybou domnívat se, že výzkumné práce jsou již prakticky uzavřeny, i když o úspěch olověných akumulátorů se zasloužili nespočetní výzkumníci a inženýři. Doposud jsme se zabývali pouze historií tohoto vynálezu [1, 2], v dalším se však zmíníme o některých problémech, které nastaly v jeho dalšímu vývoji [3, 4]. Jev, který byl předmětem výzkumu již dávno, bylo poměrně nízké využití aktivního materiálu pastovaných, hlavně positivních elektrod. Příčiny se hledaly v různých krystalografických modifikacích, nebo v metodě jeho přípravy, či dokonce v různém obsahu vodíku v krystalové mřížce oxidu olovičitého. Jak však zjistil již P.T. Moseley metodou neutronové difrakce [3],

53

tato technika nevykazuje stopy uspořádaných vodíkových atomů v krystalové mřížce ani u alfa ani u beta modifikace PbO2. V některých vzorcích byla však nalezena malá kvanta pravděpodobně naadsorbované vody. Přitom obě modifikace jsou elektroaktivní bez ohledu na metodu přípravy. Sluší poznamenat, že k podobným výsledkům týkajícím se elektroaktivity obou modifikací došli již mnohem dříve Kiseleva a Kabanov [4]. Jakmile se zájem výzkumu soustředil na hluboké vybíjení nízkoúdržbových baterií v souvislosti s elektrickými vozidly, objevil se problém, který se stal známý jako předčasná ztráta kapacity (premature capacity loss, PCL) [5]. Ta měla dvě formy; první byla označena PCL1 a spočívala ve vzniku izolačního filmu v mezifází mezi kladným aktivním materiálem a mřížkou. Moseleyova skupina tedy navrhla laserovou rastrovací metodu na sledování distribuce α-PbO v korosní vrstvě. Ukázalo se, že předpoklad přítomnosti filmu PbO byl správný. V té době již bylo v USA založeno výzkumné konzorcium ALABC, které zahájilo výzkum tohoto a podobných problémů. Netrvalo dlouho a řešení bylo objeveno v podobě olověných mřížek s přídavkem cínu a se sníženým obsahem antimonu. Cín totiž jednak zpomaluje korozi olova a jednak zlepšuje elektrickou vodivost korozního filmu. Jev, označený jako PCL2, záležel ve zdánlivě nepatrných objemových změnách aktivní hmoty při hlubokém nabíjení a vybíjení. Po mnoha cyklech nabití-vybití se objemové změny kumulovaly a tak se postupně zhoršoval nejen kontakt mezi mřížkou a aktivní hmotou, ale hlavně vodivost kladné hmoty a její soudržnost. Nakonec mohlo dojít i k rozpadu aktivní hmoty. Tuto obtíž lze snadno odstranit zajištěním určitého mechanického přítlaku na elektrody, což ovšem poněkud zvyšuje nároky na výrobu. Trubkové elektrody tímto efektem nejsou zatíženy. Konečně aplikace v hybridních elektrických vozidlech vyžaduje baterie schopné práce i v přechodovém stavu částečného nabití při velkém počtu malých cyklů, čímž se vyvolává jev označenýjako PCL3, totiž postupná sulfatace negativních desek. Řešení tohoto problému, který si vyžádal nasazení řady výzkumných týmů, spočívá v podstatě v přídavku zvýšeného množství uhlíku vhodné kvality do aktivní hmoty [6]. Nejúspěšnějším příkladem tohoto řešení je tzv. Ultrabaterie [3], ve které přídavek uhlíku je zahrnut ve formě prodloužení záporných elektrod, takže má funkci kapacitoru. Ostatní díly baterie jsou konvenční. Posléze byl zkonstruován pokusný hybridní automobil Honda Civic, který obsahoval dvanáct modulů v baterii o napětí 144 V. Vozidlo ujelo bez závad více než sto tisíc mil bez potřeby regenerace kapacity baterií [3]. Zdá se tedy, že nakonec budou mít výrobci elektromobilů na vybranou mezi třemi alternativami: olovem, niklem a lithiem. Literatura [1] [2] [3] [4]

[5] [6]

54

P. KURZWEIL.: Gaston Planté and his invention of the lead-acid battery – The genesis of the first practical rechargeable battery. J. Power Sources 195 (2010) 4424 – 4434. P.T. MOSELEY, D.A.J. RAND.: In celebration of the sesquicentennial of the lead-acid battery. J. Power Sources 195 (2010) 4423. P.T. MOSELEY.: Gaston Planté Medal acceptance speech. J. Power Sources 191 (2009) 7 – 8. . I.G. KISELEVA, B.N. KABANOV: Formation and the electrochemical properties of crystalline modifications of lead dioxide. (Orig. rusky.) Dokl. Akad. Nauk SSSR 122 (1958) 1042. D.A.J. RAND, P.T.MOSELEY, J. GARCHE, C.D. PARKER: Valve-Regulated LeadAcid Batteries, Elsevier, Amsterdam, 2004. P.T. Moseley: J. Power Sources 191 (2009) 134.


13

VLIV Ti4O7 NA CHOVÁNÍ NAM OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU Karel Tonar, Pavel Tošer, Petr Bača 1

Ústav Elektrotechnologie, VUT Brno Fakulta Elektrotechniky a komunikačních technologií, 602 00 Brno, Česká republika, e-mail: [email protected] Abstrakt Olověné akumulátory hybridních vozidel (HEV) pracují ve stavu částečného nabití (PSoC). Záporné elektrody akumulátorů trpí nízkou schopností příjmu elektrického náboje. Jejich životnost je závislá na rychlosti vývoje síranu olovnatého PbSO4 na záporných elektrodách. Příměsemi některých forem uhlíku a TiO2 do aktivních hmot a případným dodatečným přítlakem na elektrodový systém můžeme zvýšit schopnost příjmu náboje a snížit sulfataci záporných elektrod. Na trhu se objevuje moderní materiál EBONEX (Ti4O7), který kombinuje vlastnosti obou zmíněných příměsí a mohl by být vhodný i jako aditivum do záporné aktivní hmoty (NAM) olověného akumulátoru [2], [3]. Úvod Byla studována sada experimentálních článků olověných akumulátorů s kolektorem s nespojitým systémem rovnoběžných žeber. Záporná aktivní hmota elektrod obsahovala expandéry a dodatečné přísady ebonexu – elektricky vodivý keramický prášek. Experiment Bylo sestaveno osm experimentálních elektrod s rovnoběžným systémem planparalelní žeber. Tyto byly napastovány zápornou aktivní hmotou dle jedinečné receptury. Rozměry elektrod byly 55mm x 20mm x 7mm. Aktivní hmota dopovaná příměsemi Ebonexu o koncentracích 0,15%, 0,46%, 0,78%, 1,4%, 2,65% a 5,15%. Každá elektroda byla spolu se dvěma pozitivními a AGM separátory sestavena do elektrochemického článku a umístěna do měřící nádoby, která umožňuje provoz v hermetickém stavu. Potenciály byly měřeny proti referenční kadmiové elektrodě. Články byly pro účely formace zaplaveny roztokem kyseliny sírové o hustotě 1,28 g.cm3. Dále bylo provedeno 14 kondiciovacích cyklů. Následně pak byla kyselina z nádob odsáta a články byly zatíženy PSoC měřením v hermetickém stavu. Formace Formační proces se skládal ze 17 cyklů, každý cyklus tvoří nabíjení proudem 0,2 A po dobu 4 hodin a dobou stání po dobu 2 hodin. Celá formace tedy trvala 102 hodin. Elektrody obdržely pětinásobek požadované kapacity.

55

Obr. 1: Grafy průběhů formací jednotlivých elektrod s aditivem Ti407 Průběhy napětí na článcích s jednotlivými příměsemi jsou na Obr. 1. Je patrné, že elektrody dosáhly při formačním procesu různých konečných napětí na druhém nabíjecím stupni. Vše je zobrazeno na Obr.2. Data uvedená v grafu jsou odečtena v čase 106 hodin. Elektroda s příměsí 0,46% Ti4O7 dosáhla nejvyšších hodnot (2,82 V), zatímco elektroda s příměsí 2,65% Ti4O7 dosáhla nejnižšího napětí (2,62 V). V grafu je zobrazen i průběh získaný v našem již provedeném experimentu [14].

Obr. 2: Závislost napětí na konci formace v porovnání s průběhy pro CR2996 Oproti elektrodám s uhlíkem je však konečné napětí v úrovních příměsí uhlíku s nejdelší životností při cyklování (0,8 – 1,2%) vyšší o asi 0,06 V [1].

56

Grafy na Obr. 3. ukazují, že proformování NAM nastává pro jednotlivé elektrody v různých časech. Mez, při které je aktivní hmota považována za proformovanou je na hranici přechodu z prvního na druhý nabíjecí stupeň, tedy 2,6 V. Formace elektrody s příměsí 0,46% ebonexu proběhla nejrychleji (30 hod.). Nejpomalejší formační proces byl zaznamenán na elektrodě s nejvyšším obsahem ebonexu (48 hod.). Již dříve provedený experiment [1] je k porovnání vyobrazen ve stejném grafu a vykazuje při stejném obsahu příměsí nižší čas formace. Tvar průběhu pro uhlík a ebonex je téměř totožný, pokud nebudeme uvažovat elektrodu s nejnižší příměsí ebonexu, která vykazuje výrazně vyšších hodnot. Ebonex však dosáhl celkově vyšších časů formací u všech zkoumaných elektrod a jednotlivé extrémy v průběhu jsou výraznější.

Obr. 3: Závislost času přechodu na 2. nabíjecí stupeň s průběhy pro CR2996 DOD – kondiciovací cykly Po formaci bylo na elektrodách provedeno 14 kondiciovacích (doformovávacích) cyklů. V jednom cyklu byly elektrody vybity konstantním proudem 0,7 A na napětí 1,6 V a poté nabyty stejným proudem s napěťovým omezením na 2,45 V. Jeden cyklus byl proveden vždy v délce jednoho dne viz Obr. 4. Mezi sedmým a osmým cyklem došlo k výpadku proudu. Toto se projevilo anomálií ve všech průbězích při t = 142 hod. a při osmých změřených hodnotách kapacit. Pokud se na průběhy napětí podíváme detailněji zjistíme, že pokud byly elektrody zatíženy vybíjecím proudem 0,7 A, ihned jejich napětí pokleslo na určitou hodnotu počátečního vybíjecího napětí (viz Obr. 5.). Tato hodnota nebyla pro všechny zkoumané elektrody stejná. Vysvětlení je možné hledat v různé velikosti vnitřních odporů elektrod, které však nebyly při doformovávacích cyklech měřeny. Hodnota počátečního vybíjecího napětí elektrody s příměsí 0,46% ebonexu byla nejvyšší. Nejnižší hodnotu vykazovala elektroda s 5,15 % ebonexu. V rozmezí těchto dvou hodnot byly rozloženy všechny napětí ostatních elektrod s příměsemi ebonexu. Čím nižší bylo počáteční vybíjecí napětí, tím byl i rychlejší a strmější následující pokles. Bude dále zajímavé porovnat rychlost vybíjení jednotlivých elektrod při DOD cyklování s jejich životností při PSoC cyklování. Jakmile napětí při vybíjení pokleslo pod úroveň 1,6 V, byly články ihned zatíženy nabíjecím proudem 0,7 A. Tato skoková změna u

57

žádných z elektrod nezapříčinila vznik špičky napětí, jak bylo pozorováno v experimentu s uhlíky [1]. Doba nabíjení byla pro jednotlivě elektrody různě dlouhá, avšak nezávislá na době a rychlosti vybíjení stejných elektrod. Nebyla také nalezena žádná souvislost mezi dobou nabíjení a množstvím příměsi.

Obr. 4: Průběhy napětí a potenciálů při DOD cyklování

Obr. 5: Detail průběhů napětí a potenciálů při DOD cyklování Z průběhů na Obr. 5. je patrné, že vzrůst potenciálu při vybíjení byl nezávislý na koncentraci dotovaného uhlíku. Potenciál na začátku nabíjení okamžitě spadl, avšak ne do záporných hodnot. Potenciály u všech elektrod při nabíjení dále nepatrně klesaly. Na konci nabíjení byly všechny potenciály na téměř stejné hodnotě u všech elektrod. Téměř skokový vzrůst potenciálu elektrod s příměsemi 0,46%, 0,78% a 5,15% byl pravděpodobně zapříčiněn

58

nedostatečným kontaktem kadmiové měřící elektrody s elektrolytem. Důkazem bylo zhoršování těchto parametrů se vzrůstajícím počtem DOD cyklů.

Obr. 6: Průběhy kapacit elektrod mezi jednotlivými DOD cykly. Vždy na konci každého cyklu byly změřeny kapacity elektrod. Dle všech měření měly kapacity mírně klesající trend viz Obr. 6. Z elektrod obsahujících ebonexovou příměs dosáhla nejvyšších kapacit ta s obsahem příměsi 0,78%. Naopak nejnižší kapacity byly naměřené na elektrodě s obsahem 0,15% ebonexu. Poděkování Tato práce byla podporovaná specifickým vysokoškolským výzkumem na VUT v Brně č. FEKT–S–11–7. Literatura BAČA, P., MICKA, K., KŘIVÍK, P., TONAR, K., TOŠER, P., Study of the influence of carbon on the negative lead-acid battery electrodes, Journal of Power Sources 196 (2011) 3988 – 3992. [2] PAVLOV, D., ROGACHEV, T., NIKOLOV, P., PETKOVA, G., Mechanism of action of electrochemically active carbons on the processes that take place at the negative plates of lead-acid batteries, Journal of Power Sources 191 (2009) 58. [3] RAND, D.,MOSELEY, P., GARCHE, J., PARKER, C.:Valve – Regulated Lead – Acid Batteries, Elsevier B.V., Amsterdam, 2004, ISBN 0-444-50746-9 [1]

59


14

PULZNÍ NABÍJENÍ OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU *P.Abraham, P. Bača Ústav elektrotechnologie, Vysoké učení technické v Brně, Technická 10, 616 00, e-mail: *[email protected] Abstrakt Tento článek pojednává o pulzním nabíjení, shrnuje jeho výhody. Též ukazuje výsledky prvního experimentu provedeného s užitím programu vytvořeného na platformě Agilent v programovacím jazyce Agilent VEE Pro. Pulzní režim byl testován, jako způsob jak „oživit“ článek, který nebyl před experimentem cca půl roku užíván a byl skladován ve vybitém stavu. Úvod Algoritmy pulzního nabíjení mohou být aplikovány na formaci akumulátorů, při nabíjení a vybíjení. Typické algoritmy ukazuje obr. č. 1. Všimněte si, že po nabíjecím pulzu může následovat stání, nebo vybíjecí pulz. O vybíjecích pulzech se soudí, že působí pozitivně tak, že eliminují povrchové náboje na elektrodách, což může vést ke snížení intenzity plynování. Zatím nebylo jednoznačně prokázáno, zda je to vskutku pravda. Zjevné výhody spočívají ve zvýšeném odvodu tepla a tak lze použít relativně velké proudy (dokonce i ke konci formace či nabíjení). Další výhodou je snížené plynování díky snižující se velikosti náboje předaného během jednoho pulzu, neboť oblasti plynování je dosaženo později (jak je vidět na obrázku, jednotlivé pulzy se buď postupně snižují, nebo zkracují). Navzdory tomu, že se touto problematikou zabývalo mnoho společností, použití v praxi není příliš běžné[1]. .

Obr. 1: Typický průběh pulzního nabíjení (proudové pulzy) [1]

60

Nové nabíjecí přístroje řízené mikroprocesorem, navíc dovedou „vycítit“, v jakém stavu se akumulátor nachází – teplotu, napětí, nabíjecí proud atd. A jsou schopny měnit nabíjecí proudy během nabíjení. Problémem jsou usměrňovače, neboť většina z nich produkuje nedokonale usměrněný proud a střídavá složka způsobuje zahřívání akumulátoru. To by mělo být minimalizováno, zejména ke konci nabíjení, kdy akumulátor plynuje a má tendenci se zahřívat[2]. Předpokládané výhody pulzního nabíjení Očekávané výhody aplikace některé z metod pulzního nabíjení oproti konvenčním nabíjecím metodám jsou: a) b) c) d) e) f)

Zvětšená účinnost nabíjení. Snížená doba nabíjení baterie. Redukce generace plynu a ztráty vody Zvýšená čistota baterie (snížená přítomnost aerosolu kyseliny sírové ve vzduchu uvnitř baterie během a po nabíjení s plynováním) Snížení rychlosti koroze kladné elektrody, na které běžně dochází během nabíjení k přebíjení, což povede ke zvýšení životnosti baterie Účinnější procedura formace baterií při výrobě Obnova článků zasažených předchozí nevratnou sulfatací elektrod[3]

Experiment Na platformě Agilent v programovacím jazyce Agilent VEE Pro byl vytvořen software umožňující pulzní nabíjení pulzy o konstantní (v průběhu cyklování se nemění) amplitudě a střídě libovolné velikosti. První testování tohoto programu proběhlo na olověném akumulátoru, který před samotným experimentem nebyl používán více než půl roku.

Obr. 2: Ukázka pulzů aplikovaných na olověný článek

61

Obr. 3: Průběh kapacity V textu [3] je uvedeno: „Zdá se, že po aplikaci pulzního nabíjení na článek přetrvávají kladné účinky i po tom, co se aplikují opět konvenční nabíjecí režimy. Takže, aby se dalo vyjádřit zlepšení pulzním nabíjením, je nejdřív třeba aplikovat konvenční nabíjení, před použitím pulzního testovacího programu.“ Tuto premisu jsme se pokusili ověřit. Na obrázku č.3 je vidět průběh celého experimentu. Začíná standardním konvenčním cyklováním (100%DOD). Po té bylo aplikováno pulzní nabíjení, poté se přešlo opět na konvenční cyklování. Konvenční cyklování sestávalo z vybíjení konstantním proudem o velikosti 0,4A do konečného napětí 1,6V a nabíjení proudem stejné velikosti s napěťovým omezením na 2,45V. Jeden konvenční cyklus trval 24 hodin. Pulzní nabíjení sestávalo ze stejného vybíjení jako v konvenčním režimu, ale nabíjení bylo dle obr. 2 s konstantním proudem 0,4A. Z obrázku je patrná změna směrnice nárůstu kapacity před a po aplikaci pulzního nabíjení. Aplikací pulzního cyklu došlo ke zvýšení kapacity zasulfatovaného experimentálního článku o 100% a kapacita následně dále rostla i při přechodu na konvenční cyklování. Lze tedy říci, že aplikace pulzního cyklování má na zasulfatované elektrody pozitivní vliv a vede k regeneraci takto postiženého olověného akumulátoru. Poděkování Tato práce byla podporovaná grantem EU project CZ.1.05/2.1.00/01.0014 a specifického vysokoškolského výzkumu VUT č. FEKT–S–11–7. Literatura [1] [2] [3]

62

M. Weighall, B. Nelson: A Guide To VRLA Battery Formation Techniques D.Linden, T. B. Reddy:3. ed. Handbook of batteries, ISBN 0-07-135978-8 M. James, J. Grummett, M. Rowan, J. Newman, Application of pulse charging techniques to submarine lead-acid batteries, Journal of Power Sources 2.4.2005


15

STUDIUM TEPELNÝCH ZMĚN V ČLÁNKU OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU II

P. Křivík Ústav elektrotechnologie, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT v Brně, Technická 10, 616 00 Brno, ČR, e-mail: [email protected] Úvod Příspěvek navazuje na teoretický rozbor problematiky tepelných jevů v olověném akumulátoru během vybíjení a nabíjení, uvedený v předchozím příspěvku [1]. Byla provedena praktická měření teplotních změn v pokusném článku, který byl opatřen teplotními odporovými senzory Pt100, v různých režimech vybíjení a nabíjení. Změny teploty v jednotlivých částech článku odrážejí tepelné změny vznikající vlivem elektrochemických reakcí, ohmických a polarizačních ztrát a ztrát tepla kontaktem s okolním prostředím. Experiment Problematikou tepelných změn v článku olověného akumulátoru se zabývalo několik autorů [1-3], ovšem pouze v teoretické rovině. Proto bylo nutno tyto teoretické výpočty doplnit praktickými měřeními s teplotními čidly umístěnými přímo v pokusném článku olověného akumulátoru. Teplotní čidla Pt100 jsou chráněna epoxidovou pryskyřicí proti účinkům kyseliny sírové. Čidel je celkem šest a jsou umístěna v oblastech elektrolytu poblíž kladné elektrody (1 mm od aktivní hmoty z vnější strany elektrody, od elektrody oddělené AGM separátorem), elektrolytu poblíž záporné elektrody, mezi kladnou a zápornou elektrodou (oddělené od elektrod AGM separátorem), v oblasti kladné aktivní hmoty (zevnitř), záporné aktivní hmoty a mimo vlastní článek (snímání teploty okolí). Pokusný článek s teplotními čidly byl po naformování podroben několika experimentům zkoumajícím teplotní změny během vybíjení, nabíjení i stání. V prvním experimentu byl článek vybíjen proudem 0,4 A do napětí 1,6 V, poté byl nabíjen stejným proudem 0,4 A s napěťovým omezením 2,45 V. V tomto experimentu byl z článku vysát elektrolyt, pouze malé množství elektrolytu zůstalo nasáklé v separátoru a aktivních hmotách elektrod. Výsledné závislosti napětí a teplot v jednotlivých částech článku jsou na obr. 1. Teplotní průběhy jednotlivých částí článku se od sebe příliš neliší, neboť ve vnitřním prostředí článku dochází vlivem velké tepelné vodivosti jednotlivých částí článku (jak elektrod, tak elektrolytu) k rychlému vyrovnávání teplot. V průběhu vybíjení dochází k nárůstu teploty na všech čidlech umístěných v článku vlivem Jouleova tepla. To závisí na vnitřním odporu, velikosti vybíjecího proudu a na délce vybíjení. Jouleovo teplo převažuje nad jevy ochlazování, což je ochlazování od okolního prostředí a vlivem záporného

63

reverzibilního tepla celkové endotermické vybíjecí reakce. V průběhu vybíjení dále roste vnitřní odpor díky vytváření síranu olovnatého v aktivních hmotách a tím pádem roste i Jouleovo teplo, které přispívá k oteplování článku. J [°C]

U [V], I [A] 3

33

32.5 2.5 32 2 31.5

1.5

31

30.5 1 30 0.5 29.5

0

29 0

5

10 U

I

tellyt+

15 tzap

tklad

20 tellyt-

tokoli

25 t[h]

Obr. 1: Závislost napětí a teplot v jednotlivých částech článku při vybíjení a nabíjení článku konstantním proudem I = 0,4 A s napěťovým omezením 2,45 V. Na konci vybíjení a na začátku nabíjení čidlo teploty kladné elektrody vykazuje pokles hodnot naměřených teplot v porovnání s čidly umístěnými v jiných částech článku. To je způsobeno vytvořením vrstvy síranu olovnatého tvořícího se během vybíjení mezi čidlem a kladnou aktivní hmotou tvořenou oxidem olovičitým. Tato vrstva síranu olovnatého tepelně izoluje čidlo, protože síran olovnatý je dobrý elektrický i tepelný izolant. Na začátku nabíjecí periody dochází ke zpětnému rozpouštění síranů v aktivní hmotě a hodnota teploty naměřené čidle v aktivní hmotě kladné elektrody se přibližuje k teplotám naměřeným na ostatních čidlech. Během nabíjení pak klesá teplota na všech čidlech, což souvisí jednak s poklesem vnitřního odporu, jednak s poklesem nabíjecího proudu. Tím klesají ztráty Jouleovým teplem a převažuje ochlazování od okolí, zejména vedením stěnami nádoby a proudovými přívody. Toto ochlazování také převyšuje kladné reverzibilní teplo celkové exotermické nabíjecí reakce, které se snižujícím se proudem také klesá. Navíc polarizační odpor, který se uplatňuje při nabíjení, je omezen maximálním napětím 2,45 V, čímž se omezí i plynování článku. Většina nabíjecího proudu se tak zužitkuje na nabíjecí reakci. Na konci nabíjení byl článek podroben krátkodobému (cca 20 minut) vybíjení a nabíjení proudem 0,4 A a byly sledovány opět změny teplot jednotlivých částí článku. Je vidět, že v případě, že je článek nabitý, tak při nabíjení roste jeho teplota mnohem rychleji než při vybíjení. To souvisí s mnohem větší hodnotou polarizačního odporu článku během nabíjení, který výrazně přispívá k Jouleovým ztrátám oproti vnitřnímu odporu článku, který přispívá k Jouleovým ztrátám při vybíjení. K tomu ještě částečně přispívá podíl tepla reverzibilní elektrochemické reakce uvolněného (při nabíjení) nebo spotřebovaného (při vybíjení). V následném stání se článek ochlazuje od okolního prostředí. Ochlazování probíhá zejména vedením přes stěnu nádoby, dále také přívodními proudovými vodiči, v menší míře prouděním okolního vzduchu a radiací.

64

Nárůst teploty okolí od cca 20. hodiny byl způsoben slunečním zářením, které dopadalo přímo na teplotní čidlo a zkreslovalo tím skutečnou hodnotu teploty okolního vzduchu. Ve druhém experimentu byl článek vybíjen proudem 0,2 A do napětí 1,6 V, poté byl nabíjen stejným proudem 0,2 A bez napěťového omezení. V tomto experimentu byl z článku také vysát elektrolyt a pouze malé množství elektrolytu zůstalo nasáklé v separátoru a aktivních hmotách elektrod. Výsledné závislosti napětí a teplot v jednotlivých částech článku jsou na obr. 2. J [°C]

U [V]

36 2.9 34 2.7

2.5

32

2.3 30 2.1

28 1.9 26 1.7

1.5

24 0

10

20

30

40

50

60

70

80 t[h]

U

tellyt+

tzap

tklad

tokoli

tellyt-

Obr. 2: Závislost napětí a teplot v jednotlivých částech článku při vybíjení a nabíjení článku konstantním proudem I = 0,2 A bez napěťového omezení. Teplotní průběhy při vybíjení a na počátku nabíjení kopírují teplotní průběhy v předchozím experimentu. V další části nabíjení s růstem napětí pak dochází k prudkému nárůstu teploty vlivem nárůstu polarizačního odporu (plynování článku se začíná uplatňovat na úkor nabíjecí reakce). V závěru nabíjení pak vlivem nárůstu teploty okolí (zvýšená okolní teplota snižuje rychlost ochlazování a zrychluje odpar vody v elektrolytu) a nasycení AGM separátoru plyny vznikajícími při elektrolýze vody došlo k nastartování kyslíkového a vodíkového cyklu. To dále prudce zvýšilo teplotu článku. V dalších cyklech už k nastartování kyslíkového a vodíkového cyklu nedošlo vlivem nízké teploty okolí a tím i zvýšené rychlosti ochlazování článku a snížené rychlosti odparu vody v elektrolytu. V následujících vy bíjeních došlo k prudkému poklesu teploty v článku. Tento pokles pokračoval i na začátku nabíjení a souvisí se zvýšenou rychlostí ochlazování vlivem vysokého rozdílu teploty článku a okolí. Toto ochlazování převyšuje oteplování článku ztráty Jouleovým teplem. Na obr. 3 je uvedena závislost napětí, potenciálů a vnitřního odporu článku. Na konci prvního nabíjení v důsledku kyslíkového a vodíkového cyklu se k sobě potenciály obou elektrod přibližují a to zapříčiňuje i pokles celkového napětí článku, jelikož potenciál záporné elektrody roste v důsledku kyslíkového cyklu a potenciál kladné elektrody klesá v důsledku vodíkového cyklu. Z průběhů vnitřního odporu je zřejmé, že při vybíjení dochází k prudkému nárůstu vnitřního odporu, průběh je exponenciální, hodnota vnitřního odporu na konci vybíjení je cca dvojnásobná v porovnání se začátkem vybíjení. To souvisí s vytvářením síranu olovnatého během vybíjení na obou elektrodách. Na počátku nabíjení prudce klesá vnitřní odpor, což souvisí s rozpouštěním síranu olovnatého na obou elektrodách a po překročení

65

plynovacího napětí dochází k mírnému nárůstu vnitřního odporu, který je zřejmě způsoben plyny, které se hromadí v AGM separátoru při elektrolýze vody. U [V], E+ [V], E- [V]

R [W ]

3

1.4

2.5 1.2 2

1.5

1

1 0.8 0.5 0

0.6

-0.5 0.4

-1 -1.5

0.2

0

10

20

30 U

40 E+

50 E-

60 Rv

70

80 t[h]

Obr. 3: Závislost napětí, potenciálů a vnitřního odporu článku při vybíjení a nabíjení článku konstantním proudem I = 0,2 A bez napěťového omezení.

Závěr Teoretické výpočty tepelných změn v článku olověného akumulátoru byly potvrzeny praktickým měřeními na pokusném článku. Optimální se jeví úprava nabíjecího režimu, místo nabíjení konstantním proudem je lépe použít nabíjení s napěťovým omezením blízko plynovacího napětí (2,45 V), což omezí nejen plynování článku, ale i nebezpečný nárůst teploty. Při nabíjení konstantním proudem může za nepříznivých podmínek (zvýšené teploty okolí a dlouhého přebíjení) dojít k nastartování kyslíkového a vodíkového cyklu, což dále zvyšuje teplotu článku a může vést až ke kolapsu článku (thermal runaway).

Poděkování Tato práce byla podporovaná specifickým vysokoškolským výzkumem na VUT v Brně č. FEKT–S–11–7 a EU projektem CZ.1.05/2.1.00/01.0014. Literatura [1]

[2] [3]

66

P. Křivík, Studium tepelných změn v článku olověného akumulátoru, sborník 32. nekonvenční zdroje elektrické energie 2011, s. 87-90, Hrotovice, ISBN: 978-80-0202323-4 D.Berndt, Valve regulated lead-acid batteries, Journal of Power Sources 100 (2001), s. 29-46, ISSN 0378-7753 H. A. Kiehne, Battery Technology Handbook, second edition, 2003, ISBN: 0-82474249-4


16

SYSTÉM PRO MĚŘENÍ, PREDIKCI A ÚSPORY ENERGIE V DOMÁCNOSTECH Jaroslav Šembera, Ivo Veselý, František Zezulka, Ondřej Sajdl Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektroniky a komunikačních technologií, Centrum výzkumu a využití obnovitelných zdrojů energie, Kolejní 4, 61200 Brno [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] Abstrakt Výroba, přenos a úspory elektrické energie jsou v poslední době velmi diskutovaným tématem. Již v současné době je tento obor zasažen rozmachem obnovitelných zdrojů energie a v blízké době lze očekávat mnoho dalších změn. Nejdiskutovanějším tématem jsou rozličné „smart“ technologie, ať už se jedná o lokální „smart home“, nebo o globálnější „smart grid“. S množstvím zapojených obnovitelných zdrojů a nedostatkem úložišť energie budou lidé více motivováni využívat energii v době, kdy je dostupná. V současné době probíhá tato motivace rozdílnými cenami dvou tarifních pásem, takzvaného vysokého a nízkého tarifu ceny elektrické energie, jehož řízení má na starosti systém HDO. Je možné, že dojde k rozdělení do více tarifních pásem a bude docházet k ještě větší motivaci řízení provozu spotřebičů na základě výroby elektrické energie. V takovém případě bude důležité vyvinout systém, který bude odběratelům umožňovat sledovat aktuální stav a řídit svojí spotřebu, ať už manuálně úpravou svých návyků, nebo automatickým řízením spotřebičů. Úvod Systém pro měření, predikci a úsporu energie v domácnosti (dále jen SMPSE) je koncipován tak, aby jeho nasazení vyžadovalo co nejmenší zásahy do stávajících instalací. Ruku v ruce s tím jde i nízká cena zprovoznění systému. Snahou je využít co nejvíce technologií, které jsou již součástí běžného života, a tím minimalizovat rozsah systému. SMPSE je stavěn modulárně tak, aby mohl být průběžně upravován a rozšiřován o další funkcionality. Blokové schéma základního systému lze vidět na obrázku 1. Komunikace jednotlivých bloků je řešena pomocí bezdrátové sítě Wifi. Takovouto sítí je dnes již vybavena většina domácností, u kterých lze s nasazením SMPSE počítat. Inspirací pro toto řešení můžeme označit například využití sítě ethernet v průmyslu. Masově využívané prvky mají nižší náklady na vývoj a výrobu, proto se díky své nízké ceně stávají atraktivní i v jiných oblastech, než pro které byly prvotně určeny. Některé bloky, pro které je to polohově výhodné, mohou být spojeny do jednoho většího bloku vybaveného jediným Wifi rozhraním. Tímto dosáhneme snížení ceny a energetické náročnosti těchto bloků. Jednotlivé bloky jsou vybaveny vlastní pamětí tak, aby mohly být schopny určitý čas pracovat bez přístupu do sítě.

67

O shromažďování a přístup k datům se ale stará server umístěný v síti. Kde je to vhodné, může být tento server pouze softwarem nainstalovaným na PC v síti. Nevýhodou tohoto řešení je, že tento počítač musí být zapínán minimálně v intervalu, který odpovídá periodě zaplnění pamětí jednotlivých bloků. Další nevýhodou je přístup k datům z jiných zařízení pouze v době, kdy je tento počítač v provozu. Výhodnějším řešením je využití datového serveru s využitím nízkopříkonového počítače. Na trhu je mnoho zařízení schopných spravovat databázi vybavených například operačním systémem linux a ethernetovým rozhraním. Data jsou standardně ukládána na SD kartu, nebo flash paměť. Stávající počítačová síť LAN / WiFi

SMW Vodoměr SM1

Elektroměrový rozvaděč (hlavní jistič)

Bytový rozvaděč

SM3

SMG Plynoměr

SM2

Spotřebič

Zásuvkové okruhy

Světelné okruhy

Obr. 1: blokové schéma SMPSE Vzhledem k tomu, že by informace o spotřebě energií mohly být nápomocny pro kriminální činnost či jinak zneužity, je důležité, aby byla data dostatečně zabezpečena. Nemluvě o možnosti ovládání některých spotřebičů. Zde se můžeme opřít o základní zabezpečení v síti Wifi, nebo ho ještě zdokonalit kódováním dat. Nabízí se také možnost povolit přístup pouze v rámci vnitřní sítě, bohužel za cenu komfortu sledování a ovládání spotřeby například z dovolené či zaměstnání. SMPSE je schopen získávat data z internetu. Tato schopnost přidává systému mnoho zajímavých funkcionalit. Například může systém sám aktualizovat ceny energií pro výpočty nákladů, sledovat aktuální tarif pro danou přípojku. Může ale také reagovat na předpovědi počasí pro danou oblast a například v předstihu zasáhnout do regulace topného systému v závislosti na vývoji počasí. Modul SM1 Základní měření spotřeby elektrické energie pro domácnost či objekt obstarává elektroměr. Moderní elektroměry jsou již vybaveny IR rozhraním, impulsním LED výstupem nebo dokonce rozhraním některé z průmyslových sběrnic. Jedním z hlavních požadavků na SMPSE je ovšem co nejsnazší instalace s co nejnižšími náklady. Z tohoto důvodu je tento základní

68

modul navržen tak, aby mohl být zapojen na standardní přípojku za elektroměr. Tato část vedení je již v majetku odběratele, vyhneme se tedy, při dodržení všech předpisů, potřeby zásahu distributora. Obrázek 2 ukazuje blokové zapojení modulu SM1. Na pracovních vodičích jsou zapojeny senzory potřebné pro měření příkonů. Současně je z tohoto přívodu modul napájen. V rámci tohoto modulu je také nejvhodnější umístění datového a WEB serveru, který zajišťuje shromažďování a poskytování naměřených hodnot. SM1

WEB & Data server

Zpracování dat

Úložiště dat

Elektrická přípojka

Senzory

Domácí elektrická síť

Obr. 2: Blokové schéma modulu SM1 Přenos dat z tohoto modulu je, jako v celém systému, prováděn Wifi sítí, ale může být s routerem spojen i kabelem. Ve vhodných případech by mohl být přenos dat provozován i po silovém vedení. Data naměřená modulem SM1 obsahují informace o kompletním odběru elektrické energie ze sítě. Podrobnou analýzou těchto dat lze identifikovat chování jednotlivých spotřebičů, aniž bychom měřili přímo daný spotřebič samostatně. Modul SM2 Vyžadujeme-li měření konkrétního spotřebiče, je vhodné použít modul SM2. Je navržen jako průchozí zásuvkový blok. SM2 Wifi a zpracování dat

Senzor a spínač

Spotřebič

Obr. 3: Blokové schéma modulu SM2 Jeho instalace je tedy nenáročná a nevyžaduje žádné odborné znalosti. Blokové schéma tohoto modulu lze vidět na obrázku 3. Tento modul může také sloužit pro ovládání spotřebiče. Bohužel dnes je mnoho spotřebičů vybaveno digitálním ovládáním a pouhé připojení do sítě nestačí ke spuštění přístroje. Nové moderní přístroje budou již vybavovány rozhraním pro jejich řízení, například podle normy ČSN_EN_50523-1. Můžeme pouze doufat v dohodu mezi všemi výrobci o standartu, který bude využíván pro komunikaci se všemi spotřebiči. Data jsou mezi modulem a sítí opět přenášena Wifi sítí, ale je možné přenos navrhnout i po silovém vedení. Modul musí být vybaven pamětí, která bude schopna uchovat naměřená data

69

použitou dobu tak, aby nedošlo ke ztrátě, například při výpadku síťové komunikace či serveru. Další moduly SMPSE je systém vhodný i pro měření odběrů dalších energií a surovin, jako jsou například dodávky plynu nebo vody. Vodoměry jsou standardně vybaveny optickým odečítacím zařízením, na které lze zapojit reflexní snímač. Impulsy ze senzoru udávají informaci o spotřebovaných jednotkách média. Některá měřící zařízení jsou přímo vybavena impulsním výstupem. Závěr SMPSE je otevřený systém a může být doplněn o další moduly. Rozsah je omezen pouze rozsahem Wifi sítě. Tuto síť také nemůžeme rozhodně považovat za spolehlivou, a proto není systém vhodný k měření čí řízení v časově kritických oblastech. Většina modulů je určena pro měření spotřeby elektrické energie, proto zde nedochází k problému získání napájení pro měření a přenos dat. Některé moduly ale nepracují s měřením elektrické energie, ale například s měřením kapalného media. V takových případech by bylo vhodné využít power harvesting technologie. Například malá turbínka by byla schopna napájet impulsní senzor vodoměru. Poděkování Tato publikace vznikla za podpory grantu Czech Science Foundation under the project 102/09/H081 “SYNERGY - Mobile Sensoric Systems and Network“ a European Regional Development Fund under project No. CZ.1.05/2.1.00/01.0014. Literatura [1]

[2]

[3] [4] [5]

70

Energetický regulační úřad, Roční zpráva o provozu ES ČR 20011, http://www.eru.cz/user_data/files/tiskove%20zpravy/V%C3%BDsledky%20provozu%2 0ES%20%C4%8CR%20za%2011_2011.pdf, Poslední aktualizace 9. 1. 2012 Veselý, I.; Šembera, J. (2011). Kogenerační jednotky v síti Smart grid. In Proceedings of the 5th Annual Conference of Výsledky výzkumu, vývoje a inovací pro obnovitelné zdroje. Kouty nad Desnou ČSN_EN_50523-1 Czech Republic, April, 2011, ISBN97880-85990-18-8, CEMC (Ed.), Praha 10 Národní norma, ČSN EN 50523-1, 2010 http://www.esmig.eu - European Smart Metering Industry Group, Smart Metering for Europe, Accessed on: 2011-07-16 Švéda, M.; Beneš, P.; Vrba, R.; Zezulka, F. (2005). Industrial sensor network, In: Handbook of Sensor Networks. editors: M. Ilyas, I. Mahgoub, pp. 251 - 276, CRC Press, ISBN 0-8493-1968-4, London


17

MONITOROVÁNÍ PROVOZU VÝROBEN OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE

Jaroslav Pospíšil, Petr Pospíšil, Pavel Tureček PROTECTION & Consulting, s.r.o., Olomoucká 7/9, 656 66 Brrno, [email protected]

e-mail:

Abstrakt Obnovitelné zdroje energie / OZE / připojené do DS v posledních letech se liší technickou úrovní jednotlivých komponentů. Zvýšení spolehlivosti jejich výroby lze dosáhnout instalací monitorovacích systémů, které plynule sledují činnost všech jejich částí, například u fotovoltaické výrobny / FVE / - panelů, střídačů, elektrické části na straně vn, nn , tak i vlastní spotřeby. V článku jsou uvedeny i základní vlastnosti monitorovacích systémů pro OZE, jako příklad pak komplexní systém PSC / Protection Solar Control /, který je především vhodný pro FVE. Úvod Během roku 2011 v rámci celé ČR vznikly zásadní poměry pro posouzení vlivu obnovitelných zdrojů / současně FVE a VTE / na provoz naší elektrizační soustavy například dne 10.4.2011 a „ideální“ klimatické podmínky - velmi nízká oblačnost a současně dostatečně příznivé větrné podmínky. Výkonové poměry v naší elektrizační soustavě / ES / právě z tohoto dne, kdy byla navíc neděle a tedy současně minimální odběr, by mohly sloužit po vyhodnocení v dispečincích EONu, ČEZu a ČEPSu za relevantní pro posouzení vlivu obnovitelných zdrojů, především fotovoltaických na provoz ES . Spolehlivost výroby fotovoltaických systémů V [1] je provedeno stručné shrnutí problematiky připojování FVE do sítí nn a vn za poslední 3 roky, kdy na úroveň technického řešení FVE má významný vliv i projekt elektrické části , vlastní realizace / druh panelů a typ střídačů /. Zvýšení provozní spolehlivosti FVE lze docílit instalací monitorovacího systému s možností dálkového řízení, sledováním a měřením všech provozních stavů, funkcí automatiky znovu zapínání jističů na straně nn. Zvýšení spolehlivosti výroby z OZE lze dosáhnout instalací monitorovacího systému, který plynule sleduje činnost všech jejich částí, například u FVE - panelů, střídačů, elektrické části na straně vn, nn , tak i vlastní spotřeby. Jako monitorovací systém OZE, speciálně pro FVE, lze použít například komplexní systém Protection Solar Control / PSC /.

71

Monitorování provozních stavů výrobny OZE, systém PSC [ 2 ] Základní charakteristikou monitorovacích systémů, například systému PSC, je plynulé sledování činnosti fotovoltaické výrobny / FVE /, všech jejich částí – panelů, střídačů, elektrické části na straně vn, nn i vlastní spotřeby. Archivuje do databází v reálném čase provozní stavy FVE a měřené veličiny. Přehledové schéma výrobny OZE – fotovoltaického systému / FVE / s instalovaným výkonem 2 MW – z pohledu monitorování provozních stavů je na obr. 1.

Obr. 1: přehledové schéma fotovoltaického systému 2 MW Vlastní hardwarové řešení systému PSC je pomocí rozvodnice s ozn. MX1 [ 4 ]. Monitoring provozních stavů FVE - elektrické části na vedení vn Indikaci provozního napětí vn v rozváděči vn v přívodním poli lze pomocí činnosti napěťových ochran, případně indikátoru napětí. Jsou možné provozní výpadky : a) b)

porucha na straně distribuční soustavy / DS /, je obvykle krátkodobého charakteru, spojená s funkcí „opětného zapínání“ / OZ / na vedení vn, plánovaná odstávka na straně DS i dlouhodobějšího trvání,

PSC ihned informuje provozovatele pomocí zpráv SMS nebo e-mailu o vzniklém výpadku. Monitoring provozních stavů – vn rozváděč – rozpadové místo U vn rozváděče systém PSC indikuje : stav hlavního vypínače / odpínače ozn. QM / vypnuto nebo zapnuto /, stav vývodového odpojovače QV a uzemňovače QU, s ohledem na selektivní nastavení působení elektrických ochran, které monitorují vedení vn; vedení vn se automaticky vypne v případě následujících poruch – podpětí, nadpětí, podfrekvence, nadfrekvence; v případě poruchy el. ochran systém PSC identifikuje příslušnou ochranu. poruchu usměrňovače / ve stejnosměrném rozváděči RU1 /,

72

podpětí baterie / záložní zdroj 110 V DC / se signalizuje při hodnotě napětí 90 % Un, k vypnutí baterie dochází při 80 % Un, Monitoring provozních stavů – nn rozváděče U nn rozváděčů systém PSC indikuje : stav hlavních jističů v rozváděčích nn; hlavní jističe nn představují rozpadové místo na straně nn a za nimi jsou instalovány podružné rozváděče nn s pojistkami na jednotlivé kabelové vývody do skříní typu RIS, působení elektrických ochran na straně nn / kombinovaná napěťovo-frekvenční s ochrannými funkcemi U<, U>, F<, F> se selektivním nastavením a nadproudové a zkratové spouště hlavního jističe, ruční nebo automatické zapnutí hlavního jističe v jednotlivých rozváděčích nn. Monitoring provozních stavů – řízení činného a jalového výkonu U povelů správce sítě systém PSC indikuje : možnost přechodného omezení výroby činného výkonu v následujících stupních - 0%, 30 %, 60 %, 100 % instalovaného výkonu; řídící systém PSC reaguje na povely správce sítě u výroben FVE se střídači typu SMA pomocí Power reduce boxů / PRB /, kdy dochází k omezení výroby přímo u střídačů. pro FVE se požaduje řízení jalového výkonu z dispečinku v následujících stupních – cos fi = 0,95 ind. cos fi = 0,97 ind, cos fi = 1, cos fi = 0,97 kap. a cos fi = 0,95 kap. ; analogicky jako u činného výkonu systém PSC reaguje na povely správce sítě a pomocí PRB. Pro realizaci nových přístupů, které splňují technické požadavky z oblasti regulace činného výkonu, regulace napětí a jalového výkonu, chodu OZE při různém napětí a frekvenci, dodržení standardů jakosti elektrické energie je zapotřebí instalovat v OZE rozvodnici dispečerského měření AXY, podle literatury [ 3 ]. Monitoring měřených veličin nn – analyzátor sítě Systém PSC měří následující elektrické veličiny - soubor elektrických veličin nn rozváděčů, napětí, proudy v jednotlivých fázích, činný a jalový výkon, účiník, pomocí analyzátorů sítě s vysokou přesností; měření napětí a proudů s přesností ± 0,1 %, výkony, nesymetrii s přesností ± 0,2 %, frekvenci s přesností ± 0,01 Hz. Monitoring elektrické práce / elektroměr / FVE Systém PSC měří skutečně vyrobenou elektrickou energii v kWh / okamžitou, denní, celkovou / dodanou do DS, pomocí čtyřkvadrantového elektroměru. Vlastní elektroměr je umístěn v rozvodnici obchodního měření RP1. Monitoring střídačů FVE Systém PSC měří okamžité hodnoty napětí a proudů jak na straně DC tak AC, velikosti činného výkonu, frekvence, teplotu, velikosti napětí v optimální pracovním bodě MPP, sleduje provozní stavy jednotlivých střídačů SMA , které poskytují Webboxy od SMA.

73

Vedle elektrických veličin měřených na stejnosměrné straně jsou významné elektrické veličiny na střídavé straně , například účiník , výkon Pac / kW / a vyrobená celková elektrická práce / kWh /. Automatika znovu-zapnutí hlavních jističů QF na straně nn Po vypnutí hlavního jističe QF v rozváděči nn se sleduje obnovení napětí na straně nn . V případě jeho obnovení se resetují / vrátí / kontakty napěťovo-frekvenční ochrany do polohy před vypnutím a připraví znovu-zapínací obvod k sepnutí jističů QF. Závěr Zvýšení spolehlivosti výroby z OZE lze dosáhnout instalací monitorovacího systému který : plynule sleduje činnost všech jejich částí, například u fotovoltaické výrobny / FVE / panelů, střídačů, elektrické části na straně vn, nn a vlastní spotřeby, umožňuje dálkového řízení, splňující technické požadavky z oblasti regulace činného výkonu, regulace napětí a jalového výkonu, dodržení standardů jakosti elektrické energie, funkcí automatiky znovu-zapínání jističů na straně nn. Jako monitorovací systém OZE, speciálně pro FVE, lze použít například komplexní systém Protection Solar Control / PSC /. Literatura [1] [2] [3] [4]

74

Pospíšil J., Tureček P., Effenberger T., Málek R. : Provozní zkušenosti fotovoltaických výroben v sítích nn a vn, In. konference ČK CIRED, 2010 Kolektiv pracovníků fy Protection & Consulting, s.r.o. - Monitorovací a diagnostický systém PSC, Brno, 2010 Hotárek M.: Požadavky připojování zdrojů do distribučních sítí E.ON Česká republika, dokument E.ON, 10/2010 MX1 – skříň monitorovacího systému PSC, katalog fy Protection & Consulting, s.r.o., Brno, 2010


19

INTELIGENTNÍ SÍTĚ V RÁMCI STAND-ALONE SYSTÉMŮ S VODÍKOVÝM HOSPODÁŘSTVÍM Michal Morte Katedra elektroenergetiky, FEL ČVUT Praha, Technicka 2, 166 27 Praha, tel: +420 224 353 949, email: [email protected] Abstrakt Článek nastiňuje ve třech stupních filosofii vytváření automatické inteligentní sítě (Smart Grids) v regionálním stand-alone systému. Základem konceptu je logická analýza přirozeného jazyka, která je na základní úrovni určena syntaxí použitého jazyka (hardwarově protokol TCP/IP, matematicky fuzzy množiny a genetické algoritmy), na střední úrovni sémantikou (modelování a reprezentace prvků vodíkového hospodářství), a na nejvyšší úrovni pragmatikou (interakce systému a operátora). Úvod Když se na počátku dvacátého století filosofie začala ohlížet po nových polích působnosti, neboť ty staré jí věda od sedmnáctého století přetvořila ke svému obrazu, význačným předělem se stal tzv. obrat k jazyku charakterizující analytickou filosofii, směr snažící se pomocí formální logiky a argumentace vyjasnit filosofický diskurz. To však vyžaduje přijmout prvotní předpoklad o možnosti logické struktury přirozeného jazyka vyjádřený v sedmi základních větách Wittgensteinova Tractus logicus-philosophicus, které se dají sumarizovat takto (dle [1]): Svět je celek faktů, jenž určuje, co fakticky je a co fakticky není. Fakt je existence stavu věcí (situací). Stav věcí je spojení předmětů (věcí). Věta je obrazem a modelem skutečnosti, je pravdivostním funkcí elementárních vět. Logickým obrazem faktu je myšlenka (smysluplná věta). Dalším důležitým předpokladem obratu k jazyku je Carnapovo vymezení triády pragmatikasémantika-syntax. Zatímco pragmatické zkoumání propozice odkazuje k mluvčímu a jeho postojům, sémantické se věnuje zkoumání jednotlivých výrazů a jejich designátů, a syntax zkoumá vztahy (logické) mezi jednotlivými výrazy. Nechme filosofům jejich zkoumání přirozeného jazyka a podívejme se, jak tento sto let starý koncept logického pozitivizmu může být použit při budování Smart Grids neboli inteligentní sítě regionálního stand-alone systému. Na začátku je potřeba nastínit požadavky, které vytvoření takového systému v ČR přináší. Vzhledem k tomu, že odběrateli nebudou velké průmyslové závody, nemocnice a další životně důležité provozy (ty musí být připojeny na klasickou síť s několika centralizovanými zdroji), ale rozsáhlá skupina domácností, úřadů, a malých podniků, můžeme pro takovou síť stanovit tyto základní body: Vysoká automatizace systému, která od uživatelů nebude vyžadovat speciální znalosti

75

Vysoká bezpečnost, omezující možné úrazy na minimum Schopnost pracovat bez zásahu a relativně bezpečně i v extrémních situacích (přírodní katastrofy, záměrné poškození sítě) Být rychle schopna přeorientovat se z grid-off na grid-on (připojení k distribuční síti) a naopak Být jednoduše řízena operátory z ústředí s minimem výjezdů Předpokládejme, že v portfoliu daného regionálního energetického mixu budou zastoupeny všechny druhy OZE, přičemž jedním z pilířů bude vodíkové hospodářství, což znamená, že síť postavená na principech Smart Grids musí dodávat informace nejen o odběru energie, ale též o stavu palivového článku. Centralizovaná výroba vodíku by pak mohla být realizována v atomové elektrárně s reaktorem IV. generace (high-temeperature reactor). Syntax Telekomunikační sítě Principy Smart Grids nemají, co se týče komunikace zatím dané žádné standardy, ale předpokládá se využití protokolu TCP/IP a technologie Ethernet [2], neboť jsou již díky využití v IT technologiích propracované a spolehlivé a jsou podporovány výrobci po celém světě. Zatímco však informační sítě se přizpůsobují člověku jako koncovému zákazníkovi, v průmyslových sítích komunikují mezi sebou především jednotlivé prvky soustavy a operátor v SCADA (Supervisity Control and Data Acquitance) neboli v dispečerském centru řízení je brán jako jeden z regulačních prvků. Pro celkové stand-alone uspořádání platí klasická topologie obohacená o HAN (Home Area Network), který odpovídá inteligentní budově s OZE technologiemi. Stand-alone komunitu může charakterizovat LAN (Local Area Network), region obsahující více propojených stand-alone systémů a páteřní „grid –on“ síť pro významné průmyslové podniky, nemocnice či vojenské objekty je popsán jako MAN (Metropolitan Area Network), a konečně páteřní celorepubliková síť napájená centralizovanými zdroji tvoří WAN (Wide Area Network). Podrobné modely pak mohou pojmout i PAN (Personal Area Network) neboli určité pracovní místo (například uzel sítě). Jazyk komunikace Ač systém může být založen na predikátové logice prvního řádu, nejvhodnější se jeví využití fuzzy množin [3]. Nechť X je klasická množina a μA: X→<0,1> nechť je zobrazení. Fuzzy množinou pak budeme nazývat uspořádanou dvojici A = (X, μA), kde X je univerzum množiny A, μA je charakteristická funkce množiny A. Interpretace pro daný prvek x μA(x) = 0, pak prvek x do množiny A nepatří μA(x) = 1, pak prvek x do množiny patří μA(x) náleží (0,1), pak nelze s jistotou určit, zda prvek x patří do A, přičemž velikost μA(x) je vyjádřením stupně míry příslušnosti prvku x k množině A Nasazení fuzzy logiky má tyto výhody systém má při běžném provozu více možností, jak vyhodnocovat důležitost požadavků od jednotlivých koncových prvků, takže nedochází ve špičkách k zahlcení, a to se projeví taky v úsporách při dimenzování hardwarové složky systém dokáže rychle rozpoznávat nestandardní chování a předcházet možným krizovým stavům

76

pokud přesto dojde k takovému stavu, systém dává operátorovi více možností jak efektivně zasáhnout Dalším zdokonalením systému může být adaptace procesu učení (genetické algoritmy). Vhodné volné či nastavitelné parametry jsou nastavovány v průběhu řešení problému tak, aby odchylka mezi požadovaným a skutečným výstupem byla minimální, a aby algoritmus transformující v čase vstupy na výstupy měnil transformační funkci tak, aby výstupy odpovídaly požadovanému tvaru. Sémantika Zatímco v lingvistice sémantika analyzuje vztah mezi výrazy a jejich designáty, v naší koncepci se zabývá reprezentací jednotlivých prvků celého systému založeného na vodíkovém hospodářství a jejich vyjádřením v komunikaci inteligentní sítě, tj. jaké veličiny a charakteristiky je potřeba na daném prvku měřit a zasílat do SCADA. Tvůrce sítě musí optimalizovat tok dat tak, aby linky nebyly zahlceny nepotřebnými daty, ale na druhou stranu musí zajistit, aby v případě krizové situace operátorovi nechybělo nic podstatného. Bohužel nástin převedení těchto prvků do matematické reprezentace systému „Smart Grids“ a „Standalone“ jde za možnosti tohoto článku. Vybrané prvky vodíkového hospodářství Palivové články (FC) Předpokládá se širší využití vysokoteplotních SO (Solid Oxide) FC, zatímco nízkoteplotní PEM (Proton Exchange Membráne) FC by měly být opuštěny jako nevýkonné. Vzhledem k malým zkušenostem s vysokoteplotními FC v terciárním sektoru (domácnosti, úřady, služby, manufaktury) je ovšem velmi pravděpodobné, že první vlna obchodního využití FC bude využívat praxí vyzkoušené a v daném sektoru levné PEMFC. Baterie (Akumulace energie) Přes mnohaleté výzkumy, co se týče vysokoteplotních akumulátorů (NaS – Sodík-Síra, NaNiCl – Sodík – Chlorid nikelnatý), jsou olověné akumulátory s kyselým elektrolytem pořád tou nejlevnější a nejspolehlivější variantou. Pro jejich využití se nemusí vytvářet další nová síť servisu a základní manipulaci zvládá i běžný uživatel. To platí i pro další rozšířené typy se zásaditým elektrolytem: Nikl-kadmiové a Nikl-metal-hydridové. Lithium-Ion akumulátory pak budou v budoucnu nahrazeny typy Lithium-Polymer bez jedovatého kobaltu. Velkým akumulačním objemům vyhovují „Flow“ baterie (ZnBr, Vanadium Redox (redukce-oxidace)), které se mohou též využít pro „Peak demand management“, tedy pro zvládnutí nečekaných zátěží systému. Obnovitelné zdroje energie Jejich kombinace ve stand-alone systému se liší dle specifických přírodních podmínek daného regionu a dle velikosti sítě. Výroba vodíku v atomových elektrárnách Vysokoteplotní (parní) elektrolýza (600 – 1000°C ) vyžaduje na vstupu páru a vodík. Z plynu je na anodě oddělen iont kyslíku, který prochází membránou. Z elektrolyzéru vystupuje směs obohacená a vodík je pak z páry oddělen v kondenzační jednotce. Při termochemickém štěpení vody je voda rozdělena na kyslík a vodík pomocí série chemických reakcí (např.

77

siřičito-jódový cyklus), které jsou iniciované teplem nebo v případě hybridních cyklů teplem a elektrickou energií. Pragmatika Mozek člověka si lze představit jako počítač, což využívá jedna větev filosofie mysli – kognitivní věda. Ač nemůžeme její závěry hodnotit přísně vědecky, neboť jde o určitou hru se smysly nikdy ne přesně vymezených pojmů (i když postavenou na přísně logickém systému), lze tyto filosofické myšlenkové experimenty využít při tvorbě myšlenkových modelů pro určité pracovní zaměření. Řešit rychle a přehledně určitou stresovou situaci, která ohrožuje majetky či životy tisíců lidí vyžaduje dlouhý a intenzivní předchozí trénink. Platí však, stejně jako v přípravě jídel, že i sebelepší recept potřebuje dobrého kuchaře, a tak i sebelepší „kuchařská kniha“ pro případ nouze je k ničemu, když operátor není schopen zvládat mentální zátěž, tj. není schopen vyhodnocovat mezi přicházejícími informacemi ty důležité, interpretovat je a rozhodnout dle nich v co nejkratším časovém intervalu. Shrnuto, myšlenkový model se vytváří pomocí [4] Odborné výuky Tréninku Zkušenosti Na operátora v krizové situaci ovšem doléhají též pasivní chyby způsobené nedokonalostí systému, ve kterém se pohybuje – a to jak na technické úrovni (plná automatizace systému, která neumožní operátorovi rychlý zásah), tak na společenské (zákony, vyhlášky, politická a ekonomická rozhodnutí), a pokud se tyto chyby akumulují v krátkém časovém intervalu, může dojít až ke kolapsu celé sítě. Závěr Kvalitní a dobře pracující regionální stand-alone systém není již záležitostí jednoho oboru, ale potkává se v něm silnoproudá elektrotechnika s kybernetikou a matematikou, a pro řešení krizových stavů je mnohdy nutné zapojit poznatky humanitních věd. Firma budoucnosti bude muset pro komplexní řešení problému sestavit kvalitní tým, který dokáže řešit celý komplex problémů vznikajících při obyčejném provozu či krizových stavech. Poděkování Děkuji Ing. Ivanu Petruželovi, CSc. za poskytnutí cenných poznatků obsažených v jeho habilitačních přednáškách. Článek je podpořen studentským grantem SGS12/068/OHK3/1T/13. Literatura [1] [2] [3] [4]

78

VALENTA, Lubomír. Problémy analytické filosofie. Olomouc: Nakladatelství Olomouc, 2003. ISBN 80-7182-150-0. TLUSTÝ, Josef a kol. Návrh a rozvoj elektroenergetických sítí. Praha: ČVUT, 2011. ISBN 978-80-01-04939-6. POKORNÝ, Miroslav. Umělá inteligence v modelování a řízení. Praha: BEN, 1996. ISBN 80-901984-4-9. PETRUŽELA, Ivan. Význam myšlenkových modelů pro řízení elektroenergetických soustav. Praha: ČVUT, 2009. ISBN 978-80-01-04495-7.


20

AKUMULAČNÉ PRVKY V ENERGETICKÝCH SYSTÉMOCH Zdeněk Dostál Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Inštitút Aurela Stodolu v Liptovskom Mikuláši, Ul. kpt. J. Nálepku 1390, 031 01 Liptovský Mikuláš, Slovensko, e-mail: [email protected] Abstrakt Činnosť energetických systémov bez výpadkov, najme systémov pre ostrovné systémy bez možnosti napojenia na rozvodnú sieť (Grid off), sú závislé na zásobníkoch energie. Najskôr je v článku ukázaných niekoľko príkladov zásobníkov biologických, technických alebo spoločenských funkčných celkoch. Pre obnoviteľné systémy energie, určené pre ostrovné systémy bez možnosti pripojenia do rozvodnej siete, sú tiež kľúčovo dôležité zásobníky energie. Analyzovaný bol elektrický akumulátor, ako krátkodobý zásobník energie pre fotovoltaický energetický systém. Akumulátor je z hľadiska prevádzky citlivý na podmienky prevádzky ako je teplota, prípadné otrasy, cyklus prevádzky, druh prevádzky, čo priamo limituje jeho životnosť. V závere sú analyzované možné prístupy k návrhu zostavy akumulátorov pre konkrétnu aplikáciu ostrovného systému s obnoviteľným zdrojom elektrickej energie. V poslednom roku je zabezpečenie energií pre chod ekonomiky a života obyvateľov vo všetkých štátoch, je stále založený na spotrebe prevažne fosílnych palív. Vzhľadom ku politickej nestabilnosti a konfliktom v Afrike a na Strednom východe dochádza stále k rastu cien týchto komodít na svetovom trhu. Tento rast sa okamžite premieta do vývoja cien vo všetkých štátoch sveta. Súčasne spoločnosť na celom svete postihli dôsledky katastrofy jadrovej elektrárne v dôsledku zemetrasení a vlny tsunami v Japonsku. Pokračujúce používanie fosílnych zdrojov energie spôsobuje ďalšie zmeny životného prostredia v miere, v ktorej sú používané. Alternatívou takýmto zdrojom sú obnoviteľné zdroje energie (OZE). Za obnoviteľné zdroje energie sú označené také zdroje energie, ktoré nie sú založené na fosílnej podstate. Sú založené na využití takých zdrojov energie, ktoré sú dostupné a priamo alebo nepriamo závislé na slnečnom žiarení [13, 14, 15, 20]. Ide o priame využívanie slnečného žiarenia pomocou solárnych článkov, koncentračných článkov, solárnych kolektorov, ako aj nepriame využívanie slnečného žiarenia cez biomasu, geotermálne zdroje, vodné zdroje, tepelné čerpadlá, veterné elektrárne, využitie morskej energie ap. [1, 8, 9, 11, 12, 13, 14, 19, 21, 22]. Okrem zariadení získavania požadovaných foriem energií musia byť používané zariadenia na úpravu, transformáciu a krátkodobé a dlhodobé ukladanie energie [2, 3, 4, 6, 7].

79

Definícia zásobníkov Termínom zásobník môžeme označiť prvok alebo zariadenie, ktoré umožňuje uložiť určité množstvo hmoty alebo energie. Forma hmoty alebo energie je špecifická podľa toho, o akom procese uvažujeme. Funkciu zásobníka môže byť celkom nenápadná, na prvý pohľad nepovšimnutá. Preto sa môže javiť, že zásobník nie je prítomný. Pri tom je málo procesov, ktoré nemajú zásobník energie. Príkladom bezzásobníkového procesu môže byť napríklad proces výroby svetla na žiarovke, tlejivke, LED dióde a pod. Tento bezzásobníkový proces prebieha tak, že vstupuje elektrická energia na tento elektrotechnický prvok, ktorý bude vyrábať svetlo a teplo. Výroba tepla a svetla bude prebiehať len po dobu dodávky elektrickej energie. Prechodové javy neuvažujeme, pretože oneskorenie nábehu tohto procesu je vykompenzované dosvitom. Musí platiť zákon zachovania energie. [3, 4, 5, 10]. Rovnako aj pre všetky systémy, ktoré obsahujú zásobník, musí platiť zákon zachovania energie. Všetky zásobníky v týchto systémoch ukladajú hmotu alebo energiu, ktorá je dodávaná predchádzajúcim prvkom systému. Uloženú hmotu alebo energiu odovzdávajú nasledujúcemu prvku systému, ktorý je definovaným spôsobom využíva. Zásobníky v rôznorodých systémoch Je potrebné si uvedomiť, že takmer všetky systémy v prírode obsahujú zásobníky. Príkladom z biológie môže byť hociktorý živočích. Všimnime si medveďa. Celé leto sa kŕmi a vytvára si tukové zásoby na zimu. Toto obdobie môžeme definovať ako veľká výroba energie formou prijímanej potravy. Časť energie medveď spotrebuje na pohyb, ale zvyšok energie uloží do tukovej zásoby na tele, čo je ten zásobník. V zimnom období síce spí, ale po toto obdobie uloženú energiu v tuku spotrebováva na funkciu orgánov počas spánku. Evidentne musí byť príjem energie taký, aby vytvoril dostatočné zásoby na dobu zimného spánku. Zásobník tak vyrovnáva tok prijímanej energie počas leta a vydávanej energie na spotrebu počas zimy. V prípade nedostatku energie, uloženej v tukových zásobách, hrozí medveďovi koniec života, to je smrť. Iný príklad môže byť automobil. Na čerpacej stanici behom niekoľkých minút naplní svoju nádrž palivom, čiže nadobudne množstvo energie. Potom pri jazde pomaly spaľuje palivo, spotrebováva energiu. Ak je odstavené na parkovisku, spotreba energie je prerušená. Palivová nádrž vyrovnáva tok príjmu a tok odberu energie formou načerpania a spaľovania paliva. Ak je energia v nádrži vyčerpaná, došlo palivo, auto sa zákonite zastaví. Výrobný podnik realizuje proces výroby, ktorý umožní vyrábať tovar alebo energiu v definovaných cykloch. Spotreba alebo odber tohto tovaru či energie je ale určený iným cyklom, inými pravidlami. Potom vyrobená produkcia je odložená do skladu. Z tohto skladu je odvážaný tovar či energia do skladu predajne. Každá predajňa má vždy sklady. Výrobca dodá množstvo svojich výrobkov, čo je príjem materiálu a predavači ponúkajú zákazníkom tento tovar. Tovar sa môže rýchlo alebo pomaly míňať, po čas noci je obchod zavretý, predaj neprebieha. V tomto prípade opäť obidva sklady plnia funkciu vyrovnania toku výroby a spotreby tovaru či energie. Rodinné hospodárstvo funguje tak, že zo zarobených peňazí si rodinní príslušníci vytvárajú zásobu, uloženú na osobnom účte, za ktorú po čase nakúpia potrebný tovar alebo službu. Tovarom môže byť automobil, postavený dom, vykonané zemné práce a podobne. V tomto

80

prípade osobný účet je tým zásobníkom, ktorý umožní zladiť tok vstupujúcich a vystupujúcich finančných prostriedkov. Je potrebné poukázať aj na iné formy toku financií v takomto prípade. Ak do uvedeného procesu vstúpi faktor pôžičky, je možné uskutočniť nákup tovary skôr, ako je našetrené dostatočné množstvo finančných prostriedkov. Šetrenie finančných prostriedkov pokračuje do doby splatenia požičanej čiastky finančných prostriedkov. Avšak každá finančná pôžička je požičaná za niekoľkopercentný úrok. To znamená, že rodina musí našetriť a splatiť aj úroky za pôžičku. Takto má pôžička niekoľko aspektov, nevýhodných pre rodinu. Ako prvé znamená pôžička predraženie nákupu tovaru. Ak rýchly nákup neprinesie zreteľné zvýšenie príjmu finančných prostriedkov, jednoznačne sa neoplatí. Súčasne je tu aj nemalé riziko, že ak nebude pôžička splatená a j s úrokmi, rodina sa dostane do existenčných problémov. Tlak na rodinu v zmysle zobrať si pôžičku je v súčasnosti stupňované reklamami rôzneho druhu. Podstata reklám je v neúplných informáciách a klamstve o výhodnosti takýchto pôžičiek. Výroba potravín v svojej prirodzenej a ekologickej forme je už od ranných čias ľudstva. Ak sú vypestované rastlinné potraviny, začne okamžite ich uskladnenie, prípadne konzervácia. Sú tak vytvorené zásobníky obilia, kukurice, zemiakov, ovocia, zeleniny. Po krátkom čase sú vypestované produkty konzervované ako konzervy, zaváraniny, sirupy. Chované živočíšne potraviny sú spracovávané v inom cyklu. Priebežne sú porážané a mäso dodávané do obchodov, časť produkcie je konzervovaná mrazením alebo výrobou konzerv a údenín. Zásobníkom týchto produktov sú obilné silá, sklady konzervovaných potravín, chov zvierat za účelom zabezpečenia potravín. Existencia týchto zásobníkov umožňuje potraviny priebežne na celý rok pre obyvateľov. Nebudeme rozoberať výhody a nevýhody tohto systému, má tento ale jednu slabinu. Je veľmi neužiteľný zásahom politikov a podnikateľov, ktorí za účelom osobného zisku sú ochotní vyrabovať celospoločenské zásobníky. Z oblasti potravín je možné si predstaviť iný príklad, kde mraznička bude v pozícii zásobníka potravín. Raz do roka, počas sezóny, je možné do mrazničky ukladať zeleninu a ovocie. Mraznička je tak plnená jednorázovo, raz do roka, v čas sezóny zberu ovocia alebo zeleniny. Po zvyšnú časť roka je ovocie a zelenina postupne po častiach odoberaná a spotrebovávaná. Postupnosť odoberania je daná požiadavkami užívateľa, to znamená že je celkom nepravidelná a náhodná. Ak bude do mrazničky doplnené malé množstvo ovocia a zeleniny, nepostačí na celý zvyšok roka do nasledujúcej sezóny zberu novej úrody. Ak bude odber postupovať intenzívne, tiež obsah nevystačí na celý zvyšok roku. Ak bude doplnené viac úrody, ako sa počas roka odoberie, pri nasledujúcej úrode bude v mrazničke ešte zvyšok predchádzajúcej úrody. Takýto prístup má výhodu v tom, že prípadná nasledovná úroda môže byť slabšia a potom zvyšok z minulého roka pomôže vykryť bežnú spotrebu na ďalší rok. Voľba veľkosti mrazničky je teda veľmi komplikovaná úloha, závislá na charakteru plnenia a tiež na charakteru odberu. Každý fyzikálny, biologický alebo spoločenský systém si vytvára zásobníky na zabezpečenie svojej činnosti v čase zníženého prísunu materiálu alebo energie, alebo na realizáciu krátkodobých a intenzívnych výdajov materiálu alebo energie. Ak takýto systém používa určitý proces, napríklad spaľovanie paliva, tento proces funguje len pri dostatku paliva, v opačnom prípade je jeho funkcia ukončená. Na zabezpečenie tohto procesu pri je potrebné vytvoriť zásobník, ktorý eliminuje výpadky v dodávkach materiálu (paliva) [5, 16, 17, 18].

81

Zásobníky v energetických systémoch Rovnako ako systémy, používajúce rôzne materiály, fungujú aj energetické systémy. Vodná elektráreň potrebuje na svoju činnosť dostatok vody. Preto je pri výstavbe elektrárne stavaný aj zásobník vody, zvyčajne v podobe vodného diela, to je priehrady. Priehrada zadrží množstvo vody, ktoré môže vodná elektráreň využívať. Voda do vodného diela priteká riekami a potokmi. Prítok je limitovaný ročným obdobím a tiež aktuálnou meteorologickou situáciou. Odber vody je daný dobou činnosti energetických blokov hydroelektrárne. Vodné dialo tak umožňuje vyrovnávať pomer medzi časovým priebehom prítokov vody a časovým priebehom odberu vody pri činnosti energetických blokov hydroelektrárne. Vodohospodári musia zabezpečiť efektívne plnenie vodného diela vodou tak, že budú minimalizovať bránenie prítokov vody. Súčasne ale, ak je veľký prítok vody, pri nadmerných meteorologických zrážkach, potom môže preplnené vodné dielo púšťať vodu prepadom bez úžitku. Prečerpávacia vodná elektráreň je typ vodnej elektrárne, vybudovanej na vykrývanie špičkovej spotreby v rozvodnej energetickej sieti. Elektráreň si vytvára zásobník energie v množstve vody v hornej nádrži. Vodu tu načerpajú turbíny bloku vodnej elektrárne v čase prebytku elektrickej energii v rozvodnej energetickej sieti, čo je spravidla v nočných hodinách. Energiu z vody v hornej nádrži využívajú na pohon turbín bloku vodnej elektrárne v čase špičkového odberu elektrickej energii v rozvodnej energetickej sieti, čo je spravidla v doobedňajších hodinách a čiastočne v poobedňajších denných hodinách. V prípade vyprázdnenia hornej nádrže je vyprázdnený zásobník, elektráreň prestane fungovať, zastaví sa. Vodná elektráreň na morský príliv majú výhodu v tom, že vody majú vždy dostatok. Periodicky sa mení príliv a odliv, to definuje cyklus činnosti elektrárne. More je dostatočný zásobník vody a vplyv mesiaca bude na najbližšie storočia takmer bez zmeny. Vodná elektráreň na silu vĺn sú závislé na meteorologickej situácii. Ak je silný vietor a sú veľké vlny, potom je výroba efektívna. Elektráreň musí odolať prípadným tajfúnom. V prípade kľudného počasia je elektráreň mimo prevádzku. Zásobník energie je v meteorologických procesoch, ktoré spôsobujú vlny na mori. Avšak v tomto prípade nie je v ľudských silách pôsobenie tohto zásobníka nasmerovať v prospech elektrárne. Preto lokalizácia takéhoto typu elektrárne je výhodná len v oblastiach so stabilnou veternou situáciou. Tepelná elektráreň zakladá svoju činnosť na spaľovaní uhlia, ropy, zemného plynu, čím sa získa teplo na ohrev vody, výrobu pary a pohon parnej turbíny. Vzhľadom k efektívnosti činnosti tepelnej elektrárne je potrebné, aby chod elektrárne bol nepretržitý. Zásobníkom energie je sklad uhlia, nádrže s ropou či zemným plynom. V prípade výpadku dodávky palív v dôsledku rôznych komplikácií musí zásobník tento výpadok vykryť. Ak sa zásobník vyprázdni, je činnosť elektrárne ukončená, bloky elektrárne sa zastavia. Existujú na svete projekty koncentračných tepelných elektrární, kedy je koncentrované slnečné žiarenie využívané na ohrev vody, výrobu pary na pohon parnej turbíny a elektrického generátora. Tento systém vyžaduje natáčanie systému na slnko. Lokalizácia systému si výhradne vyžaduje vybrať vhodné a najmä stabilné meteorologické podmienky. Príkladom sú lokalizácie v Nevadskej púšti v Severnej Amerike.

82

Tieto systémy nemusia vyrábať len elektrickú energiu, ale sú schopné vyrábať vysokopotenciálne teplo, ktoré je schopné taviť materiály. Systémy nemajú zásobníky energie, čiže v prípade nevhodných meteorologických podmienok sú odstavené z činnosti. Jadrová elektráreň je v podstate tepelná elektráreň, kde zdrojom tepla je štepný proces jadrového paliva. Zásobníkom energie je dostatok pripravených palivových tyčí v sklade na nasadenie do reaktora. Prázdny sklad znamená ukončení činnosti elektrárne po vyhorení paliva v nasadených palivových tyčiach. Efektívna činnosť elektrárne je tiež v prípade nepretržitej prevádzky blokov jadrovej elektrárne. Zásobníky v OZE V poslednom období vznikli elektrárne na biomasu. Ide v podstate o tepelnú elektráreň, ktorá získava potrebné teplo zo spaľovanej biomasy, čo je bioplyn, drevná štiepka, sušina biologického pôvodu a podobne. Zásobníkom energie je zasa skládka alebo zásobníky biopaliva. Elektráreň je tiež efektívna v nepretržitej prevádzke [8, 12, 21]. Aj keď veterné mlyny sú zariadenia známe už viacero rokov, veterná elektráreň vznikla až v posledných desaťročiach. Vznik veternej elektrárne je spojený s dostupnosťou vhodných technológií. Činnosť veternej elektrárne je závislá na veterných podmienkach. Zásobník energie je taktiež v meteorologických podmienkach, ktoré sú neovládateľné človekom. Z tohto dôvodu je lokalizácia veterných elektrární závislá na vhodných veterných podmienkach. Najvýhodnejšie sú stabilné podmienky, ktoré sú zvyčajne na morskom pobreží, kde sa vyskytujú pravidelné vetry, ako je napríklad mistrál [11, 22]. Fotovoltaické elektrárne sú závislé na meteorologických podmienkach, najmä na priamom slnečnom žiarení. Viac či menej vhodné podmienky sú na povrchu celej zemegule. Sústava fotovoltaických panelov vyrába elektrickú energiu, ktorú veľké elektrárne po úprave dodávajú do rozvodnej energetickej siete. Nakoľko tieto elektrárne sú bez zásobníkov elektrickej energie, výkyvy medzi výrobou a odberom tejto energie nie sú žiadnym spôsobom vykrývané [1, 5, 9, 13, 16, 17, 21]. Niektoré varianty týchto fotovoltaických elektrární sú konštruované ako otočné, čím sa zvýši efektívnosť výroby elektrickej energie a vyrobí sa jej aj viacej. Otočný systém vyžaduje zložitejšiu mechanickú konštrukciu, ktorá zvyšuje počiatočné náklady na výstavbu. Ďalší variant technológií fotovoltaických elektrární sú konštruované ako koncentračné systémy. Sú to otočné systémy so zvýšenými nárokmi na presnosť natočenia na slnko. Tento otočný systém je ešte náročnejší ako u otočných fotovoltaických elektrární. Základným spôsobom získavania tepelnej energie je solárny kvapalinový alebo vzduchový systém. Tento funguje na princípe premeny slnečného žiarenia na teplo. Slnečné žiarenie, najmä v infračervenom pásme, dopadá na solárny kolektor, ktorý sa ohrieva a získané teplo je pomocou kvapaliny alebo vzduchu prenášané na priamu spotrebu alebo do tepelného akumulačného výmenníku. Nevýhodou tohto systému je potreba globálneho slnečného žiarenia, najmä priameho. Počas noci systém teplo nezískava. Ďalšou nevýhodou je závislosť na ročnom období a s tým spojenými sprievodnými afektami, ako je vplyvy snehovej pokrývky, námrazy ap. Zásobníkom energie je tepelný akumulačný výmenník v primárnom okruhu solárnej sústavy. Ak je systém aplikovaný pre veľké prevádzky, musí byť akumulačný výmenník riešený špecifickým spôsobom, alebo zložený z viacerých tepelný akumulačný výmenníkov. Pre

83

menšie aplikácie, napríklad pre ostrovné systémy, je možné použiť jediný tepelný akumulačný výmenník, vyrábaný v potrebnej veľkosti. Špecifický spôsob získavania tepelnej energie je geotermálny systém. Principiálne je geotermálny systém podobný solárnemu systému. Získava nízkopotenciálne, ale aj vysokopotenciálne teplo podobne ako solárny systém, lenže zdroj tepla nie je globálne slnečné žiarenie, ale teplo v hlbinách zemskej kôry. Výhodou tohto systému je nezávislosť na slnečnom žiarení, pracuje cez deň aj v noci a celoročne. Zásobníkom tepelnej energie sú tiež akumulačný výmenník riešený špecifickým spôsobom, alebo zložený z viacerých tepelný akumulačný výmenníkov, podľa veľkosti geotermálneho systému. Ostrovné systémy s OZE Pre ostrovnú prevádzku sú zdroje elektrickej energie na báze fotovoltaických článkov konštruované s elektrickým akumulátorom vo funkcii elektrochemického zásobníku. Fotovoltaické články vyrábajú elektrickú energiu po čas priaznivých slnečných podmienok, čo je cez deň a podľa meteorologickej situácie. Vyrobená energia sa alebo priamo spotrebováva na prevádzku elektrických spotrebičov, alebo je uložená a na spotreby v dobe, kedy nie je možné energiu vyrábať na fotovoltaických článkoch [5]. U ostrovných systémov je už dnes možné využívať malé veterné generátory, ktoré namiesto fotovoltických článkov vyrábajú elektrickú energiu na okamžitú spotrebu a do elektrochemických akumulátorov. Veterný systém je tiež priamo závislý na meteorologickej situácii, čiže ak nefúka vietor, nevyrába sa elektrická energia. Avšak výroba elektrickej energie nemusí skončiť so západom slnka, môže pokračovať aj počas veternej noci. [5, 11, 22]. Pre ostrovné systémy môžu byť využité aj systémy spaľovania biomasy. Pri upresnení ide o výrobu nízkopotenciálneho tepla spaľovaním drevnej štiepky, drevných peliet. Vyrábané teplo síce nepostačuje na pohon parného generátora, avšak sa dá využiť v jeho nízkopotenciálnej rovine na vykurovanie domov. Zásobníkom energie je uskladnené množstvo paliva. Výhodou tohto systému je, že príprava paliva cez rok môže byť pomerne málo energeticky náročná, nakoľko pripravené drevo môže schnúť celom samostatne, avšak potrebná doba je minimálne jeden rok. Ďalšou výhodou je, že tento spôsob výroby tepla je možné využiť v čase jeho nedostatku, to je zimnom období. Nie celkom typickým ekologickým zdrojom energie je tepelné čerpadlo. Tento systém získava nízkopotenciálne teplo z okolitého prostredia tak, že prostredie ochladzuje a získané teplo sústredí do výmenníka pre ďalšie použitie. Na svoju činnosť ale potrebuje elektrickú energiu. Pomer medzi získanou tepelnou energiou a spotrebovanou elektrickou energiou je orientačne 3:1. Tepelná energia je dostupnejšia v letných mesiacoch, v zimných je efektívnosť tepelného čerpadla nižšia. Zásobníkom energie je tepelný akumulačný výmenník na výstupe tepelného čerpadla. Niekedy je vhodné zaradiť do systému prípravy elektrickej energie aj iný ako elektrochemický zásobník – akumulátorová batéria, čiže zásobník stlačeného vzduchu. Princíp využitia tohto zásobníku energie je v tom, že kompresor tlačí vzduch do zásobníku v čase dostatočnej výroby elektrickej energie. Stlačený vzduch je možné používať súbežne s činnosťou kompresora, ale umožňuje využiť stlačený vzduch aj v zvyšnom čase, podľa

84

potreby. Ak je tento zásobník zvolený dostatočne veľký, užívateľ bude mať k dispozícii stlačený vzduch až do ďalšieho doplňovania vzduchu, prípadne s istou rezervou. Značne je diskutovaný najvyššie ekologický spôsob ukladania energie do vodíkového hospodárstva. Ak získavame elektrickú energiu z fotovoltického systému, môžeme pomocou elektrolyzéra získavať z vody oddelené zložky vodík a kyslík. Ak tieto vyrobené plyny uložíme do vysokotlakových fliaš, prípadne iným spôsobom, môžeme ich uložiť do skladu. Spätné získavanie elektrickej energie je veľmi jednoduché. V palivovom článku prebehne spätná reakcia vodíku a kyslíku ako bola v elektrolyzéri. Získanú elektrickú energiu môžeme využiť v stacionárnych zariadeniach, ale aj v mobilných [4, 6]. Musíme vyzdvihnúť čisto ekologický cyklus tohto riešenia zásobovania energie. Čistá voda sa s pomocou elektrickej energie rozloží na vodík a kyslík, čo sú ekologické materiály. Pri spätnej reakcii kyslíku a vodíku dostaneme opäť čistú vodu. A cyklus sa môže opakovať. Je potrebné konštatovať, že prípadná porucha na zariadení môže mať katastrofické dôsledky, nakoľko vodík s kyslíkom môže vytvoriť výbušnú zmes. Toto je ale výzva do budúcnosti pre konštruktérov. Elektrochemický akumulátor ako zásobník elektrickej energie Pri výrobe elektrickej energie pomocou fotovoltaických článkov je najvýhodnejšie uchovávať časť elektrickej energie vo vyrovnávacích elektrochemických zásobníkoch, čo predstavujú akumulátorové batérie. Akumulátorové batérie sú značne komplikované elektrochemické zariadenie, u ktorého užívateľa nebudú zaujímať všetky vysoko odborné problematiky. Užívateľa budú zaujímať len parametre, ktoré hovoria koľko elektrickej energie a akým spôsobom je možné v nich uložiť a akým spôsobom sa energia zasa dá odobrať a využiť. V praxi sa najčastejšie používajú akumulátory olovené. Štartovacie akumulátory sú vyvinuté pre použitie k benzínovým alebo naftovým motorom ako zásobník elektrické energie na štartovanie a zabezpečenie elektrickej výbavy riadenia prevádzky motora. Pre potreby systémov OZE sú vyvíjané iné typy akumulátorov. Tieto sú určené priamo pre použitie v systémoch OZE, avšak je možné použiť aj trakčné, staničné akumulátory, v krajnom prípade aj štartovacie. Okrem olovených je možné použiť aj iný typ akumulátorov, čiže alkalické, gélové, VRLA a ďalšie. Najmä alkalické akumulátory majú čiastočne iné prevádzkové vlastnosti, je potrebné sa s nimi v prípade použitia oboznámiť [2, 3, 7]. Niektoré charakteristiky elektrochemických olovených akumulátorov Najčastejšie sa využíva základná zostava 12V olovenej akumulátorovej batérie v zostave 6 článkov. Každý článok sa vyznačuje pri hlbokom vybití napätím 1,8V a plnom nabití 2,8V. Celá akumulátorová batéria sa vyznačuje pri hlbokom vybití napätím 10,8V a plnom nabití 16,8V [3, 2, 7]. Pre reálnu prevádzku akumulátorov je hodnota plného nabitia 15 až 16,5V. Nakoľko batéria plynuje, je potrebné batériu neprebíjať, hrozí jej poškodenie. Stav úplného vybitia signalizuje aj hustota elektrolytu 1,12g/cm3 a plného nabitia je hustota elektrolytu 1,28g/cm3.

85

V niektorých aplikáciách sa môžu používať 6V akumulátorové batérie, zložené z 3 článkov. Táto batéria sa vyznačuje pri hlbokom vybití napätím 5,4V a plnom nabití 8,4V. Jej vlastnosti sú analogické 12V batérii [2, 7]. Vplyv teploty na kapacitu oloveného akumulátora Ak budú používané akumulátory v mobilných zariadeniach, je možné, že budú vystavené vplyvu zmien teploty. Potom bude kapacita klesať s klesajúcou teplotou podľa závislosti na obrázku 1 [2, 7].

Závislosť kapacity akumulátora na teplote 30

Teplota /°C/

20 10 0 20

30

40

50

60

70

80

90

100

-10 -20 -30

Kapacita /% / Obr. 1: Závislosť kapacity akumulátora na teplote

S klesajúcou teplotou hrozí aj zamrznutie akumulátora. Nabitá batéria s hustotou elektrolytu 1,28g/cm3 znesie teploty až –50°C, hlboko vybitá batéria s hustotou elektrolytu 1,12g/cm3 mrzne už pri –10°C. Avšak v prípade, že akumulátory budú použité v stacionárnom zariadení, dá sa predpokladať, Nabíjanie olovených akumulátorov Výrobca každého typu akumulátora udáva aj optimálne spôsoby ich nabíjania. Napríklad firma Varta odporúča nabíjanie olovených akumulátorov prúdom I2 = 0,12.C až do plynovanie, čo je pre 12V akumulátor napätie asi 14,4V. Potom pokračovať prúdom I1 = 0,06.C do plného nabitia, čiže po napätie 16,8V. Nabíjať je možné aj iným prúdom I3 = 0,1.C alebo menším až do plného nabitia, to je po napätie 16,8V. Kapacita C je hodnota, udávaná výrobcom na štítku typu batérie v ampérhodinách (Ah) [2, 7].

86

Platí, že nabíjanie nižším prúdom je pre akumulátor šetrnejšia, menej skracuje jeho životnosť, avšak potrebuje dlhšiu dobu na nabitie. V tabuľke 1 je uvedený príklad nabíjacích prúdov vybraných typov olovených akumulátorov. Tab. 1: Príklad nabíjacích prúdov vybraných typov olovených akumulátorov Kapacita Nabíjacie prúdy oloveného akumulátora I1 = 0,06.C I2 = 0,12.C I3 = 0,1.C C [Ah] [A] [A] [A] 40 2,4 4,8 4 45 2,7 5,4 4,5 55 3,3 6,6 5,5 100 6 12 10 120 7,2 14,4 12 230 13,8 17,6 23

Doba na plné nabitie pre prúd I3 T [hod] 10 - 12,5 10 - 12,5 10 - 12,5 10 - 12,5 10 - 12,5 10 - 12,5

Udržiavací prúd IU = (0,0002-0,001).C [mA] 8 – 40 9 – 45 11 – 55 20 – 100 24 – 120 46 – 230

Profesionálne nabíjačky by mali tieto odporúčané parametre nabíjania spĺňať. Preto sú vyrábané nabíjačky s charakteristikou U, to je s konštantným nabíjacím napätím a s charakteristikou I, to je s konštantným nabíjacím prúdom. Amatérske nabíjačky je potrebné skonštruovať na menší prúd, ako je stanovený. Je potrebné priebežne kontrolovať napätie na svorkách akumulátora, aby nedošlo k prebíjaniu, avšak nabíjanie trvá dlhšie. Problematické sú regulátory, použité v automobiloch, prípadne v zostavách OZE. Tieto profesionálne vyrábané zariadenia však v reáli nie celkom dosť presne dodržiavajú nastavené limity, preto môžu akumulátory byť nabíjané nie vždy do stavu plného nabitia. V prípade končiacej životnosti akumulátora niektorý výrobca odporúča nabíjať akumulátor nesymetrickým striedavým prúdom s pomerom vybíjania a nabíjania 1:5 alebo 1:10. Vybíjací prúd má depolarizačné účinky na elektródach, čo zvyšuje účinnosť nabíjania. Takýmto spôsobom je možné niekedy „oživiť“ akumulátor, ktorý nemá vyčerpanú aktívny hmotu elektród [2, 7]. Životnosť olovených akumulátorov Pre užívateľa olovených akumulátorov je veľmi dôležitým parametrom ich životnosť. Je potrebné si uvedomiť, akým spôsobom budú tieto akumulátory prevádzkované [2, 7]. Akumulátor v prevádzke trakčnej, to je na pohon elektrických vozíkov, ide o cyklické striedanie stavu plného nabitia a plného vybitia. Akumulátor vo vozíku bude plne nabitý a vozík bude behať, pokiaľ nebude akumulátor hlboko vybitý. Potom bude opäť nabíjaný. V takomto režime akumulátor udáva počet nabíjacích cyklov, ktoré by mal akumulátor vydržať, pokiaľ bude prevádzkovaný normálnym spôsobom, čiže pokiaľ nebude mechanicky poškodený alebo vystavovaný nízkym alebo vysokým teplotám. Ak bude aj zvyšná požadovaná starostlivosť dodržaná, čiže pravidelné dolievanie destilovanej vody, čistota ap., akumulátor môže vydržať aj viac nabíjacích cyklov. Toto je ale individuálne, nakoľko to závisí aj od kvality výroby každého kusu akumulátora. Akumulátor v trakčnej prevádzke môže byť dobíjaný tiež častejšie, skôr ako dosiahne hlbokého vybitia. Čiže vozíky sú ráno plne nabité a po celodennej prevádzke, rôzne vybité, sú

87

cez noc opäť dobité do plne nabitého času. Tento cyklus bude mať iný priaznivý vplyv na životnosť akumulátora, nakoľko väčšinou predchádza stavu hlbokého vybitia. Podľa stupňa vybíjania a teploty je možné prevádzku akumulátorov deliť na: ľahká - s vybíjaním do 60% a teplotou do +30°C, normálna - s vybíjaním do 80% a teplotou okolo +30°C, ťažká - s vybíjaním do 80% a teplotou nad +30°C. Akumulátor v staničnej prevádzke alebo v aplikácii v systémoch OZE. Táto aplikácia sa vyznačuje iným režimom nabíjania a vybíjania. Zvyčajne je nabíjanie realizované pravidelne, prípadne nepretržite. Nabíjací prúd je limitovaný alebo nabíjačkou alebo fotovoltickými článkami, ktoré ale nemusia tento prúd dodávať konštantný. Sústava by ale mala byť navrhnutá tak, aby špičkový prúd nepresiahol stanovený nabíjací prúd akumulátora. Ak je akumulátor plne nabitý, môže byť nepretržite dobíjaný udržiavacím prúdom. Udržiavací prúd v plne nabitom stave akumulátora má za úlohu len kompenzovať samovybíjanie akumulátora. Hodnota udržiavacieho prúdu je výrobcom stanovená IU = (0,0002 ÷ 0,001).C, pri čom C je hodnota kapacity akumulátora, tabuľka 1. Vybíjanie ale je celkom nepravidelné, závisí od prípadných výpadkov dodávky elektrickej energie z rozvodnej siete a časového intervalu tohto výpadku. V takom prípade môže dôjsť k vybíjaniu len a na niekoľko percent, ale pri dlhšom výpadku môže ísť o vybitia až k hlbokému vybitiu, čiže aj na 100%. Potom tento akumulátorový systém môže tiež vypadnúť. Výrobca udáva životnosť prevádzky trakčného oloveného akumulátora v cyklickom režime pomocou počtu cyklov, viď. tabuľka 2. Životnosť batérií je uvedená za predpokladu vybíjania maximálne na 60% [2, 7]. Tab. 2: Príklad životnosti vybraných typov trakčných olovených akumulátorov Typ

GEL 06160 GEL 12050 GEL 12070 GEL 12090 GEL 12100 GEL 12110 GEL 12160 PzS 12056 PzS 12077 PzS 12103 PzS 12113 PzS 06173 PzS 06175

Napätie U [V] 6 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 6 6

Životnosť

Kapacita C5 [Ah] 160 50 70 90 100 110 160 56 77 103 113 173 175

C20 [Ah] 200 64 88 113 125 138 200

[cyklov] 800 800 800 800 800 800 800 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000 1 000

Firmou Hawker sú vyrábané staničné olovené akumulátory, ktoré majú pomerne rozdielnu životnosť, viď. tabuľka 3 [2, 7].

88

Tab. 3: Príklad životnosti vybraných typov staničných olovených akumulátorov Typ

Kapacita pri 20°C C10 [Ah] 200 ÷ 12 000 200 ÷ 3 000 18 ÷ 2 000 21 ÷ 288 22 ÷ 500 24 ÷ 550 540 ÷ 2 100 19 ÷ 1 689 12 ÷ 40 7,3 ÷ 347 2,5 ÷ 25 1,2 ÷ 40

OPzS OPzV Vb VbV HI, FTR RG HPW / HPWA POWERSAFE GENESIS SBS CYCLON PHOEBUS

Životnosť

Doba vybíjania

[roky] 15 15 15 12 10 ÷ 12 6÷8 5÷6 10 ÷ 12 8 ÷ 10 12 ÷ 15 10 5

30min ÷ 10hod 30min ÷ 10hod 10min ÷ 10hod 10min ÷ 10hod 10min ÷ 8hod 5min ÷ 8hod 1min ÷ 30min 10min ÷ 8hod 5min ÷ 3hod 1min ÷ 10hod 1min ÷ 8hod 5min ÷ 24hod

Priestory s akumulátormi musia byť vetrané okrem iného aj pre to, aby zvyšovanie teploty neznižovalo životnosť akumulátorov. Súčasne by mali byť chránené proti poklesu teplôt, v mraze sa znižuje kapacita. Optimálne je dobré dodržiavať teplotu na rovni +10 až +20°C. Pre staničné akumulátory je možné vyjadriť závislosť životnosti na teplote grafom na obrázku 2 [2, 7].

Vplyv teploty na životnosť staničného akumulátora 55 Minimálne

50

Maximálne

Teplota /°C/

45 40 35 30 25 20 15 10 2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Roky

Obr. 2: Vplyv teploty na životnosť staničného akumulátora

89

Je potrebné špecifikovať aj dôvody, ktoré značne skracujú dobu životnosti akumulátorov [2, 7] : Použitie elektrolytu a vody neodpovedajúcej čistoty. Trvalé zaťažovanie veľkými nabíjacími a vybíjacími prúdmi. Prebíjanie a hlboké vybíjanie. Vysoká prevádzková teplota. Veľká hustota elektrolytu. Pokles hladiny elektrolytu pod horní rámy elektród. Prevádzka v prostredí so škodlivými plynmi a parami. Mechanické namáhanie – nárazy, otrasy, vibrácie. Príznaky konca životnosti akumulátora Podľa náročnosti prevádzky akumulátorov sa za koniec ich životnosti považuje napríklad pokles kapacity C pod stanovenú úroveň kapacity plne nabitého akumulátora CN: U staničných akumulátorov pod 80% CN. U ostatných akumulátorov 70 až 50% CN. U štartovacích akumulátorov sa tiež prejavuje zníženie štartovacej spoľahlivosti [2, 7]. Návrh zostavy akumulátorov pre konkrétnu aplikáciu K návrhu zostavy akumulátorov pre konkrétnu aplikáciu je možné pristupovať z viacerých pozícií. Ak je známy charakter zdroja elektrickej energie, musí zostava akumulátorov vyrobenú energiu uložiť a postúpiť ju na spotrebiče. Iný prístup je daný súborom spotrebičov a charakterom spotreby elektrickej energie. Zostava akumulátorov musí uloženú elektrickú energiu postúpiť na spotrebiče. Ďalší prístup musí zohľadniť výdaj elektrickej energie po určitý čas, kedy je výpadok výroby elektrickej energie. Pri návrhu je potrebné riešiť aj prístup príjmu alebo výdaja špičkovej hodnoty elektrického prúdu. Prístup k návrhu zostavy akumulátorov je ovplyvnený konkrétnou riešenou situáciou, prípadne požiadavkami užívateľa. Veľmi dôležité je stanoviť podmienky činnosti zostavy akumulátorov v konkrétnej aplikácii, ako ľahkú, normálnu alebo ťažkú. Tieto podmienky určujú aj mieru rezervy a priamo ovplyvňujú životnosť použitých akumulátorov. Z toho vyplýva, že návrh zostavy akumulátorov pre konkrétnu aplikáciu je značne zložitá úloha. Ak výrobca ponúka okrem komponentov na riešenie zostavy OZE aj niektoré zostavy pre užívateľa, redukoval požiadavky spotrebiteľa a technické vlastnosti prvkov zostavy. Vznikla tak zostava, zvyčajne označená obchodným označením a vyjadruje niektoré svoje parametre užívateľovi. Táto možnosť je výhodná na riešenie iba niektorých požiadaviek užívateľov. Avšak ak má byť zostava optimalizovaná na konkrétny a reálny prípad, je potrebné tieto požiadavky definovať a návrh podľa toho realizovať. V drvivom množstve prípadov sa pre nákup zostavy OZE rozhoduje užívateľ, ktorý nemusí byť v tejto problematike zorientovaný. Výrobca je schopný radiť zákazníkovi, avšak u obchodných organizácií je dostupnosť fundovanej rady otázna, pretože obchodník má iný záujem ako je záujem užívateľa či dobré meno výrobcu. Obchodník má záujem predovšetkým len predať, či už je zákazník neskôr viac alebo menej spokojný.

90

Využiteľné množstvo elektrickej energie v akumulátore Riešenie otázky dostupného množstva elektrickej energie v akumulátore ovplyvňuje veľa faktorov. Približný výpočet si môžeme urobiť na vybraných príkladoch akumulátorov: štartovací 44Ah a staničný alebo trakčný 100Ah. Budeme predpokladať deklarované napätie akumulátora v oboch prípadoch 12V, rozsah nominálneho svorkového napätia od stavu hlbokého vybitia po stav plného nabitia 10,8 až 16,8V. Pre potreby výpočtov si vypočítame z tohto intervalu stredné napätie (10,8+16,8)/2 = 13V. Bežný pracovný prúd je obmedzený pripojeným spotrebičom. Preto jeho hodnota sa môže meniť od nuly po maximálnu, budeme uvažovať hodnotu pri zapnutí bežnej skupiny spotrebičov. Táto hodnota je orientačná. Špičkový prúd je zvyčajne krátkodobá hodnota. U štartovacích akumulátorov ide o štartovanie motora. Najmä v zimných podmienkach štartovací prúd raste na hodnotu až 500A, niekedy aj viac. Súčasne pri nízkej teplote klesá kapacita akumulátora a taký štart ho veľmi namáha [2, 7]. U trakčných akumulátorov musí byť špičkový prúd značne menší, nakoľko by sa akumulátor rýchlo vybil. Využiteľnú energiu, uloženú v akumulátoru môžeme vypočítať pre jeden cyklus z deklarovanej menovitej hodnoty kapacity v ampérhodinách (Ah): W

U .I .t

13 .44 .1 572

[Wh]

(1)

kde U je stredná hodnota svorkového napätia, I je prúd, určený z kapacity akumulátora pre 1 hodinu, t je doba odberu energie 1 hodina. Pre druh prevádzky akumulátra určíme množstvo využiteľnej energie a tiež množstvo energie, ktorá v akumulátoru ostala, ktorú by bolo možné vybrať, avšak akumulátor by bol hlboko vybitý. Čím je ľahší druh prevádzky akumulátora, tým sa menej skracuje životnosť akumulátora [2, 7]. Túto energiu je možné vybrať len v kritických situáciách. Preto sa s ňou pre normálnu prevádzku nepočíta. V tabuľke 4 sú uvedené hodnoty výpočtu uloženej využiteľnej energie pre zvolené typy akumulátorov.

91

Tab. 4: Príklad využiteľnej elektrickej energie v akumulátoroch Štartovací 44Ah Staničný 100Ah Životnosť Deklarované svorkové napätie 12 V 12 V Nominálny rozsah svorkového 10,8 ÷ 16,8 V 10,8 ÷ 16,8 V napätia Stredné svorkové napätie 13 V 13 V Bežný pracovný prúd 10 A 10 A Špičkový prúd 500 A 100 A Energia v plne nabitom 572 Wh 1300 Wh akumulátore (W) Ľahká prevádzka - vybitie do 343,2 Wh 780 Wh 60%, teplota do +30°C Rezerva do hlbokého vybitia 228,8 Wh 520 Wh Normálna prevádzka - vybitie 457,6 Wh 1040 Wh do 80%, teplota okolo +30°C Rezerva do hlbokého vybitia 114,4 Wh 260 Wh Ťažká prevádzka - vybitie do 457,6 Wh 1040 Wh 80%, teplota nad +30°C Rezerva do hlbokého vybitia 114,4 Wh 260 Wh

9 ÷ 11 rokov 6 ÷ 8 rokov 3,5 ÷ 4,5 rokov

Ak je uvedené množstvo využiteľnej energie pre konkrétnu aplikáciu malé, je možné kombinovať akumulátory paralelne prípadne sériovo, čím je prevádzka systému na vyššom napätí ako 12V, prípadne väčších prúdoch. Rozhodujúce ale je to, že sa tak zvyšuje množstvo využiteľnej energie. V takom prípade už môže byť toto množstvo zaujímavé a dostatočné, viď. tabuľka 5. Tab. 5: Množstvo energie vo viacakumulátorových zostavách Akumulátor 12V, 100A, 100Ah, 1hod ks 1 2 2 4 10 10 20

Kombinácia akumulátorov 1 Paralelná Sériová Sérioparalelná 2+2 Sérioparalelná 2+2+2+2+2 Sériová Sériová

Napätie stredné 13V

Prúd za 1hod

Energia

U 13 V 13 V 26 V 26 V

I 100 A 200 A 100 A 200 A

W 1 300 Wh 2 600 Wh 2 600 Wh 5 200 Wh

26 V

500 A

13 000 Wh

130 V 260 V

100 A 100 A

13 000 Wh 26 000 Wh

Výhody paralelných kombinácií akumulátor je malé prevádzkové napätie, avšak značné prevádzkové prúdy. Z technického hľadiska si toto vyžaduje dostatočne väčšie prierezy vodičov na prenos týchto prúdov, aby sa vodiče nahriali. Nepríjemný je ohrev spojov v dôsledku veľkých prúdov cez aj malé prechodové odpory. Naopak pri sériovej kombinácii akumulátorov je vyššie prevádzkové napätie, ktoré môže byť aj nebezpečné pri nižších prúdoch. Z technického hľadiska to znamená prenos výkonu s menšími prúdmi, avšak pri napätiach, ktoré môžu byť pre montérov nebezpečné.

92

Niektorá zo sérioparalelných kombinácií ale pri vyššom napätí, to je 24V, 36V, 48V, alebo blízkom napätí sa prenáša výkon pri vyšších prúdoch, ktoré ale často nemusia prekročiť hodnotu 100A. Optimálny režim prevádzky oloveného akumulátora v zostave OZE Po zvážení všetkých charakteristík oloveného akumulátora je potrebné definovať parametre jeho prevádzky. Parametre prevádzky zostavy OZE by mali odpovedať definovaným podmienkam činnosti akumulátora. Nakoľko je výroba elektrickej energie závislá na meteorologických podmienkach a spotreba elektrickej energie na potrebách užívateľov, je možné definovať, že obe činnosti majú strochastický charakter. Akumulátor, ako krátkodobý zásobník energie, musí tuto energiu prijímať a odovzdávať. Ak sa bude príjem a výdaj elektrickej energie nachádzať v stanovených limitoch, nebude sa neprimerane znižovať životnosti akumulátorov. Stochastický charakter výroby elektrickej energie ale môže spôsobiť nedodržanie definovaných limitov, potom akumulátor ponúka určité množstvo rezervnej energie. Stav čerpania rezervnej energie by mal nastávať veľmi sporadicky, nakoľko sa pri ňom rýchlejšie skracuje životnosť akumulátora. Budem predpokladať použitie staničného akumulátora 100Ah s deklarovaným svorkovým napätím 12V. To znamená, že rozsah nominálneho napätia od stavu hlbokého vybitia do stavu plného nabitia je 10,8 až 16,8V [2, 3, 5, 6, 7]. Budeme predpokladať stredné svorkové napätie 13V, bežný prevádzkový prúd vybíjania do 10A a špičkový vybíjací prúd do 100A. To dáva uloženú energiu pre prípadnú spotrebu 1300Wh, viď tabuľka 6. Tab. 6: Príklad použitia akumulátora v zostave OZE Staničný 100Ah Životnosť Deklarované svorkové napätie 12 V Nominálny rozsah svorkového napätia 10,8 ÷ 16,8 V Pracovný rozsah svorkového napätia 10,8 ÷ 14,7 V v zostave OZE Stredné svorkové napätie 13 V Bežný pracovný prúd 10 A Špičkový prúd 100 A Energia v plne nabitom akumulátore (W) 1300 Wh Teplota prevádzky (T) 10 ÷ 30 °C Mechanické otrasy stacionárna prevádzka Ľahká prevádzka - vybitie do 70%, teplota 390 Wh do +30°C Rezerva do hlbokého vybitia 910 Wh Nabíjací prúd I2 = 0,12.C 12 A Nabíjací prúd I3 = 0,1.C 10 A Udržiavací prúd IU = (0,0002 ÷ 0,001).C 20 – 100 mA Doba nabíjania prúdom I2 = 0,12.C 32,5 hod Doba nabíjania prúdom I3 = 0,1.C 39 hod

9 ÷ 11 rokov

93

Pre stacionárnu prevádzku, kedy budú akumulátory uložené v miestnosti domu, predpokladá sa, že budú mať po čas celého roku teplotu v intervale 10 až 30°C a mechanické otrasy nebudú, ide o stacionárnu prevádzku. Pokles teploty síce môže spôsobiť pokles kapacity až ku 80%, avšak stále dobíjanie zabezpečí stále doplňovanie energie. V zostave OZE budeme predpokladať interval prevádzkového napätia 10,8 ÷ 14,7 V. Pre 1ks akumulátora tak bude k dispozícii 390Wh elektrickej energie, ktorú treba priebežne dopĺňať. Pre použitie zostavy viacerých akumulátorov bude k dispozícii niekoľkonásobok tohto množstva energie. Súčasne je potrebné si všimnúť, že každý akumulátor bude ponúkať 910Wh rezervnej energie pre prípad nepriaznivej meteorologickej situácie na výrobu elektrickej energie. Z hľadiska nabíjania je z viacerých režimov nabíjania zrejme optimálny taký, ktorý umožní nabíjať akumulátor vždy, ak budú priaznivé meteorologické podmienky prúdom, obmedzeným na maximálnu hodnotu I2 = 0,12.C až do plynovania, čo je napätie asi 14,7V. Ďalej potom pokračovať nabíjanie hodnotou udržiavacieho prúdu IU = (0,0002 ÷ 0,001).C, tabuľka 1 [2, 3, 5, 6, 7]. Je možné tiež nabíjať aj prúdom I3 = 0,1.C alebo menším až do napätia plynovania 14,7V. Táto možnosť je pre systémy OZE nevýhodná, nakoľko trvá dlhšie. Vzhľadom ku stochastickému charakteru meteorologickej situácie je potrebné čo najskôr akumulátory nabiť, nakoľko sa nedá zabezpečiť potrebnú dobu nabíjania, z 32,5 na 39 hod. Ak by bol dodržaný tento ľahký režim prevádzky akumulátora, je možné rátať s životnosťou 9 ÷ 11 rokov. V prípade častejších kritických situácií a využívaní rezervnej energie sa bude životnosť posúvať k dolnej hranici, prípadne aj pod ňu. Charakter prevádzky ovplyvňuje životnosť akumulátorov, čo určuje aj náklady na akumulátory. Ak by sa prevádzka sťažila, skorší nákup novej sady akumulátorov znamená zvýšenie nákladov nad predpokladaný limit. Záver Štartovacie, trakčné aj staničné akumulátory sú zvyčajne počas prevádzky priebežne dobíjané. Ich vybíjanie až na úroveň hlbokého vybitia je málo časté, zvyčajne v prípadoch poruchových stavoch v napájaní zariadenia. Akumulátory pre aplikácie v zostavách OZE sú tiež priebežne dobíjané, avšak sú časti dňa, kedy nedochádza k dobíjaniu, nakoľko zdroje elektrickej energie nie sú funkčné, keď nesvieti slnko. Je to cez noc, ale aj cez deň s nepriaznivou meteorologickou situáciou. Cez všetky komplikácie optimálnej prevádzky akumulátorov je možné konštatovať, že akumulátory ako krátkodobé zásobníky elektrickej energie sú celkom nepostrádateľné v zostave OZE ostrovného systému. Dôležité je, že 12V akumulátory svojim počtom zabezpečia potrebné množstvo využiteľnej energie. Možnosť vytvárať ich kombinácie dovoľuje vytvoriť zostavu, vhodnú na obmedzenie napätia a prúdov na optimálnu úroveň. Eliminujú sa tak problémy s prevádzkou vyššieho napätia prípadne veľkých prúdov. Poďakovanie Táto práca bola podporovaná projektom VaV operačného programu, Centrum excelentnosti výkonových elektronických systémov a materiálov pre ich komponenty, kód výzvy

94

2008/2.1/01-SORO, ITMS 26220120003 a Centrum excelentnosti výkonových elektronických systémov a materiálov pre ich komponenty II., ITMS 26220120046. Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov ES. Literatura [1]

[2] [3] [4]

[5]

[6]

[7] [8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13] [14]

ALTUS, J. – OTČENÁŠOVÁ, A.: Možnosti pripojenia fotovoltaických elektrární do elektrizačnej sústavy SR. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2010, Liptovský Ján 7.-8. 10. 2010, s. 208-220. ISBN 978-80-554-0242-0 ARENDÁŠ, M. – RUČKA, M.: Nabíječky a nabíjení. BEN, Praha 1999. ISBN 8086056-61-9 BAČA, P.: Současné možnosti akumulace elektrické energie ve fotovoltaických aplikacích. In 2. Česká fotovoltaická konferencia. Brno: RE AGENCY, 2006. s. 11-12. BAČA, P.: Akumulace elektrické energie z OZE do vodíku. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2010, Liptovský Ján 7.-8. 10. 2010, s. 9-16. ISBN 978-80-554-0242-0 BAČA, P.: Ostrovní systémy: Problematika akumulace elektrické energie z FV do olověného akumulátoru. In.: Zborník konferencie „30. Nekonvenční zdroje elektrické energie“, Býkovice, 9. – 11. 9. 2009, s. 70 – 72. ISBN 978-80-02-02164-3 BAČA, P.: Přehled možností akumulace elektrické energie z OZE. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7. 10. 2011, s. 135-140. ISBN 978-80-554-0427-1 CENEK, M. a kol.: Akumulátory od principu k praxi. FCC PUBLIC s.r.o., Praha 2003. ISBN 80-86534-03-0 HORBAJ, P. - TAUŠ, P. - DZURILA, P.: Analýza energetického potenciálu biomasy v SR a možnosti jej využitia. In: Možnosti financovania ekoenergetických projektov v podmienkach SR a EÚ : Podbanské, 5.-7. jún 2006 : Zborník z celoštátnej odbornej konferencie. Košice : Dom techniky ZSVTS, 2006. s. 124-129. HUŽVÁR, J. – JANDAČKA, J.: Kombinovaná výroba elektrickej energie a tepla využitím dvojtaktného parného motora. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2010, Liptovský Ján 7.-8. 10. 2010, s. 147-152. ISBN 978-80-5540242-0 KOŠČOVÁ, M. – EXNAR, Z.: Adaptívne riadenie ostrovného systému. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7. 10. 2011, s. 181-187. ISBN 978-80-554-0427-1 KUDELAS, D. – RYBÁR, R. – CEHLÁR, M.: Energia vetra – prírodné, technické a ekonomické podmienky jej využitia. Monografia. Edičné stredisko Fakulty BERG, TU v Košiciach, 2009. ISBN 987-80-553-0169-3 MIKOLAJ, D. - TAUŠ, P.: Produkcia tepelnej energie pri spaľovaní bioplynu v kogeneračnej jednotke. In: Casovia Therm 2007 : Racionálna výroba, doprava a spotreba tepla - dôležitý faktor pri tvorbe koncepcií zásobovania teplom obcí : Zborník z odbornej konferencie : Košice, 13.-14. Februára 2007. Košice : Dom techniky, 2007. s. 70-74. RYBÁR, R. – TAUŠ, P. – CEHLÁR, M.: Solárna energia a heliotechnika. Monografia. Edičné stredisko Fakulty BERG, TU v Košiciach, 2009. RYBÁR, R. – KUDELAS, D. – HORODNÍKOVÁ, J. – BEER, M.: Posúdenie možnosti uplatnenia štruktúr na báze kovových pien v konštrukcii absorbéra solárneho kolektora. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7. 10. 2011, s. 18-25. ISBN 978-80-554-0427-1

95

[15] STOJAN, R. – BOBALÍK, L. – VANĚK, J. – DOLENSKÝ, J. – VESELÝ, A.: Využití pyranometru při měření intenzity sluneční energie. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7. 10. 2011, s. 153-157. ISBN 978-80-554-0427-1 [16] TAUŠ, P. – HOVORKA, I. – KRISTÓFOVÁ, D. – TOMČEJOVÁ, J.: Zhodnotenie energetického potenciálu bytových domov v Košiciach ich zateplením. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7. 10. 2011, s. 31-38. ISBN 978-80-554-0427-1 [17] TAUŠ, P. a kol.: Potenciál obnoviteľných zdrojov energie na Slovensku z hľadiska výroby elektrickej energie. In.: AT & P Journal. Roč. 12, č. 3 (2005), s. 52-55. Internet: ISSN 1335-2237. [18] TKÁČ, J.: Globálne energeticko ekologické problémy a možnosti ich riešenia využívaním obnoviteľných zdrojov energie. Zborník odborného seminára ALER2007, 3. ročník, Liptovský Mikuláš, 11. – 12. 10. 2007, s. 107 – 113. [19] TKÁČ, J.: Plastové solárne absorbéry. Zborník odborného seminára ALER2007, 3. ročník, Liptovský Mikuláš, 11. – 12. 10. 2007, s. 114 – 121. [20] TKÁČ, J.: Meranie intenzity slnečného žiarenia s využitím prostredia LabWiev. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7. 10. 2011, s. 117-126. ISBN 978-80-554-0427-1 [21] TKÁČ, J.: Malá kogeneračná jednotka. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2010, Liptovský Ján 7.-8. 10. 2010, s. 30-35. ISBN 978-80-554-0242-0 [22] TKÁČ, J. – RUSNÁK, P.: Modely veterných elektrární s vertikálnou osou. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2010, Liptovský Ján 7.-8. 10. 2010, s. 25-29. ISBN 978-80-554-0242-0

96


21

NETRADIČNÍ METODA SKLADOVÁNÍ ENERGIE POUŽITELNÁ V PRAXI Lukáš Radil1), František Bernáth3) Technická 3058/10, 616 00 Brno, tel.: 5411492851), 5411492302), e-mail: [email protected], [email protected], [email protected] Abstrakt V současné době je velice často zmiňován fakt, že akumulace především elektrické energie je potřebné uskutečňovat pouze v bateriích různých typů. Realita je však bohatá na další zařízení, která jsou více či méně sofistikovaná. Přehled několika moderních typů je uveden v tomto článku. Úvod Skutečným problémem při dlouhodobém provozu, nejen v ostrovním režimu, je z hlediska elektřiny z nestandardních zdrojů nepokrývání aktuální nabídky po poptávce elektřiny. Smyslem výzkumu je nabídnout trhu co možná nejefektivnější způsob akumulace elektrické energie. Existuje celá řada sofistikovaných metod a postupů, jak uchovat el. energii. Z těch základních jmenujme: Baterie kyselé Baterie hydroxidové Baterie lithné Mechanické způsoby skladování elektřiny U prvních třech metod jsou v současné době známé fyzikálně-chemické postupy. Nicméně u posledně jmenované je vývoj nadále podporován. Zejména v důsledku akumulace velkých objemů elektrické energie. Tento článek se proto bude snažit přiblížit čtenářům další ze způsobů akumulace energie prostřednictvím mechanicko-technologického postupu. Základní mechanická akumulace elektrické energie je prostřednictvím potenciálové energie v přečerpávacích vodních elektrárnách. Naopak tlaková energie se využívá u již známého systému CAES – Compressed Air Energy Storage a jeho vylepšené metodě AA-CAES – Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage. Nicméně v poslední době se na trhu snaží prosadit další zajímavá technologie. Akumulace prostřednictvím tekutého vzduchu Tuto technologii vyvinula firma Highview power storage.

97

Přívod vzduchu

Studený plyn

Zkapalnění Elektrická energie

Kompresor

Separace Expanze Vysoce kvalitní zásobník chladu

Vzduch vystupující o teplotě okolí

Tekutý vzduch

Studený vzduch je vyfukován do kryoenergetického systému

Zásobníky

Kryogenické čerpadlo Zásobník tekutého vzduchu Výparník Kryogenický vzduch

Výroba energie

Turbína

GS

Elektrická energie

Tepelný výměník Generátor

Teplo odpadní nebo okolní

Obr. 1: Blokové schéma zařízení využívající zkapalněného vzduchu. Podle[1] upraveno autorem Systém na obrázku je rozdělen do tří systémů: Zkapalnění Uchování média v tekutém stavu Zpětná konverze energie na elektrickou energii Zkapalnění Systém pracuje tak, že pomocí elektrické energie pohání kompresor, který stlačuje nasávaný plyn. Teplo je odváděno do zásobníku. Následně přes expandér je médium zkapalněno a uskladněno ve velmi dobře izolované nádrži při atmosférickém tlaku. Uchování energie Uchování je prováděno v dobře izolovaných nádržích, odtud je také možné převážet tekutý vzduch pro potřeby dalšího využití. Kapalný vzduch je uložen v nádrži při nízkém tlaku, který slouží jako zásobník. Obecně zde platí, že materiály, které jsou použity splňují limity i pro zásobníky tekutých LNG, dusíku, kyslíku a jiných technických plynů. Výrobce dokonce uvádí, že jedna nádrž o objemu 2000 tun odpovídá asi 200 MWh.

98

Zpětná konverze Pokud je potřeba dodávky elektřiny do sítě, je tekutý vzduch hnán za pomocí kryogenního čerpadla do výparníku. Odtud přebírá teplo z procesu nebo okolí. Následný plyn je hnán na expanzní turbínu. Výfukem je odváděn pouze chladný vzduch. Celý systém vlastně připomíná klasický Rankin-Clausiův systém. Jen s tím rozdílem, že zde se pohybujeme ve velmi nízkých teplotách (-196°C). Částečně můžeme výfuk použít k tak zvané recyklaci, která nám umožní zvýšit účinnost celého systému zkapalnění. Tím pádem se sníží náklady na zkapalňovací proces. Cena celého zařízení (opět podle [1]) shrnuje tabulka 1. Velice zajímavý je počet cyklů při 80% DOD. Účinnost zařízení je poněkud nižší. Tab. 1: Přehled nákladů na akumulaci energie prostřednictvím kryo technologie[1] Technologie

Investiční náklady ($/kW)

Investiční náklady ($/kWh)

Životnost při 80% DOD – počet cyklů

Účinnost (%)

Kryo Energy Systém

~1.100

~110

>13.000

50-70+

Hlavní devízou celého zařízení, ale spatřujeme jinde. A to efektní využití odpadního tepla o nízkopotenciální teplotě. Řada procesů v energetice končí s výstupní teplotou do 150°C. Nasazení jednotek na principu ORC (Organický Ranckinův cyklu) s nízkou vroucími kapalinami má velmi omezený rozsah využití. Závěr Tato metoda proto spojuje řadu výhodných řešení. Pakliže by se právě využila možnost zpracovávat odpadní teplo, zejména z například z biomasy nebo odpadní teplo z řady teplárenských provozů, byla by tato technologie ideálním přispěvatelem k omezení spotřeby primárních zdrojů energie. Poděkování Tento článek obsahuje výsledky ze specifického výzkumného projektu Vysokého učení technického v Brně, číslo: FEKT-S-11-19/1446. Literatura [1]

Higview Power Storage: Cryo Energy System - Technology. Dostupné z < http://www.highview-power.com/wordpress/?page_id=5>, datu citace: 10.4.2012

99


22

VANADOVÉ REDOXNÍ BATERIE David Pléha Ústav elektrotechnologie, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT v Brně, Technická 10, 616 00 Brno, ČR, e-mail: [email protected] Abstrakt Úsilí o akumulaci elektrické energie vytvořené fotovoltaickými, a větrými elektrárnami stále stoupá a jednou z možností je použití právě vanadových redoxních baterií. Samotná technologie uchovávání energie činí tuto skupinu zajímavou pro mnohá výzkumná centra a absence nebezpečných kovů činí tento systém jedním z nejvíce ekologických systémů založených na technologii elektrochemických akumulátorů. Úvod Vanadové redoxní baterie byly jako první použity na australské University of New South Wales (UNSW) v roce 1986. Společnost Australian Pinnacle Vanadium Redox Batteries odkoupila základní patenty v roce 1998 a poskytla na ně licenci společnostem Sumitomo Electric Industries (SEI) a VRB Power Systems. Vanadové redoxní baterie (VRB) jsou postaveny na vanadovém redoxním palivovém článku. Oproti konvenčním akumulátorům, kde je celá energie uvnitř článku, je energie vanadových akumulátorů uložena chemicky v elektrolytech umístěných v nádržích. VRB se skládá ze dvou samostatných nádrží s elektrolytem, které obsahují aktivní vanadovou sůl v různých oxidačních stavech (pozitivní: V(IV)/V(V) redoxní pár, negativní V(II)/V(III) redoxní pár) a koncentrovanou kyselinu sírovou. Elektrolyty jsou průběžně čerpány z oddělených nádrží a proudí přes články, zatímco elektrický proud přichází nebo se vrací zpět do nádrží s elektrolytem. Články obsahují iontoměničovou membránu (PEM), na které dochází u jednoho z elektrolytů k elektrochemické oxidaci a druhý elektrolyt je zde elektrochemicky redukován. Membrána zároveň zabraňuje promíchání těchto dvou elektrolytů. Články jsou zapojeny do série a jsou umístěny v zásobnících. Rozhodující chemické reakce probíhají na uhlíkových FELT (plsť) elektrodách. Vzniklé reakce nemění fyzikálně ani chemicky vlastnosti elektrod, a proto je umožněn velký počet nabíjecích a vybíjecích cyklů bez významného snížení kapacity akumulátoru (některé zdroje uvádí přes 10 000 cyklů). Napětí akumulátoru je v rozmezí 1,2 – 1,6 V a čistá účinnost tohoto systému může dosahovat až 85%. Stejně jako u ostatních akumulátorů s tokem iontů, jsou na sobě hodnoty elektrického a energetického výkonu VRB nezávislé.

100

Obr. 1: Koncept vanadové redoxní baterie Během nabíjení a vybíjení dochází v elektrolytu ke změnám oxidace vanadu. Změny jsou popsány v těchto chemických reakcích: Záporná elektroda: Kladná elektroda: Celkově:

V3+ + e- ↔ V2+ VO2+ + H2O ↔ VO2+ + 2H+ + eV2++ VO2++ 2H+ ↔ V3++ VO2+ + H2O

E0 = 1,0 V E0 = -0,26 V E0 = 1,26 V

Standartní potenciál článku je tedy E0 = 1,26 V při koncentracích 1 mol/l a teplotě 25 °C. Protože se elektrolyty vrací do stejného stavu jako na konci každého nabíjení/vybíjení, je možno je používat neomezeně. Záleží však na jejich čistotě. Navýšení energetické hodnoty článku je možné zvýšením koncentrace vanadových solí v elektrolytech. U zvyšování koncentrace je důležité kontrolovat přesycení a teplotu, protože tyto dva aspekty razantně ovlivňují degradaci elektrolytu a s tím spojenou účinnost celého systému. Vanadové redoxní baterie je možné zařadit do kategorie potenciálních technologií pro uskladnění energie z obnovitelných zdrojů elektrické energie. Poděkování Tato práce byla podporovaná CZ.1.05/2.1.00/01.0014.

grantem

č.

FEKT-S-11-7

a projektem

CVVOZE

Literatura [1] [2]

Rahman, F. and M. Skyllas-Kazacos, Vanadium redox battery: Positive half-cell electrolyte studies. Journal of Power Sources, 2009. 189(2): p. 1212-1219. Skyllas-Kazacos, M. (2009). SECONDARY BATTERIES - FLOW SYSTEMS | Vanadium Redox-Flow Batteries, in Encyclopedia of Electrochemical Power Sources. Amsterdam, Elsevier: 444-453.

101


24

PALIVOVÉ ČLÁNKY VÝVOJ A SOUČASNÝ STAV Jiří Šubarda Ústav Elektrotechnologie, Fakulta Elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT v Brně, Technická 10, 616 00 Brno, e-mail: [email protected] Abstrakt V tomto článku je nastíněn vývoj palivových článků od jejich počátku až do současnosti. Jsou zmíněny programy komercionalizace palivových článků v USA, Japonsku a Evropě. Dále jsou zmíněny instituce v ČR zabývající se problematikou palivových článků. Úvod Palivové články jsou považovány za jeden z nejčistších zdrojů elektrické energie a mohou být v budoucnu nasazeny jako náhrada stávajících technologií určených k výrobě elektrické energie z fosilních paliv. Jako odpadní produkt v palivových článcích vzniká voda a v případě že je jako palivo užito fosilních paliv, vzniká dále jako odpadní produkt i oxid uhličitý. Zásadní výhodou této technologie je to, že palivové články přeměňují energii paliva přímo na elektrický proud, přičemž doba jejich provozu je teoreticky neomezená. Během jejich provozu se palivové články nijak mechanicky neopotřebovávají a tím je minimalizována i jejich údržba. Jedním z jejich nedostatků je pomalá doba odezvy na změnu zátěže, a proto se hodí zejména ke stacionárnímu použití či aplikacím, kde je vyžadován kontinuální proud. V případě nárazových odběrů je možným řešením připojit paralelně k palivovému článku superkapacitory či baterie. I přes více než 150 let vývoje je základní idea palivových článků zachována. Základen každého článku je anoda, na kterou je přiváděno palivo, dále katoda na níž je přiváděno okysličovadlo a elektrolyt. Funkcí elektrolytu je zajistit oddělení katody od anody, zajistit průchod iontů a zabránit průchodu elektronů. Elektrony jsou vedeny vnějším obvodem a konají práci. K zajištění startu chemických reakcí je dále součástí katalyzátor, který nemusí být pro všechny články stejný. Dříve používané katalyzátory na bázi platiny jsou dnes hojně nahrazovány levnějšími materiály pro snížení ceny palivových článků. V současné době je zejména cílem zainteresovaných institucí zajistit komercionalizaci palivových článků zejména snížením pořizovacích cen palivových článků, snížením nákladů na údržbu, a také snahou o snížení nákladů na výrobu a distribuci paliva [1]. Historie palivových článků Palivové články mají poměrně dlouhou historii, přičemž prošli přes více než 150 let dlouhým vývojem, jejich intenzivní rozvoj však nastal až ve druhé polovině dvacátého století. První palivový článek byl vytvořen roku 1839, jehož autorem byl sir William Robert Grove. Napětí tohoto článku činilo kolem 1 V, kvůli materiálové náročnosti nebylo možné tento palivový článek použít v průmyslu. Základem tohoto článku byly platinové elektrody, umístěné do elektrolytu tvořeného kyselinou sírovou [1, 2, 3].

102

Termín ,,palivový článek“ byl poprvé použit až v roce 1889, kdy Ludwig Mond a Charles Langer provedli mnoho experimentů a pokusili se vytvořit funkční článek pracující se vzduchem a svítiplynem. Napětí tohoto článku bylo přibližně 0,73 V. Experimenty s palivovými články v tuto dobu prováděli další dva týmy, které tvořil Charles Wright a C. Thompson. Druhý tým, který tvořili francouzští vědci Louis Paul Cailleteton a Louis Joseph Colardeau, taktéž došli k podobným závěrům jako výše zmínění vědci [1, 3]. V roce 1893 Friedrich Wilhelm Ostwald experimentálně vymezil úlohu mnoha komponent palivového článku a teoreticky nastínil, jak palivový článek funguje. Následně v roce 1889 Švýcarský vědec Emil Baur se svými studenty a v raných letech kolem roku 1900 sovětský vědec O. K. Davtyan svými experimenty přispěly k položení základů vysokoteplotních palivových článků [3]. Zájem o technologii palivových článků začal vzrůstat zejména po letech 1930. Kdy v roce 1932 Dr. Francis Bacon sestrojil první úspěšné zařízení s palivovým článkem. Tento kyslíkovodíkový článek tvořily niklové elektrody, elektrolytem bylo KOH. V odbodbí třicátých let dvacátého století začaly být dále rozvíjeny základy vysokoteplotních palivových článků SOFC (palivové články s pevnými oxidy) a MCFC (palivové články s roztavenými uhličitany), které položily E. Baur a O. K. Davtyan. Tyto palivové články byly vyvíjeny téměř souběžně. Výzkum SOFC palivových článků následně akceleroval v Ústředním technickém institutu v Hágu (Belgie) a GE v městě Schenectady ve státě NEw York. MCFC palivové články byly dále studovány ve vývojovém centru (MERDC) a následně ve firmě Texas Instruments [3]. Avšak průlom v technologii palivových článků nastal díky vesmírnému výzkumu Národního úřadu pro letectví a kosmonautiku (NASA) v šedesátých a sedmdesátých letech 20. století. Kdy v 60. letech 20 století Thomas Grubb a Leonard Niedrach ve firmě GE vynalezli PEM palivové články. V tomto období byly ve společnosti Pratt & Whitney na základě patentu F. T. Bacona vyrobeny alkalické palivové články AFC pro vesmírné moduly Gemini a Apollo. Tímto popudem došlo k prohloubení zájmu o palivové články a k jejich intenzivnějšímu rozvoji v nejrůznějších zemích, univerzitách, laboratořích, a také v průmyslu [1, 3]. V 60. letech začala společnost Du Pont rozvíjet membránu pro palivové články pod názvem Nafion®, zájem o membránové palivové články začal narůstat zejména v polovině 80. let 20 století. Kdy došlo k prudkému nárůstu množství automobilů ve velkých městech. Membránové palivové články představovaly možnost, jak vyvinou automobil s nulovými emisemi. Zájem o membránové palivové články vedl k vývoji metanolových palivových článků. Po letech 1990 začal krom PEMFC a DMFC palivových článků narůstat zájem o články MCFC a SOFC. Mezi lety 2003 – 2005 pak byly značně testovány elektrárny s SOFC a MCFC palivovými články [4]. Současný stav palivových článků V současné době existuje devět základních typů palivových článků, jde se o systémy, které jsou již do jisté míry značně prostudovány, ale i nadále probíhá jejich vývoj. Jedná se o následující typy palivových článků [3]: Palivové články s iontově vodivou membránou (PEMFC) Alkalické palivové články (AFC) Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC) Palivové články s pevnými oxidy (SOFC) Palivové články s roztavenými uhličitany (MCFC)

103

Metanolové palivové články (DMFC) Zinko-vzduchové palivové články Palivové články na bázi protonově vodivé keramiky Biologické palivové články Dále je rozvíjeno mnoho dalších typů palivových článků, jako jsou například přímé etanolové palivové články, palivové články s kyselinou fosforečnou, regenerativní palivové články, mikrobiální palivové články, enzymatické palivové články a další. [3] Co se týče rozvoje technologie palivových článků jsou v současné době na vrcholu USA spolu s Japonskem. Evropa mírně zaostává ve vývoji palivových článků, ale svými rámcovými programy přispívá k podpoře jejich vývoje. Lepší komercionalizaci palivových článků by mělo zejména pomoci rozšíření vodíkových čerpacích stanic a snížení cen palivových článků. V Tab. 1 je uveden počet vodíkových čerpacích stanic ve vybraných zemích, kterých je i přes očekávanou komercionalizaci stále nedostatek. Tab. 1: Počet vodíkových čerpacích stanic ve vybraných zemích [5]. Země USA Rakouzsko Austrálie Belgie Kanada Čína Dánsko Francie Německo Řecko Indie

Počet čerpacích stanic

Země 60 1 1 2 9 6 9 2 20 1 1

Itálie Japonsko Lucembursko Nizozemí Portugalsko Jižní Korea Španělsko Švédsko UK Norsko ČR

Počet čerpacích stanic 6 18 1 1 2 2 3 3 1 10 1

Proto, aby byly komercionalizovány palivové články, jsou v mnoha zemích zpracované studie a programy pro zavádění palivových článků a vodíkové ekonomiky. V USA se jedná o program nazvaný Hydrogen, Fuel cells, and Infrastructure Technologies program, který běží pod Ministerstvem energetiky (DOE). Pro tento program má být klíčový rok 2015, kdy bude rozhodováno o tom, které technologie budou komercionalizovány v blízké době a na které bude vynaložen dodatečný výzkum. Americká vláda hodlá vytvořit infrastrukturu pro výrobu palivových článků a distribuci vodíku, jejíž realizace je projektována na začátek roku 2025. V Japonsku je v současné době propracovaný program pod názvem New Hydrogen Project (NEP), který si klade za cíl představení vozidel napájených palivovými články, vybudování čerpacích stanic a elektráren. Tento projekt má být realizován do roku 2020. V Evropě vznikl tzv. Šestý rámcový program Evropské komise. Jedná se o program, který si klade za dlouhodobý cíl snížení cen systémů s palivovými články na 50€/kWinst pro silniční dopravu a na 300 €/kWinst pro stacionární aplikace s vysokou životností. V rámci tohoto programy by se měl výzkum soustředit na snížení cen palivových článků a jejich systémů pro zásobování budov, silniční dopravu a decentralizovanou výrobu elektřiny. Přičemž v návaznosti na vývoj pokročilých materiálů pro nízkoteplotní i vysokoteplotní palivové články. A dále na řešení technologie výroby, transportu a skladování vodíku (je třeba se

104

zaměřit na čistou a cenově výhodnější výrobu vodíku, na vodíkovou infrastrukturu zahrnující jeho dopravu, rozvod a skladování) [2]. V České republice v současné době existuje Česká vodíková technologická platforma, jejímž cílem je podpora vodíkových technologií. Její zaměření je zejména na aplikace v dopravě, energetice a spotřební elektronice. V rámci této platformy byly realizovány např. vodíkový autobus TriHyBus, , vodíková loď v Hamburku (oba ÚJV Řež a.s.), vysokoteplotní palivové články s tavenými uhličitany jako záložní zdroj energie pro oceánské lodě (VŠCHT Praha), spalovací motory na vodík (ČVUT, TU Liberec) a mnohé další. Mezi členy této platformy patří následující organizace - České vysoké učení technické - fakulta strojní, Mega a.s., ÚJV Řež a.s., Vysoká škola chemicko-technologická, Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i., Linde Gas a.s., UNITED HYDROGEN, a.s., Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o., Technická univerzita v Liberci, Centrum výzkumu Řež s.r.o. a MemBrain s.r.o. . Dále se v České republice věnují výzkumu palivových článků na následujících vysokých školách: FEI VŠB-TUO v Ostravě, dále FEKT VUT v Brně a FEL ZČU v Plzni. Výzkum vysokoteplotních palivových článků probíhá v rámci Středoevropského technologického institutu (CEITEC).[6] Co se budoucí komercionalizace týče, lze za jedny z nejperspektivnějších palivových článků v současné době považovat palivové články PEMFC (předpoklad použití pro mobilní aplikace), kde nejblíže komerčnímu nasazení je firma Balad Power systeme Inc., značných pokroků je vykazováno i u palivových článků vyvíjených ve Fraunhoferově institutu v Německu. Mezi další značně perspektivní palivové články patří SOFC palivovové články (předpoklad použití pro stacionární aplikace). Nejblíže komercionalizaci SOFC palivových článků je v současné době firma Siemens Wenstinghouse, dále firma Sulzer Hexis AG spolupracující s firmou Tokio Gas, McDermot Technology Inc., Technology management Inc. (TMI) a ZTEK Corporation. Závěr Současný vývoj palivových článků neustále pokračuje a je snahou docílit takových palivových článků s co nejnižšími náklady na pořízení, provoz a údržbu. Tento vývoj vede k použití nových technologií výroby a snaze nahrazovat drahé kovy (např. katalyzátory na bázi platiny) a nákladné materiály v palivovém článku za matriály odpovídajících vlastností, jejichž cena je o poznání nižší. Poděkování Tato práce byla podporovaná grantem č. FEKT-S-11-7. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6]

HORÁK, B., SZELIGA, Z., KOPŘIVA, M.; Studie instalace vysokoteplotního palivového článku, Ostrava: FEI VŠB – TUO, 2005, 121 s. Porš, Z.; Palivové články, ÚVJ Řež, 2002, 77 s. Spiegel, C; Designing and Building Fuel Cells, McGraw-Hill, 2007, první vydání, ISBN: 0071489770 / 9780071489775, 434 s. Bagotsky, V. S.; Fuel cells problems and solutions, John Wiley & Sons, 2009, první vydání, ISBN: 9780470232897, 320 s Seznam vodíkových čerpacích stanic /online 2.5.2012/ dostupný na www: http://www.fuelcells.org/info/charts/h2fuelingstations.pdf Česká vodíková technologická platforma /online 2.5.2012/ dostupná na www: http://www.hytep.cz/?loc=member&id=29

105


25

PVA MEMBRÁNY PRO PEMFC PALIVOVÉ ČLÁNKY Miroslav Kunovjánek, Michal Musil, Jiří Šubarda Ústav Elektrotechnologie, Fakulta Elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT v Brně, Technická 10, 616 00 Brno, e-mail: [email protected] Abstrakt V tomto článku jsou zmíněny PEMFC palivové články, dále je popsán způsob výroby PVA membrán a měření jejich vodivosti. Dále měření základních charakteristik palivového článku (volt-ampérových a výkonových charakteristik) při užití PVA membrán v palivovém článku. Úvod S ubývajícím množstvím fosilních paliv a se zvyšujícím se množstvím skleníkových plynů, stále narůstá zájem o alternativní zdroje energie. Palivové články se jeví jako velice vhodný zdroj elektrické energie. Jejich podstatná výhoda spočívá zejména v tom, že je elektrochemická energie paliva a okysličovadla transformována přímo na energii elektrickou. Mezi další výhody patří možnost jejich použití bez ohledu na závislosti na klimatických podmínkách, tak jak je tomu u jiných alternativních zdrojů elektrické energie. Při vhodně zvoleném palivovém článku není jeho provoz nijak ovlivněn klimatickými podmínkami. Jako odpadní produkt vzniká voda a u některých typů palivových článků také oxid uhličitý. Přičemž množství CO2 je oproti zdrojům elektrické energie spalujícím fosilní paliva rapidně nižší [1][2]. V součastné době existuje mnoho typů palivových článků, přičemž nejvíce rozvíjeny jsou následující typy: alkalické palivové články AFC, palivové články s iontově vodivou membránou PEMFC, metanolové palivové články DMFC, palivové články s roztavenými uhličitany MCFC, palivové články s pevnými oxidy SOFC, palivové články s kyselinou fosforečnou PAFC. Jako jedny z nejperspektivnějších palivových článků se jeví PEMFC palivové články, jejich význam je zejména v jejich nasazení k pohonu vozidel. Palivové články s iontově vodivou membránou (PEMFC) patří do kategorie nízkoteplotních palivových článků. Jejich pracovní teplota se pohybuje v rozmezí 50 - 100 °C, přičemž teoretická účinnost je okolo 50 - 60 %. Jako vhodné palivo je možné použít H2, CH3OH, CH4. Základem těchto článků je iontové vodivá membrána, která funguje jako elektrolyt. Dále membrána funguje k oddělení přiváděných plynů a zároveň i jako možný nosič katalyzátoru [3]. PEMFC palivové články mohou být buď kyselého či alkalického typu, v závislosti na použitém elektrolytu. Probíhající chemické reakce jsou závislé na pH elektrolytu, dílčí chemické reakce pro oba typy elektrolytu jsou uvedeny níže[2].

106

Pro případ alkalického elektrolytu probíhají reakce: Katoda: Anoda: Souhrnná rovnice:

O2 + 2H2O + 4e- → 4OHH2 + 2OH- → 2H2O + 2e2H2 + O2 → 2H2O

E0 = 0,401V E0 = -0,828V E0 = 1,229V

Pro kyselý elektrolyt lze psát rovnice: Katoda: Anoda: Souhrnná rovnice:

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O H2 → 2H+ + 2e2H2 + O2 → 2H2O

E0 = 1.229V E0 = 0V E0 = 1,229V

V případě užití elektrolytu kyselého typu je možné jako katalyzátor použít pouze katalyzátory na bázi Pt, jejichž cena zvyšuje koncovou cenu palivového článku. Avšak pokud je použito alkalického elektrolytu je možné použití jak katalyzátorů na bázi Pt, tak i neplatinových katalyzátorů jako jsou Rayneův Nikl a MnOx. V současné době je jako jeden z nejvhodnějších elektrolytů použita iontové vodivá membrána kyselého typu od společnosti Du Pont pod označením Nafion®. Cena této membrány je velmi vysoká, z důvodu, že její výroba není jednoduchá a celý výrobní proces je patentován. A to vede k dalšímu zvyšování celkové ceny palivového článku. Z tohoto důvodu je cílem použití membrán alkalického typu s neplatinovým katalyzátorem, čímž by došlo ke snížení ceny PEMFC palivových článků. Příkladem alkalických membrán mohou být membrány Fumasep FAS, Fumasep FAB vyráběné společností Fumapem. V současnosti vyráběné membrány alkalického typu však nedosahují nijak valných výsledků. Proto je předmětem zájmu mnoha vědců vyvinout takovou membránu, která by měla odpovídající vlastnosti pro použití v tomto typu palivového článku [4] [2]. Požadavky na membrány pro PEMFC palivové články jsou následující [5]: Vysoká iontová vodivost Chemická a mechanická stabilita Nízká elektronová vodivost Snadná vyrobitelnost Snadná dostupnost Nízká cena Jako vhodné membrány alkalického typu je možné použít membrány na bázi polyvinylalkoholu (PVA). Polyvinylalkohol je bílá práškovitá látka, která má krystalický charakter. Tento materiál je vynikající díky své vysoké pevnosti v tahu, flexibilitě, vysoké termální a chemické stabilitě, rozpustnosti ve vodě a schopnosti tvořit film[6]. Veškeré požadavky kladené na membrány pro PEMFC palivové články PVA membrány zcela splňují. V experimentální části je uveden postup výroby PVA membrán, včetně měření jejich vodivosti a volt-ampérových a výkonových charakteristik při jejich použití v palivovém článku. Experiment Testované PVA membrány byly vytvořeny dvěma způsoby metodou přímého chemického síťování a metodou síťování pomocí UV záření. Postup přímého chemického síťování je následující:

107

PVA (Mowiol 15-99) byl rozmíchán v horké vodě o teplotě 95 °C. Poté, po ochlazení na pokojovou teplotu, bylo do roztoku přidáno malé množství síťovacího činidla, v našem případě 5 % glutaraldehydu. Jako katalyzátor reakce sloužila kyselina sírová. Výsledná směs pro vzorek 3B byla nalita na Petriho misku a ponechána 24 hodin síťovat při pokojové teplotě. Poté byla vložena do sušárny na dalších 24 hodin pro úplné vytvrzení. Následně byly veškeré vzorky kondiciovány v 5,6 mol KOH. Během kondiciování membrána zbobtná a stává se plastičtější. Teprve membrána ve zbobtnalém stavu umožňuje volný pohyb iontů difúzním mechanismem, čímž je dosaženo její vodivosti [6]. Postup síťování pomocí UV záření je následující: PVA (Mowiol 15-99) byl modifikován pomocí glycidylmethakrylátu. Následně byl rozmíchán v horké vodě (75 °C) na koncentraci 10 hm%. Poté bylo do směsi přidáno malé množství síťovacího činidla Irgacure 2959, rozmíchaného v etylalkoholu. Směs pro výrobu vzorku 4B byla nalita na Petriho misku a ponechána 24 hodin v sušárně při 50 °C na vysušení. Poté byla vložena na 15 minut na sesíťovaní do UV komory. Vzorek 2B byl vyroben obdobným způsobem, ale byl síťován v mokrém stavu a vysušen v peci až po síťování. U vzorku 1B byla míchána směs PVA (Mowiol 15-99) s 10 % KOH v poměru 60:40. Do směsi bylo přimícháno Glycerolu. Výsledná směs byla nalita na Petriho misku a ponechána 24 hodin při pokojové teplotě. Poté byla směs vysušena v sušárně při teplotě 50 °C. Následně byla u membrán proměřena jejich vodivost. Pro měření vodivosti membrán byla využita čtyř-elektrodová cela, viz Obr. 1, která byla pro tyto účely navržena a zkonstruována. Cela se skládala ze dvou platinových elektrod a dvou referentních elektrod Hg/HgO. Membrána byla vkládána doprostřed cely [6].

Obr. 1 – Cela pro měření vodivosti membrán [6] Měrná vodivost membrány je možné vypočítat dle vztahu [6]:

[S.cm-1] kde

108

l – je tloušťka membrány [cm] S – je měřená plocha membrány (2,01 cm2) l – je tloušťka membrány [cm]

Výsledky měření vodivosti PVA membrán jsou uvedeny v tabulce 1. Tab 1: Výsledky měření vodivosti PVA membrán 2

-1

Č. vz.

l [cm]

Napětí - RE [mV]

Proud [A]

R [Ω]

S [cm ]

γ [mS.cm ]

3B

0,0263

79,84

0,1

0,7984

2,14

29,16

4B

0,0332

53,76

0,1

0,5376

2,14

88,85

2B

0,1312

57,16

0,1

0,5716

2,14

315,05

1B

0,0911

36,38

0,1

0,3638

2,14

650,92

Následně byly jednotlivé vzorky PVA membrán proměřeny v palivovém článku Quintech. Jako elektrod bylo použito uhlíkového papíru s Pt katalyzátorem, který je komerčně dodáván od společnosti ElectroChem pod označením EC-20-10-7 Pt. K měření sloužila elektronická zátěž Fuel cell monitor 2.0 od firmy H-tec. Jednotlivé membrány byly rozřezány na rozměry 3 x 3 cm, přičemž na každou stranu na střed membrány byly přiloženy elektrody o rozměrech 2 x 2 cm. Takto vzniklé MEA struktury (Membrane electrode assembly) byly vloženy do palivového článku. Následně bylo provedeno měření volt-ampérových a výkonových charakteristik palivového článku. Zjištěné hodnoty napětí naprázdno U0 a proudu nakrátko Imax jednotlivých membrán pro různé pracovní teploty jsou uvedeny v Tab. 2. Následně byly z naměřených hodnot odečteny hodnoty maximálního výkonu. Tyto hodnoty včetně hodnot proudů, odpovídajících maximálnímu výkonu membrány při různých pracovních teplotách, jsou uvedeny v Tab. 3. Tab. 2: Zjištěné hodnoty U0 a Imax pro jednotlivé membrány Pracovní teplota Označení membrány Nafion 115 PVA 1B PVA 2B PVA 3B PVA 4B

teplota okolí U0 Imax [V] [mA] 0,894 192 0,876 196 0,906 42 0,884 86

30 °C U0 [V] 0,895 0,88 0,906 0,882

40 °C

50°C

Imax U0 Imax [mA] [V] [mA] 0,8 113 230 0,9 293 217 0,884 290 39 0,917 47 100 0,902 123

U0 [V] 0,84 0,902 0,893 0,934 0,911

Imax [mA] 191 393 369 54 118

60 °C U0 [V] 0,999 0,902 0,895 0,935 0,918

Imax [mA] 151 519 463 53 88

70 °C U0 [V] 0,999 0,903 0,892 0,932 0,916

Imax [mA] 169 613 533 29 89

80 °C U0 [V] 0,903 0,884 0,92 0,924

Imax [mA] 105 570 18 113

Tab. 3 : Zjištěné hodnoty maximálního výkonu a jim odpovídajíc hodnoty proudu Pracovní teplota Označení mebrány

Nafion 115 PVA 1B PVA 2B PVA 3B PVA 4B

teplota okolí

30 °C

I Pmax I Pmax [mA] [mW] [mA] [mW] 109 42 126 53 116 44 129 53 24 12 29 12 33 13 59 22

40 °C I Pmax [mA] [mW] 102 46,5 186 69 198 74 36 16 81 36

50°C

60 °C

I Pmax I Pmax [mA] [mW] [mA] [mW] 181 76,75 138 61,2 232 100 352 142 234 101 336 131 42 21 43 22 114 46 79 40

70 °C

80 °C

I Pmax I Pmax [mA] [mW] [mA] [mW] 157 67,92 390 172 600 270 367 157 393 179 28 18 18 12 86 44 126 57

Rovnovážné napětí palivového článku bylo u měřených PVA membrán nižší než u palivového článku s membránou Nafion 115. Z naměřených výsledků je patrné, že nejlepších výsledků bylo dosaženo u PVA membrány označené 1B, kdy výkon a výstupní proud palivového

109

článku byly lepší než při užití komerční membrány Nafion 115. Průběhy volt-ampérové charakteristiky pro palivový článek, ve kterém byla užita membrána 1B jsou uvedeny na Obr. 2 a průběhy výkonové charakteristiky viz Obr. 3. Pro měřené membrány je třeba zajistit potřebné zvlhčení. V okamžiku, kdy dojde k jejich vysušení, klesá vodivost membrán. V případě, že dojde k jejich opětovnému zvlhčení, začne výkon palivového článku opět narůstat. Tento jev bylo možné pozorovat při měření membrány PVA 4B, která při překročení 50 °C začala ztrácet na výkonu. Následně však při teplotách 70 °C a 80 °C její výkon začal vzrůstat. 1000

teplota okolí 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C 70 °C 80 °C

U [mV]

800

600

400

200

0 0

200

400

600

800

1000

I [mA]

Obr. 2: Volt-ampérových charakteristika palivového článku při užití PVA membrány 1B

300

250

P [mW]

200

150

teplota okolí 30 °C 40 °C 50 °C 60 °C 70 °C 80 °C

100

50

0 0

200

400

600

800

I [mA]

Obr. 3: Výkonová charakteristika palivového článku při užití PVA membrány 1B

110

Závěr: PVA membrány měřené v tomto článku se zdají být slibné pro použití v PEMFC palivových článcích. Jako nejvhodnější se jeví membrány PVA 1B a PVA 2B, u kterých bylo dosaženo nejvyšší vodivosti. Pro jejich zajištění jejich dobré vodivosti je třeba zajistit jejich vhodné zvlhčení, či zajistit, aby nedocházelo k jejich vysychání. Velkou měrou se na vodivosti PVA membrán podílí i jejich tloušťka nejlepší vodivosti a následně i výkonu palivového článku bylo dosaženo při užití silnějších membrán. Poděkování Tato práce byla podporovaná grantem č. FEKT-S-11-7 a projektem CVVOZE č. CZ.1.05/2.1.00/01.0014 Literatura [1]

[2] [3] [4]

[5] [6]

ŠUBARDA, J.; NOVÁK, V.; PLÉHA, D. Katalyzátor na bázi MnOx pro palivové články a studium jeho vlastností metodou křemenných mikrovah (EQCM). Elektrorevue - Internetový časopis (http://www.elektrorevue.cz), 2012, roč. 2012, č. 12, s. 12- 1 (12-4 s.)ISSN: 1213- 1539. NOVÁK, V.; Katalyzátory na bázi MnOx pro palivové články, habilitační práce; Brno: FEKT VUT, 2008, 76 s. HORÁK, B., SZELIGA, Z., KOPŘIVA, M.; Studie instalace vysokoteplotního palivového článku, Ostrava: FEI VŠB – TUO, 2005, 121 s. CHLADIL, L.; KUNOVJÁNEK, M.; MUSIL, M. STABLE PVA MEMBRANES FOR ALKALINE FUEL CELLS. In Advanced Batteries Accumulators and Fuel Cells 12th ABAF Proceeding of the ABAF- 12 Meeting. Brno: Brno University of Technology, 2011. s. 42-46. ISBN: 978-80-214-4357- 0. Spiegel, C; Designing and Building Fuel Cells, McGraw-Hill, 2007, první vydání, ISBN: 0071489770 / 9780071489775, 434 s. KUNOVJÁNEK, M.; MUSIL, M. Metodika posuzování kvality přípravy PVA membrán. In 32. Nekonvenční zdroje elektrické energie. Hrotovice: Tribun EU s.r.o., 2011. s. 72-74. ISBN: 978-80-02-02323- 4.

111


26

VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY Josef Máca Vysoké Učení Technické v Brně, e-mail: [email protected] Abstrakt V době kdy se stále více bere ohled na životní prostředí je potřeba nalézat i tzv. zelené zdroje elektrické energie. Vedle fotovoltaických panelů, které zažily velký rozmach v posledních letech, je další možností využití větrné energie. Vývojem v konstrukci a uspořádání se podařilo odstranit většinu problémů a neblahých vlivů hlavně na populaci žijící v těsné blízkosti větrných elektráren. Tento článek se pokusí stručně odůvodnit využití větru a uvést přehled nejčastějších větrných turbín. Úvod Pro relativně stabilní teplotu na naší planetě je důležitá energetická bilance mezi přijatou a spotřebovanou energií. Hlavní zdroj energie této planety je Slunce, jen velmi malou měrou přispívá geotermální energie jak je vidět na obrázku 1. Proč právě větrná energie? Dvě procenta z celkového vstupu jsou přeměněna na vítr a to 3600 TW což je přibližně 1500 krát více, než byla světová spotřeba elektrické energie v roce 2010[1,2].

Obr. 1: Energetická bilance Země[1] Typy větrných elektráren Sila větru byla využívána už v dávných dobách hlavně pro pohon plachetnic. Velké využití měli větrem poháněné mlýny v Persii, ze které se poté rozšířily po celém islamistickém území a Číny. V Evropě se větrné mlýny objevily až v jedenáctém století a o dvě desetiletí později se staly důležitým nástrojem hlavně v Holandsku. K rozvoji západní Ameriky velkou měrou přispěly větrem poháněné vodní pumpy, mlýny a pily. Nástupem parních motorů bylo využívání větru značně omezeno. První významná větrná turbína, postavena speciálně pro výrobu elektrické energie, byla vyrobena Charlesem Brush v Clevlandu, Ohaio. Elektrárna pracovala 12 let od roku 1888 do roku 1900 a dodávala elektřinu pro jeho panské sídlo[1].

112

Větrné turbíny s pastí U těchto turbín je vítr nucen proudit v daném směru a je jednoduše směřován na povrch tak jako u plachetnic. Je samozřejmé, že se povrch, na který vítr dopadá, nemůže pohybovat rychleji než samotný vítr. Stará Perská turbína byla turbína s pastí kde k vertikální ose byly připevněny horizontální ramena a poblíž krajů ramen byla postavena svislá stěna, diky které byl vítr směřován na lopatky turbíny. Šikmá stěna nutila vítr působit pouze na jednu stranu turbíny a vytvářela tak moment síly obrázek 2a[1]. Nejznámější moderní a také nejjednodušší turbína tohoto typu je tzv. Savoniova turbína obrázek 2b. K rotaci dochází tak že vypouklá strana nabízí menší plochu pro zachycení větru než vydutá strana. Pro větší účinnost okraje lopatek směřují až za střed rotace a tím umožňují průtok media na zadní stranu. Savoniovy turbíny bývají použity jako senzory v anemometrech nebo jako startéry pro turbíny se svislou osou[1,3].

Obr. 2: a) konstrukce Perské turbíny - pohled z vrchu, b) konstrukce Savoniovy turbíny Vztlakové větrné turbíny U vztlakových zařízení, vítr generuje sílu kolmou na svůj směr. Nejznámější jsou větrné turbíny s horizontální osou (obrázek 3a), bývají v provedení s trychtýřem pro nasměrování větru (hlavně menší elektrárny s nižšími výkony) nebo bez (velké elektrárny s vysokými výkony). U těchto turbín se list rotoru může pohybovat mnohem rychleji než samotný vítr, který na něj působí. Všimněme si, že vrtule pohánějící hřídel, která dodává energii je vysoko nad zemí. Toto si vyžaduje dva typy řešení: buď je generátor elektřiny umístěn na vrcholu stožáru za vrtulí, nebo je síla, pomocí dlouhé tyče s příslušnými ozubenými koly, přenesena ke generátoru, který je umístěn na zemi. První řešení vyžaduje mohutnější stožár a upřednostňuje se, protože přenos mechanické síly na velké vzdálenosti je složitý a nákladný. Instalace generátoru na vrchol stožáru ale zvyšuje hmotnost celé části, která se musí otáčet při změně směru větru. Některé větrné turbíny mají vrtule ve směru po proudu nebo proti proudu vzduchu. Bylo zjištěno, že umístění proti proudu vzduchu snižuje hlučnost celého zařízení. Svislé uspořádání turbíny neumožnuje jenom umístění generátoru na zem ale není třeba systém natáčet pokaždé při změně větru – jedná se o vztlakové turbíny se svislou osou. Na obrázeku 3c je znázorněna větrná turbína zvaná Gyromill, turbína by byla schopna vyrobit až 120 kW, nebyla však nikdy komercializována. Hlavní nevýhoda je odstředivá síla, která způsobuje permanentní stres na listy turbíny. Elegantní cesta jak odstranit tento stres je vytvarovat listy do křivky rotujícího lana upevněného na vrcholku a spodku rotující hřídele.

113

Turbíny s listy ve tvaru křivky „troposkin“ poprvé navrhl francouzský inženýr Derrieus, podle něhož se tyto turbíny nazývají (obrázek 3b)[1,4].

Obr. 3: a) větrná elektrárna s horizontální osou, b) větrná elektrárna Derrieus, c) větrná elektrárna Giromill Větrné turbíny pracující na Magnusově jevu V dostatečné vzdálenosti od rotující tyče není proud vzduchu narušen; tedy se pohybuje rychlostí větru. Jakmile se ale dostane do kontaktu s tyčí, vzduch se po jedné straně pohybuje v opačném směru, než je směr větru, drsnost povrchu tyče způsobuje tření, které strhává vzduch ve směru své rotace. Rychlost tohoto vzduchu je stejná jako rychlost tyče a vznikne gradient rychlosti. Na opačné straně tyč urychluje vzduch, po směru své rotace. Vzduch poté proudí rychleji, než je rychlost větru. Podle Bernoulliova zákona vyšší rychlost vzduchu na jedné straně způsobí pokles tlaku než pomalejší vzduch na protější straně a vzniká síla působící na tyč. Vznik této síly, výsledek aerodynamické reakce na rotující předmět, se v , kde je úhlová rychlost tyče a v je nazývá Magnusův jev obrázek 4a. Síla je úměrná rychlost větru. Magnusův jev kromě jiného způsobuje i zakřivení letu míčku v baseballu. Zařízení na Magnusově jevu byly navrženy pro nízké rychlosti větru, pracují od rychlosti 3 m∙s-1 při průměrné rychlostí větru 6 m∙s-1 je výstupní výkon 20 kW a turbína pracuje s účinností větší než 50% obrázek 4b[1,5,6].

114

Obr. 4: a) Magnusův jev, b) koncept větrné turbíny pracující na Magnusově jevu Poděkování Tato práce byla podporovaná projektem FRVŠ 2227/2012/G1 Měřící pracoviště pro zkoumání charakteristik energie větru a jeho aplikace do výuky a specifickým výzkumem FEKT-S-11-7 Materiály a technologie pro elektrotechniku. Literatura [1] [2]

[3] [4]

[5] [6]

Da Rosa Aldo V. Fundamentals of Renewable Energy Processes, 2nd Edition. Elsevier 2009, 818 stran, ISBN: 978-0-12-374639-9. International Energy Statistics [online] URL: [cit. 2012-4-22]. Akwa J. V., Vielmo H. A., Petry A. P., A review on the performance of Savonius wind turbines, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 3054– 3064. Ohya Y., Karasudani T., Sakurai A., Abe K., Inoue M. Development of a shrouded wind turbine with a flanged diffuser, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96 (2008) 524–539 Mecaro [online] URL:< http://www.mecaro.jp/eng/> [cit. 2012-4-29]. Drábková S. a kolektiv, Mechanika tekutin, Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava. Učební text 260 stran.

115

27


APLIKACE CAE SYSTÉMŮ PŘI NÁVRHU CHLAZENÍ KONCENTRÁTOROVÝCH SOLÁRNÍCH PANELŮ Petr Vyroubal, Jiří Maxa, Marek Solčanský, Jiří Vaněk Ústav elektrotechnologie, FEKT VUT v Brně, [email protected], [email protected].

Technická

10,

61600

Brno,

Abstrakt CAx systémy poskytují komplexní softwarové řešení pro návrh, vývoj, výrobu a management produktu (Product Lifecycle Management - PLM) od jeho vzniku až po skončení jeho životnosti. Jejich pracovní prostředí využívá systémy pro podporu technické dokumentace (CAD), systémy pokrývající oblast NC obrábění (CAM) a obecně systémy pro podporu inženýrských prací (CAE), společně pak tvoří Product Data Management (PDM). Návrh a optimalizace chladícího zařízení pro odvod tepla koncentrátorových solárních článků je realizován pomocí těchto systémů, což přináší nesporné výhody. Výrobek je otestován na svoji funkčnost a je podroben analýzám proudění tekutiny a přestupu tepla, aniž by bylo nutné vůbec zahájit jeho výrobu a pomocí experimentálního testování tento systém ladit. Úvod Fotovoltaické koncentrátory jsou systémy používající čočky nebo zrcadla ke koncentrování slunečních paprsků na fotovoltaický článek. Díky tomu můžeme menší velikosti fotovoltaického článku dosáhnout požadovaného výkonu odpovídající velkoplošným panelům a také díky energeticky výhodnějšímu pracovnímu bodu koncentrátorového systému nepatrně zvýšit celkovou účinnost energetické přeměny. Díky tomuto lze v solárních systémech využít i výkonnějších fotovoltaických článků, které by byly bez použití koncentrátoru příliš drahé v poměru ke generovanému výkonu. Bohužel koncentrování slunečního záření přináší ale i nevýhody spojené s větším zahříváním. Světelné záření je přeměněno na elektrickou energii pouze z části, zbývající větší část se přemění na tepelnou energii. Pokud není toto teplo pomocí přídavných chladících komponent odváděno, dochází k poklesu účinnosti energetické přeměny a při překročení mezní teploty může dojít u systémů s velkou koncentrací až k totálnímu celkovému zničení. Koncentrátorové solární systémy Koncentrátorové systémy používají stejné materiály pro výrobu článků jako tradiční fotovoltaické panely. Jedná se tedy o články z krystalického křemíku, tzv. první generace (účinnost přeměny 16 až 19 %, speciální struktury až 24 %), GaAs články, tzv. druhé generace (účinnost obecně pod 10%), tenkovrstvé články či články s více PN přechody, tzv. třetí generace (zatím ve stádiu vývoje). Konstrukce systémů je rozmanitá a proto se nároky kladené na články značně liší. Malé koncentrace umožňují použít buď standartních panelů či

116

vhodně uložených standartních článků, u koncentrací v řádu desítek či stovek sluncí však již nejsou takovéto články vhodné. Používají se proto články navrhnuté speciálně pro tyto aplikace. Nároky na koncentrátorové články jsou vyšší, než na ty standartní. Jedná se především o zvýšené teplotní namáhání a velké proudové hustoty v článku dané osvitem o několik řádů vyšším než bez koncentrace. Vliv teploty na články Standartní články určené pro aplikace bez koncentrace je přesto možné použít. Jejich účinnost je přibližně o 10% vyšší (při koncentraci 10 sluncí). Při vyšší koncentraci však výrazně narůstají odporové ztráty. Účinnost článku se tedy bude zvyšovat pouze do určité hodnoty koncentrace, po jejím dosažení bude účinnost opět klesat. Také výrazně poroste teplotní namáhání a proudy článkem. Z tohoto důvodu je jejich použití omezené a při vyšších koncentracích je vhodné použití speciálních článků. Tyto články pak dělíme na články s nízkou koncentrací (2 až 100 sluncí), články se střední koncentrací (100 až 300 sluncí) a články s vysokou koncentrací (300 nebo více sluncí).

Obr. 1: Vliv teploty na výkon FV článku a model navržené cely pro chlazení koncentrátorového FV článku Analýza pomocí systému SolidWorks FloSimulation Analyzovaný chlazený model vycházel z koncepce tvaru funkčního modelu vyrobeného a zkoumaného na Ústavu elektrotechnologie FEKT VUT Brno. Analyzovány byly prozatím 4 varianty pro zjištění vlivu charakteristických změn v koncepci: Základní verze – jednoduchý tvar funkčního modelu. Poloviční průtok chladícího media na základní verzi pro zjištění vlivu změny velikosti průtoku chladícího média. Náběžná hrana a zaoblené rohy pro zjištění vlivu změny aerodynamiky tvaru. Přívod media 16-ti otvory, zaoblené rohy pro zjištění vlivu změny charakteru přítoku a odtoku chladícího média. Okrajové podmínky: Vstup chladícího média: Výstup chladícího média: Horní povrch skleněné desky:

Objemový tok: 0,00005 m3/s, teplota 20,05 oC Výtok do atmosféry – Statický tlak: 101325 Pa Surface Heat Generation Rate: 15000 W/m2.

117

Výsledky testovaných verzí – dosažená maximální teplota na solárním panelu Z analýz je možné vytěžit několik poznatků, které budou základem pro další vývoj. Verze

Maximální dosažená teplota [°C]

Základní verze

25

Poloviční průtok chladícího media na původní verzi

28

Náběžná hrana a zaoblené rohy

25,7

Přívod media 16ti otvory, zaoblené rohy

24,2

Základní verze má nevýhodu tvorby vírů způsobené kolmou plochou proti vstupnímu otvoru. Jak je patrné z obr. 2, toto zavíření má tendenci způsobovat lokální přehřátí panelu.

Obr. 2: Základní verze s průběhem teploty v ose modelu Největší vliv na maximální teplotu na fotovoltaickém článku má snížený průtok chladícího media, který sice ve výsledku není tolik výrazný, ale dle grafického zobrazení na obr. 3 je patrné, že již v blízkém okolí článku teplota media silně stoupá.

Obr. 3: Verze s polovičním průtokem media s průběhem teploty v ose modelu Konstrukce náběžné hrany odstraňuje problém, který je u základní verze se zavířením a hrozbou lokálního přehřátí, jinak na ostatní průběh chlazení nemá dále výraznější vliv.

118

Obr. 4: Verze s náběžnou hranou a zaoblenými rohy s průběhem teploty v ose modelu Konstrukce se 16-ti otvory prokázala vyrovnané proudění po celém chlazeném profilu, ale vzhledem k charakteru má tato varianta sklony k pomalejšímu odvodu tepla, další analýza by patrně prokázala, že by nebylo možné snížit objem průtoku.

Obr. 5: Verze s přívodem media 16-ti otvory s průběhem teploty v ose modelu Závěr Uvedené první analýzy se staly východiskem k navržení efektivní konstrukce funkčního modelu směřujícímu k minimalizaci vzdálenosti článku od horní skleněné desky a minimalizaci průtoku chladícího media k dosažení jak efektivnosti, tak i ekonomičnosti provozu. Poděkování Tato práce byla vytvořena za podpory projektu CVVOZE CZ.1.05/2.1.00/01.0014 a grantem FEKT-S-11-7. Literatura [1] [2] [3] [4]

Vaněk, J., Stojan, R. Concentrator Photovoltaic Systems. In Proceeding of the ABAF12 Meeting. Brno, CZ: ABAF, 2011. s. 159-164. ISBN: 978-80-214-4357- 0. http://cleantechnica.com/2011/04/19/solar-junction-breaks-concentrated-solar-worldrecord-with-43-5-efficiency/ Markvart, T., Castañer, L.: Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation, 2005, Elsevier Ltd., Velká Británie Luque, A., Andreev, M.: Concentrator photovoltaics, 2007, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Německo

119


28

VYUŽITIE NETRADIČNÝCH MATERIÁLOV PRE SOLÁRNE VZDUCHOVÉ APLIKÁCIE

Peter Tauš1), Ivan Hovorka1) 1)

Technická univerzita v Košiciach, Fakulta baníctva, ekológie, riadenia a geotechnológií, ÚPaM, Pracovisko obnoviteľných zdrojov energie, Park Komenského 19, 042 00 Košice , e mail: [email protected], [email protected] Summary: Príspevok sa zaoberá výsledkami analýz prebiehajúceho výskumu a vývoja nízkonákladového solárneho vzduchového kolektora tvoreného z recyklovaných plastov. Key words: solárny vzduchový kolektor, energia, kolektor, obnoviteľné zdroje energie, vykurovanie, teplovzdušné vykurovanie. Úvod Zariadenia slúžiace na výrobu čistej energie zo slnečného žiarenia priaznivo vplývajúce na znižovanie znečisťovania životného prostredia nie sú žiadnou novinkou. Potvrdzuje to i využívanie solárnych kolektorov pracujúcich na princípe ohrevu vzduchu, kedy už koncom 20. storočia bol v USA zaregistrovaný prvý patent solárneho vzduchového ohrievača. So vzduchovým teplonosným médiom pracujúce slnečné kolektory, predstavujú finančne efektívny spôsob zníženia spotreby energie používanej na ohrev čerstvého vzduchu, resp. môžu poskytnúť užitočné množstvo tepla do priestorov, ktoré nemajú pasívne solárne zisky. V záujme zlepšovania kvality ovzdušia interiéru sa zvyšuje množstvo privádzaného čerstvého vzduchu a s tým sa dá eliminovať súvisiace zvýšenie spotreby energie na vykurovanie v chladnejších obdobiach i oblastiach. V ostatnom čase stúpa spolu s konkurenciou producentov na trhu i záujem o vzduchové kolektory v západnej Európe, čím je množstvo firiem nútených, aby zdokonaľovali a zlepšovali solárne systémy a predávali ich za dostupné ceny konečným spotrebiteľom, pretože tí hľadajú spoľahlivé riešenie ako ušetriť čo najväčšie množstvo finančných prostriedkov priamo úmerne so znižovaním spotreby energií a ako získať čistú energiu zo slnečného žiarenia pri zabezpečení rýchlej návratnostivstupnej investície. V súčasnosti na fakulte Baníctva, ekológie, riadenia a geotechnológií Technickej Univerzity v Košiciach prebieha výskum a vývoj predmetnej technológie. Prototypy nízkonákladových vzduchových kolektorov vyrobené na báze recyklovaného plastu s možnosťou modulovej inštalácie sú zhotovované v Centre obnoviteľných zdrojov energie v rámci projektu Centrum výskumu účinnosti integrácie kombinovaných systémov obnoviteľných zdrojov energií s

120

kódom ITMS: 26220220064, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja. Cieľom riešeného projektu je navrhnúť spoľahlivý prototyp vzduchového kolektora, ktorý pozostáva z recyklovaného materiálu, v našom prípade 100 % recyklovaného polypropylénu PPRE, spĺňa podmienky modulárnosti prototypu, jeho nízkonákladovej výroby, maximalizácie výkonu a bezobslužnej prevádzky. Prierez výskumom solárních vzduchových Tvarom i čiastočne konštrukciou môžeme vzduchové kolektory prirovnávať ku kvapalinovým kolektorom. Princíp získavania, resp. preberania tepla je pri riešenej technológii taktiež obdobné, pretože je odoberané z absorbéra, avšak k prenosu tepla do média nedochádza v jeho vnútri ale na povrchu. Kvapalinové a vzduchové kolektory pracujú s dvoma odlišnými médiami s rozdielnymi fyzikálnymi vlastnosťami, ktoré ovplyvňujú ich celkové technologické prevedenie. Vzhľadom na nízku špecifickú tepelnú kapacitu vzduchu si vzduchové kolektorové systémy vyžadujú pre prenos tepla veľké objemové prietoky a z toho vyplývajúce i veľké priemery vzduchovodných potrubí. Čo sa pri veľkých – halových inštaláciách, ktoré sú napojené na vzduchotechnický systém, v podstatnej miere prejaví v navýšení vstupných investícií. Taktiež vzniká problém pri akumulácii energie vzduchu kvôli jeho nízkej hustote energie, pričom je možná len prostredníctvom akumulácie v inom médiu, napr. v štrku, betóne alebo vode. Avšak vzduch sa ohrieva rýchlejšie ako voda, tým solárne vzduchové kolektory majú aj pri nízkej intenzite dopadajúceho žiarenia schopnosť ohriať vzduch na teplotu postačujúcu k teplovzdušnému vykurovaniu, resp. vetraniu alebo k predhrevu vzduchu k teplovzdušnému vykurovaniu. Pri väčších inštaláciách podmienený rekuperáciou môže takýto spôsob vykurovania zlepšiť hygienické podmienky v interiéri, ktoré sú zabezpečené kontrolou kvality privádzaného vzduchu. [1] Projekt je rozdelený vzhľadom na časovú i materiálovú náročnosť do niekoľkých etáp. V prvej etape boli stanovené konštrukčné parametre jednotlivých variantov vzduchových kolektorov tvorených dvoma základnými konštrukciami bez perforácie absorbéra, a to netransparentným kolektorom a kolektorom s transparentným krytom, kde pre zabezpečenie priehľadnosti krytu sme zvolili ako jediný nerecyklovaný materiál z celej konštrukcie plexisklo. Všetky návrhy sú podložené 3D vizualizáciou i technickými výkresmi, na obrázku 4 je možné vidieť konkrétny variant s rozmermi 100x50x3 centimetre v 3D zobrazení návrhu.

Obr. 1: Vizualizácia transparentného kolektora

121

V ďalších fázach budú konštruované kolektory s totožnými rozmermi, avšak s perforáciou absorbéra pre zvýšenie prietoku vzduchu i kolektora s dvojitou vzduchovou medzerou s transparentným i netransparentným krytom, pričom všetky prototypy budú napojené na vzduchotechnickú jednotku. Prívod ohriateho vzduchu z kolektorov bude pomocou pozinkovaných rúr a izolovaných flexi hadíc kruhového prierezu s priemerom 200 a 250 milimetrov privádzaný do centrály vzduchotechniky. Pre náš systém nastavená riadiaca jednotka umožňuje pracovať v dvoch okruhoch, kde prvý vháňa teplý vzduch do interiéru dielní a druhý slúži iba na meranie skúmaných veličín, keďže v letných mesiacoch môže byť teplota z kolektorov privádzaného vzduchu značne vysoká, čiže nevyužiteľná a teda vzduch je bez využitia vypúšťaný cez vyúsťovaciu rúru do exteriéru. Na základe podrobných analýz získaných dát skúmaných kolektorov pomocou čidiel pripojených do meracej centrály zaznamenávajúcej prevádzkové parametre spolupracujúcej so vzduchotechnickou jednotkou, v súčasnosti inštalovanou, budú sumarizované výsledky slúžiť ako základňa pre optimalizáciu konštrukčných parametrov finálnych prototypov predurčujúcich čo najlepšie dosiahnutie stanoveného cieľa výskumu, teda optimalizáciu premeny slnečného žiarenia na teplo vzduchu s jeho rýchlosťou prúdenia naprieč kolektorom pri dodržaní jeho modulárnosti a nízkonákladovosti. [1] V súčasnosti sa projekt nachádza v závere prvej etapy, kedy po kompletizovaní kolektorov prebieha ich testovanie a zaznamenávanie dosiahnutých výsledkov. Na obrázku 3 je zobrazený finálny kolektor s transparentným krytom, ktorého konštruovanie spočívalo v zváraní jednotlivých polypropylénových komponentov a mechanickom prichytení plexiskla ku konštrukcii skrutkami.

Obr. 2: Finálny prototyp S-LUX TK Prvotné merania (Obr. 3) prebiehali počas slnečného dňa s teplotou 8,9°C pomocou termovíznej kamery Flir T335 a bezdotykovým teplomerom Testo AG 845 s teplotnou sondou, pričom hlavnými meranými veličinami bola teplota krytu kolektora a teplota ohrievaného vzduchu prúdiaceho vzduchovou medzerou, ktoré následne umožňovali odvodiť ich celkovú závislosť.

122

Obr. 3: Priebeh meraní prevádzkových parametrov Na základe hodnôt získavaných počas 15 minútových intervaloch meraní sme zistili, že kryt oslneného solárneho kolektora s netransparentným krytom dosiahol teplotné navýšenie až o 32,2°C, teda z 8,9°C až na 41,1°C. Pri spracovávaní hodnôt meraní priehľadného krytu sme zaznamenali zvýšenú teplotu len o 8,4°C, ktorá dosiahla 17,3°C. Nami predpokladaná lepšia účinnosť transparentných kolektorov sa prejavila pri teplote vzduchu prúdiaceho vzduchovou medzerou, kde sa teplota zvýšila o 23,3°C, teda teplota vzduchu dosiahla 32,2°C. Pri netransparentnom generátore sme namerali teplotu 22,6°C. Pre lepšiu názornosť je priebeh teplôt zobrazený v nasledujúcich tabuľkách.. Tab. 1: Sumárne hodnoty merania krytu Tab. 2: Sumárne hodnoty merania teploty kolektora vzduchu

Do grafov implementované hodnoty ilustrujú názornosť charakteru zvyšujúcej sa teploty. Môžeme konštatovať, že najväčší – skokový nárast teplôt nastal v prvých minútach meraní.

123

Kryt netransparentného kolektora sa ohrial za jednu minútu o 12,9°C, resp. vzduchová medzera transparentného kolektora o 9°C. Následne dosiahol nárast teploty okrem záveru relatívne konštantný priebeh. Avšak akékoľvek chvíľkové zatienenie kolektorovej plochy sa vo väčšej miere prejavuje u generátorov bez transparentného krytu.

Obr. 4: Priebeh teplôt meraných na kryte kolektora

Obr. 5: Priebeh teplôt prúdiaceho vzduchu vzduchovou medzerou Z uvedených hodnôt je zrejmé, že kolektor s priehľadným krytom je za rovnakých prevádzkových podmienok účinnejší, teda energeticky využiteľnejší. Namerané údaje dokazujú jeho väčšie tepelné zisky využiteľné pri teplovzdušnom vykurovaní. Závislosť teploty krytu kolektora s teplotou vzduchu prúdiaceho transparentným kolektorom (Obr. 6) nie je významná, nakoľko vplyv na ohrev má absorbér, ktorého teplota je len o niečo menšia ako teplota krytu netransparentného generátora. Keďže teplota vzduchu dosiahla 32,2°C, teplotný rozdiel medzi meranými veličinami je 14,9 °C. Naopak, kryt nepriehľadného kolektora ohriaty až na 41,1°C priamoúmerne zvyšuje teplotu vzduchu (Obr. 7) .

124

Obr. 6: Závislosť teplôt pri transparentnom kolektore

Obr. 7: Závislosť teplôt pri netransparentnom kolektore

Záver Môžeme konštatovať, že v súčasnej energeticky náročnej spoločnosti môže aj takýto zdroj „zelenej energie“ prispieť k znižovaniu spotreby energie vyrobenej z tradičných, teda fosílnych palív. Vzduchové solárne kolektory môžeme vzhľadom na relatívne finančnú i technologickú nenáročnosť považovať ako alternatívu ku kvapalinovým systémom. Je pravdou, že teplovzdušné vykurovanie pomocou solárnych vzduchových kolektorov nemôže zabezpečiť v našich podmienkach samostatné vykurovanie počas celého roka, avšak aj takýto doplnkový zdroj tepla je schopný zabezpečiť značnú úsporu finančných prostriedkov. Doterajšie výsledky meraní nám ukazujú, že kolektory s transparentným krytom sú účinnejšie i bezpečnejšie, pretože kryt netransparentného kolektora môže dosiahnuť počas horúcich letných dní teplotu prevyšujúcu 80°C. Správanie sa plastov počas extrémnych teplôt bude predmetom dlhodobého pozorovania predmetných kolektorov.

125

Poďakovanie „Tento príspevok vznikol vďaka podpore v rámci operačného programu Výskum a vývoj pre projekt: Centrum výskumu účinnosti integrácie kombinovaných systémov obnoviteľných zdrojov energií, s kódom ITMS: 26220220064, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.“

„Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku/Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ.“ Použitá literatúra [1]

[2] [3] [4]

[5] [6] [7] [8]

[9]

126

TAUŠ, P – HOVORKA, I. – KRISTÓFOVÁ, D.: Analýza prevádzkových parametrov prototypov slnečných vzduchových kolektorov na báze recyklovaných plastov. In: Techcon. roč. 7, 2012, č. 2. ÁLLÓ, Š.: Vzduchové kolektory domov [online]. [cit. 2011-10-20]. Dostupné na internete:< http://www.windpower.sk/?a=article&id=376>. FILLEUX, V. – GUTTERMANN, A.: Solární teplovzdušní vytápění. Ostrava: HEL, 2006. 176 str. ISBN 80-86167-28-3. DOSTÁL, Z. – BOBEK, M. – ŽUPA, J. – HEREC, I.: Merač slnečného žiarenia s článkom SMA1. Zborník konferencie „28. Netradičné zdroje elektrickej energie“, Veselí nad Lužnicí, 11. – 13. 9. 2007, str. 36 – 44. ISBN 978-80-02-01961-9 Azariová, K. – Horbaj, P. – Jasminská, N.: Zníženie energetickej náročnosti budov, In: EKO - ekologie a společnost. Vol. 21, no. 3 (2010), p. 27-28. - ISSN 1210-4728 Kostúr, K. – Laciak, M. – Truchlý, M.: Systémy nepriameho merania, 1. vyd - Košice : Reprocentrum, - 2005. - 173 s. - ISBN 80-8073-273-6. Jandačka, J. – Papučík, Š. – Kapjor, A. – Nosek, R.: Kombinované zdroje tepla; ibd journal 1/2011, str. 33-34, ISSN 1338-3337 TKÁČ, J.: Meranie intenzity slnečného žiarenia s využitím prostredia LabWiev. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7. 10. 2011, s. 117-126. ISBN 978-80-554-0427-1 Pilát P. – Patsch, M. – Malcho, M.: Solar heat utilization for adsorption cooling device, In: Experimental fluid mechanics 2011: proceedings of the international conference: November 22.-25, 2011, Jičín, Czech Republic. - Liberec: Technical University, 2011. - ISBN 978-80-7372-784-0. - S. 919-922.


29

NÁVRH VETERNEJ AKUMULAČNEJ LAMPY Dušan Kudelas a Martina Urbanová doc. Ing. Dušan Kudelas, ÚPaM, Fakulta BERG TU Košice, Park Komenského 19, Košice, e-mail: [email protected] Ing. Martina Urbanová, ÚPaM, Fakulta BERG TU Košice, Park Komenského 19, Košice, e-mail: [email protected] Abstrakt Cieľom je načrtnúť možnosť využívania veternej energie pre potreby verejného osvetlenia s využitím Savoniusovho rotora. Osobitne je riešený návrh cestnej lampy verejného osvetlenia, ktorý obsahuje popis jej jednotlivých častí ako aj schematický nákres. Úvod Verejné osvetlenie je nielen súčasťou koloritu každého mesta alebo obce, ale je aj neodmysliteľnou súčasťou dopravného systému. Značnou časťou sa podieľa na výdavkoch samospráv. S rastom cien za spotrebovanú elektrickú energiu osvetľovacou sústavou rastie i požiadavka sebestačnosti v jej získavaní. V súčasnosti prebieha v rámci celého územia Slovenska rekonštrukcia verejného osvetlenia, ktoré sa upravuje podľa implementovanej európskej normy. Existuje viacero typov pouličných lámp, ktoré na svoju činnosť využívajú obnoviteľné zdroje energie. Náš návrh predstavuje lampa verejného osvetlenia s veterným agregátom – Savoniusovým rotorom. Konštrukcia pouličnej lampy Vo všeobecnosti je osvetľovacia sústava tvorená súborom prvkov a technických prostriedkov na zabezpečenie správneho osvetlenia ako napríklad svetelné zdroje, svietidlá, stožiare s elektrovýzbrojou, elektrické vedenia, rozvádzače a pod. [1]. Verejné osvetlenie na Slovensku je tvorené viacerými druhmi osvetľovacích stožiarov pričom najpoužívanejšie sú betónové a oceľové. Svietidlá sa na tieto typy umiestňujú pomocou výložníka, ramienka s rôznymi uhlami alebo priamo [1]. Základné rozmerové parametre stožiarov sú vyznačené na Obr. 1.

127

Obr. 1: Základné rozmerové parametre stožiara [1]. Ako svetelné zdroje sa v súčasnosti používajú žiarivky, žiarovky, výbojky, kompaktné žiarivky, LED diódy a ďalšie druhy. Savoniusov rotor Savoniusov rotor patrí medzi zariadenia s vertikálnou osou otáčania - VAWT. Listy rotorov s vertikálnou osou otáčania sú dlhé, zaoblené a na oboch koncoch pripevnené. Ich hlavnou prednosťou oproti zariadeniam s horizontálnou osou otáčania, je že nie potrebný systém natáčania na zachytenie prúdenia vetra v rôznych smeroch. Savoniusov rotor je pomalobežný veterný stroj. Je typom vertikálno-axiálnej veternej turbíny. Využíva rozdiel tlakov pri prúdení vzduchu na vypuklú a dutú polkruhovú lopatku, ktoré pri pohľade z hora majú tvar písmena „S“, Obr. 2 [2].

Obr. 2: Tlakový princíp činnosti Savoniusovho rotora [3].

128

Účinnosť tohto zariadenia sa pohybuje iba na úrovni η = 0,2, je však konštrukčne jednoduchý s dobrými rozbehovými vlastnosťami už pri malých rýchlostiach vetra a vyznačuje sa veľkým záberovým momentom [2]. Výhody a nevýhody použitia tohto typu rotora sú stručne charakterizované v Tab. 1. Tab. 1: Výhody a nevýhody Savoniusovho rotora výhody nevýhody nezávislosť na smere vetra mohutný vzhľad finančná nenáročnosť použitých materiálov vysoká hmotnosť priame predávanie sily na hriadeľ malá rýchlobežnosť využitie širokého spektra rýchlostí vetra nízky súčiniteľ využívanej energie možnosť spojiť viacero rotorov nedostatok literatúry vysoká odolnosť pri búrkach Prameň: Savoniův rotor - návod na stavbu V súčasnosti sú rozšírené konštrukcie s dvoma alebo troma krídlami, pri vyššom počte totiž dochádza k poklesu účinnosti. Lopatky sú polkruhovo zahnuté a osadené v strede do protismeru. Smer otáčania môže byť tak do pravej ako aj ľavej strany. Počet otáčok rotora závisí od jeho priemeru, zaťaženia a rýchlosti vetra. Schematický nákres jednotlivých častí je zobrazený na Obr. 3.

Obr. 3: Nákres častí Savoniusovho rotora [4]. Konštrukcia veternej akumulačnej lampy Nami navrhovaná cestná lampa s veterným agregátom pozostáva z oceľového stožiara s výškou 8 m a dĺžkou výložníka 1,5 m, ako je to vidieť na Obr. 4.

129

Obr. 4: Schematický nákres lampy verejného osvetlenia s veterným agregátom. Plocha rotora predstavuje 4 m2. Je nevyhnutné aby lopatky boli vyrobené z ľahkého materiálu, preto sa navrhuje ich zostrojenie z plastov s prímesou skleneného vlákna. Červenou farbou je označené napojenie svietidla, ktoré zabezpečuje prívod striedavého prúdu do svetelného zdroja. Ide o externý zdroj prívodu energie, pretože je spojený s centrálnou sieťou rozvodu elektrickej energie. Modrá farba znázorňuje prívod jednosmerného prúdu z akumulátora do svetelného zdroja získaného prostredníctvom Savoniusovho rotora. Žltou farbou je označené uloženie ozubeného prevodu, dynama, prvku so spínacou funkciou a batérie. Rotor je upevnený prostredníctvom klietkového priestorového hriadeľa ktorý prenáša točivý moment na prevodovku. Prevodovka s ozubenými kolesami slúži na premenu vstupného točivého momentu na rotačný pohyb. Umožňuje nám nastaviť viacero prevodových stupňov. Prenáša energiu na dynamo, ktoré premieňa mechanickú energiu získanú z rotora na elektrickú energiu čím vytvára jednosmerný prúd. Kvôli zabezpečeniu nepretržitej činnosti v čase prevádzky lampy je potrebné zabezpečiť prepínanie medzi akumulátorom a rozvodnou sieťou, ktoré zabezpečí prvok so spínacou funkciu. Tento prvok po vybití akumulátora, automaticky napojí svetelný zdroj na sieť rozvádzajúcu elektrickú energiu. Batéria sa nabíja priebežne počas 24 hodín. Konečný vzhľad takejto lampy v 3D môžeme vidieť na Obr. 5.

130

Obr. 5: Pohľad na veternú akumulačnú lampu v 3D. Výkon rotora Účinnosť Savoniusovho rotora je na úrovni 20 %. Pri určovaní celkového výkonu zariadenia, sme s ohľadom na tento fakt vychádzali zo vzťahu: 1 *cp * S * *u 3 2 Ps - výkon Savoniusovho rotora [W]

Ps

u 3 - horizontálna zložka rýchlosti vetra [u.m-1] - hustota vzduchu [kg.m-3] S - plocha rotora [m2] c p - výkonový súčiniteľ [-] Výkon zariadenia bude dosahovať hodnoty uvedené v Tab. 2. Rýchlosť vetra je v tabuľke v intervale 0,5 m/s.

131

Tab. 2: Výkon vetra prechádzajúceho plochou Savoniusovho rotora 4 m2 V m/s 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

V m/s 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12

P W 0,06 0,49 1,65 3,92 7,66 13,23 21,01 31,36 44,65 61,25 81,52 105,84

P W 134,57 168,07 206,72 250,88 300,92 357,21 420,11 490,00 567,24 652,19 745,23 846,72

P [W]

.

Pre lepšiu názornosť sú tieto údaje premietnuté do grafu, ktorý ukazuje teoretické 100 % zachytenie energie vetra a 20 % zachytenie energie rotorom Obr.6. 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5

u [m/s] výkon Savoniusovho rotora

výkon pri 100% využití energie

Obr. 6: Porovnanie 100% výkonu a výkonu Savoniusovho rotora s plocha 4 m2 Záver Na to aby sa pokryla celková potrebná doba svietenia, by bol potrebný rotor podstatne väčších rozmerov, použitie dvojstupňového rotora, alebo použitie kombinácie Savoniusovho a Darrieusovho rotora. Savoniusov rotor teda nepokryje celkovú potrebu elektrickej energie a svietidlo musí byť stále napojené na elektrickú sieť a to najmä v zimných mesiacoch. Avšak v jarných mesiacoch je spotreba energie dodávanej sieťou minimálna. Znížená spotreba elektrickej energie je spôsobená samotnými požiadavkami siete verejného osvetlenia, keďže v tomto období dochádza k skracovaniu času počas, ktorého je v prevádzke. Poďakovanie Tato práce bola podporovaná grantom VUKONZE

132

Literatúra [1]

[2]

[3] [4]

[5] [6]

Verejné osvetlenie [online]. 2005.[cit. 2012-04-26]. Dostupné z: http://www.verejneosvetlenie.sk/master/ Goinggreendiy.com [online]. 2009 [cit. 201004-01]. How To Build A Solar Panel. Dostupné z WWW: . KUDELAS, Dušan; RYBÁR, Radim; CEHLÁR, Michal. Energia vetra : prírodné, technické a ekonomické podmienky jej využitia. Vyd. 1. Košice : Edičné stredisko Fakulty BERG, 2009. 215 s. ISBN 978-80-553-0169-3. Goinggreendiy.com [online]. 2009 [cit. 2010-04-01]. How To Build A Solar Panel. Dostupné z WWW: . Temadictos.com [online]. 2008-12-11 [cit. 2011-04-26]. TEMEDICTOS beta. Dostupné z WWW: . SCHULZ, Heinz. Savoniův rotor - návod na stavbu. Ostrava : HEL, 2005. 80 s. ISBN 808-616-72-67. URBANOVÁ, Martina.: Návrh využitia veternej akumulačnej lampy. Bakalárska práca. Košice. Technická univerzita v Košiciach, FBERG, 2008- 58s.

133


30

NI-ZN AKUMULÁTORY Jiří Tichý, Petr Dvořák Ústav elektrotechnologie FEKT VUT v Brně, e-mail: [email protected] Abstrakt Příspěvek je zaměřen na shrnutí dosavadních poznatků o Ni-Zn akumulátorech, možnostech jejich použití, jejich základních výhodách a nevýhodách. Dále se věnuje některým možným cílům budoucího výzkumu zaměřeného na tento typ akumulátorů a problémům které je potřeba vyřešit. Úvod Přestože patenty popisující základní princip Ni-Zn akumulátoru pochází z let 1899-1901, NiZn akumulátory nejsou prozatím příliš používaným typem akumulátorů. Teoreticky přinášejí výhodu vyššího jmenovitého napětí než rozšířené Ni-Cd a Ni-MH akumulátory, nižší cenu a hmotnost, díky čemuž by se mohly stát nejrozšířenějším typem alkalického akumulátoru, nicméně v praxi jejich použití brání problémy značně zkracující jejich životnost. Ni-Zn akumulátory jsou alkalickými akumulátory s vodným elektrolytem, stejně jako Ni-Cd, nebo Ni-MH akumulátory. Hustota energie Ni-Zn akumulátorů se pohybuje mezi 70 až 110 Wh/kg a jejich teoretické napětí naprázdno je 1,73V. Tyto akumulátory jsou na rozdíl od Lithiových akumulátorů poměrně tolerantní k přebíjení i hlubokému vybíjení a není u nich tak vysoké riziko požáru.

Obr. 1: Cylindrický Ni-Zn článek [1]

134

Princip Ni-Zn akumulátoru Zjednodušené základní chemické reakce jsou velice podobné reakcím v Ni-Cd akumulátoru, pouze kadmium je nahrazeno zinkem. Elektrolytem je vodný roztok KOH. Reakce na záporné elektrodě při vybíjení: Zn + 2OH−

→

Zn(OH)2 + 2e-

Zn(OH)2 + 2OH–

→

ZnO2−2 + 2H2O

(2)

ZnO2–2 + H2O

→

ZnO + 2OH−

(3)

E0 = - 1,24 V (1)

Reakce na kladné elektrodě při vybíjení: 2NiOOH + 2H2O + 2e− → 2Ni(OH)2 + 2OH–

E0 = 0,49 V (4)

Celková reakce: 2NiOOH + 2H2O + Zn → Zn(OH)2 + 2Ni(OH)2

(5)

Problémy se zinkovou elektrodou Výhodou zinku je jeho nízká cena, nízká toxicita a nízký redoxní potenciál. Naopak velkou nevýhodou je, že produkty a meziprodukty vzniklé při vybíjení (hlavně hydroxid a oxid zinečnatý) jsou rozpustné v elektrolytu (KOH), z čehož plynou následující problémy: 1)

2) 3) 4)

Tvorba zinkových dendritů – při nabíjení se částice zinku usazují na nerovnostech povrchu, neprobíhá jejich rovnoměrné ukládání na povrchu elektrody. Dendrity mohou prorůst skrz separátor a způsobit zkrat mezi elektrodami. Změna tvaru zinkové elektrody – při nabíjení se částice neusazují na jejich původní umístění, vzniká většinou „hruškovitý“ tvar. Shlukování zinku – hmota elektrody nanesená tak, aby měla co největší povrch se při nabíjení shlukuje do méně výhodných uskupení. Koroze zinku – nastává zejména za přítomnosti železa nebo kobaltu. [1, 3]

Tyto problémy způsobují relativně krátkou životnost Ni-Zn akumulátorů, cca do 200 cyklů do poklesu kapacity na 80% jmenovité hodnoty. V některých zdrojích je uváděna životnost vyšší, nicméně většinou je to pro vyšší pokles kapacity (například na 60% jmenovité kapacity).

135

Obr. 2: Pokles kapacity Ni-Zn akumulátorů s počtem cyklů, jednotlivé články – vyšší životnost, sada – nižší životnost [1] Dalším problémem pro spotřebitele je i odlišný způsob nabíjení – používá se metoda CCCV, namísto metody DeltaPeak obvyklé u Ni-Cd a Ni-MH akumulátorů. Při stejných rozměrech a zaměnitelnosti těchto článků je třeba uživatele na tuto skutečnost důrazně upozornit.

Obr. 3: Průběh nabíjení Ni-Zn akumulátoru PowerGenix [2] Možná řešení problémů Modifikace hmoty záporné elektrody – sloučeniny zinku a vápníku nebo zinku a barya, přídavek hydroxidu vápenatého, olova (dobré výsledky, ale nevhodné pro svou toxicitu), cínu, kobaltu a dalších příměsí zabraňujících rozpouštění hmoty Zn elektrody v elektrolytu [3]. Modifikace elektrolytu – přídavek hydroxidu lithného, saturace oxidem zinečnatým, případně přídavky organických kyselin a sloučenin. Použití vhodných separátorů – většinou se používají alespoň dvě vrstvy separátoru – silnější materiál s velkou nasákavostí a dobrou propustností pro zadržení elektrolytu a další vrstva, která je tenká, ale zabraňuje průniku částic a prorůstání dendritů. Na separátor jsou kladeny protichůdné požadavky – na jednu stranu musí umožňovat dobrou vodivost a tím nízký

136

vnitřní odpor akumulátoru, na druhou stranu nesmí dovolit průchod částic a prorůstání dendritů. [1] Režimy nabíjení – možné řešení problémů s nárůstem dendritů by mohly představovat nabíjecí režimy s přerušovaným nabíjecím proudem, případně s krátkými vybíjecími pulzy. Závěr Ni-Zn akumulátory by se mohly stát levným a přitom výkonným a k životnímu prostředí šetrným elektrochemickým zdrojem energie. Jejich většímu rozšíření nicméně brání jejich nízká životnost ve smyslu nízkého počtu cyklů, způsobená negativními vlastnostmi záporné elektrody. V současné době probíhá na Ústavu elektrotechnologie FEKT VUT v Brně výzkum zaměřený na zlepšení vlastností a zejména prodloužení životnosti Ni-Zn akumulátorů. Poděkování Tato práce vznikla v rámci řešení operačního programu EU CVVOZE (CZ.1.05/2.1.00/01.0014) a specifického vysokoškolského výzkumu na VUT v Brně č. FEKT-S-11-7 Literatura [1] [2] [3]

J. PHILLIPS, S. MOHANTA,: Nickel-zinc batteries, LINDEN´S HANDBOOK OF BATTERIES (2011) PowerGenix NiZn AA Data Sheet [on-line], [cit. 3.4.2012] dostupné z www: http://www.powergenix.com/files/powergenix/docs/pgx_nizn_aa_datasheet.pdf JINDRA, Jiří. Sealed Ni-Zn cells, 1996-1998. Journal of power sources. 2000, č 88, s. 202-205

137


33

PERSPEKTIVNÍ MATERIÁLY PRO NEGATIVNÍ ELEKTRODY LITHNO-IONTOVÝCH ČLÁNKŮ Jiří Libich, Ondřej Čech, Marie Sedlaříková, Jiří Vondrák Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav elektrotechnologie, Technická 10, 616 00 Brno, e-mail: [email protected]. Abstrakt Následující práce představuje stručný úvod do aktuálních vývojových trendů v oblasti elektrodových hmot pro Lithno-iontové články. Na poli aktivních elektrodových materiálů se již dlouho spekuluje o možném substituentu za komerčně úspěšný uhlík aplikovaný v různých formách. Z hlediska reálného masivního komerčního využití není tento výběr vůbec snadný, při výběru musí být respektovány základní hlediska jako dostupnost, cena, proces výroby, které musí následovat po ověření funkčnosti materiálu a jeho parametrů. Úvod Pří vývoji baterií jsou v prvé řadě respektovány aplikační požadavky trhu zahrnující především vysokou hodnotu poměru jednotky energie na jednotku hmotnosti baterie spolu s dostupností materiálů nutných pro velkoobjemovou výrobu. U současných typů komerčně rozšířených Lithium-iontových baterií je záporná elektroda – anoda založena na bázi uhlíku. Uhlík tvoří grafitové vrstvy hexagonálně uspořádaných atomů uhlíku. Jednotlivé atomy uhlíku jsou od sebe vzdáleny 0,142 nm a tvoří vlastně jednu obrovskou rovinnou molekulu, ve které jsou k sobě atomy vázány silnými kovalentními vazbami. Jednotlivé, 0,335 nm vzdálené, „grafenové“ vrstvy jsou k sobě vázány mnohem slabšími silami, které jsou srovnatelné s Van der Waalsovými. Toto uspořádání je důvodem velmi značné anizotropie vlastností grafitu, která se týká nejen mechanických vlastností, ale také například tepelné a elektrické vodivosti. Šesterečná soustava se skladem vrstev A‖B viz Obr. 1. Při ideálním uspořádání připadá jeden atom lithia na šest atomů uhlíku, což znamená teoretickou měrnou kapacitu 372 mAh/g. Z grafitových materiálů se nejčastěji používá přírodní grafit především kvůli vysoké ceně syntetického grafitu a jeho bezproblémové dostupnosti. Grafitové materiály mají ovšem teoretickou kapacitu, která je z pohledu dnešních požadavků na akumulátory energie nedostatečná, mají také další negativní vlastnosti jako je SEI vrstva nutná pro požadovanou funkci elektrody která ovšem ubírá kapacitu akumulátoru. Jako vhodná alternativa se nabízí křemík (Si) který je jakožto prvek dobře komerčně dostupný a je dnes prakticky jedinou masově používanou základní komponentou při tvorbě integrovaných obvodů. Jeho roční celosvětová produkce se pohybuje v rozmezí (1,3 až 1,5) miliónu tun. Přestože má křemík oproti uhlíku větší relativní atomovou hmotnost Si: Ar = 28 (C: Ar = 12) což souvisí s nižším poměrem měrné energie (em vztažené na hmotnost akumulátoru tj.

138

Wh/kg) na jednotku hmotnosti akumulátoru, disponuje křemík teoretickou kapacitou až 4200 mAh/g což více než desítinásobek teoretické kapacity grafitu. Tato hodnota převyšuje hmotnostní nevýhody křemíku.

Obr. 1: Grafitové vrstvy a jejich periodicky se opakující uspořádání. [1], [2] Princip funkce křemíku jako negativní elektrody v Lithno-iontovém článku Monokrystal křemíku je situován do plošně centrované kubické mřížky (všechny atomy se nacházejí v tetraedrické koordinaci) se symetrií Fd3m (jedna z 230 možných uspořádání vycházejících ze 7 krystalografických struktur). Strana krychle obsahující v rozích atomy křemíku je dlouhá 5,43 Å neboli 0,543 nm, viz Obr. 2. Při vývoji křemíkových anod bylo zjištěno, že křemík se při elektrochemickém nabíjení (lithiací) za pokojové teploty stává amorfní látkou (nemá pevnou krystalovou strukturu v rámci krystalových zrn). Tedy na rozdíl od grafitu nepracuje na principu interkalace, ale lithné atomy zabudovává do své struktury a mění tak parametry své krystalové mříže. Pokusy probíhaly na sestaveném poločlánku Li/LixSi.

Obr. 2: Monokrystal křemíku (Si). [2]

139

Je možné vytvořit celou řadu fází, jejich tvorba je ovšem podmíněna teplotou a tlakem v tabulce 1 níže vidíme jejich stručný přehled spolu s její krystalografickou strukturou. Tab. 1: Fáze a jejich složení zkoumané pomocí DFT(Density Functional Theory). [2] fáze LiSi Li12Si7 Li7Si3 Li13Si4 Li15Si4 Li21Si5 Li22Si5

x v LixSi 1 1,71 2,33 3,25 3,75 4,20 4,40

krystalografická soustava čtverečná kosočtverečná klencová/trigonální kosočtverečná krychlová krychlová krychlová

Pro Lithium-iontové články má význam především fáze Li15Si4 tato fáze vzniká elektrochemickou lithiací za pokojové teploty a je stabilní až do 250 °C. Pokud je křemík plně lithiován za pokojové teploty dostáváme stabilní ne-stechiometrickou fázi Li15Si4 (grafit má LiC6). Při vytváření Li-Si fáze jsou lithné atomy dárci elektroniků pro Si atomy a některé se redukují na lithné anionty pro zachování stability a vznikají tak rovné kruhové a ′Y′ struktury jak je vidět na Obr. 3.

Obr. 3: Struktury vznikající v Li15Si4 fázi. [3] Výroba křemíkové záporné elektrody (anody) pro Lithium-iontový článek Mezi nejpodstatnějším vlastnosti z hlediska funkčnosti křemíku v Lithium-iontových článcích je kromě jeho vlastnosti vázat lithné atomy jeho roztažnost. Křemík po nasycení lithnými atomy velmi výrazně expanduje, tj. zvětšuje svůj objem v řádech stovek procent, uvádí se 300 % až 400 %. Tato vlastnost je z pohledu Lithium iontových článků nežádoucí, jelikož v takovém případě dochází k porušení vazeb křemíku a jeho rozlomení což má za následek velký vnitřní odpor, ztrátu kapacity a v případě kompletní Lithno-iontové baterie její zničení. Tento nedostatek se vyřešil výrobou křemíkových nanovláken. Výroba křemíkových nanovláken je možná mnoha způsoby, jedno z možných technický dobře zvládnutých je výroba za pomoci elektrochemického leptání monokrystalu křemíku. Tento proces je ve stručnosti znázorněn na Obr. 4.

140

Obr. 4: Postup výroby křemíkových nanovláken elektrochemickým leptáním. [3] Na Obr. 4 je naznačen zjednodušený schématický výrobní postup pro jednotlivé výrobní kroky. První krok je ukázán z pohledu shora (a), kruhy tvořené celou čarou jsou póry vytvořené leptáním ze standardního pole makropórů a tečkované kruhy ukazují efekt následného chemického přeleptání které vede k nanovláknům ukázaným na v části (b) opět shora. Třetí krok (c) je nutný k tomu, aby celé zařízení fungovalo, jelikož v této výrobní metodě jsou nanovlákna přímo na křemíku došlo by k navázání lithia do tohoto křemíku a k poškození, vrstva mědi funguje jako bariéra.[3] Výše popsaný způsob je pouze jeden z mnoha, který předchází výrobě dutých nanovláken pomocí sofistikovanější postupů.

Poděkování Tato práce byla podporována specifickým výzkumem FEKT-S-11-7 Materiály a technologie pro elektrotechniku spolu s projektem GAČR P102/10/2091. Literatura [1] [2]

[3]

HRAZDÍRA, M. Materiály na bázi uhlíku a jejich využití. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2010. V.L. Chevrier, J.W. Zwanziger, J.R. Dahn, First principles study of Li–Si crystalline phases: Charge transfer, electronic structure, and lattice vibrations, Journal of Alloys and Compounds, Volume 496, Issues 1–2, 30 April 2010, Pages 25-36. M. Leisner, A. Cojocaru, E. Ossei-Wusu, J. Carstensen, H. Föll, New Applications of Electrochemically Produced Porous Semiconductors and Nanowire Arrays, Nanoscale Research Letters, Volume 5, Issues 9, 01 September 2010, Pages 1502-1506.

141


34

PROGRESIVNÍ KATODOVÉ MATERIÁLY PRO LITHNOIONTOVÉ AKUMULÁTORY Ondřej Čech Vysoké učení technické v Brně , Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav Elektrotechnologie Korespondenční e-mail: [email protected] Abstrakt Článek se zabývá vlastnostmi a využitím síry jako konverzního materiálu pro katody lithnoiontových akumulátorů. Přes jistá úskalí je síra velmi prespektivní materiál, hlavně díky velmi vysoké teoretické kapacitě intrinzického materiálu a také díky vysoké měrné energii. Bude zde popsán principiální rozdíl mezi interkalačními a konverzními elektrodovými materiály, jejich výhody a nevýhody. Dále bude představen koncept sírové katody a možnosti jejího zlepšení. Úvod Lithno-iontové baterie jsou v dnešní době přítomny snad v každém odvětví lidské činnosti, protože jsou neodmyslitelnou součástí již naprosto běžných a samozřejmých zařízení, jako jsou notebooky nebo mobilní telefony. Tyto baterie jsou limitovány především kapacitou a rychlostí, kterou lze baterie nabíjet a vybíjet. Tyto dva aspekty jsou předmětem výzkumu velkého množství vědeckých týmů a ještě stále se objevují nové principy, na kterých mohou být tyto baterie založeny a které mohou využívat. Interkalační a konverzní materiály V podstatě všechny komerčně vyráběné li-ion baterie dnešní doby používájí jako aktivní hmotu různé tzv. interkalační materiály. Ty mohou do své struktury reverzibilně včleňovat ionty lithia, aniž by se změnila jejich krystalografická struktura. Díky tomu je tento proces provázen jen minimální změnou objemu. Interkalační materiály pro katody li-ion akumulátorů jsou omezeny poměrně malým množstvím lithia, které je možné včlenit do struktury látky. Tím je omezena také kapacita (LiFePO4 165mAh/g, LiCoO2 274 mAh/g, Li4Ti5O12 296 mAh/g). Naproti tomu konverzní materiály mění svou krystalografickou fázovou strukturu, vzniká látka s jiným typem nebo jinými rozměry krystalové buňky. Toto je obvykle doprovázeno velkými objemovými změnami, ale tyto materiály mají zároveň několikanásobně větší teoretickou kapacitu (Síra 1672mAh/g, Křemík 4200 mAh/g). Rozdíl mezi interkalačními a konverzními materiály je ilustrován na Chyba! Nenalezen zdroj odkazů..

142

Obr. 1: Ilustrace rozdílu ve struktuře interkalačních a konverzních materiálů během cyklování [1] Síra jako katoda pro li-ion akumulátory Síra je jedna z energeticky nejperspektivnějších materiálů zkoumaných v rámci vývoje li-ion baterií. Vyskytuje se ve velkém množství molekulových struktur. Základní strukturou síry je orthorhombická-α forma jako osmiatomová cyklická molekula. Forma α přechází na jednoklonnou β formu při teplotě 94.4°C ještě před dosažením bodu tání mezi 112°C a 119.6°C. Z roztavené síry je také možné získat další formu síry s jednoklonnou molekulovou mřížkou, tzv. γ-síru. Tato má větší hustotu, ale rozkládá se při pokojové teplotě. α, β a γ jsou tři dosud nejlépe charakterizované fáze molekuly síry. Síra má vnitřní vodivost odpovídající izolantu (5 x 10-30 S·cm-1 při 25°C) se dvěma typy nosičů náboje. Elektrony mají pohyblivost 10-4 cm2V-1s-1 a díry s pohyblivostí cca 10 cm2V-1s-1. Úpravou podmínek je ovšem možné získat síru s naprosto odlišnými elektrickými vlastnostmi, například při tlaku 90 GPa a pokojové teplotě přechází síra na fázi s kovovou vodivostí, při teplotě 15K a tlaku 550Gpa přechází dokonce na fázi se supravodivými vlastnostmi. Síra má teoretickou kapacitu 1672 mAh/g a právě nízké měrné hmotnosti síry je teoretická specifická výkonová kapacita 2600 Wh/kg. Hlavní elektrochemický proces, který probíhá na sírové katodě popisuje rovnice výsledného produktu 16Li + S8 ↔ 8 Li2S Li2S je nicméně formován postupným přechodem mezi dalšími polysulfidy s obecným zápisem Li2Sx (1 ≤ x ≤8), přičemž některé z nich jsou silně rozpustné v roztoku elektrolytu. Toto rozpouštění vede ke ztrátě hmoty aktivního materiálu, což ve výsledku vede k rychlému poklesu kapacity během cyklování. Tyto rozpustné polysulfidy mohou navíc migrovat elektrolytem a reagovat s kovovým lithiem na anodě a vytvářet tak vrstvu nerozpustných produktů, které pasivují lithiovou anodu a tím dále zhoršovat vlastnosti celé baterie. [2] Anionty S2- jsou navíc velmi silnou zásadou a mohou tak reagovat s karbonáty používanými jako elektrolyty, problémem bývá také změna morfologie nejčastějších kompozitních elektrod uhlík/síra, kdy se tyto dvě složky separují a radikálně tak narůstá odpor elektrod a klesá kontakt aktivního materiálu s kolektorovým nosičem. To způsobuje problémy se životností a s proudovou zatížitelností baterie. Všechny tyto problémy přispívaly k tomu, že byla síra po dlouhou dobu považována za materiál neperspektivní. V posledních několika letech byly

143

ovšem publikovány různé přístupy, jakými se dají negativní aspekty použití těchto elektrod do značné míry potlačit.[2]

Obr. 2: Proces lithiace elementární síry Metody vylepšení vlastnosti sírových elektrod a) Fixování síry do porézní struktury uhlíkových materiálů Fixace do pórů uhlíkových mikrokuliček Příprava tohoto materiálu obvykle probíhá tak, že je síra společně s uhlíkovým materiálem určeným pro její znehybnění a oddělení od elektrolytu zahřáta nad teplotu tavení v inertní atmosféře. Tímto způsobem proběhne nasátí a zafixování do pórů, přebytek je následně odpařen. Poprvé byla tato metoda publikována v roce 2009 zde [5], viz obr.3

Obr. 3: (a)-(b) čistá uhlíková nanovlákna, (c)-(d): uhlíková nanovlákna naplněná sírou [8]

144

Obr. 4: Uhlíková mikrokulička s póry naplněnými sírou[2] Fixování do pórů jednostěnných uhlíkových nanovláken chemickou depozicí Na obr. 4 je znázorněn kompozit, kde byla pomocí chemického deponování byla z roztoku sulfidu sodného síra vpravena do pórů uvnitř uhlíkových nanotrubic. Tím došlo k zabránění rozpouštění a kontaktu elektrolytu přímo se sírou.[8] b) Použití polymerního elektrolytu místo kapalného Použití polymerního elektrolytu rapidně snižuje rozpouštění polysulfátů vzniklých při nabíjení síry a hlavně zabraňuje jejich migraci elektrolytem k anodě. Tyto elektrolyty bývají nejčastěji založeny na polyethylene oxidu (PEO)[3; 4], polyacrylonitrilu(PAN) [7], polymethymethacrylatu (PMMA)[7], Polyvinylidenefluoride-hexafluoropropylenu (PVDFHFP)[6] c) Potahování síry vodivými polymery Poražením elementární síry vodivým polymerem je dostiženo mechanické fixace elektrodvého aktivního materiálu, zamezení jeho kontaktu s elektrolytem a tím i podlačení rozpouštění polysulfidů v elektrolytu. V podstatě výhradními vodivými polymery jsou v této oblasti polyanilin a především polypyrol. V případě polypyrolu se často jedná o trubicová vlákna naplněná zevnitř na podobném principu, jako pracuje plnění uhlíkových nanovláken. Nejprogresivnější metodou je v tomto ohledu tzv. koaxiální elektrospinning, který umožňuje tažení nanovláken se strukturou core-shell současně v jednom kroku pomocí dvojstěnné spinovací jehly [9].

Obr. 5: Koaxiální elektrospinning [9]

145

Poděkování Tato práce vznikla za podpory Centra pro výzkum a využití obnovitelných zdrojů energie CZ.1.05/2.1.00/01.0014 a grantu FEKT-S-11-7. Literatura [1]

[2]

[3]

[4]

[5] [6] [7]

[8]

[9]

146

AMATUCCI, G.G. AND PEREIRA, N. Fluoride based electrode materials for advanced energy storage devices. Journal of Fluorine Chemistry, 2007, vol. 128, no. 4, p. 243-262. HASSOUN, J., KIM, J., LEE, D.-J., JUNG, H.-G., LEE, S.-M., SUN, Y.-K. AND SCROSATI, B. A contribution to the progress of high energy batteries: A metal-free, lithium-ion, silicon–sulfur battery. Journal of Power Sources, 2012, vol. 202, no. 0, p. 308-313. JEON, B.H., YEON, J.H., KIM, K.M. AND CHUNG, I.J. Preparation and electrochemical properties of lithium–sulfur polymer batteries. Journal of Power Sources, 2002, vol. 109, no. 1, p. 89-97. JEONG, S.S., LIM, Y.T., CHOI, Y.J., CHO, G.B., KIM, K.W., AHN, H.J. AND CHO, K.K. Electrochemical properties of lithium sulfur cells using PEO polymer electrolytes prepared under three different mixing conditions. Journal of Power Sources, 2007, vol. 174, no. 2, p. 745-750. JI, X., LEE, K.T. AND NAZAR, L.F. A highly ordered nanostructured carbon-sulphur cathode for lithium-sulphur batteries. Nat Mater, 2009, vol. 8, no. 6, p. 500-506. JIN, J., WEN, Z., LIANG, X., CUI, Y. AND WU, X. Gel polymer electrolyte with ionic liquid for high performance lithium sulfur battery. Solid State Ionics, no. 0. RAO, M., GENG, X., LI, X., HU, S. AND LI, W. Lithium-sulfur cell with combining carbon nanofibers-sulfur cathode and gel polymer electrolyte. Journal of Power Sources, no. 0. RAO, M., SONG, X., LIAO, H. AND CAIRNS, E.J. Carbon nanofiber–sulfur composite cathode materials with different binders for secondary Li/S cells. Electrochimica Acta, 2012, vol. 65, no. 0, p. 228-233. TONG, H.-W., ZHANG, X. AND WANG, M. A new nanofiber fabrication technique based on coaxial electrospinning. Materials Letters, 2012, vol. 66, no. 1, p. 257-260.

35


OPTIMALIZACE VÝROBY LICOO2 METODOU REAKCE Z PEVNÉ FÁZE T. Kazda, O. Čech Ústav elektrotechnologie, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologii, Vysoké učení technické v Brně, Technická 10, 616 00 Brno, Česká Republika, e-mail: [email protected] Abstrakt Tato práce se zabývá zlepšováním postupu výroby katodového materiálu na bázi LiCoO2 pro lithno-iontové akumulátory, připravených metodou reakce v pevné fázi. Hlavním cílem je dosáhnout co nejvyšší možné kapacity blížící se teoretickým hodnotám (155 mAh/g), dalším požadavkem je docílení minimálního úbytku kapacity v důsledku cyklování takto vytvořených materiálů. Po optimalizaci procesu přípravy se dále otvírá možnost dopovat tento materiál ionty dalších kovů s cílem vylepšit jak kapacitu, tak především stabilitu, k jejímuž zhoršování má tento materiál díky své struktuře přirozené tendence. Úvod V roce 1991 přišla na trh první komerční lithno-iontová baterie od firmy Sony a jako katodový materiál byl v této baterii využit právě LiCoO2. Tento materiál je v současnosti nejvíce využívaným materiálem pro kladné elektrody lithno-iontových článků. Teoretická kapacita tohoto materiálu je 155 mAh/g s napětím vůči lithiu o velikosti 3,88 V. Tento materiál se vyznačuje vrstvenou strukturou, atomy kobaltu jsou tedy obsaženy v kyslíkatých mezirovinách a atomy lithia jsou v prostoru mezi vrstvami kyslíku. Díky této struktuře dochází k snadnému uvolňování lithných iontů, ale při opakované deinterkalaci a interkalaci také dochází k hroucení této struktury a snižování kapacity. Dalším problém tohoto materiálu je teplotní nestabilita, při vyšších teplotách dochází k uvolňování kyslíku ze struktury. Toto uvolňování může v reakci s organickými rozpouštědly obsaženými v elektrolytu vyvolat v nejhorším až k explozi článku. Z tohoto důvodu se hledají zcela nové katodové materiály, nebo dochází k dopování LiCoO2 dalšími prvky ve snaze stabilizovat strukturu tohoto materiálu. [1],[2] Existuje řada metod výroby LiCoO2, kupříkladu metoda srážení z roztoků, metoda sol-gel a metoda reakce v pevné fázi. Metoda srážení z roztoků využívá pro výrobu LiCoO2 LiOH +H2O (hydroxid lithný) rozpuštěný v destilované vodě, který je následně smíchán s Co(NO3)2 (dusičnan kobaltnatý) a vzniklá směs je dále míchána a probublávána CO2, následně dojde ke vzniku sraženiny která je dále přefiltrována a několikráte propláchnuta destilovanou vodou a nakonec žíhána při teplotě 900°C po dobu 24h. Při využití metody solgel dochází k rozmíchání Li(CH3COO)H2O (octan lithný) a Co(CH3COO)2.3H2O (octan kobaltnatý) v destilované vodě a následnému překapání do vodného roztoku kyseliny

147

glykolové. Výsledná směs je vysušena při teplotě 80°C za vzniku gelu, jež je žíhán při teplotě 450°C po dobu 8h. Po tomto žíhání je vzniklý prášek peletován a následně naposledy žíhán při teplotě 900°C podobu 3h.[3] Experiment Základní snahou této práce bylo vytvoření materiálu LiCoO2, který by se co nejvíce blížil svými vlastnostmi vlastnostem teoretickým. Pro výrobu tohoto materiálu byla zvolena metoda reakce v pevné fázi. Jako základní materiály pro výrobu mohou být použity dusičnany nebo uhličitany lithia a kobaltu. V našem případě byl zvolen Li2CO3 (uhličitan lithný) a CoCO3 (uhličitan kobaltnatý) tyto dva materiály byly smíchány ve stechiometrickém poměru, množství uhličitanu lithného bylo zvýšeno o 10% z důvodu částečné ztráty během žíhacího procesu. Základní materiály byly smíseny, původně doporučené suché míchání bylo nahrazeno rozmícháním ve směsi destilované vody a etylalkoholu v poměru 2:1 a následně vysoušeny při teplotě 90°C po dobu 12h. Vysušená směs byla rozemleta v kulovém mlýnu, nasypána do glazurované misky a žíhána po dobu 30h při teplotě 400°C. Vyžíhaný materiál byl následně rozemlet a peletován, vzniklá peleta byla opět žíhána při teplotě 650°C po dobu 8h. V dalším kroku se opakoval proces rozemílání, peletování a žíhání tentokráte při teplotě 950°C po dobu 8h. Při žíhání při 950°C došlo k reakci vzorku s glazurou a k jejímu roztavení. Výsledný materiál byl rozemílán v kulovém mlýnu a následně byla ve vialce připravena směs složená z rozpouštědla NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon), pojidla PVDF (Polyvinylidenfluorid) a uhlíku Super P. Hmotnostní poměr látek byl LiCoO2 80%, Super P 10%, PVDF 10%. Výsledná směs byla nanesena pomocí těrky na Al folii, vysušena a zalisována. Z potažené Al folie byl vyseknut disk o průměru 18mm a vložen do El-Cell© ECC-STD elektrochemické cely sestavené uvnitř rukavicového boxu naplněného argonovou atmosférou. Jako protielektroda bylo použito kovové lithium a jako elektrolyt 1M LiPF6 ve směsi EC:DMC 1:1 w/w napuštěné v separátoru ze skelné tkaniny. Pro měření bylo použito galvanostatické cyklování, přičemž potenciálové okno bylo nastaveno na 2,5 – 4,2V proti lithiu. Vždy byly provedeny dva vybíjecí a nabíjecí cykly pro stanovení kapacity materiálu, při nichž byla výchozí kapacita pro tyto dva cykly stanovena z předpokládané kapacity materiálu 120mAh/g a nabíjecí proud 0,5C. Z těchto dvou cyklů byla odečtena skutečná kapacita následně bylo provedeno deset cyklů proudem 0,5C.

Obr. 1: Kapacita v prvních dvou cyklech a při 5 cyklech vzorku z glazurové misky Vzorek vyrobený v glazované misce vykazoval již v prvních dvou cyklech malou kapacitu 25mAh/g, proto byla u dalšího vzorku nahrazena glazovaná miska žíhací miskou bez glazury.

148

Obr. 2: Kapacita v prvních dvou cyklech vzorku z misky bez glazury Druhý materiál vyrobený v misce bez glazury vykázal zvýšení kapacity na 61,1mAh/g, tato hodnota je ale stále daleko od teoretické hodnoty 155mAh/g. Proto byla vyrobena další sada čtyř vzorků označených I-IV u kterých bylo při výrobě upraveno několik kroků. Kulový mlýn byl po každém mletí několikrát vyčištěn vodou a alkoholem a vysušen v sušárně, před každým mletím plněn argonem a elektrodová směs určená k nanášení na Al folii byla míchána v kulovém mlýnu. Při nanášení směsi s PVDF a Super P pomocí těrky docházelo k velkému rozpadu nanesené vrstvy a znemožnění vyseknutí disku, proto byly testovány jiné metody nanesení a různé podmínky sušení. Z těchto zkoušek byly vybrány dvě metody nanášení a to pomocí odkapávání ze špičky lžíce a stečení na folii z koule kulového mlýnu.

Obr. 3: Kapacita vzorku č. I naneseného pomocí koule při 10 cyklech

149

Obr. 4: Kapacita vzorku č. I naneseného pomocí lžíce při 10 cyklech Tab. 1: Kapacity vzorků LiCoO2 č.I - IV nanesených lžící v prvních dvou cyklech vybíjení LiCoO2 č. I

LiCoO2 č. II

LiCoO2 č. III LiCoO2 č. IV

Cyklus č. 1 143,5 mAh/g 130,1 mAh/g

135,7 mAh/g

119,2 mAh/g


132,4 mAh/g

116,8 mAh/g

Nanášení pomocí lžíce se ukázalo jako vhodnější, materiál nesený pomocí této metody vykazuje lepší vlastnosti, co se týče kapacity tak menší ztrátu kapacity při cyklování. Kapacity čtyř vyrobených vzorků při prvním cyklu byly v rozmezí 143,5 až 119,2 mAh/g. Shrnutí Postupnými úpravami výrobního postupu bylo docíleno zvýšení kapacity vytvářeného materiálu LiCoO2 až na hodnotu 143,5mAh/g, která je velmi blízká teoretické hodnotě a díky změně způsobu nanášení došlo i ke snížení ztrát kapacity při cyklování. Upravený postup může být dále použit k určování změn vlastností materiálu LiCoO2 v případě dopování dalšími prvky. Poděkování Tato práce byla podporovaná grantem FEKT-S-11-7. Literatura [1] [2] [3]

150

Linden. D, Reddy B., T., Handbook of batteries, 3. vydání 2002 ISBN 0-07-135978-8 SCHALKWIJK, V.A., B. SCROSATI, Advances in Lithium-Ion Batteries. 2002, London: Kluwer Aacademic Publishers. Park, S. –H., Shin, S. –S., Sun, Y. –K.: The effects of Na doping on performance of layered Li1.1−xNax[Ni0.2Co0.3Mn0.4]O2 materials for lithium secondary batteries, Materials Chemistry and Physics. 2006, 95, s. 218-221


37

MOŽNOSTI EIS METODY PŘI MĚŘENÍ IMPEDANČNÍCH ZMĚN Ni(OH)2 ELEKTRODY V PRŮBĚHU CYKLOVÁNÍ Ladislav Chladil 1, Petr Dvořák 1 1

Ústav elektrotechnologie, Vysoké Učení Technické v Brně, Technická 10, 602 00 Brno, Czech Republic, e-mail: [email protected] Abstrakt Kladná elektroda alkalických akumulátorů je ve vybitém stavu tvořena hydroxidem nikelnatým. Tento materiál se vyznačuje významnou změnou elektronové vodivosti v průběhu cyklování. Příspěvek pojednává o možnostech metody Elektrochemické Impedanční Spektroskopie (EIS) při měření impedančních změn kapsovité elektrody v průběhu vybíjení. Úvod Pro kladnou elektrodu alkalických akumulátorů je nejčastěji používán hydroxid nikelnatý. V průběhu cyklovaní přechází tento aktivní materiál z oxohydroxidové formy β-Ni(OOH) v nabitém stavu do formy tzv. β-Ni(OH)2 ve stavu vybitém. [1] Tyto dvě formy mají jak různou vnitřní strukturu s různou hustotou, tak i výrazně odlišnou elektronovou vodivost. Změna v elektronové vodivosti čistého hydroxidu nikelnatého v nabitém a vybitém stavu je odlišná až o pět řádů. Za účelem zvýšení vodivosti elektrody ve vybitém stavu se do hmoty přidávají aditiva na bázi kobaltu, který obalí zrna aktivního materiálu vodivou vrstvou a tak zajištuje trvalou vodivou stopu mezi jednotlivými zrny a dále různé grafitové materiály, které dále zlepšují kontakt mezi proudovým kolektorem a aktivním materiálem v celém objemu elektrody. Pro možnost měření změn těchto impedancí v přechodu mezi nabitým a vybitým stavem je vhodné využít možnosti elektrochemické impedanční spektroskopie. Tato měřící metoda nám může poskytnout komplexní obraz jak o jednotlivých dílčích složkách impedance, které utváří výsledný vnitřní odpor akumulátoru, tak o jejich změnách v průběhu cyklování. Experiment Příprava měření Pro měření impedančních změn v průběhu vybíjení byla připravena elektroda o hmotnosti 2 g obsahující 75% hydroxidu nikelnatého 5% aditiv na bázi kobaltu, lithia a niklu, které zajišťují vytvoření trvalé vodivé stopy a stability při cyklování a 20% komerčně dostupného grafitového materiálu. Elektrodový materiál byl po dobu 24 hodin homogenizován na rotačních válcích a poté zabalen do Ni-síťky a takto byla vylisována tlakem 25 kN mincová kapsová elektroda s tloušťkou 3 mm a průměrem 29 mm.

151

Jako proti-elektroda byla použita komerční hmota Kans GN od firmy Bochemie. Stejným způsobem jako u kladné elektrody byly vylisovány dvě záporné (proti-elektrody) o hmotnosti 2,5 g. Testovací zapojení bylo sestaveno tak, že kladná elektroda byla vložena mezi dvě záporné elektrody, které byly v 2,5 násobném přebytku (snahou je zajistit aby kladná elektroda nebyla jakkoli limitována zápornou elektrodou). Kladná a záporná elektroda byly odděleny polypropylenovým separátorem. Takto sestavený článek byl vložen do speciální měřící cely z PTFE, která umožňuje tří-elektrodové měření s referentní Zn/ZnO elektrodou. Jako elektrolyt byl použit 6 M KOH o objemu 6 ml. Výsledky a diskuze Po naformování elektrody byla naměřena vybíjecí charakteristika při rychlosti vybíjení 0,2C viz. Obr. 1. Vybití bylo provedeno do úrovně 0,4V vs. Zn/ZnO. Charakteristika obsahuje dvě vybíjecí plata. První plato souvisí se standartní přeměnou oxohydroxidu niklu Ni(OOH) na Ni(OH)2. Druhé plato je dle [2] způsobeno vybíjením špatně dostupné aktivní hmoty uvnitř větších zrn, která je izolována již vybitou slupkou která „brání“ difuzi iontů do vnitřku zrn. Ve vybíjecí charakteristice jsou dále zachyceny svislými čarami stavy vybití, ve kterých byla elektroda proměřována metodou impedanční spektroskopie. 2 1,8 0% 6

55%

23%

%

96% 87% 93% 100 %

E vs. Zn/ZnO [V]

1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0

-20

-40

-60

-80 -100 Q [mAh/g]

-120

-140

-160

-180

Obr. 1: Vybíjecí charakteristika kladné elektrody s vyznačenými hodnotami stavu vybití, při kterých byly měřeny impedanční charakteristiky Na Obr. 2 je vykreslen Nyquistovo zobrazení impedančního spektra pro kladnou elektrodu po odevzdání 80% z uloženého náboje. Impedanční měření probíhá od nejvyšších frekvencí (přibližně 10 Khz). Tyto frekvence jsou natolik vysoké, že v elektrodě ještě neprobíhá žádná reakce aktivní hmoty (aktivní hmota kladné elektrody nestíhá reagovat na změny přiloženého potenciálu) a tedy celková impedance je tvořena pouze odporem přívodů a odporem elektrolytu mezi pracovní a referentní elektrodou. Postupným snižováním měřící frekvence se začíná uplatňovat reakce aktivní hmoty, která je charakterizována půlkruhem v Nyquistově zobrazení. V ideálním případě lze tento půlkruh

152

simulovat obvodem, který je složen z paralelní kombinace kondenzátoru Cdl a odporu Rct viz. Obr. 3. Po simulaci náhradního obvodu, lze z hodnoty kondenzátoru usuzovat na Faradaickou kapacitu, která je silně ovlivněna plochou na které reakce probíhá. Odpor R je označován jako odpor přenosu náboje, tedy odpor, který je kladen probíhající reakci. Čím menší je odpor R, tím snadněji bude reakce na elektrodě probíhat. Koncová část měřené charakteristiky (na Obr. 2 při frekvencích nižších než 75 mHz) se v impedančním spektru projevují difúzní procesy, které souvisí především s pórovitostí elektrody a s použitým elektrolytem. 0,2 0,18 0,16 0,14 - Im (Z) [Ohm]

0,12 0,1

f

0,08 0,06

f=75 mHz

0,04

f=8,5 kHz

0,02 0 0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

Re(Z) Ohm

Obr. 2: Nyquistův diagram kladné elektrody při 80% vybití, doplněno o průběh měřící frekvence

Obr. 3: Náhradní schéma ideální elektrodové reakce bez difúzních jevů [3] Naměřené Nyquistovy diagramy v různém stavu vybití jsou patrné z Obr. 4. Z naměřených závislostí je patrné jak se mění parametry reakce v průběhu vybíjení. Do 55 % vybití zůstávají impedanční charakteristiky elektrody přibližně stejné a příliš se nemění. Tedy plocha reakce i odpor přenosu náboje se významně nemění. K významnému nárůstu v reakčním odporu dochází při vybití elektrody na 87%, kdy významně vzroste reakční odpor za současného poklesu Faradaické kapacity reakce. To je způsobeno vybitím snadno dostupného a dobře nakontaktovaného aktivního materiálu se současným poklesem vodivosti takto vybitého materiálu.

153

0,4

0% 6%

0,35

23%

- Im (Z) [Ohm]

0,3

55% 87%

0,25

93% 96%

0,2

100% 0,15 0,1 0,05 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

Re(Z) Ohm

Obr. 4: Impedanční charakteristiky (Nyquistovy diagramy) kladné elektrody v různém stavu vybití Závěr Impedanční spektroskopie dovoluje přesně sledovat změny v impedanci elektrod v průběhu vybíjení. Dává dobrou představu o homogenitě vybíjení, která je závislá jak na dobrém elektrickém kontaktu aktivního materiálu s proudovým kolektorem, tak i na přístupu elektrolytu do reakčních míst. Grafitová aditiva do elektrod mají za cíl zlepšit vodivost a vnitřní kontakt elektrodové hmoty ve vybitém stavu, proto je metoda impedanční spektroskopie v různém stavu vhodná vhodná pro porovnávání jednotlivých typů vodivostních přísad a jako účinný nástroj při optimalizaci elektrodových hmot akumulátoru. Poděkování Tato práce byla podporovaná grantem FEKT-S-11-7 a CZ.1.07/2.3.00/20.0103 Literatura [1] [2]

[3]

154

A.K. SHUKLA ET AL.: Nickel-based recharchable batteries, Journal of Power Sources 100 (2001) 125-148 H. BARDÉ ET AL.: Evidence for electronic and ionic limitations at the origin of the second voltage plateau in nickel electrodes, as deduced from impedance spectroscopy measurements, Journal of Power Sources 19 (2008) 830–836 J. BAREK ET AL.:Elektroanalytická chemie, 1. vyd. Praha: Karolinum, 2005 188 s. ISBN 80-246-1146-5


SVETELNÉ ZDROJE A ĽUDSKÝ ORGANIZMUS Vilibalda Darmová Katedra teoretickej elektrotechniky a biomedicínskeho inžinierstva, Elektrotechnická fakulta, Žilinská univerzita v Žiline, Univerzitná 1, 010 26 Žilina, e-mail: [email protected] Abstrakt Príspevok sa zaoberá niektorými druhmi elektrických zdrojov svetla z hľadiska úspor energie a z hľ adiska vplyvu na ľudský organizmus. Úvod S úsporami energie a s rozvojom nových technológií súvisí použitie nových druhov svetelných zdrojov. Používajú sa v domácnostiach, na pracoviskách, v školách, v zábavnom priemysle a na osvetľovanie našich miest a dedín. Keďže požiadavky na kvalitu osvetlenia sa výrazne zmenili, množstvo svetelných zdrojov stále pribúda. Dôsledkom je zvýšená spotreba elektrickej energie. V súvislosti s ubúdaním zásob fosílnych palív, problematickému postoju k využívaniu jadrovej energie a nedostatočnému rozvoju a využívaniu alternatívnych druhov energie, sa úspory energie stali kľúčovou otázkou. Významnú zložku úspor energie tvoria úspory energie v oblasti svetelnej techniky. Obvyklým riešením sa stala náhrada klasických žiaroviek inými druhmi s výrazne nižšou spotrebou. Svetelné charakteristiky jednotlivých svetelných zdrojov sa líšia a odlišné je aj ich vnímanie ľudským zrakom a odlišné je aj ich pôsobenie na ľudský organizmus. Zrakový orgán je vstupnou bránou toku svetelnej energie avšak táto dopadá na povrch celého tela. Druh svetla a jeho charakteristiky teda výrazne ovplyvňujú nielen videnie, ale aj celkový stav organizmu. Ľudský organizmus sa vyvíjal v podmienkach prirodzeného denného svetla a prispôsobil sa na pravidelné striedanie svetla a tmy. Periodicita týchto dvoch fáz je odlišná v závislosti od zemepisnej polohy príslušnej krajiny a od ročného obdobia. S rozvojom umelého osvetlenia došlo k výrazným zmenám a narušeniu dávnovekých cyklov, ľudia si začali predlžovať noc. Cirkadiánny systém človeka je veľmi jemný a nežiaduce vonkajšie podnety ho môžu nevhodne ovplyvniť až narušiť, čo je sprevádzané rôznymi zdravotnými ťažkosťami. Každodenná činnosť človeka, či už v práci, doma alebo pri rôznych aktivitách vo voľnom čase môže byť ovplyvnená svetlom priaznivo a nepriaznivo. Moderná spoločnosť si už nevie predstaviť svoje fungovanie bez umelých svetelných zdrojov. Preto je potrebné a žiaduce, aby svetlo, ktoré vydávajú takéto zdroje, bolo pre ľudí, prípadne

155

ostatné živé organizmy vyskytujúce sa v životnom prostredí čo najpríjemnejšie, tj. čo najviac podobné svojimi vlastnosťami prirodzenému dennému slnečnému svetlu. Vplyv rôznych druhov svetla na ľudský organizmus U elektrických zdrojov svetla okrem energetických hodnôt žiarenia je potrebné skúmať jeho účinky na zrakový orgán. Ľudské oko registruje vlnové dĺžky žiarenia v rozsahu 380 až 780 nm pričom citlivosť na jednotlivé vlnové dĺžky je odlišná. Jednotnosť vzhľadom na rozdielnu spektrálnu citlivosť rôznych pozorovateľov je zaistená dohodou Medzinárodnej komisie pre osvetľovanie (CIE 1924) o hodnotách pomernej svetelnej účinnosti, tzv. normálneho fotometrického pozorovateľa.[1] Medzinárodná komisia pre osvetľovanie CIE (z francúzštiny Commission International de l'Éclairage ) sa venuje medzinárodnej spolupráci a výmene poznatkov, ktoré sa týkajú svetelnej a osvetľovacej techniky, farby a videnia a obrazovej technológii – vo vede aj umení. Pomerná svetelná účinnosť pri dennom videní je označovaná V(λ) a pri nočnom videní V´(λ). Pomerná svetelná účinnosť monochromatického žiarenia je definovaná podielom žiarivého toku pri základnej vlnovej dĺžke λm (pre denné videnie λm = 555 nm prislúcha najväčšia hodnota, t.j V(λ)=1) a žiarivého toku pri uvažovanej vlnovej dĺžke. Hodnoty V(λ) možno z hľadiska individuálneho pozorovateľa považovať za totožné s hodnotami tzv. krivky spektrálnej citlivosti ľudského oka (obr.1.). Pre nočné videnie je λ´m = 507 nm. [1] B

V(λ)

A

400

500

600

700

λ[nm] Obr. 1: Pomerná svetelná účinnosť pri dennom (A) a pri nočnom (B) videní (krivky spektrálnej citlivosti ľudského oka) podľa [1] V svetelnom zdroji vzniká optické žiarenie troma spôsobmi [1]: ako sprievodný jav teplotného žiarenia vznikajúceho zahriatím pevnej látky na vysokú teplotu, vybudením atómov pár kovov alebo plynov v elektrickom výboji, luminiscenciou pevných látok, pričom rozoznávame fotoluminiscenciu, kedy absorpciou fotónov s kratšou vlnovou dĺžkou dochádza k emisii viditeľného žiarenia a ktorá sa delí na fosforescenciu a fluorescenciu a ďalej elektroluminiscenciu, kedy k vybudeniu optického žiarenia dochádza vplyvom urýchlenia elektrónov v elektrickom poli.

156

Tab. 1: Rozdelenie svetelných zdrojov podľa vzniku optického žiarenia tepelné žiarenie výboj v plyne a parách kovov výboj v plyne, parách kovu a luminiscencia pevnej látky elektroluminiscencia polovodivý prechod P-N stimulovaná emisia

žiarovka klasická, žiarovka halogénová dútnavka,xenónová výbojka, sodíková výbojka, halogenidová výbojka vysokotlaková ortuťová výbojka elektroluminiscenčný panel svietiaca dióda laser

Princípy vzniku optického žiarenia v elektrickom zdroji svetla s uvedením niektorých príkladov sú v tab.1. [1] Zo stručného prehľadu vyplýva, že [1]: viditeľné žiarenie je u teplotného žiariča (žiarovky) len sekundárnou zložkou a prevažná časť žiarivej energie sa vyžiari vo forme infračerveného žiarenia. Merný výkon žiariča závisí jednak na teplote svietiaceho telesa (vlákno alebo skrutkovica), jednak na jeho vlastnostiach, účinnosť premeny u výbojového zdroja svetla závisí predovšetkým na zložení plynovej náplne. Typickým príkladom je využitie pár sodíka, ktorého spektrálna dvojčiara 589,0/589,6 nm vyžaruje v blízkosti maxima citlivosti ľudského oka (555 nm)., čiže farebné vlastnosti takéhoto zdroja svetla sú nevýhodné. Preto sa u výbojových zdrojov svetla využíva buď kombinácia látok vedúca k zlepšeniu farebných vlastností pri veľkom mernom výkone (napr. halogenidové výbojky), alebo sa používajú fluorescenčné látky nanesené na povrchu banky alebo trubice výbojky, budené ultrafialovým žiarením a prispievajúce k zlepšeniu farebných vlastností a merného výkonu (žiarivky, vysokotlakové ortuťové výbojky), elektroluminiscencia a luminiscencia polovodičového prechodu PN je síce z hľadiska kvantovej účinnosti hospodárna, avšak v iných parametroch (jas zdroja, svetelný tok, farba svetla) je jej použitie obmedzené len na indikačné účely. Svetelná technika sa najmä v posledných dvoch desaťročiach rozvíja rýchlym tempom. Veľký podiel majú na tom nové materiály a technológie (tenké vrstvy, mikroelektronika, výpočtová technika...). Cieľom rozvoja novej svetelnej techniky by nemali byť len úspory materiálov a energie a šetrnosť k životnému prostrediu ale aj priaznivé pôsobenie na ľudský organizmus alebo aspoň redukovanie nepriaznivých účinkov na najnižšiu možnú mieru [2]. Svetlo má schopnosť priaznivo alebo nepriaznivo vplývať nielen na fyzický, ale aj psychický stav ľudského organizmu. Ku priaznivým účinkom umelého svetla patria medicínske aplikácie. Je to najmä použitie svetla napríklad v psychiatrii na liečbu psychických (mentálnych) porúch, porúch spánku, liečbu porúch denného biorytmu, v dermatológii na liečbu a regeneráciu pokožky, terapeutické osvetlenie (svetlom rôznych farieb). Špeciálne druhy umelého svetla ako sú rôzne biolampy, bioptronové lampy, LED lampy sa využívajú okrem už spomenutých medicínskych oblastí aj pri rehabilitácii pohybového aparátu a na urýchlenie hojenia pooperačných stavov a pod. Ku nepriaznivým účinkom umelého osvetlenia patria rôzne fyzické a psychické ťažkosti, najmä u pracovníkov, ktorí pracujú v prevádzkach len s umelým osvetlením, bez prístupu denného svetla. Často uvádzanými problémami sú chronická únava, pálenie očí, padanie

157

vlasov, rôzne alergie apod. V prípade nevhodného osvetlenia v učebniach, v školských priestoroch sa uvádzajú problémy s koncentráciou, bolesti hlavy, ospalosť a únava. Nebezpečenstvo, ktorému sa žiaľ nevenuje dostatočná pozornosť, predstavuje použitie najrôznejších druhov osvetlenia v zábavnom priemysle (rôzne nočné kluby, diskotéky a pod.), čo ohrozuje predovšetkým mladých ľudí. Niektoré druhy svetelných efektov pôsobia nepriaznivo na nervový systém a na psychiku a môžu vyvolať napr. epileptický záchvat, prípadne rakovinu mozgu. Na druhej strane fototerapia, ktorá využíva priaznivé účinky svetla, najmä umelého, na ľudský organizmus, je užitočnou pomôckou pri liečbe rôznych problémov. Spektrum prirodzeného denného slnečného svetla je pre správne fungovanie ľudského organizmu tým najvhodnejším. Všetky uvedené poznatky by mali ovplyvniť návrh a aplikáciu zariadení v svetelnom priemysle, ktorý je v súčasnosti veľmi rýchlo sa rozvíjajúcim odvetvím techniky. Mnohí výrobcovia umelých svietidiel sa preto zameriavajú na vývoj nových, tzv. plnospektrálnych zdrojov svetla. Svetelné spektrum týchto zdrojov sa približuje v menšej či väčšej miere spektru prirodzeného denného svetla. Pri návrhu osvetlenia je potrebné dodržiavať platné normy a smernice, ktoré berú do úvahy účel osvetľovania, druh osvetľovaných priestorov, druh vykonávanej činnosti a jej zrakovú náročnosť. V prípade osvetľovania pracovných priestorov by sa mal vziať do úvahy aj, vek pracovníka a dĺžka pobytu pracovníka na pracovisku. Taktiež je nevyhnutné zohľadniť aj požiadavku hospodárnosti (investície, prevádzkové náklady, spotrebu energie). V súvislosti s rastúcou spotrebou elektrickej energie, ktorej významný podiel tvorí energia spotrebovaná na osvetľovanie, Európsky parlament a Európska rada pripravili legislatívu s účinnosťou od 1. septembra 2009, ktorou sa obmedzuje predaj klasických žiaroviek s volfrámovým vláknom. Klasické žiarovky sa majú postupne nahrádzať úspornými, tzv. kompaktnými žiarovkami. O tejto téme sa vedú rozsiahle diskusie v odbornej aj laickej verejnosti a boli vypracované aj viaceré štúdie s rozpornými výsledkami. Výrobcovia tvrdia, že úsporné žiarovky sú neškodné, napriek tomu existujú výskumy tvrdiace opak. Otázka sa týka obsahu ortuti, ktorý sa pri rozbití dostáva vo forme pár do ovzdušia, čo je nebezpečné najmä pre malé deti. Preto sa neodporúča v detských izbách náhrada klasických žiaroviek kompaktnými a je potrebné zvoliť iné riešenie. Záver Cieľom práce bolo poukázať na problematiku umelých (elektrických) zdrojov svetla jednak v súvislosti s úsporami elektrickej energie a jednak s ich účinkami na ľudské zdravie. Zatiaľ nemožno povedať, ktorý druh moderných svietidiel je najlepší a preto väčšina užívateľov, najmä v domácnostiach pristupuje ku kompromisu a osvetlenie si zabezpečujú kombináciou rôznych druhov, podľa účelu. Otázka náhrady denného svetla umelým je stále otvorená a výskum a vývoj v tejto oblasti pokračuje. Pri výbere umelého zdroja svetla by sme mali zohľadniť okrem energetického hľadiska aj vplyv na ľudský organizmus, aby úspory energie neboli prevýšené nákladmi na nemocenské ľudí, ktorí ochoreli v dôsledku nesprávneho osvetlenia na pracovisku.

158

Literatura [1] [2]

J. HEŘMAN A KOL.: Příručka silnoproudé elektrotechniky, SNTL 1984, 794–826 K. KEVICKÁ, R. KRÁLIKOVÁ, M PIŇOSOVÁ: Implementácia digitálnej inteligencie do svetelnotechnického projektu, [Online ], http://www.techpark.sk/technika-9102011/implementacia-digitalnej-inteligencie-dosvetelnotechnickeho-projektu.html, dostupné dňa 25.4.2012

159


STABILIZACE STRUKTURY LICOO2 POMOCÍ DRASLÍKU T. Kazda, M. Sedlaříková, J. Vondrák, O. Čech Ústav elektrotechnologie, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologii, Vysoké učení technické v Brně, Technická 10, 616 00 Brno, Česká Republika, e-mail: [email protected] Abstrakt Cílem této práce bylo zlepšení vlastností katodového materiálu na bázi LiCoO2 pro lithnoiontové akumulátory. Jako metoda výroby dopovaného základního materiálu byla zvolena metoda reakce v pevné fázi, která byla již pro výrobu základního materiálu otestována. Hlavním cílem bylo zmenšit ztrátu kapacity materiálu v jednotlivých cyklech pomocí dopování různým množstvím iontů draslíku. Úvod V roce 1991 přišla na trh první komerční lithno-iontová baterie od firmy Sony, jako katodový materiál byl v této baterii využit LiCoO2. Tento materiál je v současnosti nejvíce využívaným materiálem pro kladné elektrody lithno-iontových článků. Teoretická kapacita tohoto materiálu je 155 mAh/g s napětí vůči lithiu o velikosti 3,88 V. Tento materiál se vyznačuje vrstvenou strukturou, tedy atomy kobaltu jsou obsaženy v kyslíkatých mezirovinách a atomy lithia jsou v prostoru mezi vrstvami kyslíku. Díky této struktuře dochází k snadnému uvolňování lithných iontů, ale dochází také při opakované deinterkalaci a interkalaci k hroucení této struktury a snižování kapacity. Dalším problémem tohoto materiálu je teplotní nestabilita, při vyšších teplotách dochází k uvolňování kyslíku ze struktury. Toto uvolňování může v reakci s organickými rozpouštědly obsaženými v elektrolytu vést až k explozi článku. Z tohoto důvodu se hledají zcela nové katodové materiály, nebo se provádí dopování LiCoO2 dalšími prvky ve snaze stabilizovat strukturu tohoto materiálu. Příkladem takového materiálu může být LiNi1-xCoxO2, v tomto matriálu je Co částečně nahrazováno Ni to má za následek zvýšení kapacity na 190-220mAh/g ale pokles napětí vůči lithiu na 3,7-3,77V v závislosti na obsahu Ni. Dalším takovým materiálem je LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, tento materiál má opět nižší napětí vůči lithiu a to 3,6V, ale vyšší kapacitu 160mAh/g a je stabilnější při cyklování než čisté LiCoO2 [1],[2] Experiment Pro dopování materiálu LiCoO2 byl zvolen draslík a vycházelo se z předpokladu, že atomy draslíku se začlení mezi vrstvy kyslíku a při interkalaci a deinterkalaci lithných iontů budou zabraňovat zhroucení vrstvené strukturu LiCoO2. Pro výrobu tohoto materiálu byla zvolena metoda reakce v pevné fázi. Jako základní materiály pro výrobu byly použity Li2CO3 (uhličitan lithný), CoCO3 (uhličitan kobaltnatý) a K2CO3 (uhličitan draselný). Tyto tři materiály byly smíchány ve stechiometrickém poměru, přičemž množství docházelo

160

k substituci lithia a množství Co zůstávalo stále stejné. Lithium bylo nahrazováno draslíkem v množstvích 1%, 2,5% 5% a 10%. Byly tedy vytvořeny čtyři vzorky materiálů, ve kterých bylo nahrazováno Li uvedeným procentem K. Promíchání probíhalo ve směsi destilované vody a etylalkoholu v poměru 2:1 a následovalo vysušení při teplotě 90°C po dobu 12h. Vysušená směs byla rozemleta v kulovém mlýnu, nasypána do keramické misky a žíhána po dobu 30h při teplotě 400°C. Vyžíhaný materiál byl následně rozemlet a peletován, vzniklá peleta byla opět žíhána při teplotě 650°C po dobu 8h. V dalším kroku se opakoval proces rozemílání, peletování a žíhání tentokrát při teplotě 950°C po dobu 8h. Po každém mletí byl mlýn důkladně vymyt vodou následně alkoholem a vysušen. Při mletí byl mlýn napuštěn argonem. Výsledný materiál byl rozemílán v kulovém mlýnu a následně byla vytvořena směs složená z rozpouštědla NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon), pojidla PVDF (Polyvinylidenfluorid) a uhlíku Super P. Hmotnostní poměr látek byl Lix-1KxCoO2 80%, Super P 10%, PVDF 10%. Výsledná směs byla nanesena pomocí lžíce na Al folii vysušena a zalisována tlakem 3200kg/cm2. Z potažené Al folie byl vyseknut disk o průměru 18mm a vložen do testovací ElCell© ECC-STD elektrochemické cely sestavené v rukavicovém boxu naplněném argonovou atmosférou, jako protielektroda bylo použito kovové lithium a jako elektrolyt 1M LiPF6 ve směsi EC:DMC 1:1 w/w napuštěný v separátoru ze skelné tkaniny. Pro měření bylo použito galvanostatické cyklování přičemž potenciálové okno bylo nastaveno na 2,5 – 4,2V proti lithiu. Vždy byly provedeny dva vybíjecí a nabíjecí cykly, při nichž byl pomocí hmotnosti naneseného vzorku vypočten vybíjecí a nabíjecí proud 0,5C za předpokladu, že kapacita materiálu je 120mAh/g. Z těchto dvou cyklů byla odečtena skutečná kapacita vzorku a vzorek byl následně desetkrát cyklován proudem 0,5C. Veškeré vyrobené vzorky Lix-1KxCoO2 byly porovnávány se vzorky čistého materiálu LiCoO2 vyrobenými obdobným způsobem ve čtyřech žíhacích miskách označených I-IV. Tab. 1: Kapacity vzorků LiCoO2 č.I - IV v prvních dvou cyklech vybíjení LiCoO2 č. I

LiCoO2 č. II

LiCoO2 č. III LiCoO2 č. IV


135,7 mAh/g

119,2 mAh/g


132,4 mAh/g

116,8 mAh/g

Tab. 2: Kapacity vzorků Li1-xKxCoO2 (x = 0,01; 0,025, 0,05; 0,1) první dva cykly vybíjení Li0,99K0,01CoO2

Li0,99K0,01CoO2 Li0,975K0,025CoO2 Li0,975K0,025CoO2 č.2 č.2

Li0,95K0,05CoO2 Li0,9K0,1CoO2

Cyklus č. 113,9 mAh/g 1

118,9 mAh/g

119,1 mAh/g

117,6 mAh/g

105,9 mAh/g

111,4 mAh/g

Cyklus č. 110,0 mAh/g 2

116,3 mAh/g

117,0 mAh/g

114,9 mAh/g

102,8 mAh/g

110,6 mAh/g

161

Obr. 1: Srovnání kapacit v prvních dvou cyklech vzorku LiCoO2 č.IV a Li0,975K0,025CoO2 V prvních dvou cyklech se nejvíce blížil kapacitě materiálu LiCoO2 č.IV materiál Li0,975K0,025CoO2, ostatní materiály u kterých bylo Li nahrazeno K vykazovaly nižší kapacitu.

Obr. 2: Pokles kapacity při 10 cyklech vzorku Li0,975K0,025CoO2

162

Obr. 3: Průběh kapacity všech vzorků při 10 cyklech Tab. 3: Pokles kapacity při 10 cyklech u dvou vzorků LiCoO2 v porovnání s Li0,975K0,025CoO2 LiCoO2 č. I

LiCoO2 č. IV

Li0,975K0,025CoO2

Li0,975K0,025CoO2 č.2

Cyklus č. 1

139,1 mAh/g

113,6 mAh/g

114,9 mAh/g

107,5 mAh/g

Cyklus č. 10

121,9 mAh/g

95,3 mAh/g

95,8 mAh/g

93,4 mAh/g

Pokles kapacity

-12,4 %

-16,1 %

-16,6 %

-13,1 %

Shrnutí Při nahrazování draslíku za lithium ve struktuře LiCoO2 bylo zjištěno, že nový materiál má nižší počáteční kapacitu a zároveň dochází v porovnání se základním materiálem k rapidnějšímu poklesu kapacity během cyklování. Jediným materiálem s možnou další perspektivou byl vzorek s 2,5% náhradou K za Li. Tento materiál dosahoval obdobné počáteční kapacity a nižšího poklesu kapacity během cyklování než vzorek čistého LiCoO2 připravený současně s tímto vzorkem. Oproti nejlepšímu vzorku čistého LiCoO2 vyrobenému touto metodou nedošlo k žádnému zlepšení. Pro další výzkum by bylo dobré se zaměřit na materiál s obsahem K kolem 2,5%. Poděkování Tato práce byla podporovaná grantem FEKT-S-11-7 a projektem GAČR P102/10/2091. Literatura [1] [2]

Linden. D, Reddy B., T., Handbook of batteries, 3. vydání 2002 ISBN 0-07-135978-8 SCHALKWIJK, V.A., B. SCROSATI, Advances in Lithium-Ion Batteries. 2002, London: Kluwer Aacademic Publishers.

163


VLIV VODIVÝCH PŘÍMĚSÍ NAM NA ŽIVOTNOST OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU Karel Tonar Ústav Elektrotechnologie, VUT Brno Fakulta Elektrotechniky a komunikačních technologií, 602 00 Brno, Česká republika, e-mail: [email protected] Abstrakt Základními stavebními kameny aktivní hmoty pro zápornou elektrodu jsou olověný prach, síran barnatý BaSO4, uhlík, organické přísady, přísady zajišťující soudržnost hmoty a kyselina sírová. Úvod Kombinace přísad BaSO4, uhlíku a lignosulfátů určuje životnost celé záporné elektrody a tím i akumulátoru. Variant a postupů k dosažení vyšších životností akumulátorů je samozřejmě více. K oblíbeným možnostem patří zejména využití dodatečného přítlaku na elektrodový systém. Zvýšení životnosti by mohlo být dosaženo i použitím celkově většího množství expandéru vůči množství ostatních komponent v NAM nebo použití kombinace uhlíku, TiO2 a jiných přísad prodlužující životnost. I novodobé materiály fyziologicky i chemicky podobné uhlíku jsou další cestou vývoje těchto elektrochemických zdrojů. V současnosti se svými vlastnosti nabízí využití elektricky vodivého keramického prášku – ebonexu. Ten kombinuje možnosti jak vodivých, tak i nevodivých aditiv. Carbon Carbon v NAM zastupuje funkci vodiče, který zvyšuje účinnost nabíjení a redukuje vývin síranů olova [1], [2]. Schopnost příjmu náboje je tak vyšší zejména při hlubokých vybíjeních akumulátoru. Často je ve výzkumných zprávách carbon dělen na dvě formy podle velikosti zrn. Prvním z nich je uhlík s velikostí částic 12 - 100 nm. Měrný povrch uhlíku se pohybuje v hodnotách 45 – 1000 m2g-1 a v některých případech i vyšších. Druhou formou uhlíku je grafit. Velikost zrn grafitu je 10 – 28 μm. Měrný povrch této formy je nižší, a to v rozmezí 9 24 m2g-1. Hlavní devízou uhlíku je především ta vlastnost, že spolu s příměsí síranu barnatého zabraňuje vzniku a růstu krystalů PbSO4 během vybíjení a tím podporuje formování pórů v síranové vrstvě na povrchu NAM. V literatuře se často objevuje existence Moseleyho hypotéz, které dokazují příznivý vliv uhlíku na životnost a výkonnost záporných aktivních hmot. Tato vysvětlení podpořená řadou několika měření jsou následující:

164

Uhlík usnadňuje vznik malých izolovaných částeček PbSO4, čímž usnadňuje jejich rozpustnost při nabíjení a ztěžuje růst krystalů síranu. b) Zvyšuje celkovou vodivost NAM. c) Některé formy uhlíku obsahují nečistoty, které brání vývoji vodíku a tím zvyšují účinnost procesu nabíjení. d) Napomáhá difůzi kyseliny sírové do vnitřního objemu NAM při vyšších rychlostech nabíjení a vybíjení. Někde se uvádí, že uhlík pracuje jako “elektro-osmotická pumpa“. e) Částice uhlíku se adsorbují na povrch NAM, kde se silně naváží na Pb. Tím zvyšují aktivní povrch NAM a vodivost na konci vybíjení (snižují obsah PbSO4). Z výše uvedeného vyplývá, že zvyšují schopnost příjmu náboje při vysokorychlostním cyklování. NAM v tomto případě pracuje jako superkondenzátor [3], [4], [5]. Bylo dokázáno, že hlavním účinkem uhlíku v NAM je zpomalení krystalizačního procesu síranu před vodivostními vlastnostmi této příměsi [3], [6]. Zajímavým zjištěním Pavlova a spol. [7] bylo, že elektrochemická redukce PbSO4 probíhá na některých formách uhlíku při nižším přepětí než na částicích Pb. a)

Při malých koncentracích uhlíku v NAM při vybíjení vznikají pravidelně tvarované krystalky PbSO4, které postupem cyklovacího procesu narůstají do větších seskupení. Pokud je v NAM přítomna vyšší koncentrace uhlíku, vznikají oblé formy PbSO4, na jejichž povrch se dokáží navázat malé částečky uhlíku. Tím na povrchu částic PbSO4 vznikají defekty krystalové mřížky, což vede ke snažší rozpustnosti PbSO4 a vyšší účinnosti při nabíjení vysokými proudy. Vysoké koncentrace uhlíku v NAM mají za následek pevnou vazbu uhlíku jak na povrchu, tak i ve vnitřním objemu NAM. Tato skutečnost snižuje reverzibilitu PbSO4 na Pb. Uhlík se váže do větví skeletonu NAM, proniká i do pórů a mění jejich střední velikost. Struktura NAM je následně méně stabilní a vzrůstá její vnitřní odpor. Obě formy carbonu mění polarizaci NAM. U grafitu je však polarizace vyšší. Její pokles závisí na proudové hustotě v NAM. Čím je koncentrace aditiva v NAM vyšší nebo čím je větší měrný povrch, tím je menší proudová hustota i polarizace. Uhlík mění základní reakce a fyzikálně chemické procesy během redukce PbSO4 → Pb tím, že usnadňuje přístup iontům Pb2+ na povrch NAM a tím transfer e- přes vrstvu uhlíkového aditiva k adsorbovanému Pb2+ probíhá s menším odporem. Expandér celkově zvětšuje potenciální bariéru pro přechod e- k adsorbovanému iontu Pb2+. Tomuto procesu se často říká paralelní mechanismus nabíjení, který zvyšuje reverzibilitu v NAM viz. Obr.1. [4].

Obr. 1: Paralelní mechanismus nabíjení[4].

165

Podmínkou je, že uhlík musí disponovat vysokou afinitou k Pb, jelikož musí vzniknout vysoce stabilní kontakt Pb-C s malým odporem [4], [8]. BaSO4 Barnatá sůl kyseliny sírové je bílý krystalický prášek, který po procesu pastování NAM je adsorbován na její povrch na kontaktní místa Pb částic. Zde působí jako nukleační centrum pro tvorbu a růst PbSO4 krystalů a jejich rovnoměrnou distribuci po ploše NAM. Toto aditivum je vysoce rozpustné právě v H2SO4 a zároveň elektrochemicky neaktivní ve vodných roztocích. Také se neúčastní chemických procesů v NAM. Má však podstatný vliv na výkonnost a tvorbu některých krystalických procesů. Využívá se izomorfnosti BaSO4 s PbSO4 a SrSO4.

with BaSO4 without BaSO4 Pb/ PbSO4

Obr. 2: Průběh potenciálu při vybíjení Jeho krystaly fungují jako zárodečná centra pro vznik a růst krystalů PbSO4. Tvoří se tak smíšené krystaly PbSO4 a BaSO4, které usnadňují vznik porézní vrstvy malých krystalů a brání depozici trvalého pasivačního filmu na povrchu NAM. Tím usnadňují pohyb iontů Pb2+, udržují reakci vybíjení Pb a zvyšují kapacitu elektrody. Existuje iterakce mezi BaSO 4 a částicemi expandéru – BaSO4 adsorbují molekuly expandéru. Avšak použitím pouze jednoho aditiva rapidně klesá kapacita elektrody. Ideálním množství pro účely automobilového průmyslu je NAM s obsahem 0,3 – 0,5 hm.% BaSO4 [4], [8]. Organická aditiva – Indulina AT (lignosulfáty) V NAM olověných akumulátorů jsou využívány především přírodní vysoce pórézní produkty. Lignosulfáty jsou rozpustné polymery aniontových polyelektrolytů, které jsou vedlejšími produkty při výrobě celulózy. Zvyšují svorkové napětí akumulátorů hlavně při nižších okolních teplotách. U průmyslových článků zabraňují pasivaci hluboce vybíjených elektrod. Při cyklování akumulátoru se tyto polymery však postupně nevratně rozkládají a tím snižují jeho kapacitu. Proto se do NAM přidává dřevěná moučka. Ta se při provozu akumulátoru postupně rozkládá a produkuje lignin, který je náhradou lignosulfátů. Uvolněné ionty ligninu jsou transponovány a adsorbovány na povrch Pb, kde jejich molekulová forma brání tvorbě a vzrůstu PbSO4 krystalů [4], [8]. Ebonex Vlastnickými právy (patentem) na tento produkt disponuje společnost Atraverda, která jako základní složku pro jeho výrobu využívá komerčního TiO2.

166

Ebonex je moderní modro – černý materiál často v literatuře popisován jako elektricky vodivý keramický prášek. Vodivost je srovnatelná s uhlíkem, navíc značně odolává oxidaci a korozi jak v kyselém, tak i zásaditém prostředí. Základní strukturu tvoří rutil oxidu titaničitého, který lze popsat jako síť pravidelných TiO6 osmistěnů. Seskupením vzniká suboxid TinO2n-1 se střižnou rutilovou strukturou. Např. Ti4O7 má po třech TiO2 vrstvách jednu vrstvu TiO viz. Obr.3. Vodivosti se tedy účastní právě vrstvy TiO a chemickou odolnost představují vrstvy TiO2. Prvek je také vysoce čistý a zpracovatelnost je jednoduchá [9]. Chemické a fyzikální vlastnosti: bod varu bod tání vlastní hustota objemová hmotnost (prášku) rozpustnost ve vodě vzhled

>3000°C >1800°C 4,3 g/cm3 0,6 – 1,5 g/cm3 nerozpustný modročerný prášek bez zápachu

Ebonex je nehořlavý, nepodporuje spalování, nerozkládá se nebo nezpůsobuje ničivé (výbušné) reakce při hoření. Je extrémně chemicky inertní, nereaguje s nejběžnějšími rozpouštědly, kyselinami a alkáliemi. Nerozkládá se a ani nijak nepodporuje rušivé reakce v kontaktu s širokou škálou chemikálií. Dále je fyziologicky mírný. Nejsou známy žádné nežádoucí reakce. Nepříznivý vliv prachu o úrovni vyšší než 10 mg/cm3 [9].

Obr. 3: Struktura Ebonex [9]. Poděkování Tato práce byla podporovaná specifickým vysokoškolským výzkumem na VUT v Brně č. FEKT–S–11–7.

167

Literatura [1] [2] [3] [4]

[5]

[6]

[7]

[8] [9]

168

ZACHLIN, A.C., J. Electrochemical Society 98 (1951) 325-333. WILLIHNGANZ, E., Presentation to Association of American BatteryManufacturers, October 22-23, 1942, Natnl. Lead Publn. 63 (1942). CALÁBEK, M., MICKA, K., KŘIVÁK, P., BAČA, P., Significance of carbon additive in negative lead-acid battery electrodes, Jornal of Power Sources 158 (2006) 864. PAVLOV, D.: Lead – Acid Batteries, Science and Technology, A handbook of lead-acid battery technology and its influence on the product, Elsevier Great Britain, 2011, ISBN 978-0-444-52822-7 PAVLOV, D.; ROGACHEV, T.; NIKOLOV, P.; PETKOVA, G., Mechanism of action of electrochemically aktive carbons on the processes that také place at the negative plates of lead-acid batteries, Journal of Power Sources, 2009, 191.ISSN 58 – 75. MICKA, K., CALÁBEK, M., BAČA, P., KŘIVÁK, P., LÁBUS, R., BILKO, R., Studies of negative valve – regulated lead – acid battery electrodes, Journal of Power Sources, 2009, 191.ISSN 154 – 158. PAVLOV, D., ROGACHEV, T., NIKOLOV, P., PETKOVA, G., Mechanism of action of electrochemically active carbons on the processes that take place at the negative plates of lead-acid batteries, Journal of Power Sources 191 (2009) 58. RAND, D.,MOSELEY, P., GARCHE, J., PARKER, C.:Valve – Regulated Lead – Acid Batteries, Elsevier B.V., Amsterdam, 2004, ISBN 0-444-50746-9 Ebonex Electrically Conductive Meterials [online]. – [cit. 8.12.2011]. Dostupné na www.: http://www.atraverda.com/index.php?q=technology/ebonex-powder.


METODY MĚŘENÍ TEPLOTY A JEJICH PŘESNOST Zdenka Rozsívalová, Martin Frk VUT v Brně, FEKT, Ústav elektrotechnologie, Technická 10, 616 00 Brno, Česká republika [email protected], [email protected] Abstrakt Příspěvek se zabývá metodikou měření teploty, která představuje jednu ze základních veličin soustavy SI, a svým vlivem se podílí na výsledcích všech v praxi prováděných fyzikálních a chemických experimentů. Zaměřuje se na popis fyzikálních principů kontaktních teploměrů, využívajících kovových a polovodičových odporových senzorů, termočlánkových dvojic kovů a bezkontaktních infračervených teploměrů včetně přehledu matematických koeficientů a konstant vybraných senzorů. Současně shrnuje požadavky, vyplývající z příslušných národních norem, které jsou kladeny na teplotní senzory z hlediska požadované třídy přesnosti, vyjádřené maximální dovolenou chybou nebo nejistotou, v širokém rozsahu teplot používaných v technické praxi. Úvod Teplota představuje druhou nejčastěji měřenou fyzikální veličinu SI soustavy, hned po měření času. Udává se v teplotních stupních, její základní jednotkou je kelvin (používá se v souvislosti s termodynamickou teplotou). Mezi další jednotky patří například stupeň Celsia (nejpoužívanější jednotka u nás), stupeň Fahrenheita (USA), stupeň Rankina (zastaralá jednotka) nebo stupeň Réaumura (prakticky se již nepoužívá). Obor, který se měřením teplot zabývá, se nazývá termometrie. Přehled používaných teplotních stupnic, jejichž uplatnění v praxi tedy souvisí s geografickou polohou a oborovým zaměřením, je shrnut v tabulce Tab. 1. Sledování teploty, od pouhé subjektivní indikace až po precizní měření, se uskutečňuje, nejen ve všech průmyslových oborech, ale i v každodenní praxi. Teplota vystupuje jako indikátor stavu produktů nebo částí strojů a zařízení, ať už ve výrobě, nebo při kontrole jakosti. Přesné monitorování teploty zlepšuje kvalitu výrobků a zvyšuje produktivitu. Tab. 1: Přehled teplotních stupnic teplotní stupnice

jednotka

symbol

absolutní nula

převod na °C

převod ze °C

Kelvinova

Kelvin

K

0

C = T - 273,15

T = C + 273,15

Celsiova

stupeň Celsia

°C

-273,15

-

-

Fahrenheitova

stupeň Fahrenheita

°F

−459,67

C = 5/9 (F - 32)

F = 9/5 C + 32

Réamurova

stupeň Réamura

°R, °Ré

−218,52

C = 5/4 R

tR = 4/5 C

Rankinova stupeň Rankina °Ra 0 C = 5/9 (R - 273,15) R = 9/5 C + 273,15 Pozn.: Dalšími možnými (historickými) teplotními stupnicemi jsou Delisleova (°D, °De, 0 K = 559,73 °D), Newtonova (°N, 0 K = −90,14 °N) a Rømerova (°Rø, 0 K = −135,90 °Rø).

169

Teplotní čidla Teplotní čidlo tvoří základní součást jakéhokoliv diagnostického zařízení určeného ke snímání teploty. Jeho princip je založen na přeměně teploty, jako fyzikálního stavu měřeného média, na mechanickou nebo elektrickou veličinu, která je následně zpracovávána a vyhodnocována příslušným měřicím zařízením. Teplota může být sledována řadou rozličných snímačů, u kterých se odvozuje z citlivosti na změnu fyzikální veličiny. Existuje šest základních typů teplotních snímačů, a to termočlánky, odporové teploměry a termistory, infračervené teploměry, bimetalové teploměry, snímače s roztažitelnými kapalinami a snímače se změnou stavu. Odporové snímače teploty Princip odporových snímačů je založen na teplotní závislosti elektrického odporu kovových, případně polovodičových materiálů. Dělí se na odporové teploměry, pracující na principu mírné změny odporu (v kovech), který s teplotou více nebo méně lineárně vzrůstá, a termistory, což jsou elektrotechnické součástky s výraznou teplotní změnou odporu. Kovové senzory Pro měření teploty se v praxi používají především čisté kovové materiály. Nejčastěji se jedná o odporová čidla platinová, niklová, případně měděná v drátovém, v poslední době také ve vrstvovém provedení. Základní fyzikální vlastnosti uvedených materiálů jsou shrnuty v tabulce Tab. 2. Ke stanovení konkrétní hodnoty teploty se využívá přepočet z teplotní závislosti odporu kovových materiálů, kterou lze v širokém teplotním rozsahu vyjádřit polynomem v obecném tvaru

R  R0 1  A   B  2  C  3  ... . Pro užší teplotní interval v oblasti 0 až 100 °C lze použít lineární tvar předchozí rovnice R  R0 1     0  .

Důležitým parametrem odporových snímačů teploty je poměr odporů čidla W při teplotě 100 °C, resp. při obecné teplotě , a při teplotě 0 °C, tj.

W100 

R100 R , resp. W   . R0 R0

Tab. 2: Vybrané vlastnosti kovových materiálů [2] kov

rezistivita

teplotní koeficient odporu

poměr odporů

měřicí rozsah

 (10-6 m)

 (10-3 K-1)

W100 (-)

 (°C)

měď

0,01724

4,26 až 4,33

1,4260

-50 až 150

nikl

0,0684

6,17 až 6,70

1,6180

-60 až 200

platina

0,105

3,85 až 3,93

1,4260

-200 až 850

Platina Nejlepším, nejpřesnějším a nejčastěji používaným materiálem ke sledování teploty je platina. Požadavky na platinová teplotní čidla jsou shrnuty v normě IEC-751 (IEC ČSN 60 751). Uvedená norma předepisuje pro teplotní čidla hodnotu základního odporu R0 = 100 

170

a teplotní koeficient odporu  = 3,851E-3 K-1, tj. W100 = 1,3850. Teplotní závislosti odporu platinového čidla v oblasti záporných teplot (-200 až 0 °C) lze, podle normy IEC-751, vyjádřit polynomem ve tvaru

R  R0 1  A   B  2  C   100  3  . Pro případ teplotního rozsahu 0 až 850 °C pak platí rovnice

R  R0 1  A   B  2  , kde R0 značí základní hodnotu odporu (100 ), A = 3,9083E-3 K-1, B = -5,775E-7 K-2, C = -4,183E-12 K-4. V případě teplotních čidel s vyšší hodnotou základního odporu (nejčastěji 200, 500 a 1 000 ), je nutné vynásobit výslednou hodnotu odporu koeficientem R0 .10-2. V některých mezinárodních normách či standardech jsou kladeny na čistotu platiny ještě vyšší požadavky než v IEC-751. V normě U. S. Industrial Standard je platina charakterizována teplotním koeficientem odporu  = 3,911E-3 K-1, tj. W100 = 1,3910 a ve standardu ITS 90, který klade na čistotu platiny nejvyšší požadavky, je  = 3,926E-3 K-1, tj. W100 = 1,3926. Odporová čidla Pt100 jsou vyráběna v několika základních třídách přesnosti s tolerančními poli vyjádřenými vztahy uvedenými v tabulce Tab. 3. Tab. 3: Třídy přesnosti a příslušné hodnoty tolerancí platinových čidel [4] třída přesnosti

teplotní tolerance

teplotní rozsah

1/10 B

    0,03  0,0005  

0 až100 °C

1/3 B (AA)

    0,10  0,0017  

-50 až 250 °C

A

    0,15  0,002  

-50 až 650 °C

B

    0,3  0,005  

-200 až 850 °C

C

    0,60  0,01  

-200 až 850 °C

Nikl Předností niklových snímačů je vyšší úroveň citlivosti a rychlá odezva. Jejich nevýhodou je menší stálost, nelinearita, obtížná výroba v požadované čistotě a nižší rozsah použitelnosti. Při vyšších teplotách dochází ke změně krystalické modifikace niklu a tím i ke změně teplotního součinitele odporu. Teplotní závislosti odporu niklového čidla v širokém teplotním rozsahu lze, podle normy DIN 43760, vyjádřit polynomem ve tvaru R  R0 1  A   B  2  C  4  D  6  ,

kde R0 značí základní hodnotu odporu (nejčastěji 100, 200, 1 000 a 2 000 ), A = 5,485E-3 K-1, B = 6,650E-6 K-2, C = 2,805E-11 K-4 a D = -2,00E-17 K-6 a teplotní koeficient odporu  = 6,18E-3 K-1. V praxi existují ještě niklová teplotní čidla s hodnotou teplotního koeficientu odporu  = 5,00E-3 K-1 a  = 6,37E-3 K-1, pro které platí modifikovaná rovnice i příslušné vyskytující se materiálové koeficienty.

171

Z pohledu přesnosti je možné niklová čidla klasifikovat do dvou základních tříd A a B s příslušnou hodnotou přesností uvedenou v tabulce Tab. 4. Tab. 4: Třídy přesnosti niklových čidel [4] třída přesnosti

teplotní rozsah  < 0

teplotní rozsah  > 0

A

    0,2  0,014  

    0,2  0,0035  

B

    0, 4  0,028  

    0,4  0,007  

Měď Měděné snímače teplot nejsou příliš rozšířené a používají se nejčastěji, v podobě vinutých odporů se základní hodnotou odporu 50 a 100 , k přímému měření teploty vinutí elektrických motorů. Z důvodu snadné oxidovatelnosti a nízké hodnoty rezistivity se měděné snímače teploty běžně nepoužívají. Matematický popis teplotní závislosti odporu lze pro jednotlivé teplotní oblasti vyjádřit rovnicemi uvedenými v tabulce Tab. 5. Tab. 5: Matematické formulace teplotní závislosti odporu měděných snímačů [5] teplotní rozsah

matematická formulace odporu

hodnoty materiálových konstant

-200 až -50 °C

R  A0 R0 1  A1   200   B1   200    

-50 až 150 °C

R  R0 1  A2  

150 až 250 °C

2 R  C0 R0 1  A3   150   B3   150    

2

A0 = 1,17058E-1, A1 = 3,92313E-2 K-1 A2 = 4,2743E-3 K-1 A3 = 2,62628E-3 K-1

B1 = 7,45044E-6 K-2 B3 = 2,43732E-8 K-2 C0 = 1,641145

Polovodičové senzory Do této kategorie patří zejména termistory a monokrystalické polovodičové snímače. Termistory se vyrábějí zpravidla na bázi polykrystalických polovodičových materiálů. Komponenty s kladným teplotním součinitelem odporu, tzv. pozistory (NTC pozistory), se zhotovují z polykrystalických materiálů na bázi BaTiO3, u nichž bylo dosaženo polovodivých vlastností heterovalentní substitucí atomů v krystalové mřížce. Termistory se záporným teplotním součinitelem, tzv. negastory (NTC termistory), jsou vytvořeny z polykrystalických polovodičových materiálů, zpravidla na bázi oxidů niklu, manganu, kobaltu, železa a titanu. Teplotní závislost termistoru je možné aproximovat exponenciální závislostí ve tvaru B

R  A e T , resp. ln R  A 

B , T

kde A a B jsou koeficienty termistoru závislé na geometrickém tvaru, materiálu termistoru a částečně i na teplotě. Využitím uvedeného vztahu lze sledovat teplotu v rozsahu 0 až 100 °C s nelinearitou ±1 °C. Aproximací teplotní závislosti polynomem vyššího řádu zapsaným ve tvaru 2

ln R  A0  A1

1 1 1  A2    ...  An   T T  T 

n

lze zvýšit přesnost stanovení teploty a rozšířit teplotní interval použitelnosti.

172

Termočlánky Termočlánek sestává z dvojice různých kovů, pevně spojených na jednom konci. Pro jeho konstrukci se používají čisté kovové materiály a jejich slitiny. Přeměna teploty na elektrický signál je podmíněna vznikem dotykového potenciálu, jehož úroveň je závislá na výstupní práci elektronů z příslušného kovu a na koncentraci volných nosičů náboje. Termoelektrické napětí je následně dáno součtem dotykových potenciálů při rozdílné teplotě obou stykových míst. Míra jevu je určena Seebeckovým (termoelektrickým) součinitelem, který může nabývat kladných nebo záporných hodnot. Hodnota Seebeckova koeficientu pro kovy je řádově (10-6 až 10-5) V K-1, pro polovodiče je řádově (10-6 až 10-3) V K-1. Z hlediska měření je potřebné, aby generované termoelektrické napětí bylo co největší a aby oba kovy byly co nejodolnější proti vlivům okolního prostředí tak, aby se jejich vlastnosti v průběhu času co nejméně měnily. Uvedeným požadavkům vyhovuje jen několik dvojic materiálů a jejich složení je proto normováno, takže vlastnosti stejně označených termočlánků vyrobených různými výrobci jsou shodné. V současné době se doporučuje používat termočlánky a kompenzační vedení, jejichž parametry, označení, přesnost a teplotní rozsah odpovídají mezinárodní normě IEC 584 a národním normám odvozeným z ní. Např. v České republice ČSN EN 60584, ve Francii NFC 42-324, v Japonsku JIS C 1610-1981, v USA ASTM E230-ANSI MC 96.1, a v Německu DIN 43710. Přičemž některé označení a třídy přesnosti se výrazně liší, proto je nutné brát zřetel na původ termočlánku. V následujících tabulkách Tab. 6 a Tab. 7 jsou shrnuty vybrané vlastnosti a třídy přesnosti termočlánkových dvojic kovů odpovídající normě ČSN EN 60584. Tab. 6: Přehled termočlánkových dvojic kovů a jejich vlastnosti [3] Typ B E J K N R S T C* G* D*

měřicí rozsah krátkodobý

měřicí rozsah trvalý

+ pól

materiálové složení - pól

+ pól

barevné označení - pól

 (°C)

 (°C)

Pt - 30Rh Ni-Cr Fe Ni-Cr Ni-Cr-Si Pt - 13% Rh Pt - 10% Rh Cu W - 5% Re W W - 3% Re

Pt - 6% Rh Cu-Ni Cu-Ni Ni-Al Ni-Si Pt Pt Cu-Ni W - 26% Re W - 26% Re W - 25% Re

šedá fiálová černá zelená růžová oranžová oranžová hnědá

bílá bílá bílá bílá bílá bílá bílá bílá

200 až 1820 -40 až 900 -180 až 800 -180 až 1300 -270 až 1300 -50 až 1700 -50 až 1750 -250 až 400

0 až 1700 0 až 800 0 až 750 0 až 1100 0 až 1100 0 až 1600 0 až 1600 -185 až 300

není definováno

0 až 2320

* uvedené typy termočlánků nejsou definovány v příslušných normách Závislost velikosti generovaného termoelektrického napětí je možné vyjádřit, až na jednu výjimku, obecnou funkcí v polynomickém tvaru n

U t   ai  i . i 0

Výjimku představuje termočlánek typu K, pro nějž platí modifikovaný vztah zapsaný ve tvaru

173

n

2 U t   ai  i  c0 exp c1   126,9686   .   i 0

Příslušné koeficienty všech řádů, jednotlivých termočlánků, jsou uvedeny v tabulkách Tab. 8a a Tab. 8b. Tab. 7: Třídy přesnosti různých typů termočlánků

(°C)

(%) B E J K N R S T

přesnost 2. třída

1. třída

typ

0,4 1,5 (-40 °C až 1000 °C) 0,4 1,5 (-40 °C až 750 °C) 0,4 1,5 (-40 °C až 1000 °C) 0,4 1,5 (-40 °C až 1000 °C) 1 1 + 0,3 ( - 1100) (0 °C až 1600 °C) 1 1 + 0,3 ( - 1100) (0 °C až 1600 °C) 0,4 0,5 (-40 °C až 350 °C)

C

-

G

-

D

-

3. třída (%) (°C) 0,5 4 (600 °C až 1 700 °C) 1,5 2.5 (-200 °C až 40 °C)

(%) (°C) 0,25 1,5 (600 °C až 1 700 °C) 0,75 2,5 (-40 °C až 900 °C) 0,75 2,5 (-40 °C až 750 °C) 0,75 2,5 (-40 °C až 1 200 °C) 0,75 2,5 (-40 °C až 1 200 °C) 0,25 1,5 (-40 °C až 1 600 °C) 0,25 1,5 (-40 °C až 1 600 °C) 0,75 1 (-40 °C až 450 °C) 1,00 4,5 (0 °C až 2320 °C) 1,00 4,5 (0 °C - 2320 °C) 1,00 4,5

1.5 2.5 (-200 °C až 40 °C) 1.5 2.5 (-200 °C až 40 °C) 1.5 1 (-200 °C až 40 °C) -

(0 °C až 2320 °C)

Rozsah provozních teplot u jednotlivých termočlánků má informativní charakter a je omezen provedením jejich opláštění a také průměrem termočlánkových drátů. typ T typ B typ N typ J typ K typ R typ S typ E -200

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1700 1800

 ( °C ) Obr.

174

1:

Teplotní

rozsah

použitelnosti

vybraných

termočlánkových

dvojic

kovů

175

3,0475836930E-02

-8,5681065720E-05

1,3228195295E-07

-1,7052958337E-10

2,0948090697E-13

-1,2538395336E-16

1,5631725697E-20

a2

a3

a4

a5

a6

a7

a8

-

1,1859760000E+02

2,3622373598E-02

-3,2858906784E-04

-4,9904828777E-06

-6,7509059173E-08

-5,7410327428E-10

-3,1088872894E-12

-1,0451609365E-14

-1,9889266878E-17

-1,6322697486E-20

-

-

a2

a3

a4

a5

a6

a7

a8

a9

a10

c0

c1

-1,1834320000E-04

-1,6322697486E-20

-1,9889266878E-17

-1,0451609365E-14

-3,1088872894E-12

-5,6072844889E-10

3,1840945719E-07

-9,9457592874E-05

1,8558770032E-02

3,8921204975E+01

3,9450128025E+01

-1,7600413686E+01

0,0000000000E+00

a1

0 až 1372 °C

-

-

-

-3,0691369056E-10

1,5720819004E-06

-3,1847686701E-03

3,1787103924E+00

-1,4976127786E+03

a0

-270 až 0 °C

5,0381187815E+01

a1

760 až 1200 °C

2,9645625681E+05

typ K

0,0000000000E+00

a0

-210 až 760 °C

typ J

-

-

-3,0682196151E-26

2,0849229339E-22

-6,0863245607E-19

9,9745338992E-16

-1,0063471519E-12

6,4311819339E-10

-2,5261169794E-07

4,3825627237E-05

1,5710141880E-02

2,5929394601E+01

0,0000000000E+00

-

-

-

-9,3419667835E-17

-7,6089300791E-14

-2,2653438003E-11

-2,6303357716E-09

-4,6412039759E-08

-9,3841111554E-05

1,0957484228E-02

2,6159105962E+01

0 až 1300 °C

-9,3791330289E-22

9,8975640821E-18

-4,4515431033E-14

1,1109794013E-10

-1,6835344864E-07

1,5785280164E-04

-8,4885104785E-02

2,8571747470E+01

-3,8938168621E+03

630,615 až 1820 °C

typ N 0,0000000000E+00

-270 až 0 °C

-

-

6,2990347094E-16

-1,6944529240E-12

1,5668291901E-09

-1,3257931636E-06

5,9040421171E-03

-2,4650818346E-01

0,0000000000E+00

0 až 630,615 °C

typ B

-

-

-

-2,8103862525E-24

1,5771648237E-20

-3,7310588619E-17

5,0077744103E-14

-4,6234766630E-11

3,5691600106E-08

-2,3885569302E-05

1,3916658978E-02

5,2896172977E+00

0,0000000000E+00

-50 až 1064,18 °C

2,7144317615E-21

-1,2506887139E-17

2,5574425179E-14

-3,3146519639E-11

3,2202882304E-08

-2,3247796869E-05

1,2593428974E-02

5,4031330863E+00

0,0000000000E+00

-50 až 1064,18 °C

Tab. 8a: Hodnoty příslušných koeficientů (V K-n) jednotlivých typů termočlánků [1]

-

-

-

-

-

-

-

-2,9335966817E-13

2,0530529102E-09

-7,6408594758E-06

1,5956450187E-02

-2,5206125133E+00

2,9515792532E+03

1064,18 až 1664,5 °C

typ R

-

-

-

-

1,2998960517E-11

-1,6485625921E-06

6,5480519282E-03

3,3450931134E+00

1,3290044409E+03

1064,18 až 1664,5 °C

typ S

-

-

-

-

-

-

-

-

-9,3463397105E-12

-3,4589570645E-05

1,7128028047E-01

-2,6881988855E+02

1,5223211821E+05

1664,5 až 1768,1 °C

-

-

-

-

-9,4322369061E-12

-3,3043904699E-05

1,6369357464E-01

-2,5843051675E+02

1,4662823264E+05

1664,5 až 1768,1 °C

c1

c0

a10

a9

a8

a7

a6

a5

a4

a3

a2

a1

a0

a8

a7

a6

a5

a4

a3

a2

a1

a0

Tab. 8b: Hodnoty příslušných koeficientů (V K-n) jednotlivých typů termočlánků [1] typ T

typ E

-270 až 0 °C

0 až 400 °C

-270 až 0 °C

0 až 1000 °C

a0

0,0000000000E+00

0,0000000000E+00

0,0000000000E+00

0,0000000000E+00

a0

a1

3,8748106364E+01

3,8748106364E+01

5,8665508708E+01

5,8665508710E+01

a1

a2

4,4194434347E-02

3,3292227880E-02

4,5410977124E-02

4,5032275582E-02

a2

a3

1,1844323105E-04

2,0618243404E-04

-7,7998048686E-04

2,8908407212E-05

a3

a4

2,0032973554E-05

-2,1882256846E-06

-2,5800160843E-05

-3,3056896652E-07

a4

a5

9,0138019559E-07

1,0996880928E-08

-5,9452583057E-07

6,5024403270E-10

a5

a6

2,2651156593E-08

-3,0815758772E-11

-9,3214058667E-09

-1,9197495504E-13

a6

a7

3,6071154205E-10

4,5479135290E-14

-1,0287605534E-10

-1,2536600497E-15

a7

a8

3,8493939883E-12

-2,7512901673E-17

-8,0370123621E-13

2,1489217569E-18

a8

a9

2,8213521925E-14

-

-4,3979497391E-15

-1,4388041782E-21

a9

a10

1,4251594779E-16

-

-1,6414776355E-17

3,5960899481E-25

a10

a11

4,8768662286E-19

-

-3,9673619516E-20

-

a11

a12

1,0795539270E-21

-

-5,5827328721E-23

-

a12

a13

1,3945027062E-24

-

-3,4657842013E-26

-

a13

a14

7,9795153927E-28

-

-

-

a14

Laboratorní pracoviště Na Ústavu elektrotechnologie FEKT VUT v Brně byla navržena a vytvořena dvě laboratorní pracoviště určená ke kalibraci odporových a infračervených měřičů teploty. Schematické znázornění obou pracovišť je uveden na obrázku Obr. 2. Metodika kalibrace je založena na principu srovnání teploty snímané zkušebními teploměry pracujícími na různém principu (kapalinovými, odporovými, termočlánkovými apod.) s údajem etalonového teploměru s vyšší deklarovanou přesností a následném stanovení nejistoty měření. První pracoviště, určené ke kalibraci kontaktních teplotních čidel, příp. teploměrů, je tvořeno kapalinovou lázní s termostatem Medingen KT, etalonovým elektronickým teploměrem ASL F100 (ASL F252) s platinovým čidlem s přesností ±0,02 °C, (resp. ±0,01 °C). Pracoviště je doplněno o převodníky společnostni Greisinger a měřicí ústřednu Agilent 34972 s multiplexerem, umožňující připojit různá odporová a polovodičová teplotní čidla a termočlánky s volným zakončením, případně se standardizovaným konektorem. Druhé pracoviště je určeno ke kalibraci bezkontaktních měřičů teploty a skládá se z teplotního kalibrátoru pro infračervené teploměry Dostmann BB500, tj. černého tělesa s emisivitou 0,95. Přístrojové zařízení umožňuje pokrýt teplotní rozsah 50 až 500 °C při zajištění stability ± (0,2 až 0,4) °C, dle přednastavené teploty.

176

KALIBROVANÉ PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ

SROVNÁVACÍ PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ

etalonový teploměr ASL F252

kontaktní oblast lázňový termostat Medingen KT30

měřicí ústředna + multiplexer Agilent 34972A

etalonový teploměr ASL F100

IR oblast černé těleso - kalibrátor Dostmann BB500

sada teploměrů Greisinger GMH 3xxx

sada infračervených teploměrů

Obr. 2: Struktura a přehled přístrojového vybavení ke kalibraci kontaktních a IR teploměrů Poděkování Autoři článku děkují MŠMT za poskytnutý finanční příspěvek formou grantu FRVŠ 449/2012/F1/a "Implementace nejistot měření a kalibrace přístrojového vybavení do laboratorní výuky předmětů orientovaných na diagnostiku a zkušebnictví", VUT v Brně za projekt FEKT-S-11-7 "Materiály a technologie pro elektrotechniku" a projektu OPVK CZ.1.07/2.3.00/20.0103 „Podpora lidských zdrojů a transferu znalostí v podmínkách mezinárodní spolupráce vědeckých týmů“. Finančních prostředků bylo využito k pořízení vybraného laboratorního vybavení. Literatura [1]

[2] [3] [4] [5]

Bentley, R. E. Handbook of Temperature Measurement: Theory and practice of thermoelectric termometry. Springer-Verlag New York, LLC, 1998. 257 s. ISBN 981402111. Kreidl, M. Měření teploty - senzory a měřicí obvody. BEN-Technická literatura, 2005. 239 s.. ISBN 80-7300-145-4. Newport Electronics, spol. s r. o. Technické informace [online]. 1995-2005. [cit. 201205-02]. Dostupné z: http://newport.cz/techinfo/. Sensit. Příručka pro konstruktéry, projektanty a realizátory měřicí a regulační techniky. Rožnov pod Radhoštěm, 2011. Minco, Inc. Resistivity Thermometry [online]. 2000. [cit. 2012-05-02]. Dostupné z: http://www.temflexcontrols.com/pdf/aa18.pdf.

177

Generální partneři:

Hlavní partneři:

Partneři:

Odborní partneři:

Mediální partneři konference:

Druh:

Neperiodická účelová publikace

Název:

33. Nekonvenční zdroje elektrické energie

Internet:

http://www.nzee.cz

Místo konání:

Hrotovice

Vydavatel:

Česká elektrotechnická společnost

Zodpovědný redaktor:

doc. Ing. Petr Bača, Ph.D. doc. Ing. Vítězslav Novák, Ph.D.

ISBN:

978-80-02-02372-2

Stran:

182

Výtisků:

80

Formát:

A4 (vazba brožovaná)

Tisk a sazba:

Tribun EU s.r.o.

Měsíc a rok vydání:

květen 2012

Vydání:

první vydáno s CD-ROM jako součást knižní publikace

33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE

Recommend Documents