ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE část 2

ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE část 2 Obsah:

Chemické články Palivové články Fotovoltaické články Elektrostatické stroje Termoelektrické články Piezoelektrické elementy

ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

14SEM3/ 1

DRUHY CHEMICKÝCH ZDROJŮ Chemické články: • primární elektřina vzniká chemickou reakcí • sekundární díky chemické reakci se elektřina uchovává


14SEM3/ 2

PRIMÁRNÍ ČLÁNKY Italský přírodovědec a lékař L. Galvani zjistil, že žabí stehýnka položená na plechu sebou při doteku preparačního nože škubají. Pozorování popsal ve spisu z roku 1791 nazvaném "De viribus electricitatis in motu musculari commentarius" (Traktát o elektrických silách při pohybu svalů)

Lugi Galvani 9.9.1737 – 14.12.1798


Kladný pól "živočišné elektřiny" je umístěn podle LG v nervech a záporný ve svalech kontrakce (výboj) vznikne při spojení těchto dvou pólů (svalů a nervů) kovem.

14SEM3/ 3

PRIMÁRNÍ ČLÁNKY Italsky fyzik V roce 1799 sestrojil první zdroj elektrického proudu, který nazval na počest svého krajana galvanický článek. Později sestavil baterii sériově zapojených článků - Voltův sloup.

Alessandro Volta 19.2.1745 - 5.3.1827


14SEM3/ 4

PRIMÁRNÍ ČLÁNKY Základní pojmy: Elektrody: např. kladná - uhlík, záporná - zinek (Leclanche a zinkochloridové články mají elektrodu ve formě kalíšku) Elektrolyt: podle typu chem. látky v článku spotřebují - kdy přestane reakce probíhat. Depolarizace: pro sodné, draselné a chloridové ionty vzdušná nebo chemická (burel MnO2) Provedení: obvykle jsou články uzavřené, mechanicky pevné.


14SEM3/ 5

PRIMÁRNÍ ČLÁNKY Princip galvanického článku: – Elektrický článek má dvě elektrody - zinkovou a měděnou. – Obě jsou ponořeny do kyseliny sírové. Jsou li elektrody spojeny drátem začnou v článku probíhat chemická reakce. – Na měděné elektrodě se začne uvolňovat plynný vodík a současně z elektrody přecházejí elektrony do elektrolytu. Elektroda se nabije kladně. – Zinek se v kyselině rozpouští a na elektrodě zanechává elektrony. Elektroda se nabíjí záporně. Elektrony se pohybují drátem spojujícím elektrody od zinkové k měděné. – Vzniká tak elektrický proud, tento proces trvá tak dlouho, dokud není zinková elektroda rozleptána a kyselina spotřebována.


14SEM3/ 6

PRIMÁRNÍ ČLÁNKY PRINCIP elektrochemického zdroje: Elektromotorické napětí na galvanickém článku vzniká z rozdílu potenciálů na elektrodách, elektrické potenciály jsou důsledkem chemických reakcí mezi elektrodami a elektrolytem. Reakce mohou být samovolné nebo vyvolané průchodem elektrického proudu


14SEM3/ 7

PRIMÁRNÍ ČLÁNKY Základní typy primárních článků Mokrý (Voltův) galvanický článek (název je dán elektrochemickým systémem: Cu, Zn v roztoku CuSO4 ) – 1,05 V

Síran měďnatý (CuSO4)

Chlorid amonný (NH4Cl) – silně váže vodu depolarizátor)

Suchý galvanický článek (tzv. Leclanché: MnO2 a Zn se znehybněným elektrolytem NH4Cl (salmiak) a Hg pro aktivaci Zn elektrody (Protože se u nich při reakci uvolňuje H2O, tak často "vytékaly".) – 1,5 V ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

14SEM3/ 8

PRIMÁRNÍ ČLÁNKY Konkrétní primární elektrické články Galvanický článek zinek - burel: Zn + MnO2 ->ZnO+MnO 1- měděná čepička (+ pól) 2- izolační zátka 3- podložka 4- zinkový kalíšek (- pól) 5- uhlíková elektroda 6- depolarizátor 7- elektrolyt 8- izolační podložka

– Kovový zinek v podobě pouzdra a granulových částí oxiduje na oxid zinečnatý – oxid manganičitý se redukuje na oxid manganatý Jmenovité napětí článku: 1,7 V Elektrolyt: NH4Cl (salmiak) ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

14SEM3/ 9

PRIMÁRNÍ ČLÁNKY Alkalický stříbro-zinkový článek 1 ocelové víčko článku (-pól) 2 destičková katoda z práškového zinku 3 izolace 4 nosič elektrolytu 5 separátor 6 Ag2O (+ elektroda) 7 ocelová nádobka článku (+ pól) Jmenovité napětí článku: 1,34V Elektrolyt: KOH (hydroxid draselný)


14SEM3/ 10

PRIMÁRNÍ ČLÁNKY Galvanické články


14SEM3/ 11

PRIMÁRNÍ ČLÁNKY Parametry galvanických článků: 2. elektromotorické napětí - velikost napětí mezi elektrodami nezatíženého článku 3. vnitřní odpor - velikost odporu článku při průchodu elektrického proudu 4. elektrický výkon - množství energie, které je článek schopen dodat za jednotku času, články s velkým výkonem se označují jako tvrdé zdroje, články s malým výkonem se označují jako měkké zdroje 5. celková elektrická energie, kterou lze dostat z čerstvého článku až do úplného vybití 6. měrná energie - podíl celkové energie a hmotnosti článku 7. hustota energie - podíl celkové energie a objemu článku 8. životnost článku - doba dodávání energie při běžném zatížení 9. nabíjecí proud a nabíjecí doba - pro sekundární články (akumulátory) 10.účinnost - podíl vydané a dodané energie u akumulátorů 11.cena - ovlivněna cenou materiálu (burel a zinek levnější, stříbro a lithium dražší) ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

14SEM3/ 12


14SEM3/ 13

SEKUNDÁRNÍ ČLÁNKY Sekundární článek - po vybití je možné znova obnovit náboj (nabít) = akumulátor Podle druhu elektrod a elektrolytu rozdělujeme akumulátory na: ● kyselé (olověné – EMS 2,7V), ● zásadité (alkalické – 1,3 - 1,7V). Základní typy akumulátorů: ● staniční (trvale dobíjeny, pod dozorem) ● startovací (co největší proud po krátkou dobu, mnoho cyklů) ● trakční (trvalý zdroj nízkého odběru)


14SEM3/ 14

SEKUNDÁRNÍ ČLÁNKY Alkalické akumulátory Základní typy: Ni-Fe, Ni-Cd Ni-Fe Kladná elektroda- oxid nikelnatý NiO Záporná elektroda - práškové železo a jeho oxidy s příměsemi oxidů rtuti Elektrolyt: Hydroxid draselný (KOH) nebo sodný Na(OH)2 Jmenovité napětí článku: 1,2 V


14SEM3/ 15

SEKUNDÁRNÍ ČLÁNKY Ni-Cd Kladná elektroda- oxid nikelnatý NiO Záporná elektroda - směs kadmia a železa Elektrolyt: Hydroxid draselný KOH s přísadou LiOH (zvyšuje kapacitu o cca 10%) Odolnější proti zkratů, Pracuje do -25 oC Jmenovité napětí článku: 1,2 V


14SEM3/ 16

SEKUNDÁRNÍ ČLÁNKY Alkalické akumulátory

1,0

Nabíjecí (1-2) a vybíjecí (3-4) křivky alkalických akumulátorů ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

14SEM3/ 17

SEKUNDÁRNÍ ČLÁNKY Olověný akumulátor +elektroda

elektrolyt

- elektroda

- elektroda elektrolyt +elektroda

PbSO4 + 2 H2 O + PbSO4 ↔ Pb + 2 H2SO4 + PbO2 nabíjení

vybíjení

Kladná elektroda = olověná mřížka s oxidem olovičitým PbO2 Záporná elektroda = olověná mřížka s houbovitým olovem Pb Elektrolyt = vodou zředěná kyselina sírová (H2SO4)


14SEM3/ 18

SEKUNDÁRNÍ ČLÁNKY Olověný akumulátor Nabíjecí a vybíjecí křivka olověného akumulátoru (konstantní nabíjecí a vybíjecí proud)


14SEM3/ 19

SEKUNDÁRNÍ ČLÁNKY Olověný akumulátor


14SEM3/ 20

SEKUNDÁRNÍ ČLÁNKY Olověný akumulátor – nové koncepce


14SEM3/ 21

SEKUNDÁRNÍ ČLÁNKY Olověný akumulátor – nové koncepce


14SEM3/ 22


14SEM3/ 23

PRIMÁRNÍ ČLÁNKY Dobíjecí metal-hydridové články


14SEM3/ 24

PALIVOVÉ ČLÁNKY PRINCIP Elektřinu lze získávat také prostřednictvím energie chemické tak, že rozložíme vodu na vodík a kyslík. Tím se původní energie uskladní jako energie chemická do obou plynů. Při slučování obou plynů, tj. při „okysličování vodíku“, vzniká opět voda. Nahromaděná energie se přitom uvolní buď jako teplo, nebo v palivovém článku jako elektrický proud. Palivový článek je měnič, ve kterém se energie chemická mění v energii elektrickou. (Inverzní reakce k elektrolýze) Objevitelem tohoto principu byl Angličan William Robert Grove v roce 1839


14SEM3/ 25

PALIVOVÉ ČLÁNKY Článek s polymerovou membránou (Protone Exchange Membrane Fuel Cell) Princip činnosti: Elektrodové reakce Anoda: H2 -> 2H+ 2eKatoda: ½O2 + 2H+ 2e- -> H2O Pracovní teplota 80°C Potenciálový rozdíl 1,1V, pracovní napětí 0,7V


14SEM3/ 26

FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY Fotovoltaické (sluneční, solární) články umožňují přímou přeměnu sluneční energie na energii elektrickou a to bez mechanicky pohyblivých částí


14SEM3/ 27

FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY HISTORIE FOTOVOLTAIKY • Fotovoltaický efekt – 19.století • První fotovoltaický článek – 1954 (USA) • Rozvoj fotovoltaiky - 60. léta 20. století – kosmický průmysl • Další rozvoj fotovoltaiky – 70. léta – ropná krize • 80. a 90.léta mono a multikrystalický křemík ale i sluneční články z jiných materiálů (tenkovrstvé sluneční články) Meziroční nárůst světové produkce v posledních 5 letech >30%


14SEM3/ 28

FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY PRINCIP – Při vnějším fotoelektrickém jevu se uvolňují elektrony dopadajícím světlem na povrch některých kovu a získají při tom tolik energie, že překonají přitažlivé síly kladných iontu a vystupují z kovu ven. – Při vnitřním fotoelektrickém jevu světlo pohlcené polovodičem uvolňuje elektrony. Elektrony hmotu neopouštějí - nemají dostatek energie. Na vnitřním fotoelektrickém jevu jsou založeny tak zvané hradlové články. Na červené a infračervené paprsky reagují články kuproxové. Na fialové a ultrafialové paprsky je citlivý článek selenový.


14SEM3/ 29

FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY


14SEM3/ 30

FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY

Princip fotovoltaického článku ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

14SEM3/ 31

FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY Struktura fotovoltaického článku


14SEM3/ 32

FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY Volt-ampérová charakteristika fotovoltaického článku


14SEM3/ 33

FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY Fotovoltaický modul - do série je spojeno 36 článků pro 12V (nebo 72 článků pro aplikace 24 V)

Moduly spojené do série nebo paralelně vytvářejí fotovoltaické pole


14SEM3/ 34

SLUNEČNÍ (SOLÁRNÍ) PANELY


14SEM3/ 35

FOTOVOLTAICKÝ SYSTÉM NA FEL (spojený s rozvodnou sítí) Maximální instalovaný výkon: 3180 Wp Celková plocha: 26 m2 30 modulů (3 pole po 10 modulech) informace o provozu systému: displeje ve vestibulu fakulty http://k313.feld.cvut.cz/solarsys/


14SEM3/ 36



14SEM3/ 37



14SEM3/ 38



14SEM3/ 39

SLUNEČNÍ (SOLÁRNÍ) PANELY Ekonomické úvahy Účinnost přeměny energie světelné na elektrickou je u křemíkových článků pouze 4 až 13%, U článků z arzenidu galia (GaAs) bylo zatím dosaženo účinnosti 23%. Zatím nejvýše dosažená hodnota účinnosti, s třívrstevnými materiály, je kolem 28,5%.


14SEM3/ 40

SLUNEČNÍ (SOLÁRNÍ) PANELY surovina (křemík)

Značnou nevýhodou je velká solární články energetická náročnost výroby fotovoltaických článků a především sklo jejich velká výrobní cena. umělá hmota Např. pro výrobu solárního modulu hliníkový rám M55 (výkon 55 W) firmy ARCO jsou následující hodnoty teplo energetické náročnosti (technologie) celkem


450 kWh 40 kWh 10 kWh 8 kWh 80 kWh 3 kWh 591 kWh

14SEM3/ 41

SLUNEČNÍ (SOLÁRNÍ) PANELY Účinnost tohoto modulu je 12% a plocha 0,4 m2. Kdyby byl modul nainstalován např. v Mnichově, kde je střední globální záření 3,2 kWh.m-2.d-1 vyrobí množství energie: 0,4 x 365 x 3,2 x 0,12 = 56,0 kWh za rok. Vynaložená energie může tedy být získána během 10,5 let . Vzhledem k životnosti článku, který je alespoň 10 let, se vynaložená energie vrátí. Kdyby byl článek instalován na Sahaře, s ročním slunečním svitem přes 2200 kWh, energie se vrátí za 5,5 roku tedy asi o polovinu rychleji. ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

14SEM3/ 42

SLUNEČNÍ (SOLÁRNÍ) PANELY surovina

5 kWh

Při tenkovrstvové technologii se můžeme dostat k zajímavějším výsledkům.

sklo

20 kWh

umělá hmota

8 kWh

Účinnost článků je sice pouze 6,5%, ale tenkovrstvová technologie je podstatně méně energeticky náročná

hliníkový rám

80 kWh

teplo (technologie)

10 kWh

celkem

123 kWh


14SEM3/ 43

SLUNEČNÍ (SOLÁRNÍ) PANELY V Mnichově by tento modul o ploše 0,48 m2 a výkonu 30 W ročně vyprodukoval: 0,48 x 365 x 3,2 x 0,065 = 36,4 kWh. Energie spotřebovaná k výrobě by tedy byla získána za 3,4 roků. Na Sahaře by se vynaložená energie vrátila do 1,8 roku.


14SEM3/ 44

SLUNEČNÍ (SOLÁRNÍ) PANELY Hlavní výrobci fotovoltaických článků ve světě: Celosvětové společností, jako BP Solar (British Petrol), Shell Renewables, Siemens Solar, či v Japonsku Canon, Kaneka a Sharp. V České republice sluneční články z krystalického křemíku vyrábí společnost Solartec ve spolupráci s firmou Trimex z Rožnova pod Radhoštěm. Každá z nich je specializována na některé “hi-tech” operace a solární články jsou pak zapouzdřeny do slunečních panelů převážně v rámci mezinárodní kooperace


14SEM3/ 45

ELEKTROSTATICKÉ GENERÁTORY PRINCIP elektrická indukce a mechanický transport elektrických nábojů


14SEM3/ 46

ELEKTROSTATICKÉ GENERÁTORY Van de Graafův generátor Spodní část-induktor (elektrický nebo třecí) Pás z izolantu – transportér náboje do horní části Horní část-jímač (kulový kondenzátor) Před nástupem VN usměrňovačů zdroj vysokých ss napětí pro zkušební činnost Průmyslová elektrostatická zařízení (např. odlučovače prachových částic)


14SEM3/ 47

TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY PRINCIP Vlivem teplotního rozdílu mezi dvěma konci vodičů z různých materiálů vzniká nerovnováha v koncentraci volných elektronů. Rozdílné koncentrace vyvolávají termoelektrické napětí. Využití v technice měření teplot Závislost termoelektrického napětí na různých materiálech. Největší napětí asi 100 mV/°C teplotního rozdílu má dvojice antimon a vizmut. Často používaná kombinace měd a konstantan dává asi 40 mV/°C. ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

14SEM3/ 48

PIEZOELEKTRICKÉ ZDROJE PRINCIP Vlivem mechanického namáhání vhodně upravené křemenné nebo piezokeramické destičky vzniká vlivem polarizace elektrické napětí Přírodní materiály: turmalín křemen Syntetické materiály: titaničitan barnatý (BaTiO3)

Stlačováním a natahováním krystalové mřížky se na elektrodách indukují vzájemně opačné elektrické náboje, jejichž vlivem vzniká potenciálový rozdíl ČVUT FEL Praha – Katedra elektrických pohonů a trakce

14SEM3/ 49

DISKUSE •

Jaký je základní rozdíl mezi primárními a sekundárními chemickými elektrickými články.

•

Jaké je základní uspořádání olověného akumulátoru (provedení kladné a záporné elektrody, druh elektrolytu, jmenovité napětí).

•

Na jakém principu pracují palivové články.

•

Na jakém principu pracuje fotovoltaický článek.


14SEM3/ 50

ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE část 2

Recommend Documents