ELT1 - Přednáška č. 7 Výroba elektřiny magnetismem a pohybem v magnetickém poli, světlem, teplem, třením, tlakem, chemickými procesy aj.
Výroba elektrické energie I.
Historie
II. Klasické zdroje : 1. Tepelné elektrárny 2. Jaderné elektrárny 3. Vodní elektrárny 4. Chemické zdroje – probereme dále III. Alternativní zdroje energie : 1. Větrné elektrárny 2. Voltaické
elektrárny
3. Geotermální elektrárny 4. Výroba el, energie z biomasy 5. Přílivové elektrárny aj.
ELT1 - Přednáška č. 7- přehled elektráren Elektrárny v ČR
Výroba elektřiny z mechanické energie pohybem v magnetickém poli • Transformace mechanické energie na elektrickou pomocí točivých strojů – alternátory - výsledná elektřina je střídavá – dynama - výsledná elektřina je stejnosměrná
• Fyzikálním principem je Faradayův indukční zákon
r r d r r (U i = ) ∫ E.dl = − ∫∫ B.dS dt l S
dΦ ⎞ ⎛ ⎜= − ⎟ dt ⎠ ⎝
• Interaktivní schéma tepelné elektrárny: http://www.energyweb.cz/web/schemata/tepelna/index.htm
Výroba elektřiny z mechanické energie pohybem v magnetickém poli • Přes mechanickou energii Tepelná energie se transformuje na točivou mechanickou energii v lopatkách turbín. Rotor turbíny a generátoru (alternátoru) je na stejné hřídeli, společně tvoří turbosoustrojí. Takto pracuje většina stávajících elektráren, jen zdrojem mechanického pohybu jsou různé zdroje tepla - uhlí , plyn, ropa aj. ⇒ tepelné elektrárny - jaderná energie, jaderné reaktory ⇒ jaderné elektrárny - geotermální zdroje, sluneční energie – využívá se i jiných principů transformace energie (alternativní zdroje) Klasické elektrárny se dělí na elektrárny kondenzační a na teplárny. Kondenzační elektrárny slouží pouze k výrobě elektřiny, tzn., že veškerá pára přivedená do turbíny po vykonání práce zkondenzuje na vodu v kondenzátoru. Teplárny na rozdíl od kondenzačních elektráren dodávají kromě elektrické energie i energii tepelnou na vytápění, ohřev vody apod. (horká pára je z turbíny vedena k tepelným spotřebičům).
Tepelné elektrárny Schéma tepelné elektrárny
Tepelné elektrárny Zdroje uhlí, rašeliny a ropy v ČR
Tepelné elektrárny – soustava plynovodů v ČR
Tepelné elektrárny Základní princip V uhelných elektrárnách se tepelná energie získává spalováním uhlí; tato energie se předává vodě. Pára poté roztáčí parní turbínu a ta zase alternátor vyrábějící elektřinu. Na stejném principu pracují kromě uhelných elektráren i elektrárny spalující mazut, zemní plyn nebo - do jisté míry - i jaderná elektrárna. Provoz tepelné elektrárny spalující uhlí tvoří několik okruhů: okruhy paliva, vzduchu a kouřových plynů, strusky a popela, vody a páry a okruh výroby elektřiny. Uhlí se do elektrárny dopravuje pásovými dopravníky (v případě hnědého uhlí většinou přímo z povrchových dolů v sousedství), popř. po železnici. Spotřeba uhlí závisí na jeho výhřevnosti (na jednu vyrobenou MWh se spálí asi 1 tuna uhlí). Po rozemletí na uhelný prášek a po jeho vysušení je pak palivo ventilátory spolu se vzduchem vháněno do hořáků kotle. Kromě roštových a práškových ohnišť se používají i moderní fluidní kotle různých typů. Jedním z nich jsou fluidní kotle se spalováním ve vznosu, tj. v cirkulujícím loži (jemně mleté uhlí se v proudu vzduchu chová jako vroucí kapalina) – viz další obrázek. Hoření je zde velmi rychlé a snadno regulovatelné. Účinnost spalování dosahuje až 99 %, tepelná účinnost až 92 %.
Tepelné elektrárny Po shoření paliva padá část popela do spodního prostoru ohniště jako struska; ta se dopravuje na úložiště odpadu - na odkaliště. Část popela, která je v podobě jemných částeček unášena ve spalinách, se zachycuje v elektroodlučovačích. Prakticky ve všech českých tepelných elektrárnách spalujících uhlí je instalováno i zařízení, které ze spalin odděluje oxidy síry a dusíku
Elektrárna s fluidním kotlem
Tepelné elektrárny Pára roztočí turbínu a alternátor Pára svou vnitřní energii předává nejdříve ve vysokotlakém, poté v nízkotlakém díle parní turbíně, kterou roztáčí. Pro vyšší účinnost se pára po průchodu částí turbíny vede zpět do kotle k tzv. mezipřihřátí, při kterém se opět zvýší teplota, a pak se znovu zavede do střednětlaké a nízkotlaké části turbíny. Když pára odevzdá využitelnou energii, kondenzuje v kondenzátoru a vrací se zpět do kotle. Odebrané teplo se ve vnějším okruhu odvádí z elektrárny do řeky či prostřednictvím chladicích věží do ovzduší. Dynama nahradily alternátory Při výrobě elektrické energie byl po zavedení střídavého proudu původní stejnosměrný generátor, tj. dynamo, vystřídán třífázovým synchronním alternátorem složeným ze statoru a rotoru. Hřídel alternátoru je připojena ke hřídeli turbíny (společně tvoří turbosoustrojí). Celá jednotka se otáčí rychlostí 3000 otáček za minutu. Elektřina vyrobená z generátoru má napětí 10-15 kV. Odvádí se do blokového transformátoru a transformuje se na velmi vysoké napětí (400 kV). Od vývodového blokového transformátoru se odvádí venkovním vedením do rozvodné sítě.
Tepelné elektrárny Hlavními výrobními bloky uhelných elektráren jsou bloky 200 MW (elektrárny Tušimice II, Počerady, Prunéřov 2, Chvaletice a Dětmarovice). Blokem s největším instalovaným výkonem je blok v Elektrárně Mělník (Mělník III), blok 500 MW. První veřejnou elektrárnu v Čechách vybudoval český vynálezce a podnikatel František Křižík v Praze na Žižkově. Zpočátku (elektrárna byla v provozu od roku 1889) zde pracovala čtyři dynama, později osm dalších. Příklad tepelných elektráren:
Tušimice
Chvaletice
Tepelné elektrárny Alternátor
Turbogerátor
Odsíření
Jaderné elektrárny Zjednodušené schéma jaderné elektrárny
1 – reaktor s tepelným okruhem
6 – kondenzace páry
2 – výměnník tepla - výroba páry 3 – přívod chladné vody
5 – alternátor – výroba el. proudu
4 – parní turbína
6 – kondenzace páry
Jaderné elektrárny – JE PIUS
Jaderné elektrárny – JE VVER
Jaderné elektrárny - reaktory
Jaderné elektrárny
JE Dukovany
JE Temelín
Jaderné elektrárny v ČR Jaderná elektrárna Dukovany má čtyři bloky, každý s výkonem 440 MW. Do provozu byla postupně uváděna v letech 1985 - 1988. Její podíl na celkové výrobě elektřiny v ČEZ, a. s., činí přibližně 30 %. Jaderná elektrárna Temelín má po dokončení 2 bloky, každý o výkonu 981 MW. První blok byl uveden do zkušebního provozu v roce 2001, druhý pracuje na plný výkon od roku 2004. Po úplném připojení do sítě se obě jaderné elektrárny podílejí na celkové produkci elektřiny v ČEZ, a. s. přibližně 50 %.
Vodní elektrárny Vodních elektráren je několik druhů: a) zdrojem je nádrž vody b) přečerpávací c) přílivové – zdrojem je moře
Vodní elektrárny Tlaková voda z nádrže roztáčí vodní turbínu, jejíž hřídel je mechanicky spojen s hřídelem generátoru resp. alternátoru, který vyrábí střídavý elektrický proud o několika kV(10 – 20kV). Ten se transformuje na napětí VVN (např. 400 kV). Požívané turbíny :
Podle polohy a tlaku: tangenciální radiální diagonální axiální rovnotlaká přetlaková horizontální vertikální
Podle celkové konstrukce: Peltonova turbína Francisova turbína Kaplanova turbína Dériazova turbína Bánkiho turbína Savoniova turbína Davisova turbína Turgo turbína Teslova turbína Setur turbína
Vodní elektrárny
Princip Kaplanovy turbíny Kaplanova turbína je vrtulová turbína, která má natáčivé lopatky rozváděcího i oběžného kola. Je vhodná pro vodní elektrárny s kolísavým průtokem a spádem. Předností tohoto typu jsou vysoké otáčky, což umožňuje používat generátory jednodušší konstrukce. •
Kaplanova turbína s elektrickým generátorem
Vodní elektrárny Peltonova turbína- používá se pro větší výkony, velký spád a menší průtok vody. Voda se přivádí hubicí ve směru tečny k obvodu kola a dopadá na lopatky rotoru. Výkon se reguluje kuželem v hubici. •
Francisova turbína- používá se pro velký rozsah spádů i •
průtoků a je dnes nejrozšířenější přetlakovou turbínou. Voda proudí do spirálové skříně turbíny, protéká rozváděcím kolem, naráží na lopatky oběžného kola a odtéká sací troubou. Výkon se reguluje natáčením lopatek rozváděcího kola.
Vodní elektrárny Přečerpávací elektrárny V naší republice jsou v provozu tři přečerpávací vodní elektrárny: Štěchovice II, Dlouhé stráně v Jeseníkách a Dalešice u Dukovan. Přečerpávací vodní elektrárny pracují ve dvou režimech: v době energetické špičky proudí voda z horní nádrže přes turbíny a elektrárna vyrábí elektřinu. V období nízké spotřeby (např. v noci) využívají přebytečné energie vyráběné tepelnými a jadernými elektrárnami k tomu, aby se voda z dolní nádrže zase přečerpala do nádrže horní. Vodní dílo Dalešice z let 1970 - 1978 je součástí vodních děl zajišťujících provoz nedaleké Jaderné elektrárny Dukovany. 100 metrů vysoká hráz zadržuje 127 milionů m3 vody. U paty hráze je přečerpávací elektrárna se čtyřmi reverzními Francisovými turbínami pro spád 90 m s celkovým výkonem 4x112,5 MW. Pro výrobu energie i jako pohon čerpadel jsou použity synchronní generátory s výstupním napětím 13,8 kV. Toto napětí se pro dálkový přenos transformuje na 420 kV. Elektrárna má svým výkonem 450 MW a rychlostí uvedení do plného výkonu za 30 sekund nezastupitelnou úlohu při regulaci výkonu celostátního energetické soustavy i jako okamžitá poruchová rezerva.
Vodní elektrárny - přečerpávací
Vodní dílo Dalešice u Dukovan Dlouhé Stráně - Jeseníky
Vodní elektrárny - přehled Vodní elektrárny ČEZ a.s. Vodní elektrárny Lipno I Orlík Kamýk Slapy Štěchovice I Vrané Celkem
Instalovaný výkon MW 2 x 60 4 x 91 4 x 10 3 x 48 2 x 11,25 2 x 6,94 705
Malé vodní elektrárny Lipno II Hněvkovice Kořensko I Mohelno Dlouhé Stráně II Kořensko II Želina Celkem
Rok uvedení do provozu 1959 1961 – 1962 1961 1954 – 1955 1943 – 1944 1936 x
Instalovaný výkon MW Rok uvedení do provozu 1 x 1,5 1957 2 x 4,8 1992 2 x 1,9 1992 1 x 1,2; 1 x 0,56 1977 1 x 0,16 2000 1 x 0,94 2000 2 x 0,315 1994 727 x
Vodní elektrárny – přečerpávací elektrárny Přečerpávací elektrárny Instalovaný výkon MW Štěchovice II 1 x 45 Dalešice 4 x 112,5 Dlouhé Stráně I 2 x 325 Celkem 1 145
Rok uvedení do provozu 1947 – 1948 1978 1996 x
Význam vodních elektráren v hydrologických podmínkách ČR nespočívá v objemu výroby elektrické energie, jaký poskytuje např. jaderná energetika, tj. JE Dukovany a JE Temelín, ale ve specifických vlastnostech jejich provozu. Vodní elektrárny dokáží velmi pohotově reagovat na okamžitou potřebu elektrické energie v energetické soustavě, nezatěžují životní prostředí odpady, jako je např. vyhořelé palivo, není třeba budovat úložiště odpadu apod. Vodní elektrárny představují levný zdroj elektrické energie, který se využívá zejména v období špičkové spotřeby. Přečerpávací vodní elektrárny navíc umožňují i účelné využití elektřiny produkované méně flexibilními energetickými zdroji v období nízké spotřeby. Vodní elektrárny mají i vodohospodářský význam.
8. Elektrotechnika 1 – alternativní zdroje energie Alternativní zdroje elektrické energie můžeme dělit podle různých kriterií – z hlediska dlouhodobého využívání je dělíme : a) obnovitelné zdroje energie - sluneční energie – solární články; kondenzační elektrárny - geotermální energie, nízkopotencionální zdroje energie(řeky,..) - větrné elektrárny - malé vodní elektrárny (přehrady – spád; průtok; ekologie ..) - přílivové elektrárny (moře)
b) neobnovitelné zdroje energie - termoelektrické generátory (termočlánky) – účinnost 2 až 6% - MHD generátory – plasma, příkon magnetů, konveční paliva - termoemisní generátory (katodová emise) – vysoké teploty - palivové články – teploty 350 až 600°K, H-O2, tekutý sodík,….
Přílivová vodní elektrárna Přílivová elektrárna je vodní elektrárna, která pro roztočení turbín využívá periodického opakování přílivu a odlivu moře a tím nepřímo kinetickou energii rotující Země. První přílivová elektrárna byla postavena v roce 1913 v Anglii v hrabství Cheshire, která nesla jméno Dee Hydro Station. Stavba přílivových elektráren je možná v pouze v některých vhodných oblastech, kde je vysoký rozdíl mezi přílivem a odlivem. V současnosti se u jejich stavby poukazuje i na značné ekologické dopady na okolí, jelikož zabraňují přirozenému vodnímu proudění a transportu horninových částí, dále znemožňuje migraci biosféry a má i negativní estetické dopady na krajinu. V minulosti existoval ambiciózní projekt v bývalém Sovětském svazu na přehrazení úžiny mezi poloostrovem Kola a kontinentální Asií, kde se měly vystavět dvě přílivové elektrárny. Projekt nebyl realizován.
Elektřina z mořské vody – z rozdílů teplot Elektrárna OTEC využívá tepelnou energii moří a oceánů. V podstatě jde o využití teplotního rozdílu mezi teplou vodou při hladině a chladnou vodou mořských hlubin. Teplotního gradientu využívá pokusná malá elektrárna MINI OTEC (Ocean Thermal Energy Convertion). Tato elektrárna o instalovaném výkonu pouhých 50 kW byla postavena u pobřeží Havajských ostrovů. Působením teplé mořské vody dochází ve výměníku tepla k odpařování amoniakových par, které pak pohánějí turbínu. Po průchodu turbínou páry opět kondenzují pomocí chladné hlubinné vody a cyklus se opakuje. Elektrárna MINI OTEC je instalována na palubě lodi, odkud je do hloubky spuštěna přes 60 m dlouhá hadice. Tou se čerpá chladná voda potřebná ke kondenzaci par amoniaku.
Větrné elektrárny Perspektivy větrných elektráren v ČR Podle větrného atlasu ČR, vytvořeného Ústavem fyziky atmosféry Akademie věd ČR na základě podkladů Českého hydrometeorologického ústavu, je celoroční průměrná rychlost větru přes 4 m/s (ve výšce 10 m) a přes 5,3 m/s (ve výšce 30 m). Jako nejpříhodnější lokality pro stavbu farem větrných elektráren lze považovat plochy 3 x 3 nebo 4 x 6 km v nadmořských výškách zpravidla nad 700 m (většinou však leží v chráněných krajinných oblastech, kde je zakázáno stavět). Až na řídké výjimky se energeticky příhodné lokality pro stavbu větrné elektrárny nacházejí v horských pohraničních pásmech a v oblasti Českomoravské vrchoviny. Podle předběžných odhadů by bylo možné v Krušných horách postavit 320 až 340 větrných elektráren o jednotkovém výkonu 300 až 500 kW, tj. celkem až 170 MW (výkon 1 bloku starší uhelné elektrárny).
Větrné elektrárny Vítr vzniká prouděním vzduchu, které je způsobeno nerovnoměrným ohříváním vzduchu a Země (teplejší ohřátý vzduch je lehčí a stoupá vzhůru, chladnější těžší klesá k povrchu Země). Pohybová energie větru otáčí listy či lopatkami rotoru, tím vzniká mechanická energie. Ta je přenášena přes převodovku do generátoru, kde se mění na elektrickou energii.
Větrné elektrárny Existují čtyři typy rotorů podle osy rotace. Horizontální osa rotace: a) Vrtule – má nejvyšší možnou dosažitelnou účinnost, max. 45%. Vrtule je rychloběžný typ větrného motoru. Rychloběžnost může dosahovat hodnoty kolem 10. Maximální účinnosti vrtule dosahuje při rychloběžnosti 6. Počet listů vrtule bývá 1 až 4. Používá se pro výrobu třífázového elektrického proudu. Výkon lze jednoduše stanovit pomocí rovnice: P = 0,2 x V3 x D2 P – výkon zařízení V – rychlost větru D – průměr vrtule b) Lopatkové kolo – je pomaloběžný větrný motor. Počet lopatek bývá 12 a 24, běžný průměr lopatkového kola je 5 až 8m. Maximální účinnosti je dosahováno při rychloběžnosti 1. Účinnost 20 – 43%. Používá se pro výrobu elektrického proudu pro vlastní spotřebu, čerpání vody. Výkon lze jednoduše stanovit pomocí rovnice: P = 0,15 x V3 x D2 P – výkon zařízení V – rychlost větru D – průměr vrtule
Větrné elektrárny c) Darrieův rotor – skládá se ze dvou či více křídel, které rotují kolem vertikální osy. Účinnost je až 38%. Používá se pro výrobu stejnosměrného i střídavého proudu. d) Savoniův rotor – je tvořen dvěma plochami ve tvaru půlválců, které jsou vzájemně přesazeny. Maximální účinnosti je dosahováno při rychloběžnosti 0,9 až 1. Účinnost až 23%. Používá se pro výrobu stejnosměrného proudu, čerpání vody.
Převodovka Používá se tam, kde je velký rozdíl mezi jmenovitými otáčkami rotoru a generátoru. Generátor Slouží k přeměně mechanické energie větru na elektrickou energii. Používají se tyto skupiny generátorů. a) Stejnosměrné generátory – jsou vhodné pro malé větrné elektrárny. b) Synchronní – jsou vhodné pro střední a velké větrné elektrárny. Mají velkou účinnost, jsou schopny pracovat s velkým rozsahem rychlostí větru. c) Asynchronní – jsou připojené k síti. Nevyžadují složitý připojovací systém, ten pouze sleduje otáčky a rozhoduje o okamžiku připojení k síti.
Větrné elektrárny Průměrná roční výroba elektrické energie z malé větrné elektrárny Průměr rotoru (m) Výkon při 10m/s (W)
1,5 1,7 2,2 2,4 3,0
150 250 500 700 900
Očekávaný přínos (kWh/rok) 4m/s 5m/s 6m/s 7m/s 8m/s
274 476 576 710 820 305 527 747 944 1107 581 977 1421 1854 2240 670 1420 2290 3110 3800 1430 2048 2597 3040 3387
Větrné elektrárny
Větrné elektrárny Situace s větrem v české kotlině
Výroba elektřiny světlem – fotovoltaické články • • •
•
Fotoelektrický jev - předání energie fotonů elektronům v polovodičových materiálech Výhody fotovoltaických článků – nezávislé na rozvodné energetické síti Nevýhody fotovoltaických článků – malý výkon na jednotku plochy – výkon závislý na intenzitě slunečního záření Použití - např. zdroje pro dopravní značky
Princip solárního článku
Výroba elektřiny světlem – fotovoltaické články Jak pracují solární články? Jak už bylo uvedeno, využívají tzv. fotovoutaického jevu. Je to jev, při kterém se v látce působením světla (fotonů) uvolňují elektrony. Tento jev může nastat v některých polovodičích. Fotovoltaický článek je nejčastěji tvořen tenkou destičkou (0,5 mm) nařezanou z monokrystalu křemíku (dnes se používá i levnější polykrystalický materiál). Každá strana destičky je obohacena atomy vhodných prvků tak, aby jedna byla kladná a druhá záporná. Když na destičku dopadnou fotony, uvolňují se záporné elektrony a po nich zbývají kladně nabité “díry”. Přiložíme-li na obě strany elektrody a spojíme je drátem, začne protékat elektrický proud. Jeden cm2 dává výkon kolem 12 mW. Jeden m2 tak může dát až 150 W stejnosměrného výkonu. Jinak se uvádí výkon panelu (x.m2) v kWp nebo v kWh za rok. Solární články můžeme zapojovat, jako každé jiné, buď za sebou (sériové řazení), abychom dosáhli potřebného napětí (na jednom článku je asi 0,5 V), nebo vedle sebe (paralelní řazení), abychom získali větší proud.
Výroba elektřiny světlem – fotovoltaické články Z přiložené charakteristiky vyplývá, že při dané velikosti intenzity záření je při narůstajícím napětí proud téměř konstantní. Po dosažení určité velikosti napětí prudce klesá proud. Pro dosažení maximálního výkonu je tedy zapotřebí udržovat takovou zátěž, která odpovídá pracovnímu bodu v oblasti nejvyššího napětí při největším proudu. Voltampérové charakteristiky PV článků na bázi krystalického křemíku pro různé intenzity osvětlení
Výroba elektřiny světlem – fotovoltaické články Aby sluneční článek sloužil jako zdroj proudu, musí v něm nastat rozdělení elektronů a děr. Sluneční článek není homogenní polovodič, ale skládá se z části mající elektronovou vodivost (materiál typu n, například křemík s příměsí fosforu) a části mající děrovou vodivost (materiál typu p, například křemík s příměsí boru). Vše je znázorněno na obrázku. Pásové schéma p-n přechodu krystalického křemíku za osvětlení (energie fotonů hν) s vyznačením hran vodivostního (Ec) a valenčního (Ev) pásu, šířky zakázaného pásu (Eg = Ec - Ev), Fermiho hladin v polovodiči typu n i p a oblasti existence vnitřního elektrického pole (prostorového náboje). Voc je napětí vzniklé následkem osvětlení p-n přechodu.
Výroba elektřiny světlem – v polovodičích •
Na přechodu p-n dojde k oddělení díry a elektronu a na přívodních kontaktech vznikne napětí Voc (v případě křemíku 0,5- 0,6 V) a připojíme-li ke kontaktům spotřebič, protéká jím elektrický proud. Ten je přímo úměrný počtu absorbovaných fotonů a tedy i ploše celého slunečního článku.
• Fotovoltaický sluneční článek je tedy polovodičová dioda (přechod p-n) mající velkou plochu (decimetry čtvereční), spodní celoplošný kovový kontakt (reflektor) a vrchní kovový kontakt (mřížku, hřeben) zabírající velmi malou plochu (4-8% plochy článku), aby nestínil. •
Skutečná struktura je mnohem složitější, jak je vidět na obrázku, s cílem zmenšení všech možných ztrát (reflexe světla, rekombinace nosičů proudu) a realizace co největší účinnosti přeměny sluneční energie v energii elektrickou. Teoretická účinnost v případě článku z krystalického křemíku je okolo 30%. Vyšší teoretickou účinnosti lze dosáhnout u článků složených z různých materiálů s různou absorpční hranou nebo koncentrací světla, která zvyšuje (logaritmicky) získané napětí.
Výroba elektřiny světlem – fotovoltaické články
Schematické znázornění struktury křemíkového solárního článku se vnořenými kontakty na přední straně. Texturovaný povrch pro snížení reflexe a zvýšení „light trapping" efektu je vytvářen využitím anizotropního leptání křemíku na rovině <100>. Vrstva oxidu, případně nitridu křemíku je použita pro pasivaci povrchu křemíku a pro snížení reflexních ztrát. Zadní kontakt (Al) funguje jako zpětný reflektor.
Výroba elektřiny světlem – fotovoltaické články Křemík v neuspořádané (amorfní) formě má absorpční hranu na rozhraní infračervené a červené oblasti, většinu infračerveného světla tedy propouští, ale absorpce nad absorpční hranou prudce roste (následkem změny výběrových pravidel pro optické přechody se změnou uspořádání látky) a postačí vrstva tenčí než tisícina milimetru (1 µ m) k úplné absorpci viditelného světla. Současně se dá tento materiál připravit při nízké teplotě, obvykle 200° C, a tedy nanášet na levné podložky, jako jsou sklo či některé plastické hmoty nebo kovová fólie. To vše umožní snížit cenu slunečního článku. Na druhou stranu, dopování amorfního křemíku (vytváření n-typové či p-typové vodivosti) a transport elektrického náboje je mnohem obtížnější. Proto mají současně vyráběné fotovoltaické články z amorfního křemíku následující, poměrně komplikovanou strukturu, která je schematicky zobrazena na obrázku . Malé laboratorní články dosahují stabilní účinnosti přes 13%, ale v hromadné výrobě, při “ošizení” technologických detailů s cílem dosažení co nejnižší ceny článků tato účinnost v současnosti dosahuje 7-8% (účinnost počítaná na celou plochu slunečního panelu).
Výroba elektřiny světlem – fotovoltaické čláky Schematické znázornění struktury třívrstvého slunečního článku na bázi amorfního hydrogenovaného křemíku (a-Si:H) a slitin amorfního křemíku a germánia (a-Six Ge1-x:H). V horním článku s největší šířkou zakázaného pásu je absorbována krátkovlnná část slunečního spektra (UV, modrá, část zelené), v nejspodnějším s malou šířkou zakázaného pásu pak červená a především infračervená část spektra.
Výroba elektřiny světlem • Účinnost přeměny energie Slunce na elektrickou energii je okolo 20 %.
Výroba elektřiny světlem – tepelná elektrárna kompenzační
Výroba elektřiny světlem – fotovoltaické články Nepřímá přeměna sluneční energie je založena na získání tepla pomocí slunečních sběračů. V ohnisku sběračů jsou umístěny termočlánky, které mění teplo v elektřinu. Termoelektrická přeměna spočívá na tzv. Seebeckově jevu. Jednoduché zařízení ze dvou různých drátů spojených na koncích se nazývá termoelektrický článek. Jeho účinnost závisí na vlastnostech obou kovů, z nichž jsou dráty vyrobeny, a na rozdílu teplot mezi teplým a studeným spojem. Větší množství termoelektrických článků vhodně spojených se nazývá termoelektrický generátor.
Výroba elektřiny světlem –
solární elektrárna
Solární elektrárna v Kalifornii(2008) Podle předpokladů, bude kalifornská solární elektrárna v první fázi vyrábět výkon 500 MW, který by se měl po zkušebním provozu zvýšit až na 850 MW. Klasické solární panely jsou však stále ještě velmi drahou záležitostí, a tak se tvůrci zdejší elektrárny vydali trochu jiným směrem - základem elektrárny budou Stirlingovy tepelné motory. Ty jsou pojmenovány po svém tvůrci, skotském pastorovi Robertu Stirlingovi, který je vynalezl už v roce 1816. Jsou to v podstatě pístové motory naplněné lehkým plynem, buď vodíkem nebo héliem. Tam, kde je tepleji se plyn rozpíná, čímž uvede píst do pohybu. Plyn proudí v uzavřeném oběhu se dvěma písty, mezi nimiž je potrubí s ohřívačem, regenerátorem a chladičem. Paprsky přicházející ze Slunce se soustředí v zrcadlech, od nichž se poté zahřejí motory. Výhodou u těchto motorů je, že mohou pracovat s nejrůznějšími zdroji vnější tepelné energie, samozřejmě včetně solární. Energetická účinnost se u motorů s výkonem 1 až 25 kW pohybuje v rozmezí 25 až 33%.
Výroba elektřiny světlem –
solární elektrárna
Předpokládá se však, že v Kalifornii bude účinnost ještě vyšší než 33%. Dalšími klady jsou tichý chod, vysoká životnost a minimální poruchovost. Zrcadla mají parabolický tvar a budou se pomocí pohyblivého mechanismu, podobně jako slunečnice, otáčet za Sluncem. Průměr až 10 metrů jim umožní zachytit co největší část dopadající sluneční energie. Zrcadlové paraboly budou uspořádány do skupin po čtyřiceti a každá taková jednotka bude přinášet výkon 1000 kW.
Výroba elektřiny z mechanické energie tlakem - piezoelektrický jev • Elektrický náboj vzniká mechanickou deformací u krystalů některých látek, tzv. piezoelektrika (např. křemen SiO2) • Platí to i opačně (přiváděním různého množství náboje piezoelektrikum mechanicky kmitá) • Vzniká "zdroj" elektřiny s velkým napětím ale s malou energií (malý krátkodobý proud ve formě jiskry) • Využití např. při zapalování plynu -sporáky v zapalovačích apod.
Výroba elektřiny z mechanické energie tlakem piezoelektrický jev Vložíme-li destičku z piezoelektrické látky mezi dvě kovové desky (polepy) P1, P2, vytvoříme tím malý kondensátor o kapacitě C [F], jehož dielektrikem je zkoumaná látka. Působíme-li na piezoelektrickou destičku stisknutou mezi polepy silou (tlakem, resp. tahem) o velikosti F [N], vznikne v důsledku přímého piezoelektrického jevu na polepech náboj Q [C]. Protože destička s polepy tvoří kondensátor, vznikne mezi polepy elektrické napětí U [V]. P.a J. Curie zjistili ze svých měření, že vytvořený náboj Q [C] je přímo úměrný síle F [N]: Q = d.F Koeficient úměrnosti d nazvali piezoelektrickou konstantou [A.m.g.s-1] zkoumané látky. Hodnota této konstanty závisí u téže látky na tom, jak je destička orientována vzhledem k osám krystalu, z něhož je vyříznuta. Při stlačování resp. roztahování destičky vznikne tedy mezi polepy elektrické napětí U [V]: U = Q/C = d.F/C
-
Výroba elektřiny z mechanické energie tlakem
-
piezoelektrický jev
Pokus:
Použijeme křemennou destičku z krystalu, vyříznutou
kolmo k polární (elektrické) ose a bude vložena mezi polepy P1 a P2. a) V prvém kroku připojíme k polepům kondensátor C1 a přes izolační destičku se bude zatěžovat destička krystalu záva-žím. Vytvořené napětí bude velikostí U1. b) V druhém kroku připojíme k polepům kondensátor C2 a desti-čku krystalu křemíku budeme zatěžovat stejným závažím. Pak napětí na kondensátoru C2 bude velikosti U2, vytvořené náboje však budou stejné. To je možné zapsat v následovním vztahu (Q = U.C)
(C + C1).U1 = (C + C2).U2 kde C je vlastní kapacita polepů. Pak můžeme vyjádřit velikost této vlastní kapacity C2 .U2 - C1.U1 C=
U1 - U2
Výroba elektřiny z mechanické energie tlakem
-
piezoelektrický jev
Q d.F d.m.g = = ⇒ C C C
d
U=
=
g . Q m
Po úpravě se dá vyjádřit velikost konstanty d
Např. byla-li C1 = 5,5pF, C2 = 21,25pF, závaží bylo 2 000g. Pak vlastní kapacita polepů byla 5pF a změřená napětí U1 = 1,25V a U2 = 0,5V. Vypočtený náboj byl Q = 13,125 pC a konstanta d byla vypočtena d = 6,689.10-13. Při různých pokusech byla zjištěná přibližně stejná hodnota a ležela mezi 6,3 – 7,0 a byla tak ověřena lineární závislost náboje Q na působící síle F.
Výroba elektřiny z mechanické energie tlakem - piezoelektrický jev
• Princip vzniku povrchových nábojů
Piezoelektrické senzory
Podélný piezoel. jev
Příčný piezoel.jev
Piezoelektrické senzory Podélný piezoelektrický jev • Působí-li na křemennou destičku rovnoměrně rozložená síla Fx ve směru elektrické osy X, hovoříme o tzv. podélném piezoelektrickém jevu a velikost náboje Q, vznikajícího na každé stěně, kolmé k elektrické ose, bude Q = Kp . Fx kde Kp je piezoelektrická konstanta (piezoelektrický modul) (C N-1). Z rovnice je vidět, že velikost nábojů vznikajících při působení síly podél elektrické osy X nezávisí na rozměrech krystalového výbrusu.
Piezoelektrické senzory Příčný piezoelektrický jev Působí-li na krystal síla Fy ve směru mechanické osy Y, vznikají náboje opět na plochách kolmých na elektrickou osu, avšak směr polarizačního vektoru je záporný a velikost náboje závisí na geometrických rozměrech krystalu (a, b). Hovoříme o tzv. příčném piezoelektrickém jevu. Velikost náboje Q je dána vztahem
b Q = −K P .Fy . a Kp ... piezoelektrická konstanta
Výroba elektřiny z mechanické energie tlakem piezoelektrický jev
Převrácený piezoelektrický jev Přivedeme-li na "konce polární osy„ poloměrného krystalu elktrické náboje opačného znamení, např. že krystal vložíme do elektrického pole mezi dvě kovové desky (polepy), krystal se ve směru polární osy zkracuje, resp. prodlužuje podle toho, jaký byl směr a smysl elektrického pole mezi polepy ke směru a smyslu polární osy. Přivádíme-li na polepy střídavé napětí, mění se smysl elektrického pole periodicky v taktu frekvence. Vzhledem k existenci převráceného piezoelektrického jevu se začne krystal periodicky zkracovat a prodlužovat ve směru polární osy, přičemž se deformace dějí rovněž v taktu frekvence střídavého napětí. Periodické deformace mechanických soustav nazýváme kmity soustavy; můžeme proto říci, že poloměrný krystal se působením střídavého elektrického pole v důsledku svých piezoelektrických vlastností rozkmitá.
Výroba elektřiny třením • "tření ebonitové tyče liščím ohonem„- elektrostatická el. • Bývá to nežádoucí "výroba elektřiny" – blesk při bouřce – přečerpáváme-li benzin, může přeskočit jiskra
Přímá výroba elektřiny z tepelné energie Termoelektrický jev, termočlánky - viz dále. Tento jev se však využívá především pro měření teploty, méně pro výrobu elektřiny (Seebeckův jev). Termočlánky - Na rozhraní dvou různých kovů vzniká malé, ale měřitelné napětí • Toto napětí je přibližně přímo úměrné teplotě • Pokud se jeden spoj vzhledem k druhému ohřeje, vytvoří se větší tzv. termoelektrické napětí a "obvodem" poteče proud
• Termoelektrické napětí Např. Platina a železo při rozdílu teplot 100 °C vytvoří termoel. napětí U=1,8 mV
Literatura / odkazy • Vysoký P., Malý K., Fábera V.: Základy elektrotechniky, Brno 2003 • http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/F4/F4k42-tlak.htm (28.3.2006) • techs.bliksoft.info/termoclanek/termoclanek.htm (15.2.2006) • http://www.engr.colostate.edu/~dga/mechatronics/figures / (28.3.2006) • Libra M. a kol.: Fyzikální podstata fotovoltaické přeměny solární energie, časopis Světlo 2005/1 • http://www.urel.feec.vutbr.cz/EncyklopedieEMC/index.ph p?soubor=2.2.htm (28.3.2006)
