Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
Tepelné stroje Motory s vnitřním spalováním – 2,4,6 dobé Benzínové, dieselové motory
Wankelův spalovací motor
Účinnost 20 – 40 %
Rotační píst, automobily (Jaká automobilka vyrábí vozy s těmito motory sériově?)
Plynové turbíny Letecké motory (Mikro-) kogenerace
Účinnost 22 – 37 %
Images from www.wikipedia.org
125EAB1,EABI
prof.Karel Kabele
147
Tepelné stroje Tepelné čerpadlo – může být myšleno jako spalovací motor, který pracuje opačně – přemění mechanickou práci na tepelnou energii – Funguje na principu přenosu energie z teplé oblasti k chladné oblasti prostoru, při tom přemění část této energie na mechanickou práci – Carnotův cyklus.
Medium vapour
Pára – Tlakový cyklus Pára – Absorpční cyklus
125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
prof.Karel Kabele
148
1
Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
Kompresorové tepelné čerpadlo • Pára – kompresní cyklus • Výparník, kompresor, kondenzátor, expanzní ventil – Výparník ochlazuje prostředí • Vzduch, voda, zemina
– Kondenzátor ohřívá • Nízkoteplotní vytápění, teplá voda, plavecké bazény
• Účinnost - COP – Výstup/Vstup = 2 ÷ 4
• Vytápění,chlazení ,,Účinnost” 200 – 450 % ????
125EAB1,EABI
waermepumpe.exe
prof.Karel Kabele
149
Absorpční tepelné čerpadlo • Pára – absorpční cyklus • Výparník, generátor, absorbér, kondenzátor, expanzní ventil • Amoniak, propan, bromid lithný • TEPLO na CHLAD • Využití zbytkového tepla, solární energie • Chlazení COP 0.8 – 1.4 • Vytápění COP 1.6 – 2.1
Zdroj: http://www.heatpumpcentre.org
125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
prof.Karel Kabele
150
2
Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
Elektrická energie • Elektrická energie – Dodávána jako kombinace elektrického proudu and elektrického potenciálu – Elektrická energie je potenciální energie. Elektrickou energii lze přeměnit na jinou formu - teplo, světlo, pohyb, atd).
125EAB1,EABI
prof.Karel Kabele
151
Elektrický generátor Michael Faraday, (1791 – 1867) anglický chemik a fyzik, který působil v oborech electromagnetismu a elektrochemie.
Přeměna energie je založena na principu produkce dynamicky indukovaného elektromagnetického pole. Vždy když vodič přeruší magnetický tok, je přesně dle Faradayova zákona o elektromagnetické indukci, produkováno dynamicky indukované elektromagnetické pole.
125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
prof.Karel Kabele
152
3
Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
Joulovo teplo • Joulův první zákon vyjadřuje práci (teplo) Q ve statickém elektrickém poli:
• Q = U.I.t = R.I2.t = (U2/R).t [J] – – – –
•
U – napětí I – proud t – čas R – elektrický odpor
James Prescott Joule
Joulovo teplo, také známo jako ohmické teplo and odporové teplo, je proces, při kterém tok elektrického proudu vodičem uvolňuje teplo. Účinnost ?
125EAB1,EABI
prof.Karel Kabele
153
Peltierův efekt Jean Charles Athanase Peltier (1785–1845) •
•
vedení elektrického proudu v obvodu je sestaveno ze dvou polovodičů (tellurid bismutu), které způsobují snižování nebo zvyšování teploty na spojích, v závislosti na jejich polaritě. Využití - vytápění, chlazení
Výstupní teplo Pp = p I p ….Peltierova konstanta I …. proud
125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
prof.Karel Kabele
154
4
Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
Fotovoltaický efekt Alexandre-Edmond Becquerel 1820 – 1891, Francouzský experimentální fyzik, který studoval solární spektrum, magnetismus, elektřinu a optiku Náboj ( Wikipedie). Proud
•
1839: Devatenáctiletý Edmund Becquerel, objevil fotovoltaický efekt během experimentování s elektrolyzérem tvořeným ze dvou kovových elektrod. – Fotony ve slunečním světle narazí na solární panel a jsou absorbovány polovodivými materiály jako je např. silikon. – Elektrony (s negativním nábojem) jsou odráženy od atomů,to jim umožňuje proudit materiálem a vytvářet elektřinu. Díky speciálnímu složení solárních článků, elektrony je umožněno elektronům pohybovat se pouze v jednom směru. – Pole solárních článků přemění sluneční energii do použitelného množství stejnosměrného elektrického proudu. 125EAB1,EABI
Sluneční svit
Silikon typu N Styková deska Silikon typu P
Fotony
Elektronový tok
prof.Karel Kabele
155
Palivové články William Robert Grove (1811 -1896), Velšský soudce a vědec vešel ve známost za vynález baterie s mokrým článkem v roce 1838. Groveův článek, jak se vynálezu začalo říkat, využívá platinovou elektrodu, ponořenou do kyseliny dusičné a zinkovou elektrodu ponořenou do síranu zinečnatého. To vyprodukuje 12 ampér proudu a cca 1.8 voltů. Náčrt Williama Groova experimentu s „plynovou baterií" , který popsal v dopise r. 1843 Zdroj: http://americanhistory.si.edu/
Zdroj : http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/00-01/fuel_cells/ 125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
prof.Karel Kabele
156
5
Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
Palivové články Principielně fungují palivové články stejně, jako baterie. Na rozdíl od baterií se ale nevybíjejí nebo nevyžadují dobíjení. Články produkují elektřinu tak dlouho, dokud je dodáváno palivo. Palivové články obsahují dvě elektrody, které jsou v elektrolytu. Kolem jedné elektrody proudí kyslík a kolem druhé vodík, produktem je elektřina, voda a teplo.
125EAB1,EABI
prof.Karel Kabele
157
Palivové články - znečištění
Zdroj : http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/00-01/fuel_cells/
125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
prof.Karel Kabele
158
158
6
Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
Piezoelektrický jev • je schopnost krystalu generovat elektrické napětí při jeho deformování, popřípadě jev opačný, kdy se krystal v elektrickém napětí deformuje. • Může se vyskytovat pouze u krystalů, které nemají střed symetrie. • Nejznámější piezoelektrickou látkou je monokrystalický křemen, křišťál. Poprvé byl piezoelektrický jev pozorován u Seignettovy soli (tetrahydrát vínanu draselno-sodného). 125EAB1,EABI
prof.Karel Kabele
159
Piezoelektrický jev • Piezoelektrické prvky v podlaze frekventovaných pěších zón, metra (tokijské metro) • Nanovlákna vyrábějící elektřinu pohybem ve větru nebo proudu
http://www.ekobydleni.eu 125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
prof.Karel Kabele
160
7
Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
Piezoelektrický jev
Shell Football Pitch, Lagos Nigeria Pavegen technology
http://www.pavegen.com/technology
125EAB1,EABI
prof.Karel Kabele
161
Shrnutí Procesy přeměny energie Světelná • Stroje • Spalování Mechanická • Tepelné stroje • Elektřina Zvuková
Tepelná Chemická
Elektrická
Formy energie Zářivá
Pružná
Jaderná Magnetická
125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
prof.Karel Kabele
162
8
Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
AKUMULACE ENERGIE
125EAB1,EABI
prof.Karel Kabele
163
Akumulace energie • Jeden z hlavních principů, užívaných v budovách, když je doba poptávky po energii rozdílná než její dodávka • Jak můžeme uchovat různé druhy energie? – Mechanická – Tepelná – Elektrická
125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
prof.Karel Kabele
164
9
Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
Akumulace mechanické energie
Potenciální energie - využití gravitace – Mechanický akumulátor • hodiny
– Hydraulický akumulátor • Věžové vodojemy • Přečerpávací elektrárny
Water treatment plant pump
Public main
Public water source
125EAB1,EABI
Building water supply
prof.Karel Kabele
165
Akumulace mechanické energie • Kinetická energie – Setrvačník
• Vnitřní energie – přeměna kinetické energie na vnitřní – napětí, tlak – Stlačený vzduch (kontrolní systémy) – Pružina
125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
prof.Karel Kabele
166
10
Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
Akumulace tepelné energie • Hmota bez fázových změn (voda, horniny, beton, zdivo..) – Akumulované teplo Q [J] je přímo úměrné rozdílu teplot T [K] v hmotě m [kg] se specifickou tepelnou kapacitou c [J/(kg.K)]
Q m c T 125EAB1,EABI
prof.Karel Kabele
167
Akumulace tepelné energie do hmoty • Otázky k řešení: – Kolik energie je třeba akumulovat? – Objem nádrží – Optimální teplota – Tepelná izolace – Potřeba
125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
prof.Karel Kabele
168
11
Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
Akumulace tepelné energie do hmoty • Akumulace do vody – Nádrže na teplou vodu – hodiny – Akumulace ze solárního systému – dny – Střednědobá akumulace – bazény– měsíce – Sezónní akumulace – podzemní nádrže - roční cyklus 125EAB1,EABI
Gas Plynový boiler kotel
Otopná Heating soustava system
Teplá voda Hot water
Cold water supply Dodávka studené vody Indirect Integrovaný heated zásobníkový tank ohřev
Principle indirectteplé heated hot water storage tank connection with boiler Nepřímýof ohřev vody pomocí zásobníku napojeného
na plynový kotel
prof.Karel Kabele
169
Potřeba a dodávka tepla v akumulačním systému 1600
Stálá dodávka tepla Velké rozdíly = objem nádrže Přerušovaná dodávka tepla
1400 1200
kWh
1000 800
Potřeba
600 400
Tepelné ztráty
200 0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 hod
125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
170
prof.Karel Kabele
12
Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
Akumulace tepelné energie do hmoty • Akumulace do vody
125EAB1,EABI
prof.Karel Kabele
171
Akumulace tepelné energie • Hmota - s fázovými změnami – Využití tání ,tuhnutí, vypařování a kondenzace materiálu – Akumulované teplo Q [J] je rovno rozdílu teplot T [K] materiálů o hmotnosti m [kg] se specifickou tepelnou kapacitou c [J/(kg.K)] + latentní teplo L [J/kg]
Q m (c T L) 125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
prof.Karel Kabele
172
13
Podklady k přednášce 125EAB1,125EABI
Akumulace tepelné energie • Hmota - s fázovými změnami
Q m (c T L) 125EAB1,EABI
prof.Karel Kabele
173
Materiály s fázovými změnami (PCM) Materiály využívají teplo tání při ,,normálních“ teplotách Nahrazení přirozené akumulační schopnosti budov
Velutherm
125EAB1,EABI
(C) prof.Ing.Karel Kabele, ČVUT FSv K TZB
prof.Karel Kabele
174
14
