Zdroje elektrické energie 3. přednáška

Zdroje elektrické energie 3. přednáška

Jan Koprnický TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

Zdroje elektrické energie Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

Obsah předchozí prednášky Elektrický rozvod ve vozidle Druhy elektrického proudu Napětí elektrické soustavy Obvody elektrické soustavy vozidel Kabelový rozvod Jištění Koncepce rozvodu elektrické energie Schémata elektrického rozvodu

2 / 54

Zdroje elektrické energie Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

Obsah dnešní prednášky 1 Primární (základní) zdroje energie

Rotační zdroje energie Dynamo Magneto Alternátor

Nerotační primární zdroje energie Fotovoltaické články Palivové články

2 Sekundární zdroje energie

Akumulátor Hybridní baterie Ultrakapacitor

3 / 54

Zdroje elektrické energie Úvod Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

Zdroje energie pro pohon vozidel neobnovitelné zdroje

ropa zemní plyn uhlí

jaderné látky

obnovitelné zdroje

sluneční záření

vodní síla

větrná síla

biomasa

elektřina

elektrolýza vody

benzín nafta LPG

zemní plyn metanol

elektrický proud baterie

vodík

palivo z biomasy

4 / 54

Zdroje elektrické energie Úvod Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

Zdroje elektrické energie ve voze Závislé na spalovacím motoru Točivé zdroje Změna mechanické energie na elektrickou

Nezávislé na spalovacím motoru Akumulátory, palivové články, . . . Změna chemické/sluneční energie na elektrickou

5 / 54

Zdroje elektrické energie Primární (základní) zdroje energie Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

Rotační generátor Točivý elektrický stroj Změna mechanické energie na elektrickou Účinnost 50 % Rozdělení Stejnosměrný – Dynamo

Střídavý – Magneto – Alternátor

6 / 54


Dynamo Stejnosměrný rotační stroj Dělení podle zapojení budicího vinutí Cizí buzení Cizí zdroj Permanentní magnet

Vlastní buzení Sériové zapojení Paralelní zapojení (derivační)

V automobilech do začátku 70. let Výkonová omezení → náhrada alternátorem

7 / 54


Derivační dynamo Výhody

Nevýhody

+ Schopnost samonabuzení + Jednoduchá změna napětí U = f (Ib ) při n = konst. + Tvrdá zatěžovací charakteristika + Necitlivost na přepětí + Odolnost vůči změně polarity − Komutátor – max. otáčky, proud, opotřebení − Zhoršená komutace bez kompenzačního vinutí − Malá teplotní odolnost do 180 ◦ C

8 / 54


Elektrické schéma zapojení dynama Zapojení buzení na plus Regulace na „kostru“ Jednodušší regulátor napětí

Zapojení dynama na kostru Regulace na „plus“ Bezpečnější při zkratu bud. vinutí na kostru → odbuzení

D

D

M

M

9 / 54


Konstrukce dynama

1 – tělo statoru; 2 – rotor (kotva); 3 – svorky; 4 – komutátor; 5 – zadní ložiskový štít; 6 – přední ložiskový štít; 7 – pólový nástavec; 8 – statorové vinutí; 9 – kartáč

10 / 54


Charakteristiky dynama Zatěžovací a budicí charakteristika

11 / 54


Magneto Generátor střídavého napětí Části Kotva – cívka Stator – permanentní magnet = buzení Kroužky na kotvě – sběr energie

Použití u vozidel bez baterií Nevýhoda – slabý magnetický tok z PM Upravená magneta slouží jako generátory vysokého napětí – zapalovací systémy

12 / 54


Obrázky magnet

13 / 54


Princip zapalovacího magneta

14 / 54


Alternátor Vyrábí střídavé napětí = synchronní stroj (potřeba usměrňovače) Od 60. let s rozvojem výkonové polovodičové techniky Výhody alternátoru Možnost práce i při volnoběhu Není komutátor Odpadá údržba kartáčů Není rušení od jiskření na komutátoru

Jednoduchá regulace polovodiči Provozní spolehlivost (proud ze statoru) Smysl polarity se nemění se změnou otáčení

15 / 54


Konstrukce alternátoru Synchronní generátor s odlišnou konstrukcí „Drápkový“ rotor Stator složen z plechů se statorovým vinutím Dělení alternátorů podle typu buzení a) Permanentní magnety b) Budicí vinutí (elektromagneticky) – převažují u mot. vozidel

Dělení alternátorů podle konstrukce stat. vinutí a) Jednofázové – malé výkony, jednostopá vozidla b) Třífázové – do hvězdy (Y) nebo trojúhelníka (D) S přímým buzením – 6diodové S nepřímým buzením – 9diodové

Součástí alternátorů je usměrňovač Regulace na napětí o 0,2 až 0,4 V nižší než plynování akumulátoru (14,4 V)

16 / 54


Řez alternátoru s elektromagnetickým buzením

1 – štít s ložiskem; 2 – usměrňovač; 3 – výkonová dioda; 4 – budicí dioda; 5 – kryt s přírubou; 6 – řemenice ventilátoru; 7 – ventilátor; 8 – stator; 9 – drápkový rotor; 10 – tranzistorový regulátor

17 / 54


Zatěžovací charakteristika alternátoru Porovnání s charakteristikou dynama

1 – zatěžovací charakteristika alternátoru; 2 – zatěžovací charakteristika dynama

18 / 54


Elektrické zapojení alternátoru 6diodové Přímé napájení buzení z akumulátoru

Pozn.: Obvod 54 – obvod denních spotřebičů

19 / 54


Elektrické zapojení alternátoru 9diodové I Buzení z 3 pomocných usměrňovacích diod

Mezi B+ a B− je Uss = 12 V. Jaké je vstupní napětí u?

Definice q Uef =

1 T

RT 0

u 2 (t) dt

20 / 54


Elektrické zapojení alternátoru 9diodové II Buzení z 3 pomocných usměrňovacích diod

1 – diody zmenšující proudové zatížení; 2 – výkonové diody; 3 – elektrický systém vozu; 4 – regulátor

21 / 54


22 / 54

Usměrňovače Přehled běžných typů a) 1f jednopulzní Ud =

√ 2 Uf π

b) 1f dvoupulzní uzlový Ud =

2

√ π

c) 1f dvoupulzní můstkový Ud =

2

Uf √ 2 2 Uf π

e) 3f trojpulzní uzlový Ud =

b)

a)

√ √ 3 2 3 Uf π √ √ 3 2 3 Uf 2π

d) 3f šestipulzní můstkový Ud =

1:1

c) 1:1

1:1 Ud

Ud

U

U

d)

e) 1:1

U

Ud

U

1:1 Ud

U Ud


Kontrola nabíjení Použití kontrolního světla (kontrola na tmu) – viz obr. alternátoru 9diodového, mezi svorkami 15 a D+ Ampérmetrem

Voltmetrem

23 / 54


Nerotační primární zdroje energie 1 Primární (základní) zdroje energie

Rotační zdroje energie Dynamo Magneto Alternátor

Nerotační primární zdroje energie Fotovoltaické články Palivové články

24 / 54


Energie ze slunce Možnosti využití

sluneční energie

přímé využívání

nepřímé využívání

energie záření

solární architektura

solární kolektory

mechanická energie

fotovoltaika

větrné generátory

vodní turbíny

uložená energie

využití biomasy

využití bionafty

využití bioplynu

25 / 54


Fotovoltaické články Velkoplošné polovodičové diody Křemíkové články Účinnost ∼20 % (dosažené maximum 42,8 % dne 23.06.2007) Výkon udáván špičkový Wp V systému společně s akumulátorem energie Intenzita slunečního záření cca 1,376 kW/m2 regulátor reg. spotřebiče solární článek střídač akumulátor

26 / 54


Příklady vozidel s fotovoltaickými články Elektrovozy – euto z VUT Brno1 , New Trabant nT2 , Astrolab3 ; Hybridní – Toyota Prius4 .

1 2 3 4

http://klub.elektromobily.org http://www.trabant-nt.de http://www.venturi.fr http://www.ubergizmo.com

27 / 54


Fotovoltaické články – shrnutí Výhody

Nevýhody

+ Využití obnovitelných zdrojů + Přímá výroba elektrické energie + Nepřítomnost pohyblivých částí (spolehlivost, tichý chod) + Nevytváří žádné znečištění, hluk, zplodiny a zápach + Neuvolňuje při výrobě elektřiny CO2 − Malá účinnost max. 24,7 % − Závislé na intenzitě slunečního světla (vliv nečistot atd.)

1–5 let činnosti = energetická návratnost Životnost 20–30 let

28 / 54


Palivové články Měniče chemické energie na elektrickou Galvanický článek Přísun paliva (aktivní látky) na anodu a okysličovadla (reduktoru) na katodu, mezi nimiž je elektrolyt, zahájí elektrochemický proces Aktivní látka Plyny – H2 , CO, N2 H4 Kapaliny – CH3 OH, alkoholy Tuhé látky – Na, Mg, Zn, Cd

Reduktor O2 , Cl2 , HgO, MnO2

29 / 54


Konstrukce palivového článku5

5

http://www.greenjobs.com

30 / 54


Dělení palivových článků podle elektrolytu Alkalické články (AFC – Alkaline Fuel Cells) Články s tuhými polymery (PEFC – Proton Exchange Fuel Cells) Články s kyselinou fosforečnou (PAFC – Phosphor Acid Fuel Cells) Články s roztavenými uhličitany (MCFC – Molten Carbonate Fuel Cells) Články s tuhými oxidy (SOFC – Solid Oxide Fuel Cells)

31 / 54


Palivové články – shrnutí Výhody

Nevýhody

+ + + +

Nízké opotřebení Vysoká životnost Nepřítomnost pohyblivých částí (tichý chod) Možnost značných přetížení (až 100 %)

− Nutnost kontinuálně odstraňovat zplodiny chemických reakcí − Udržovaní optimální teploty a tlaku aktivních médií − Problém s uvedením do provozu

32 / 54

Zdroje elektrické energie Sekundární zdroje energie Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

Akumulátor Sekundární chemický zdroj elelektrické energie Zdroje s kyselým elektrolytem (Pb) Zdroje se zásaditým elektrolytem (alkalické) (NiCd, NiMH, Li-Ion, AgZn, LiFePO4, . . . )

Typy akumulátorů Startovací akumulátory Solární akumulátory Stacionární akumulátory Gelové akumulátory

Otázka Může být baterie primární zdroj elektrické energie?

33 / 54


Startovací akumulátor Zabezpečuje nastartování motoru Krytí spotřeby el. energie v klidovém stavu motoru Nejstarší součást elektrovýzbroje Nejrozšířenější – olověné akumulátory s kyselým elektrolytem (historie od r. 1859) Pracovní podmínky Velké vybíjecí proudy Otřesy Velké rozsahy teplot Časté střídání nabíjení/vybíjení a klidu Minimální údržba

34 / 54


Konstrukce startovacího akumulátoru

Pozitivní sada

Nádoba s upevňovacími lištami

Článek Držadlo Negativní sada

Ochranný kryt

Negativní elektroda Negativní mřížka Pozitivní elektroda v obálkovém separátoru Pozitivní elektroda Pozitivní mřížka

Integrované protipožární pojistky

Záporný pól

35 / 54


Kostrukční části olověného startovacího akumulátoru I Aktivní hmota Kladná elektroda – oxid olovičitý PbO2 Záporná elektroda – houbovité olovo Pb

Elektrolyt – kyselina sírová H2 SO4 ředěná destilovanou vodou Elektrody Mřížky odlité z legovaného olova V pórech je aktivní hmota

Desky Různé velikosti (podle výkonu) Spojené do skupin Spojení s můstkem s pólovým vývodem Kladné a záporné desky zasunuty do sebe Záporné jsou vnější (o jednu více než kladných)

36 / 54


Kostrukční části olověného startovacího akumulátoru II Separátory Oddělení desek Nesmějí bránit průchodu iontů

Nádoba, žebra, zátky, . . .

37 / 54


Charakteristické hodnoty startovacích akumulátorů I Nabíjecí charakteristika Vybíjecí charakteristika – závisí na vybíjecím proudu Jmenovité napětí 6 V, 12 V, 24 V (dáno počtem článků) Kapacita akumulátoru je elektrický náboj v ampérhodinách, který může akumulátor za určitých podmínek vydat. Jmenovitá kapacita – srovnávací údaj hodnocení akumulátorů za stejných podmínek; desetihodinová C10 nebo dvacetihodinová kapacita C20 . Dvacetihodinová kapacita – vybíjení při teplotě 25 ◦ C proudem 0,05 C20 [A] do snížení napětí na 1,75 V na článek. Vybíjecí proud se uvádí při −18 ◦ C po dobu 10 s, napětí neklesne pod 7,5 V (pro 12V akumulátor).

38 / 54


Charakteristické hodnoty startovacích akumulátorů II Vnitřní odpor je odpor činné hmoty + přechodové odpory mezi vrstvami. Rv =

u1 − u2 U0 − u1 = , i2 − i1 i1

kde u1 a u2 jsou napětí pro dva různé proudy i1 , i2 ; U0 – jmenovité napětí při i0 = 0 A

39 / 54


Charakteristiky závislosti kapacity akumulátoru Závislost kapacity akumulátoru na vybíjecím proudu

Závislost kapacity akumulátoru na okolní teplotě

Pozn.: Souvislost s hustotou elektrolytu.

40 / 54


41 / 54

Závislost vnitřního odporu akumulátoru Závislost vnitřního odporu na teplotě Závislost vnitřního odporu na stavu nabití


Zatěžovací charakteristika akumulátoru

42 / 54


Konec akumulátoru Pokles kapacity na 70 % kapacity nového akumulátoru Zvýšení vnitřního odporu na 2Rv

43 / 54


Nedostatky akumulátorů Nízká dynamika výstupního výkonu Teplotní závislost Dlouhé nabíjecí časy Samovybíjení → Slabý článek v elektrických zařízeních

44 / 54


Energetická hustota (Wh/kg)

Porovnání sekundárních zdrojů

200

Li-ion 150

Li-pol NiMH

100

HB

NiCd 50

PbA

UCAP

0 10

100

1 000

10 000

100 000

Specifický výkon (W/kg)

Li-Ion – Lithiumiontová; Li-pol – Lithiumpolymerová; NiMH – Niklmetalhydridová; NiCd – Niklkadmiová; PbA – Olověné akumulátory; HB – Hybridní baterie; UCAP – Ultrakapacitory

45 / 54


Hybridní baterie Využití Akumulátoru Měniče Ultrakapacitoru

Vývojový mezistupeň

Tok energie

+ _

Akumulátor

DC

+

_

DC

Měnič

+

UCAP

46 / 54


Vlastnosti hybridní baterie Výhody proti PbA Podstatně vyšší dynamika výstupního výkonu Částečně potlačená teplotní závislost Konstantní velikost svorkového napětí HB v průběhu celého životního cyklu Delší životnost

Nevýhody proti PbA Značná složitost zapojení Vyšší cena

47 / 54


Ultrakapacitor Též superkapacitor, dvojvrstvý elektrolytický kondenzátor Uskladnění elektrické energie v čisté formě, tzv. elektrostatická akumulace energie Konstrukční podoba s elektrolytickým kondenzátorem Tenká vrstva aktivního uhlíku na elektrodách (zvýšení povrchu) Kapacity 102 až 103 F Nízká energetická hustota na jednotku objemu → zatím nemohou zcela nahradit akumulátory (Ultrakapacitorové autobusy v Šanghaji)

48 / 54


Konstrukce ultrakapacitoru

49 / 54


Konstrukce ultrakapacitoru

50 / 54


51 / 54

Porovnání parametrů UCAP s dalšími sekundárními zdroji Parametry \ Typ Nabíjecí čas Vybíjecí čas Energetická hustota (Wh/kg) Počet nab. cyklů Specifický výkon (W/kg) Účinnost

Akumulátor 1–5 hod 0,3–3 hod 10–100

UCAP 0,3–30 s 0,3–30 s 1–10

Elektrolyt 10−3 –10−6 s 10−3 –10−6 s < 0,1

1000 < 1000

106 10 000

> 1 000 000

0,7–0,85

0,85–0,98

> 0,95

Zdroje elektrické energie Konec Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

Děkuji za pozornost.

52 / 54

Zdroje elektrické energie Literatura Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

Literatura I Bauer, H.; Dietsche, K.-H.; Crepin, J.; aj. (editoři): Bosch Electronic Automotive Handbook. Stuttgart: Robert Bosch GmbH, první vydání, 2002. Henze, A.; Hillebrand, W.: Elektrický proud ze slunce. Ostrava – Plesná: HEL, první vydání, 2000, ISBN 80-86167-12-7. Jan, Z.; Kubát, J.; Žďánský, B.: Elektrotechnika motorových vozidel 1. Brno: Avid, 2006, ISBN 80-903671-4-3, 232 s. Jan, Z.; Kubát, J.; Žďánský, B.: Elektrotechnika motorových vozidel 2. Brno: Avid, 2006, ISBN 80-903671-2-7, 232 s. Vlk, F.: Alternativní pohony motorových vozidel. Brno: Prof. Ing. František Vlk, DrSc., 2004, ISBN 80-239-1602-5.

53 / 54

Zdroje elektrické energie Literatura Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

Literatura II Štěrba, P.: Elektrotechnika motorových vozidel. Brno: Computer press, první vydání, 2008, ISBN 978-80-251-02114-6. Šťastný, J.; Remek, B.: Autoelektrika a autoelektronika. Praha: T. Malina-nakladatelství, 2003, ISBN 80-86293-03-5.

54 / 54

Zdroje elektrické energie 3. přednáška

Recommend Documents