18 MB - Transformační technologie

Sborník článků z on­line pokračujícího zdroje
┌TRANSFORMAČNÍ┐ └ TECHNOLOGIE ┘
na téma
Zdroje a přeměna energie
Datum:
Jméno:
2016­06­16
ISSN 1804­8293
www.transformacni­technologie.cz
Tento sborník obsahuje články z on­line pokračujícího zdroje Transformační
technologie. Aktuální verzi článků naleznete na adrese http://www.transformacni­
technologie.cz nebo na adresách uvedených na konci každého článku.
Licence
Články jsou původní. Veškerý převzatý obsah je řádně citován. Obsah
těchto stránek můžete svobodně sdílet, kopírovat, prezentovat a upravovat za těchto
podmínek: 1. Uznání autorství. Musíte uvést autora práce a další identifikační údaje zdroje (on­
line adresa, název, rok zveřejnění, v obrázcích ponechat viditelný copyright autora*).
2. Zachování autorství. Při prezentacích (např. během výuky, školení atd.) nesmí být
záměrně zatajován původní autor a z doprovodného komentáře prezentace nesmí
vyplývat jiný autor než ten, který je uveden jako skutečný autor či spoluautor obsahu.
3. Zachování původního autorství a licence. V případě úpravy obsahu stránek
(obrázky, text a další objekty) musíte uvést původního autora a doplnit popisek nebo
jinak graficky znázornit změny v obsahu (v obrázcích nelze odstraňovat copyright
původního autora*). I upravený obsah musí být dále šířen za stejných podmínek, jaké
jsou zde uvedeny.
4. Nevyužívejte dílo komerčně. Pro komerční využití obsahu nebo jiné využití, než je
uvedeno v této licenci, mě kontaktujte.
*Poznámka ke copyrightu Jestliže chcete použít obrázek ve vyšší kvalitě a bez copyrightu, tak mi napište a určitě
se domluvíme. Mohu případně poskytnout i zdrojový soubor ve vektorové grafice, který
lze použít k další úpravě.
Obsah
1. HISTORIE TRANSFORMAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
— Oheň — Živá síla — Výkon jednoho koně — Transformace energie v živé buňce
— Člověk získává energii z potravy — Termoregulace živých organismů — Střípky z
historie větrné energetiky — Vodní kola a vodní turbíny — Historie strojů na páru — Jde
to i bez páry — Elektřina — Jaderná energetika — Počátky přímé transformace sluneční
energie — Pár slov na závěr — Odkazy
2. SLUNEČNÍ ZÁŘENÍ JAKO ZDROJ ENERGIE
— Tepelný tok ze Slunce na Zemi — Slunce — Využití sluneční energie — Intenzita
slunečního záření na povrchu Země — Systém pro ohřev tekutin a akumulaci tepla
— Solární kolektor — Návrh solárního systému pro ohřev vody — Fotovoltaické
systémy — Prinicp činnosti solárních panelů — Pár slov na závěr — Odkazy
3. BIOMASA JAKO ZDROJ ENERGIE
— Rostlinná biomasa — Fotosyntéza a vznik rostlinné biomasy — Výnosy — Typy
konverzí biomasy pro energetické účely — Hoření dřeva< — Spalování biomasy
— Odkazy
4. VYUŽITÍ ENERGIE VĚTRU
— Konstrukce větrné elektrárny — Transformace energie ve větrné turbíně — Vznik
větru — Výběr lokality — Stavba větrné elektrárny — Větrná energetika — Odkazy
5. VYUŽITÍ ENERGIE VODNÍHO SPÁDU
— Potenciální energie vodního spádu — Základní typy vodních elektráren — Vodní
turbíny — Potenciál vodního spádu v ČR — Odkazy
6. TEPELNÉ OBĚHY A JEJICH REALIZACE
— Oběhy spalovacích motorů — Lenoirův oběh — Výbušný (Ottův) oběh — Oběh
vznětového motoru (Dieselův oběh) — Rankine­Clausiův oběh (R­C oběh; parní oběh)
— Braytonův oběh (Jouleho oběh) — Chladící oběh — Carnotizace tepelného oběhu
— Tepelné stroje a podobné pojmy — Odkazy
7. FOS. PALIVA, JEJICH VYUŽITÍ V ENERGETICE A EKOLOGICKÉ DOPADY
— Vznik uhlí — Ložiska uhlí v ČR — Spalování uhlí v uhelných elektrárnách — Ropa
— Těžba ropy — Složení ropy — Spotřeba ropy v ČR — Zemní plyn — Dovoz a
distribuce zemního plynu — Výpočet dodané energie v zemním plynu — Závislost na
dovozu fosilních paliv — Spalování fosilních paliv a ekologické dopady — Vliv oxidů
síry — Tvorba CO a CO2 a koloběh uhlíku — Skleníkový efekt a vliv CO2 — Odkazy
8. VYUŽITÍ TEPLA ZEMĚ
— Přímé využití geotermální energie — Tepelná čerpadla — Odkazy
9. JADERNÁ ENERGETIKA
— Jaderné reaktory — Termonukleární reaktor — Jaderné elektrárny — Jaderná
elektrárna — Schéma zařízení jaderné elektrárny s reaktorem typu VVER — Primární
okruh — Sekundární okruh — Uran a palivový cyklus — Tepelná — Těžba a úprava
uranové rudy — Obohacování uranu — Výroba palivové kazety — Štěpení v reaktoru
— Přepracovací závod — Mezisklad použitého paliva — Hlubinné (konečné) úložiště
jaderného odpadu — Jaderná bezpečnost — Odkazy
10. PRINCIPY VÝROBY ELEKTŘINY A TEPLA V DOMÁCNOSTECH
— Výroba tepla — Výroba elektřiny v domácnostech — Kombinovaná výrova elektřiny
a tepla v domácnosti — Akumulace elektřiny v domácnostech — Řízení výroby a
spotřeby energií v domácnostech — Pár slov na závěr — Odkazy
PŘÍLOHY
REJSTŘÍK
SEZNAM ČLÁNKŮ
1. Historie transformačních technologií
Autor: Jiří Škorpík, [email protected] : aktualizováno 2014­05
Člověk pro přímé či nepřímé uspokojování svých potřeb od fyziologických,
sociálních až po kulturní potřebuje energii. Energii spotřebovává v různých formách
například vnitřní tepelnou energii okolního prostředí ho zahřívá, kinetická energie mu
pomáhá prostřednictvím dopravních prostředků a rozmanitost využívání elektrické
energii netřeba připomínat. Požadovanou formu energie je nutné obvykle "vyrábět"
přesněji transformovat z nějaké primární energie* například tepelný stroj s elektrickým
generátorem transformuje energii paliva na elektrickou energii prostřednictví
elektrického generátoru, prostřednictvím soustrojí vodní turbíny a elektrického
generátoru se transformuje potenciální energie vody na elektrickou energii a pod. Žádný
primární zdroj energie není nevyčerpatelný. Ne každý druh energie, ať už z jakéhokoliv
důvodu, je dostupný v místě spotřeby v požadované formě, proto většinu energie je
třeba vyrábět (ve smyslu zpracovat ho pro spotřebitele) a dopravovat ho i do místa
spotřeby.
*Primární energie
Původní forma energie na začátku transformačního procesu.
Oheň
Obvykle je takto nazývána forma hoření (chemická reakce), při které "vzniká"
teplo a světlo. V tomto článku je hořením myšlena rychlá oxidační exotermická reakce
respektive reakce kyslíku s jinou látkou (nejčastěji se využívá reakcí kyslíku s uhlíkem,
CO, vodíkem, sírou, chlórem, sodíkem...):
1.id199 Některé exotermické chemické reakce,
které se nazýváme hoření.
Druhá rovnice je rovnice tzv. nedokonalého
spalování úhlíku. Uvedené rovnice se nazývají
rovnice spalování a podle složení paliva mluvíme
například o rovnicích pro spalování biomasy,
rovnicích spalování uhlí apod. Pomocí takových
rovnic lze vypočítat výsledné množství uvolněné
energie při hoření.
Poznámka Hoření je transformace vnitřní chemické energie vstupních produktů na vnitřní tepelnou
energii výstupních produktů a energii elektromagnetického záření (tzv. sálavé teplo).
Podíl vnitřní chemické energie transformované na vnitřní tepelnou energii či energii
záření se mění podle způsobu hoření a podmínek, obvykle platí, že tím nižší je teplota
hoření tím nižší je podíl energie záření a naopak.
Zájem předchůdců člověka o oheň pravděpodobně způsobila jeho schopnost plašit
velké šelmy, které je ohrožovaly především v noci. Možná právě proto se dnes v lidech
u malých ohnišť či krbu objevuje pocit klidu a bezpečí, i když stále má z ohně respekt.
Rozdělávání a udržování ohně je jedna z nejstarších lidských dovedností a
pravděpodobně to byl i silný stimul podporující rozvoj technického myšlení člověka.
V současnosti lidstvo převážně využívá jiné efektivnější zdroje světla a hoření využívá
pouze k výrobě tepla. Teplo z hoření je dnes dominantním uměle vyráběným teplem.
2.id200 Oheň využívali již předchůdci člověka.
Poprvé začali předchůdci člověka (člověk
pekingský­Homo erectus pekinensis) využívat oheň
ve svůj prospěch přibližně před 0,5 mil lety jako
ochranu před šelmami [1]. V té době ještě dokázal
oheň pouze udržovat nikoliv rozdělávat o čemž
svědčí mnohametrová nepřerušená vrstva popela v
objevených pravěkých ohnišť. Rozdělávat oheň se
člověk naučil někdy mezi 9 až 40 tis. lety před n. l.
Obrázek: Zdeněk Burian.
U otevřeného topeniště (ohniště) ve volném prostoru je možné využito pouze
sálavé teplo plamene a spalin (jestli­že primárním důvodem je výroba tepla). Tento
způsob je velice neefektivní a nepřispívá příliš k tepelné pohodě člověka, protože je
zahříván pouze ze strany ohniště. To se poněkud zlepšilo přenesením ohně do krytých
prostor (jeskyně, obydlí), kde oheň ohříval sáláním i prouděním spalin po stěnách i
stěny obydlí. Zároveň byl ohříván efektivněji i vzduch kolem ohniště spalinami, což
také přispělo k tepelné pohodě, ale za cenu horší kvality vzduchu v prostoru. Později se
oheň přenesl do uzavřených ohnišť např. krb. Oheň a spaliny tedy přímo zahřívaly tělo
krbu, který ohříval okolní vzduch. Pro vyšší efektivitu využití energie v palivu (menší
spotřeba paliva) je nejlépe zachytit veškeré sálavé teplo a co nejvíce vychladit spaliny.
Proto se odvod spalin od krbu co nejvíce protahoval (spalinovod­komín). Tento princip
lze ještě dnes spatřit u některých typů kamen. Také se zvětšovala teplosměnná plocha
mezi spalinovodem a vzduchem. Ještě větší efektivitu a možnosti využití nabízel ohřev
vody. Tato ohřátá voda může být rozváděna do potřebných prostor. Zařízení, ve kterém
dochází k ohřevu vody se nazývá kotel, podle druhu paliva se rozlišuje kotel na dřevo,
kotel na uhlí atd.
Vynálezem parního stroje (viz jedna z následujících kapitol) na přelomu
sedmnáctého a osmnáctého století vznikala potřeba vyrábět vodní páru. Nejdříve se pro
tyto účely používal žárotrubný kotel určený pro výrobu syté páry. Pojem žárotrubný
souvisí s konstrukčním uspořádání kotle, ve kterém je ohniště a spalinovod obklopen
druhým pláštěm a objem mezi plášti je vyplněn vodou (oheň uvnitř, voda okolo):
3.id201 Smeatonsův žárotrubný kotel pro výrobu syté
páry 1765 [2].
Tento typ kotlů byl ve své době velice nebezpečný (materiálové hledisko, úroveň
zpracování) často docházelo k výbuchům, proto byl nahrazován na konci 18. století
mnohem bezpečnějšími vodotrubnými kotly, ve kterých horké spaliny proudí
spalinovody vyplněné potrubím (i žebrované) s ohřívanou vodou/párou. Vodotrubný
kotel obvykle obsahuje i parní buben, ve kterém dochází k oddělení syté páry od syté
kapaliny (odparem na volné hladině):
4.id202 Barlowův vodo­trubný kotel 1793.
Lze ho považovat za jednoho z předchůdců velkých elektrárenských kotlů dnešní doby. Zdroj [2].
Velký rozvoj žárotrubných kotlů nastal s prudkým příchodem parních lokomotiv –
mobilní aplikace parního kotle. Zásadním impulsem byla Stevensonova lokomotiva
s žárotrubným kotlem. Tato koncepce kotle se u parních lokomotiv používala po celou
dobu jejich historie a obecně lokomotivní kotel se stal postupem času jedním
z nejpropracovanějších technických zařízení vůbec:
5.id203 Koncepce moderních parních lokomotiv zůstala po celou dobu jejich historie prakticky nezměněna.
vlevo Stevensonova lokomotiva z roku 1829; vpravo pouze parní motor nebyl v další fázi vývoje umisťován
šikmo dozadu ale vodorovně dopředu. Dobový obrázek [2].
6.id219 Pohled do útrob kotle parní lokomotivy přes
otevřenou dýmnici.
Lze spatřit vyústění žárového potrubí a v horních
řadách potrubí jsou umístěny přehříváky páry.
Obrázek je kopií z díla "1922 Locomotive
Cyclopedia of American Practice" vydané při
"Simmons­Boardman" [3].
Kotle vodotrubné se prosadily především u stacionárních aplikací. Na rozdíl od
žárotrubných kotlů jsou bezpečnější, menší a účinnější. Mají pouze stížené možnosti
čištění než kotle žárotrubné.
Ve 20. století s příchodem velkých kotlů pro energetiku se začaly používat i nové
typy ohnišť (granulační kotle, práškové kotle s fluidním topeništěm...). Pro výrobu páry
v elektrárnách se používají nejčastěji dvoutahové kotle s jednotlivými sekcemi
teplosměnných ploch:
7.id204 Schéma konstrukce elektrárenského dvoutahového kotle na kapalné palivo pro výrobu přehřáté
páry.
Podobným bouřlivým vývojem prošly i zařízení využívající hoření pro svícení. Od
zapálených větví, přes louče, svíčky, olejové lampy po plynové lampy. Především
plynové lampy poněkud zbrzdily nástup elektrických žárovek tím, že částečně
nahrazovali i topení v místnostech, ale elektrická žárovka místnost vytopit nedokázala, i
když její světelné vlastnosti byly do příchodu "plynové žárovky" mnohem lepší:
8.id198 Vrcholem vývoje hořákových svítidel je tzv.
plynová žárovka.
Jádrem plynové žárovky je tzv. Auerova punčoška
tvořená látkou, která se při zahřívání spalinami o
teplotě až 2100 °C rozzáří jasným světlem. Některé
zdroje uvádí, že vynález tohoto svídidla výrazně
zbrzdil v té době již probíhající elektrifikaci
[21, s. 148], protože svým jasným světlem se
vyrovnala tehdejším elektrickým žárovkám. Tento
princip hořákového svítidla vynalezl rakouský
chemik Karl Aurer (1858­1929) kolem roku 1886 a
poté následovala i léta zlepšování pro hromadné
využití [20, s. 248]. Obrázek z [3].
Nejdříve se jako palivo využívala biomasa (dřevo, tráva....) později člověk objevil
rašelinu a uhlí následoval objev využívání ropy ve velkém měřítku (19. století) a zemní
plyn tj. fosilní paliva. Tyto zdroje se někdy souhrnně označují jako přírodní zdroje
paliva. Zejména v posledních letech se začaly spalovat i různé druhy odpadů a různé
zdroje umělých paliv tzv. druhotné zdroje paliva. Obecně jsou palivem látky obsahující
vysoký podíl uhlíku nebo vodíku a jejich sloučenin a společných směsí.
Při zvyšování efektivity hoření a řízení procesu hoření je nutné dokonale znát děje,
které při hoření probíhají. Ještě v 18. století byl proces hoření zahalen tajemstvím.
Vědělo se pouze to, že k hoření je potřeba paliva a z nějakého neznámého důvodu i
vzduch. Tato záhada byla pomalu odhalována prvními vědci a vyvrcholila objevem
kyslíku v roce 1772 respektive 1774, kdy byl objeven kyslík (nezávisle na sobě Carl
Wilhelm Scheele (1742­1786) a Joseph Priestley (1733­1804) [22, s. 441]) a že hoření
podporuje právě tento plyn. To byl počátek studia statiky hoření [8], což umožňovalo
daleko lépe regulovat samotný proces hoření.
Ve vzduchu reaguje na svém povrchu prakticky každá hořlavá hmota se vzdušným
kyslíkem (dřevo, lidská pokožka a pod.), ale vzhledem k nízké teplotě okolí se jedná
o velmi pomalou oxidaci. Aby začalo hoření, což je naopak rychlá oxidace, musí se
k předmětu, který má hořet, přiložit např. hořící zápalka. Ani zápalka se však nezažehne
sama, musí se zapálit o krabičku třecím teplem. Důvod je celkem pochopitelný: oxidace
je chemická reakce, při které dochází k přetvoření molekuly. K tomu je potřeba, aby její
atomy vykonávaly energický tepelný pohyb – dosáhli aktivační energie. Proto rychlost
chemické reakce závisí na teplotě. Jestliže se například rychlost reakce zvyšuje 3x při
zvýšení teploty o 10 °C, potom zvýšení teploty o 100 °C zvýší rychlost hoření asi
60 000krát. Reakce, která probíhá normální rychlostí např. při 500 °C, při pokojové
teplotě nenastane. Je nutné počátečním ohřátím vytvořit teplotu potřebnou k reakci.
Vysokou teplotu pak už udržuje teplo uvolňované při reakci. Počáteční místní ohřátí
musí stačit na to, aby teplo, které se uvolní při reakci, převyšovalo teplo odváděné do
okolního prostoru. Proto má každá reakce svoji teplotu hoření, při které vnější inciacíí
(např. jiskrou) dojde hoření. Hoření začíná jen tehdy, je­li počáteční teplota rovna nebo
vyšší než teplotě hoření. Zápalná teplota dřeva je např. 610 °C, benzínu asi 200 °C.
Popřípadě lze ještě definovat teplotu vznícení, která je vyšší než teplota hoření a při
které dojde hoření i bez vnější inciace. Obě teplotu jsou také funkci tlaku a souhrně se
nazývají zápalnou teplotou.
Sloupec hořících plynných látek (největší teplotu má na svém povrchu) se nazývá
plamen.
Při hoření vznikají produkty hoření nazývané spaliny. Spaliny jsou horká směs
plynů a jejich složení lze určit z Rovnic 1. Vnitřní tepelnou energii spalin lze využít
například v tepelných výměnících, ve kterých se ochlazují a naopak chladící médium
(kapalná voda, vodní pára, vzduch, olej...) se ohřívá teplem ze spalin. Pro návrh
teplosměnných ploch, především jejich velikost, je třeba znát jaké množství spalin se při
hoření paliva uvolní a jakou mají teplotu. Toto množství se liší podle druhu paliva:
látka objem spalin [m3n·kg­1] (0 °C) ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ Dřevo 7,5...8,0 Černé uhlí 7,5...8,0 CO 2,88 CH4 10,52 H2 2,88 9.id207 Množství spalin vzniklých při stechiometrickém spalování* některých paliv.
α [­] součinitel přebytku vzduchu (poměr množství přiváděného vzduchu ku stechiometrickému množství
vzduchu).
*Stechiometrické spalování
Z příslušných chemických reakcí hoření lze přesně vypočítat spotřebu kyslíku pro
spálení určitého množství paliva. Pokud při spalování shoří požadované množství paliva
a přitom se do spalovacího procesu přivedlo přesně spočítané množství kyslíku
hovoříme a stechiometrickém spalování. Při podstechiometrickém spalování je zřejmé,
že nemůže shořet veškeré palivo. Při nadstechiometrickém spalování se do spalovacího
procesu přivádí více kyslíku než odpovídá výpočtu, ale z technických důvodů nemusí
ani tak veškeré palivo shořet. Nejčastěji se pro spalování používá vzdušný kyslík
respektive se do spalovacího zařízení přivádí vzduch a nikoliv pouze kyslík. Pokud je
do spalovacího procesu přiváděno tolik vzduchu, že obsahuje právě stechiometrické
množství kyslíku, potom toto množství nazýváme stechiometrické množství vzduchu.
U pevných paliv začíná hoření na jejich povrchu a pokud neshoří povrchová vrstva
nemůže hořet další. Tím se vysvětluje naříklad relativně pomalý průběh hoření dřeva.
Zvýšení výkonu při hoření tj. množství hořící látky na jednotku objemu je možné, když
se zvýší plocha paliva (např. drcené/rozemleté uhlí, které má mnohokrát větší povrch
než uhlí kusové, štěpka namísto kusového dříví apod). Palivo tak lépe i prohoří, tím se
zmenší i nedopal a sníží obsah škodlivých emisí ve spalinách. Pro plynná a kapalná
paliva je pro rychlé a účinné hoření nutné důkladné promíchání s kyslíkem.
Podstatně jiná je situace tehdy, když není při takovéto reakci potřebný vzdušný
kyslík a všechno potřebné je uvnitř palivové směsi. Příkladem takové směsi může být
směs vodíku a kyslíku, tzv. třaskavá směs. Reakce zde neprobíhá na povrchu látky, ale
uvnitř směsi. Na rozdíl od hoření se v tomto případě veškerá energie uvolňuje prakticky
okamžitě. Tím se zvýší tlak a nastává výbuch. Bohatá zápalná směs a následná prudká
oxidace se používá u spalovacích motorů (výbušných motorů) apod. Existují také pevné
výbušné látky např. střeliviny, které tvoří náplně do nábojnic (složení střeliviny
například v [23, s. 74]).
Při spálení 1 kg paliva lze transformovat určité množství energie, toto množství se
nazývá spalné teplo nebo výhřevnost paliva. Spalné teplo je množství transformované
energie při dokonalém spálení paliva. To znamená oxidačním převedením ve finální
produkty, kterými jsou nejčastěji podle druhu paliva oxid uhličitý, voda, oxid siřičitý a
dusík, případně i vykonaní práce spojené s nárustem objemu finálních produktů spalin
v plynném prostředí (více v kapitole 3. Spalovaní biomasy). Pokud obsahem paliva je i
vodík (nebo okysličovadla) budou spaliny obsahovat vodní páru, proto se definuje ještě
výhřevnost paliva* – množství transformované energie získané při vychlazení spalin
(finální produkty hoření) pouze do teploty rosného bodu vody ve spalinách při
atmosférickém tlaku.
*Poznámka Ideální je vychladit spaliny pod teplotu rosného bodu a získat ze spalin výparné teplo,
které se při kondenzaci par uvolni. Většina tepelných výměníků nedokáže technicky
vychladit spaliny pod teplotu rosného bodu právě kvůli vzniklému kondenzátu
(poškození výměníku korozí, odvod kondenzátu apod.).
Množství energie uvolněné při dokonalém spalování za jednotku času z
dodávaného množství paliva se nazývá tepelný výkon:
10.id206 Výkon při dokonalém spalování.
mpal [kg·s­1] dodávané množství paliva; Qir [J·kg­1] výhřevnost paliva (výhřevnost některých paliv je uvedena
v Tabulce 44.1043).
Při skutečném spalování paliva nedochází k dokonalému hoření (palivo neshoří
všechno­nedopal). Např. reakce C s O skončí u tvorby CO a nevznikne tedy CO2. Což je
podle Rovnice 1 přibližně ztráta 283,2 kJ∙mol­1. Další ztráty vznikají při využití
vzniklého tepla. Míru dokonalosti využití tepla v daném zařízení se nazývá účinnost.
Například u kotle je účinnost vyjádřena podílem vyrobeného tepla Q a energie dodané
do ohniště kotle v palivu Qir. Účinnost takového zařízení velice ovlivňuje efektivita
samotného procesu hoření. U špičkových parních kotlů dosahuje účinnost využití tepla
v palivu i více jak 95% podle typu paliva a konstrukce kotle.
Živá síla
Přibližně 3,5 tisíce let př. n. l. vynalezl člověk stroje a postroje pro zvířata, tím je
mohl začít využívat i ke konání práce (tzv. animální síly). Ze začátku byly postroje
primitivní a stroje např. pluh či vůz se přivazoval k ohonu zvířete. Mezi 6 a 7. století n.l.
byl v Číně vynalezen tažný popruh skládající se z chomoutu a prsního popruhu
[19, s.220] (tento vynález se v západní Evropě začal používat až kolem roku 1000 n.l.).
Postupně se zvířecí síla stala nepostradatelnou v ekonomice zapádní Evropy a tím
zůstala v některých oblastech přibližně do konce 19. století než ji vystřídaly jiné
technologie.
11.id211 Olivový mlýn pohaněný oslem – Maroko,
2007.
Foto: Jerzy Strzelecki [3].
Výkon jednoho koně
Mechanický výkon zvířat (velikosti člověka) a lidí se pohybují pouze v desítkách
až několika málo stovkách wattů. Asi jako první se problémem definice mechanického
výkonu zabýval skotský vynálezce James Watt. Watt spočítal výkony koní, kteří
poháněli pumpy v dolech, tak že sledoval do jaké výšky dokáže kůň průměrně za jednu
sekundu vyčerpat určité množství vody, a vyšlo mu, že 500 liber (~226,8 kg) vody za
jednu sekundu zvedne do výšky jedné stopy (0,3048 m), což odpovídá výkonu
678,14 W. Watt se snažil sestrojit parní stroj, který by měl přesně stejný výkon tj. výkon
jednoho koně [22, s. 412]. Nakonec se mu podařilo sestrojit stroj, který dokázal
vyčerpat 550 liber vody za jednu sekundu do výšky 1 stopy, což je přibližně 745 W.
Tato jednotka se na dlouhou dobu stala jednotkou výkonu pod názvem kůň. Výkon
jednoho koně je mezinárodně definován 735 W (Britský kůň vychází z definic liber což
v přepočtu dělá cca 745 W). Mechanický výkon člověka nepřesahuje 350 W, což je ale
výkon špičkového cyklisty, kterého ho je schopen dosáhnout jen po dobu několika
minut. Průměrný mechanický výkon člověka je jen 35 W [30, s. 21]. Samozřejmě
samotný Watt tuto jednotku výkonu nenazval Watty, ale používal pojem footlibry.
Transformace energie v živé buňce
Transformace energie v živé buňce nemůže probíhat přímým způsobem jako
u tepelných strojů pomocí tepelného oběhu [4, s. 168]. Tj. transformace neprobíhá na
základě silového působení pracovní látky na okolí při velké změně tlaku a teploty, ale
transformace probíhá přímým přetváření molekul pomocí volných elektronů. Živé
buňky, ve kterých transformace probíhá, totiž existují jen v určitém malém rozsahu
teplot, a proto chybí v živém těle velké gradienty teplot. Při tak malých teplotních
gradientech by byla i tepelná účinnost klasických tepelných oběhů velice nízká. Navíc
primární energie, využívaná při transformaci v buňkách, pochází z oxidace, ale jak je
výše uvedeno, pro smysluplnou energetickou hustotu by bylo nutná rychlá oxidace jako
při hoření a tedy při vysokých teplotách. To se také neslučuje s životem buňky. Ovšem
potřebnou teplotu oxidace lze snížit použitím katalyzátoru v živé buňce, kterými jsou
enzymy [4, s. 168] (druh bílkoviny, která podstatně urychluje chemickou reakci
například oxidaci probíhající mezi teplotami 20 °C až 40 °C urychlí i o několik řádů
[17, s. 137]). Živý organismus nezískává energii přímo ze "surové potravy", ale potravu
nejdříve zpracuje do energeticky bohaté sloučeniny ATP (adenozintrifosfát:
makroergická sloučenina­energeticky bohatá sloučenina vzniklá ze stravy­cukry, tuky,
bílkoviny). Samotná přeměna energie uložená v ATP probíhá za přítomnosti enzymů
v buňce procesem, při kterém se přímo vyrobí potřebný druh energie (tepelná,
elektrická, mechanická). Jedná se tedy o ekvivalent procesu při přímé výrobě elektřiny a
tepla. ATP reaguje s kyslíkem za vzniků spalin CO2 (anaerobní respirace). Kyslík se do
těla dostává při dýchání vzduchu, který obsahuje cca 21% kyslíku z celkového objemu.
V těle se část kyslíku spotřebuje při reakci s uhlíkem a vodíkem za vzniku CO2 a vodní
páry, takže vydechovaný vzduch obsahuje už jen 15% kyslíku ve prospěch zvýšení
podílu CO2 a vodní páry:
12.id210 Transformace energie v živé buňce.
ATP adenozintrifosfát.
Člověk získává energii z potravy
Člověk získává energii z potravy. V dnešní době je velice jednoduché si zjistit
možný energetický přínos jednotlivých druhů potravin. Na obalech bývá energetická
hodnota na jednotku hmotnosti nebo objemu popřípadě lze využít obecných tabulek
např. [4, s. 496]. Uvedená hodnota je množství energie, které je člověk schopen získat z
dané potraviny. Je tam uvedena i výživová hodnota, což je hodnota potraviny, která
udává, kolik bílkovin, tuků, sacharidů, cholesterolu, vlákniny nebo vitaminů či
minerálních látek obsahuje. Existují tedy potraviny z výživového hlediska hodnotné
(například jogurt, který je zdrojem kvalitních bílkovin, vitamínů a vápníku) a přitom
dodávající jen málo energie. Na druhé straně jsou potraviny s vysokou energetickou
hodnotou, ale malým nebo žádným přínosem pro zdraví, o těch se mluví jako o
potravinách, které poskytují prázdné kalorie například sladkosti, koncentrované
lihoviny, smažené brambůrky a podobně.
Každý člověk musí v potravě přijmout tolik energie kolik spotřebuje "spálí",
pokud dojde k nerovnováze mezi dodávkou a příjmem energie, potom musí být
případný nedostatek hrazen z rezerv těla (tuky) nebo je naopak přebytečná energie v těle
formou tuků ukládána. Přičemž postup spalování jednotlivých typů energetických zásob
v lidském těle je u špičkového závodníka následující: Zásoby ATP vystačí cca na 10s
intenzivní svalové práce. Pokud tělo dále pokračuje v intenzivní činnosti, musí již
přistoupit k odbourávaní cukrů (sacharidů), které jsou ve svalech a játrech (glukóza a
glykogen). S cukernými substráty vydrží asi hodinu svalové činnosti podmaximální
intenzity. Po vyčerpání těchto zdrojů již jako zdroj energie převažují tuky (spotřeba
vzduchu vyšší než u cukrů). V krajním případě­dlouhodobý nedostatek tuků dochází ke
spalování bílkoviny­hmota svalů (velká spotřeba kyslíku). Ve skutečnosti probíhá
spalování (cukrů, tuků a bílkovin) současně, ale vždy s velkou převahou jednoho z
uvedených typů [5, s. 93]. Velice tedy záleží na energetických výdajích člověka.
Průměrný podíl základních složek v potravě, z pohledu zpracování energie, by měl
přibližně být 60% sacharidů, 28% tuky, 15% bílkoviny [4, s. 493]. Se zvyšujícím se
fyzickou zátěží se zvyšuje podíl tuků na úkor sacharidů.
13.id212 Porovnání spotřeby energie při spánku a
jízdě na kole.
(a) spánek 80 W, 300 kJ∙hod­1; (b) cca 1,5 kW,
6038 kJ∙hod­1.
Minimální přísun potravy pro člověka, který je v klidu je cca 2 kWh denně, což je
asi 7200 kJ. Práce člověka za jeden rok je cca 250 kWh což odpovídá asi 110 W
mechanického výkonu během pracovní doby. Ovšem průměrný obyvatel ČR spotřebuje
pro své žití tj. bydlení dopravu vaření zábavu až 150 kWh denně. Tato spotřeba je ve
velké většině kryta fosilními palivy. Např. moderní zemědělec spotřebuje více energie
než vypěstuje. To vše umožňuje nahromaděná energie během miliónů let ve fosilních
palivech. Jednou z posledních zemí, kde zemědělec více energie vypěstuje než
spotřebuje je Indie, protože se v této zemi používá mechanizaci založená na spotřebě
fosilních paliv daleko v menší míře než například v Evropě.
Množství energie za rok přijímané v potravě jednoho člověka lze vypěstovat
přibližně na 0,07 až 0,2 ha půdy (vyšší číslo zahrnuje vyšší podíl vyvážené stravy,
včetně vláknin, vitamínů a živočišných bílkovin). To odpovídá potřebě přibližně 20 tis.
km2 zemědělských ploch pro 10 mil. bez rezerv (ČR disponuje 25 tis. km2 zemědělské
plochy).
Termoregulace živých organismů
Z poměru spotřebované energie k vykonané mechanické práce člověka se dá
stanovit i mechanická účinnost lidského těla, která je do 10...15...20%, zbývající energie
je ve formě vnitřní tepelné energie látek v organismu jejíž množství v těle musím být,
v ideálním případě, konstantní tak, aby teplota lidského těla byla 36 °C (jinak hrozí
narušení rychlosti metabolismu a při vyšších teplotách dokonce rozpad některých
důležitých sloučenin). Termoregulace lidského těla je složitý proces, který využívá
reflexů těla (při snížení teploty samovolná svalová činnost, při zvýšení teploty pocení)
případně lze vědomě ovlivňovat sdílení tepla s okolím regulací pokrytí těla oblečením,
vystavení se proudu vzduchu, skrytí se do chladnějšího prostředí a pod. Sdílet teplo
s okolím lze na povrchu těla kam se dostává pomocí krevního oběhu a vedením tepla
v těle nebo obráceně směrem od povrchu těla dovnitř organismu. Na povrchu těla se
teplo sdílí sáláním, vedením (kondukcí) do okolního prostředí, prouděním (konvekcí)
prostředí kolem lidského těla a vypařováním v případě ochlazování. Chlazení odparem
je účinné pokud se jedná o prostředí, kde parciální tlak vodní páry ve vzduchu je menší
než odpovídá tlaku syté páry při dané teplotě prostředí, protože vypařování vody na
lidské pokožce probíhá při teplotě odpovídající teplotě varu parciálního tlaku páry
okolí. Například i při tropickém dni, kdy je teplota vzduchu 35 °C, ale parciální tlak
respektive vlhkost vzduchu odpovídá 25 °C, bude teplota potu na pokožce mnohem
nižší*.
Poznámka
Na podobné principu fungují chladící věže tepelných elektráren. Největší vlhkost
vzduchu je na podzim, proto je teplota chladící vody někdy i větší než v létě, protože se
chladí pouze ohřevem okolního vzduchu. Naproti tomu v létě, kdy je vzduch suchý
dochází i k vypařování vody z chladící věže při teplotě parciálního tlaku páry ve
vzduchu, který může být velice nízký a chladící voda se může vychladit na teplotu nižší
než teplota vzduchu v okolí chladící věže.
14.id213 Princip chlazení odparem.
(a) stanovení teploty kapky potu na pokožce z teploty vlhkého vzduchu jeho relativní vlhkosti a tlaku; (b)
funkce chladící věže a její parametry při dokonalém chlazení odparem pro parametry vzduchu stejné jako v
případě a a teplotu chladící vody 36 °C. tvz [°C] teplota vzduchu; p"p [Pa] tlak, při kterém dojde k varu vody
již při teplotě tvz; pat [Pa] atmosférický tlak (tlak okolních vzduchu); pvz [Pa] parciální tlak suchého vzduchu;
pp [Pa] parciální tlak vodní páry ve vzduchu; φ [­] relativní vlhkost vzduchu; tv [°C] teplota kapky; tch [°C]
teplota chladící vody; 1 komín chladící věže; 2 proud vzduchu vyvolaný komínovým efektem; 3 přívod
ohřáté chladící vody a sprchový systém pro důkladné promíchání vody se vzduchem; 4 bazén na ochlazenou
vodu a její odvod.
Střípky z historie větrné energetiky
Větrné mlýny se v Evropě objevují poprvé na přelomu 1. a 2. tisíciletí našeho
letopočtu. Nejstarší zmínka využití větru (lodní plachta) pochází přibližně
1000 let př. n. l.) [6]. V 19. století se větrné turbíny používaly i pro čerpání vody ze
studní a v druhé polovině 20. století se začaly používat i pro výrobu elektřiny.
15.id215 Větrný mlýn u Ruprechtova s Halladayvou
turbínou.
Pravděpodobně první vážně míněný pokus vyrábět elektřinu z větru učinil v 1887
Skotský profesor James Blyth (1839­1906), když na své zahradě postavil větrnou
turbínu pohánějící elektrické dynamo pro dobíjení akumulátoru. Účelem byl výzkum
elektřiny a elektrických akumulátorů. Větrná turbína byla konstruována jako klasické
mlýnské kolo s plátěnými lopatkami. První větrnou elektrárnu určenou pro pohon
elektrických zařízení postavil a provozoval Americký vynálezce Charles Francis
Brush (1849­1929) od roku 1888. Tato elektrárna už byla plně automatizována a
poháněla dynamo o výkonu 12 kW, vyrobená elektřina sloužila pro pohon elektrických
strojů ve vynálezcově laboratoři. Opravdu prvnímu systematickému výzkumu možností
výroby elektřiny pomocí větru se věnoval Dánský profesor Poul La Cour (1846–1908)
v letech 1885­1908. La Cour postavil několik experimentálních elektráren a především
regulátor výkonu, nicméně jeho prvotní myšlenkou bylo vyrábět pomocí energie větru a
elektrolýzy levně vodík pro plynové lampy. Jeho práce byly základem dalšího vývoje,
kterým se zabývalo mnoho vědců a techniků z různých koutů světa [18]. Za skutečnou
předchůdkyni dnešních velkých moderních větrných elektráren lze považovat větrnou
elektrárnu Američana Palmera Putnama (1900­1984) vyrobenou společností S.
Morgan Smith Company (výrobce vodních turbín USA) a spuštěnou v roce 1941
v USA. Tato větrná elektrárna byla již plně automatizována a obsahovala i zařízení pro
práci v elektrické síti (automatické odpojení od sítě i přifázování), regulaci pomocí
natáčení lopatek a otáčení gondoly proti větru [18]. Putnam, tak komplexní a
přelomovou konstrukci netvořil sám, ale přemluvil ke spolupráci i vědce a techniky
z Massachusetts Institute of Technology mezi nimiž byl skvělý termodynamik
Theodore von Kármán (1881­1963), který provedl aerodynamický návrh rotoru:
16.id216 Historické větrné elektrárny.
vlevo větrná elektrárna Ch. Brushe (průměr rotoru 18 m, počet lopatek 144 při hmotnosti rotoru 4 tuny) [3];
vpravo větrná elektrárna Smith­Putnam (průměr rotoru 53,3 m, při jmenovitém výkonu 1250 kW se jednalo
o první větrnou elektrárnu přesahující výkon 1 MW).
Pokračování příběhu o větrné energetice je v článku 4. Využití energie větru.
Vodní kola a vodní turbíny
Energie vodního spádu se pro konání práce začala poprvé využívat pravděpodobně
v Mezopotámii v 6. století př. n. l. k zavlažování pomocí vodního kola. Vodní kola pro
pohon mlýnů a hamrů se začaly používat na území ČR přibližně ve 12. století. Mlýny
byly jedny z mála technicky relativně vyspělých zařízení a mlynáři a sekernící (tesaři)
byli po staletí nositeli technického umu a pokroku na našem území [7].
17.id220 Vodní kolo na spodní vodu
Velkopřerovského mlýna na Čertovce, [7].
Pakliže vynálezci vodních kol už zřejmě navždy zůstanou v anonymitě vynálezci
vodních turbín známi přeci jen jsou. První zařízení, které pracovalo na reakčním
principu a lze ho tedy nazvat vodní turbínou bylo Segnerovo kolo sestrojené Jánem
Segnerem (1704­1777) kolem roku 1750. Tento princip zaujal geniálního fyzika a
matematika Leonharda Eulera (1707­1774) a poprvé rozpracoval koncept vodní
turbíny, která již obsahovala klasické části jako rozváděcí a oběžné kolo. Tento koncept
údajně zapadl ve zprávách akademie věd a technicky nebyl realizován [20, s. 66­67], co
bylo však důležitější Euler odvodil základní rovnice této turbíny a založil tak teorii
lopatkových strojů. Prakticky uplatnitelnou vodní turbínu sestrojil v roce 1827 Benoît
Fourneyron (1802­1867) o výkonu 4,47 kW s 80% účinností. Poté následovaly
vynálezy dalších turbín přičemž pro současnou energetiku mají význam tři: Peltonova
turbína 1884 poprvé sestrojená Lesterm Peltonem (1829­1908), Francisova turbína
1849 poprvé sestrojená Jamesem Francisem (1815­1892) a Kaplanova turbína 1912
poprvé sestrojená Viktorem Kaplanem (1876­1934). Každá z uvedených turbín je
vhodná pro konkretní rozsah spádů a průtoků. Velké vodní turbíny dosahují účinností
větší jak 95% a z tohoto hlediska patří mezi nejen nejdokonalejší lopatkové stroje ale
i motory obecně.
Vodní turbíny se používájí ve vodních elektrárnách. První vodní elektrárny pro
výrobu stejnosměrné elektřiny byly dány do provozu v roce 1881 s výkony menšími jak
1 kW pro napájení žárovek [21, s. 144]. První elektrárna pro výrobu střídavého proudu
byla dána do provozu 26. srpna 1896 (myšleno komerčního provozu) na Niagaraských
vodopádech [38, s. 356]. Výkon této vodní elektrárny byl 2x5000 koňských sil
[38, s. 340].
18.id221 Současnost: Turbosoustrojí s Kaplanovou
turbínou.
Turbínu vyrobila společnost Voith [9, s. 591].
U klasických vodních elektráren bývá turbína a
generátor na jedné hřídeli (turbosoustrojí).
Historie strojů na páru
Vodní pára (dále jen pára) je v energetice nejrozšířenější pracovní médium. Pára se
pro parní motory (parní turbína, Pístový parní motor...) vyrábí v parním kotli. Odtud je
potrubím přiváděna k příslušnému parnímu motoru. Její expanzí v parním motoru se
koná práce, která je z motoru odváděna otáčející se hřídelí. Pára je z motoru nejčastěji
odváděna do kondenzátoru, odkud je čerpána do parního kotle a celý oběh se opakuje.
Takový oběh se nazývá parní oběh nebo také Rankine­Clausiův oběh.
Předehrou k vývoji plnohodnotného parního stroje byl zdánlivě nesouvísející objev
tlaku vzduchu a jeho účinky Evangelistem Torricellim (1608­1647) z roku 1643.
Důsledky takového objevu pochopilo hned několik vzdělanců a vynálezců té doby. Stačí
tedy sestrojit nádobu s pístem, přičemž z nádoby "vysát" vzduch a okolní tlak zatlačí
píst do nádoby a přitom může zdvihnou užitečnou zátěž. Za účelem "vysátí" vzduchu
z nádob vynalez roku 1650 Otto von Guericke (1602­1686) vývěvu. Ta v té době byla
málo účinná a tak se konaly pokusy vytlačit vzduch pomocí výbuchu střeného prachu
(Christian Huyghens, Denis Papin (1647­1712)). Nakonec zvítězila myšlenka použít
k vytěsnění vzduchu v nádobě vodní páru, která následně zkondezuje a tím vytvoří
v nádobě hluboký podtlak. Podrobněji o ranných vynálezech předcházející parnímu
stroji např. [20, s. 29], [21, s.65..71].
Za první plnohodnotný parní stroj lze považovat parní čerpadlo Thomase
Saveryho (1650­1715). Tento muž si patentoval v roce 1698 stroj s názvem "Nový
vynález k zvedání vody a k uskutečnění pohybu pro všechny druhy rukodílen hybnou
silou ohně; bude velmi důležitý pro vysoušení dolů, k zásobování měst vodou a
k pohonu rukodílen všeho druhu, které nemají vodní síly ani stálého větru" [20, s. 34].
Jedná se o typ čerpadla, který neobsahuje pohyblivé díly (kromě přepouštěcích ručně
ovládaných kohoutů). Voda je čerpána střídavě atmosférickým tlakem a párou. Takový
stroj se dnes nikde nepoužívá a parním čerpadlem je obvykle myšleno čerpadlo
poháněné pístovým parní motorem.
19.id224 Saveryho parní čerpadlo.
Hlavní částí Saveryho čerpadla byla tlaková nádoba
opatřená přívodem páry z kotle ve své horní části a
zaústěným sacím a výtlačným potrubím ve svém
dnu. Zařízení fungovalo tak, že přívodním potrubím
se do nádoby pustila pára načež se přívod uzavřel
ventilem 1 a nádoba se osprchovala studenou vodou
ovládané ventilem 4. Během sprchování vodní pára
uvnitř nádoby kondenzovala. Kondenzací páry se
v nádobě snížil tlak (téměř do vakua podle teploty a
množství chladící vody), toto snížení tlaku způsobilo
po otovření ventilu 2 na sacím potrubí nasátí vody.
Až se voda přestala nasávat vetil byl uzavřen a
otevřel se ventil 3 a ventil 1 a voda z nádoby se
vytlačila pomocí páry do požadované výšky. Pak se
celý cyklus opakoval. Pro čerpací výšku menší než
cca 8 m postačil tlak páry atmosférický.
V roce 1705 Savary společně s Thomasem Newcomenem (1663­1729) poprvé
představili parní motor s pohyblivým pístem. Jednalo se o atmosférický parní motor,
který rozvinuli z myšlenky Saveryho čerpadla. U tohoto typu parního motoru koná práci
atmosférický tlak působící na plochu pístu v okamžiku, kdy pod pístem kondenzuje pára
a využívá tak vznikající podtlak vyvolaný zmenšováním objemu kondenzující páry. U
prvních motorů způsobovalo kondenzaci páry odvod tepla pomocí chladící vody
proudící kolem válce, ovšem za několik let tento sytém kondenzace Newcomen
zdokonalil (urychlil) a studenou vodu přímo vstřikoval do válce motoru:
20.id225 Newcomenův a Savaryho atmosférický parní stroj.
1; 2; 3 ventily, které jsou střídavě otvírány a zavírány. p [Pa] tlak páry ve válci; A [m2] plocha pístu; Fat [N]
síla působící na píst od rozdílu mezi atmosférickým tlakem a tlakem páry ve válci; m [kg] hmotnost závaží;
g [m·s­2] gravitační zrychlení; Fg [N] síla, kterou působí závaží. Zdroj dobové kresby vlevo [12].
V druhé polovině 18. století scot James Watt (1736­1819) Newcomenův parní
motor podstatně zdokonalil. Válec již nebyl nad kotlem, ale mimo kotel. Zjistil také, že
vstříknutím studené vody do válce ochladí nejen páru ale i válec, což způsobí, že na
jeho ochlazených stěnách v dalším cyklu zbytečně kondenzuje čerstvě vstříknutá pára.
Jeho úsilí tento problém vyřešit vedlo k vynálezu kondenzátoru. Kondenzátor byl
umístěn zcela mimo válec. Dalším jeho velkým vylepšením bylo zavedení přivádění
páry i pod píst, čímž parní motor velice zefektivnil a vznikl dvojčinný parní motor.
Poprvé také tímto zlepšením byl zvýšen tlak na 1,5 at, tedy vyšší než je atmosférický
tlak. Tento tlak zvýšil pomocí dalšího pístu, který vháněl vodu do kotle – napájecí
čerpadlo kotle. Také zmechanizoval regulaci výkonu tzv. odstředivým regulátorem dnes
známý jako Wattův regulátor. Watt mimo jiné vynalezl planetovou předovku pomocí,
které převáděl posuvný přímočarý pohyb pístu na pohyb rotační. Kliková hřídel byla již
tehdy sice známa, ale patentována již někým jiným a proto ji Watt nemohl použít
[20, s. 45]:
21.id226 Dvojčinný parní stroj Jamesa Watta.
vlevo verze z roku 1774 – samočinným ovládání uzávěrů odvodu páry, kondenzátor a vývěva; vpravo verze
z roku 1781 – Watt přidává samočinný regulátor (odstředivý regulátor) otáček. Zdroj obrázků [2].
Parní stroj byl používán pro pohon stacioárních i mobilních jednotek (pohony
transmisí, elektrických generátorů, pohon lodí, lokomotiv...). Co do velikosti produkce
byl vrcholem jeho využívání začátek 20. století. Postupně byl vytlačován parními
turbínami (v případě větších výkonů) a spalovacími motory (menší výkony) až přibližně
50. letech 20. století byl pístový parní motor vytlačen na okraj technického zájmu a jeho
produkce a vývoj téměř ustaly. V současnosti je možné nalézt pouze několik, především
historických, pístových parních motorů v činnosti. Přesto se k němu některé firmy vrací
kvůli jeho výhodám při malých výkonech (cca pod 100 kW) oproti turbínám (vyšší
termodynamická účinnost).
Počáteční vývoj pístového parního motoru byl založen především na
experimentálním bádáním a to dost často čistě náhodným pozorováním nějakého jevu.
Postupem času, především ke konci 18 a v první polovině 19. století, byly položeny
i teoretické základy studia chování látek při změně jejich stavu zvané termodynamika.
Na základě zákonů termodynamiky mohl být parní motor nejen dále vylepšován
způsobem, na který se bez teoretických základů pravděpodobně nepřišlo, ale vznikaly i
zcela nové tepelné stroje jako například parní turbíny.
Praktické konstrukci parní turbíny předcházelo zpracování teorie proudění
stlačitelné látky kanály. Přičemž asi nejzásadnější je rovnice pro rychlost plynu na
výtoku z trysky a Hugoniotův teorém, který zdůvodňuje rozdílné chování
podzvukového a nadzvukového proudění. První rovnici společnými silami odvodili
Adhémar Jean Claude Barré de Saint­Venant (1797­1886)­francouzský inženýr a
Pierre Wantzel (1814­1848)­francouzský matematik v roce 1839 [25, s. 350], tedy
v době, kdy nebyl ještě formulován první zákon termodynamiky pro otevřenou soustavu
ani definována entalpie, proto k odvození použili rovnici kontinuity a diferenciální tvar
Bernoulliho rovnice [25, s. 5]. Druhou rovnici zveřejnil Hugoniot někdy v roce 1886
[29, s. 43]. Vynálezci parních turbín stály před obtížnou úlohou, protože tento nový druh
stroje se musel, minimálně svými prametry, vyrovnat již propracovanému pístovému
parnímu motoru nebo nabízet jinou upotřebitelnou výhodu. V tomto případě těmito
výhodami byly vyšší otáčky, jednoduchost a klidný chod, díky kterým se parní turbína
mohla uplatnit a dále rozvíjet. První funkční parní turbínu v roce 1882 představil
švédský inženýr a průmyslník Carl Gustava P. de Laval (1845­1913)­sestrojil turbíny
s jedním rovnotlakým stupněm. Později tento typ turbíny vylepšil o konvergentně­
divergentní dýzami* pomocí nichž dosahovala pára nadzvukových rychlostí a turbína
velkých otáček.
*Poznámka Podle [25] uvedený typ vynalezl systémem pokus omyl, což by znamenalo, že
Hugoniotův teorém v té době ještě neznal.
22.id227 Lavalova turbína
vlevo schématické znázornění funkce Lavalovy turbíny [13]; vpravo soustrojí s Lavalovou turbínou z roku
1888 v řezu (el. generátor chybí jsou dobře viditelné regulační ventily dýz, oběžné kolo i převodovka
uprostřed) [3]. U této turbíny probíhá nejdříve expanze páry z vysokého tlaku ve statoru (v tomto případě se
jedná o čtyři Lavalovy trysky). Po expanzi má pára vysokou rychlost a prouděním v kanálech rotoru ho
roztáčí (kanály jsou tvořeny lopatkami viz pojem lopatkový kanál). Když v roce 1888 Gustav Laval
představil světu svou turbínu dosahovala díky divergentní části vstupních trysky neuvěřitelných 30 000 ot. za
minutu a při průměru 15 cm rotoru dosahovala výkonu 5 koňských sil.
Laval tuto turbínu nejprve zamýšlel pro pohon odstředivek na mléko, ale nakonec
po nezdařených pokusech se zaměřil na propojení parní turbíny a dynama přes
převodovku [20, s. 69].
Pro hospodárný provoz je nutné dosahovat tlak páry před turbínou co nejvyšší, což
u jednostupňové konstrukce turbíny Lavalova typu vede na vyšší otáčky. Problémem
konstrukce parní turbíny s velkým výkonem a hospodárností se zabýval také brit
Charles Algernon Parsons (1854­1931), který nakonec v roce 1884 navrhl a sestrojil
vícestupňovou parní turbínu a na rozdíl od Lavala s přetlakovými stupni. Jeho první
turbína sice dosahoval 18000 otáček za minutu, ale jeho další konstrukce už měly
otáčky mnohem menší. Nejprve jednu parní turbínu dodal do elektrárny v Chicagu a
otáčky mnohem menší. Nejprve jednu parní turbínu dodal do elektrárny v Chicagu a
definitivně prosadil výhody parních turbín jejich instalací do parníku Turbinia:
23.id480 Představení prvních aplikací Parsonsových parních turbín.
vlevo jedna z prvních konstrukcí soustrojí Parsonsovy turbíny s elektrickým generátorem [20]; vpravo
Turbinie (Autor fotografie: Alfred John West, River Tyne, 1897 [3]). K Turbinii: V roce 1897 Parsons
demonstroval na námořní přehlídce v Portsmouthu revoluční plavidlo poháněné třítělesovou parní turbínou
(vysokotlaké, středotlaké a nízkotlaké). Každé těleso mělo svůj vlastní rotor, na němž byly tři lodní šrouby.
Z počátku bylo uvažovánou pouze jednotělesová turbíny s trojnásobným výkonem, ale výkon a otáčky byly
tak velké, že i při použití tří lodních šroubů docházelo k jejich přetěžování a ke kavitaci, proto byl výkon
rozdělen na tři tělesa a tři hřídele [27, s. 166]. V době spuštění Turbínie se lodě pohybovaly maximální
rychlostí do 27 uzlů ovšem Turbinia dosahovala rychlosti 34 uzlů. To byl také důvod rychlého zavádění
turbín u vojenských plavidel*.
*Poznámka Především zpočátku měly parní turbíny větší spotřebu páry než parní stroje ale tím, že
se loď pohybovala mnohem rychleji byla na větší vzdálenost plavby spotřeba uhlí
s parní turbínou nižší než u lodí s parním strojem [20, s. 115], takže s konstrukcí
nízkotáčkových turbín se brzy začaly turbíny instalovat i do civilních lodí. Další
výhodou u civilních lodí bylo snížení vibrací, které parní stroje v podpalubí
způsobovaly.
V současnosti jsou parní turbíny nejvýkonnější zdroje práce a dosahují
jednotkového výkonu až 1500 MW. Jestliže pístový parní motor umožnil průmyslovou
revoluci, potom parní turbíny umožnily elektrofikaci a jsou prakticky nenahraditelnými,
i když existují i jiné technologie, ale jejich provoz je dražší.
Jde to i bez páry
Na začátku 19. století se parní pohony intenzivně bezkonkurenčně rozšiřovaly pro
svůj výkon a vytrvalost. Přesto měly spoustu nevýhod včetně nízké spolehlivosti,
dlouhá doba startu ze studeného stavu (rozdělání ohně, nahřátí vody v kotli..), velký
zastavěný prostor apod. Přitom v některých provozech byl požadavek pouze na občasný
provoz, rychlý start důležitější než třeba účinnost, a tak se hledal alternativní pohon
malého výkonu byť s vyšší spotřebou paliva oproti parnímu motoru. To byl rozhodující
podnět k vývoji spalovacích či výbušných motorů [20, s. 50].
Od Huyghensových pokusů s pístovým motorem poháněný střelným prachem či
jiným pevným palivem dál tuto myšlenku rozvíjelo mnoho vynálezců, ale bez
úspěšných realizací pro praktické použití. Postupně začaly experimenty i s kapalnými a
plynnými palivy, žel opět bez uplatnitelných výsledků. Ale během této doby byly
vynalezeny plnící mechanismy a elektrické zapalování, tyto dílčí vynálezy zkombinoval
Jean Lenoir (1822­1900) ve svém dvojčinném motoru z roku 1859 na svítiplyn s
elektrickým zapalováním a přímým plněním (současné nasávání vzduchu a plynu bez
předchozího promíchání). Motor byl výbušný bez předchozí komprese směsi, na rozdíl
pístového parního motoru musel být válec chlazen proti přehřátí:
24.id974 Lenoirův plynový motor.
Motor byl velmi tichý díky šoupátkovým rozvodům a
malým rozdílům tlaků. Ideální oběh tohoto motoru se
nazývá Lenoirův oběh. Zdroj [20, u s. 48].
I když Lenoir svůj motor dále vylepšoval a cyklus motoru rozdělil na čtyři doby
(tzv. čtyřtaktní motor) dosahoval bez komprese jen malých výkonů a vysoké spotřeby.
To byla příležitost pro jiné typy spalovacích motorů. Konstrukcí a jejich konstruktérů
bylo velké množství, ale přesto jsou většině lidí známá pouze dvě jména Nikolaus A.
Otto (1832­1891) a Rudolf Diesel (1858­1913) obě patří Německým konstruktérům.
Po zlepšování konstrukce motoru Lenoirova i jiných konstruktérů se střídavými
úspěchy nakonec dospěl Otto k závěru, že výkon i snížení spotřeby lze pomocí
komprese palivové směsi před jejím zapálení. Celý cyklus motoru rozdělil na čtyři doby
a v roce 1877 se svým společníkem Eugenem Langenem (1833­1895) představil
plynový motor nové konstrukce, jenž se v principu neliší od dnešních benzínových
motorů [20, s. 53­55] s výbušným oběhem. Ottovu konstrukci pro mobilní aplikace na
kapalná paliva výrazně společně upravili Němečtí konstruktéři Gottlieb Daimler
(1834­1900) a Carl F. Benz (1844­1929).
25.id975 První Ottův respektive Dieselův motor.
vlevo čtyřtaktní Ottův motor z roku 1878; vpravo první motor Dieselův (1894). Obrázky z [20, u s. 48].
Diesel svůj spalovací motor cílevědomě konstruoval pro co největší účinnost, tedy
se záměrem dosáhnout co nejvyšší střední teploty přívodu tepla do oběhu tak jak tvrdí
zásady Carnotizace tepelného oběhu. To vyžadovala co největší kompresi a palivo
s vyšší zápalnou teplotou při daném tlaku než je například benzín, tím by bylo možné
dosáhnout takového tlaku na konci komprese, při kterém by se palivo samo vzňalo.
V roce 1895 spatřil světlo světa nový spalovací motor s rovnotlakým oběhem.
Dieselovou konstrukci motoru v následujících desetiletí systematicky zdokonaloval
Hugo Junkers (1859­1935) se záměrem jej použít nejprve v lodní dopravě a pak i
v letectví, což se mu podařilo ve 20. letech dvacátého století, kdy jeho podnik jako
první na světě začal dodávat takové motory pro nákladní automobily a velká letadla,
přičemž spotřeba paliva byla asi o 80% menší než u stejně výkoných benzínových
motorů [28, s. 151].
26.id973 Záložní dieselagregát servovny.
Dieselagregát Phoenix Zeppelin CAT o výkonu
400 kW, objem motoru 14,6 l, objem palivové nádrže
je 950 l, spotřeba paliva při 100% zátěži 99,9 l∙h­1,
při 50% zátěži 52,7 l∙h­1. Ve vypnutém stavu palivo
neustále cirkuluje a je předehříváno na teplotu kolem
50 °C, kvůli rychlejšímu startu (převzetí jmenovité
zátěžeji již 20 s po startu [40]). Zdroj [24].
Dieselovu myšlenku maximalizace využití paliva užitím rovnotlakého spalování je
možno rozšířit, že účinnost oběhu se zvýší pokud expanze spalin bude probíhat do co
nejnižšího tlaku tedy do tlaku atmosferického. To souvisí s tím, že tepelná účinnost
oběhů je tím větší čím větší je podíl mezi vstupní a výstupní teplotou. Takové představě
odpovídá tepelný oběh podobný Dieselovu, ale rozšířený o izobarický výfuk. Tento
oběh se dnes běžně nazývá Braytonovův oběh podle Američana Georga Braytona
(1830–1892), který už před Dieselem v 1873 zkonstruoval spalovací motor, ve kterém
se snažil popsaný oběh realizovat. Samotný tepelný oběh už ale znal Prescott James
Joule (1818­1889) [31, s. 255] a John Ericsson (1803­1889), který ho použil ve svém
teplovzdušném motoru [26, s. 310] v 1833.
Takový oběh je ale pro pístový motor nevhodný, protože vyžaduje velké zdvihy.
Lépe je tento oběh realizovat v točivém stroji tj. soustrojí s turbokompresorem a
turbínou – plynová turbína a pokud toto soustrojí obsahuje spalovací komoru je v Česku
používán pojem spalovací turbína. Ve spalovací turbíně se vzduch stlačuje
v turbokompresoru, následuje smíchání s palivem a spalování ve spalovací komoře, a
horké spaliny expandují v turbíně podobně jako pára v parní turbíně. Práce z turbínové
části je využita pro pohon turbokompresoru a přebytek práce může pohánět například
elektrický generátor. Takové soustrojí se spalovací turbínou si poprvé patentoval Franz
Stolze a to již v roce 1872, i když myšlenka plynových turbín je mnohem starší, ale bez
kompresní části [33, s. 3]. Takové soustrojí sice nevypadá složitě, ale vyrobit skutečně
funkční stroj byl problém především v realizaci turbokompresoru a nízké teploty
spalování dané materiály turbíny. O stavbě použitelné spalovací turbíny bylo možné
uvažovat až po dopracování teorie turbín a turbokompresorů a zvládnutí jejich
konstrukce.
První turbokompresor radiálního typu byl zprovozněn v roce 1906 Francouzem
Augustem Reteauem (1863­1930) [32, s. 22]. Byl sice hospodářsky využitelný pro
kompresi vzduchu o velkém objemu, ale jeho příkon byl stále velký. To nezabránilo
rozšíření turbokompresorů v průmyslu (stlačený vzduch byl čistý), ale pro využití ve
spalovací turbíně to stále nestačilo a první reálně využitelnou spalovací turbínu postavili
a spustili ve švýcarském podniku Brown Boveri až v roce 1939 [33, s. 4]. Soustrojí
dosahovalo výkonu 4000 kW. Soustrojí obsahovalo jednu velkou, několik metrů
dlouhou, spalovací komoru. Jednalo se tedy, z denšního pohledu, o konstrukci spalovací
turbíny se samostatnou spalovací komorou:
27.id980 Obrázky ke stavbě prvních spalovacích turbín.
vlevo ve strojovně první spalovací turbíny 1939 – pán s buřinkou je Aurel Stodola – velká trubka nad hlavou
pracovníka úplně vpravo je spalovací komora; vpravo Hans von Ohain vedle repliky proudového motoru své
konstrukce HeS3B, který byl jako první použit k pohonu letounu­při výslechu, po konci války, na otázku, kde
vzal teoretické základy pro stavbu proudových motorů se odvolal právě na teorii Aurela Stodoly [34, s. 144]
– všimněte si velikosti spalovací komory u jeho levého ramene. Obrázky byly převzaty z [36] respektive
[37].
První spalovací turbína byla zprovozněna na začátku druhé světové války. Ve
stejné době už probíhal intenzivní vývoj proudového motoru především v Německu a ve
Velké Británii. Asi největšími problémy bylo spalování­přesněji velikost spalovací
komory, vysoké teploty a velká spotřeba paliva [34, s. 137]. Především bylo nutné
vytvořit malou spalovací komoru a o velkém výkonu a zajistit chlazení lopatek prvních
stupňů turbínové části. Zprovoznit první letouny s proudovým motorem se podařilo
téměř současně na německé straně Hansu von Ohainovi (1911­1998) v srpnu 1939 a
Franku Whittlemu (1907­1996) v květnu 1941 na Britské straně [37, s. 83]. Co bylo
zajímavé, takové motory byly časově méně náročné na výrobu, oproti spalovacím
motorů pro letadla zabrala výroba proudového motoru téměř desetkrát méně času (3000
až 5000 člověkohodin versus 700 člověkohodin) [34, s. 119]. Dnes je spalovací turbína
tradiční strojírenský produkt.
Elektřina
Elektrická energie je relativně snadno transformovatelná mnoha způsoby na
mnoho druhů energií, proto je považována za tzv. "ušlechtilou energii", přesto uplynula
dlouhá doba než bylo pro ni nalezeno využití.
První generátorem nabitých částic byl žlutooranžový jantar. Filosof antického
Řecka Tháles z Milétu (625­546 př. n. l.) popsal jeho schopnost dočasně přitahovat
lehké předměty (pírka, lístky...) poté co ho třel hadříkem . O další větší pokrok se
postaral Angličan Stephen Gray (1670­1736), který objevil někdy v letech 1727 až
1729, že nabité částice respektive elektřinu lze přenášet pomocí vodiče elektřiny
(nejlépe kovový drát) z tělesa na těleso a klasifikoval i nevodiče elektřiny. Nizozemec
Pieter van Musschenbroek (1692­1761) v roce 1745 objevil, že elektřinu lze hromadit
a skladovat například ve skleněné nádobě s vodou s kovovým povlakem (elektrický
kondenzátor). S pečlivým využitím všech poznatků o vlastnostech elektrických jevů, a
to především na základě experimentů Itala Luigiho Galvaniho (1737­1798), sestrojuje
jiný Ital Alssendro Volta (1745­1827) v roce 1800 elektrickou baterii (tzv. Galvanický
článek). Podrobněji o objevech z oblasti elektrofyziky populárně naučnou formou
v [38, s. 27­62].
Galvanický článek byl zdrojem stáleho elektrického proudu a otevřel cestu
vynálezu elektrických spotřebičů. Nejdříve se elektřina používala v elektrochemii
k rozkladu vody a výrobě vodíku či jiných prvků rozkladem dalších chemických
sloučenin, a k pokovování. Pomocí elektrolýzy byly objeveny i některé nové prvky.
Započaly experimenty s různými typy elektrických svítidel. V roce 1831 objevuje
Angličan Michael Faraday (1791­1867) elektromagnetickou indukci a sestrojuje
magnetoelektrický generátor (buzení zajišťují permanentní magnety). Následují další
vynálezy spotřebičů jako telegraf, elektrický motor a obloukové lampy, které se
využívali na majácích a příležitostně ve společenských budovách šlechty. Musí se však
pro napájení těchto spotřebičů stále užívat baterií, protože elektrické generátory
Faradayova typu poskytují střídavý proud nestálé intenzity usměrňovaný v komutátoru
na stejnosměrný proud [20, s. 61]. Teprve v roce 1870 Belgičan Zénobe Theofil
Gramme (1826­1901) sestrojuje komerčně úspěšné a spolehlivé dynamo (generátor
stejnosměrného proudu). Využil objevu elektromagnetu Němce Wernera Siemense
(1816­1892) a prstencovou kotvu Itala Antonia Pacionttiho (1841­1912). Později byly
dynama respektive alternátory konstrukčně zlepšována, ale už nešlo o revoluční řešení.
4. září 1882 Američan Thomas Alva Edison (1847­1931) zprovozňuje první
veřejnou elektrickou síť v New Yorku v Perlové ulici tj. veřejnou elektrárnou je myšlen
centrální zdroj stejnosměrného proudu, který je rozváděn do budov po celé ulici pomocí
zakopaných vodičů. Do té doby bylo nutné v budově, která měla mít elektrické
spotřebiče instalovat parní stroj s dynamem, což přinášelo velké komplikace (hluk,
vibrace, kouř) především u soukromých rezidencí bohatých osob, které jediné se mohli
vybavit svá sídla drahým elektrickým osvětlením.
Za první elektrárnu na území Česka je považována instalace dynama v Žižkovské
plynárně v Praze za přispění Františka Křižíka (1847­1941) v roce 1888 (spuštěna
1889). Vyrobená elektřina byla využívána k osvětlení. 7. dubna 1900 byla spuštěna
první elektrárna na našem území – elektrárna Holešovice 5x800 kWe.
28.id229 Strojovna Budapešťské elektrárny 1895,
[14].
K přenosu elektřiny z místa výroby do místa spotřeby se využívá především
střídavý proud. V počátcích elektrifikace se využíval stejnosměrný proud prosazovaný
Edisonem. Zakrátko se ale prosadil proud střídavý, kvůli tomu, že jej bylo možno
distribuovat o vysokém napětí, což vyžadovalo změnu stejnosměrných dynam na
generátory střídavého proudu, které nezávysle na sobě sestrojili, s využitím myšlenky
točivého magnetického pole, Srb Nikola Tesla (1856­1943) v roce 1885 a Galile
Ferraris (1841­1897) v téže době. Pro dálkový přenos elektřiny se vyplácí vysoké
napětí vzhledem k menšímu poměru ztrát k přenesenému množství elektřiny.
Stejnosměrný proud bylo také možné vyrábět o vysokém napětí kvůli účinnějšímu
přenosu jenže konečný spotřebič musel být také konstruovaný na vysoké napětí – v té
době nebylo možné efektivně transformovat stejnosměrný proud na nižší napětí*. Pricip
transformátoru střídavého proudu byl popsán a experimentálně ověřen už Faradayem,
ale prakticky využitelný transformátor pro dálkový přesnos elektřiny sestrojili až v roce
1882 Lucien Gualard (1850­1888) a John Dixon Gibbs (1834–1912). Komerční
výtězství používání střídavého proudu znamenalo vybudování vedení střídavého proudu
od vodní elektrárny na Niagraských vodopádech do blízké zatím účelem vybudované
průymslové zóny a především do města Buffalo vzdálené 40 km [38].
*Poznámka Proto se zpočátku elektrifikace používal pro přenos stejnosměrný proud o nízkém
napětí, což měl za následek ztráty v přenosové soustavě až 80% a spotřebič mohl být
nejdále asi 0,75 km od zdrojového dynama. Podobně jako za oceánem, tak i u nás byly
zastánci jak stejnosměrného přenosu (František Křižík) tak střídavého (Emil Kolben
(1862­1943), i když bývalý Edisonův zaměstnanec).
V současnosti se elektřina (ve velkých elektrárnách) vyrábí v rotační generátorech
střídavého proudu* v rozmezí 6,3 kV ...20 kV, potom se jeho napětí v trafostanici
zvyšuje na 400 kV k dálkovému přenosu tato vysokonapěťová soustava se nazývá
přenosová soustava. Nízkonapěťová soustava od trafostanic ke spotřebiči o různých
napětí se nazývá distribuční soustava. Ztráty v přenosu jsou až 6% (závisí na hustotě
zdrojů). Přenosová soustava na našem území je velice hustá, ale i přesto se občas nějaké
vedení vysokého napětí ještě staví např. kvůli nové elektrárně nebo k posílení tranzitní
kapacity přes naše území.
*Poznámka Pro sítě 50 Hz se používají generátory pro 3000 min­1 (dvoupólový generátor),
1500 min­1 (čtyřpólový) případně 750 min­1 (osmipólový) u turbosoustrojí vodních
elektráren i vícepólové generátory pro nižší otáčky.
29.id230 Schéma distribučních a přenosových sítí ČR 110 až 400 kV, stav k 1.1. 2007, [10].
Vysoké napětí je většinou realizováno jako nadzemní zavěšené na sloupech,
v některých případech je vedeno podzemím. Výhodou nadzemního vedení je, že je
levnější než podzemní. Nevýhodou je narušení rázu krajiny a vodič je neustále vystaven
přírodním vlivům. Především námrazy v posledních letech trápí rozvodné závody.
Běžně bývá navrženo na nosnost do 3 kg∙m­1 námrazy. Ale například v zimě 2005
dosahovala námraza až 18,9 kg∙m­1, což poškodilo zejména v Německu mnoho
kilometrů vedení. Dokonce pokud nedojde k přetržení lana může dojít k deformaci
sloupu. Naopak podzemní vedení je před přírodními živly obvykle dobře chráněno, ale
je velice nákladné a realizuje se pouze v husté zástavbě ve městech a obvykle je ve
společném tunelu s dalšími inženýrskými sítěmi.
Elektrické spotřebiče (alespoň ty pro domácnosti) nejsou konstruovány na vysoké
napětí (technické řešení, cena, bezpečnost). Proto je nutné v cílové oblasti vysoké napětí
snížit na požadované napětí, pro případ domácností a běžné zástavby se jedná o nízké
napětí 400 V se třemi vodiči.
Jaderná energetika
V jaderné energetice je využíváno exotermických procesů v jádrech atomů. V
energetice se využívá energie uvolňované při štěpení jader atomů. Energetické využití
energie uvolňované při jaderné syntéze lehkých jader (slučování lehkých jader tzv.
termonukleární reakce) lehkých jader je v současnosti pouze předmětem výzkumu.
Uvolňování velkého množství energie při jaderné syntéze se uplatnilo v neřízené
podobě u termonukleárních zbraní:
30.id232 Příklady jaderných reakcí, při kterých se uvolňuje energie.
(a) štěpná reakce; (b) jaderná syntéza jader vodíku.
Štěpná reakce byla objevena německých fyzikem Otto Hahnem (1879­1968)
v roce 1938, a teoreticky správně zdůvodněna byla v témže roce rakouskou fyzičkou
Lise Meitnerová (1879­1968) [39, s. 122]. Řízená štěpná reakce probíhá v palivu
umístěného v jaderném reaktoru. První štěpný reaktor byl spuštěn 2. prosince 1942 v
Chicagu, projekt řídil Enrico Fermi (1901­1954). Reaktor měl výkon přibližně necelý
kilowatt:
31.id233 2 prosinec 1942 Chicago – kresba zachycuje spouštění prvního jaderného reaktoru.
Autor: Gary Sheehan (1957) [3].
První komerční jaderné elektrárny se začaly uvádět do provozu v padesátých
letech dvacátého století. První jaderná elektrárna spuštěná v ČSSR byly Jaslovské
Bohunice v roce 1972 (Slovensko, blok A1, palivo: přírodní uran). V současnosti jsou v
ČR v provozu dvě jaderné elektrárny u Dukovan a u Temelína, jejich výkon představuje
22% celkového instalovaného výkonu a cca 30% procent netto vyrobené elektřiny v ČR
(data platná k pololetí roku 2005).
32.id234 Příklad tlakovodního reaktoru (VVER
1000), [11].
Tepelný výkon reaktorů se pohybuje od několik kilowatttů (experimentální) přes
několik desítek megawattů (lodě, ponorky) až po jednotky GW (elektrárny).
Čerstvé palivo pro reaktory bývá obohacený přírodní uran, který není příliš
nebezpečný (velmi nízká radioaktivita). Ale při štěpení vznikají radioaktivní produkty,
které palivo "znečišťují" a jeho objem dělají nebezpečným radioaktivním odpadem.
Tento odpad je nutné skladovat bezpečně i po dobu několika stovek tisíc let. Proto
posledním vývojovým stupněm reaktorů založených na štěpení jader jsou rychlé
reaktory schopné udržovat štěpnou reakci i v použitém palivu (tento typ jaderného
reaktoru je zatím v provozu v Rusku – BN 600 a Francii – Superphénix). Tímto se
podstatně snižuje objem nebezpečných látek nutné k dlouhodobému uskladnění.
V současnosti se také intenzivně pracuje na vývoji termonukleárního reaktoru. V
červnu 2005 podepsali zástupci Evropské unie, USA, Japonska, Číny, Ruska a Jižní
Koreje smlouvu o společné spolupráci na budování jaderného reaktoru založeného na
principu jaderné syntézy pod pracovním názvem ITER (International Thermonuclear
Experimental Reactor) o výkonu 500 MW:
33.id235 Termonukleární reaktor typu TOKAMAK.
Popis funkce termonukleárního reaktoru je uveden
v [47, nad id79]. Obrázek [15].
Počátky přímé transformace sluneční energie
Je to hlavní a nezbytný zdroj energie, který se vyskytuje celoplanetárně. Vyjma
jaderné, geotermální a slapové energie je to jediný zdroj energie, která je přeměňována
přírodními procesy na další druhy energií, které člověk dále využívá (fosilní paliva,
biomasa, vodní energie..).
Sluneční energie se na Zemi dostává ve formě elektromagnetického záření o
vlnové délce odpovídající viditelnému spektru. Na hranici atmosféry Země dopadá
přibližně 1350 W∙m­2.
Sluneční energii lze pomocí technologií využívat i přímo a nespoléhat se tedy
pouze na přírodní procesy (růst energetických plodin a pod.). Například ohřev vody
pomocí solárních kolektorů už není výjimkou ani v našich zeměpisných šířkách.
Možnou konstrukci stroje, který by využíval přímo sluneční energii na energii
mechanickou představil John Ericsson v roce 1872. Jednalo se o sluneční parabolu v
jejíž ohnisku byl Stirlingův motor. Realizace se tato koncepce dočkala v roce 1901 s tím
rozdílem, že Stirlingův motor byl nahrazen parogenerátorem na výrobu páry pro parní
stroj. Velice rychle se rozšiřuje i výroba elektřiny pomocí fotovoltaických systémů
(přímá přeměna elektromagnetického vlnění na energii elektrickou):
34.id237 První sluneční parobola, USA, Pasadena,
Calif 1901.
V ohnisku paraboly je umístě parogenerátor na
výrobu páry pro parní stroj. Obrázek [16].
V současnosti přímá výroba energií ze sluneční energie netvoří podstatný podíl na
celkové energetické výrobě, ale lze očekávat významný růst v této oblasti.
Pár slov na závěr
Mimo uvedené zdroje energií a nástroje k jejich transformaci existuje i mnoho
dalších. Například vodíková energetika, geotermální energie a pod. Pro zajištění
spolehlivých dodávek energie s ohledem na hospodářské, politické a ekologické dopady
není důležité nalézt jeden dominantní universální zdroj, ale hledat rovnováhu mezi
využíváním jednotlivých zdrojů a technologií tzv. energetický mix. V současnosti se
toto potvrzuje především z geopolitického hlediska.
Odkazy
1. PATURI, Felix, STRAUCH, Friedrich, HERHOLZ, Michael. Kronika Země, 2003. 3.
vydání. Praha: Fortuna Print, ISBN 80 – 7321 – 070 – 3.
2. THURSTON, Robert. A History of the Growth of the Steam­Engine, 1878. New York:
D. Appleton and company, 549 AND 551 Broadway.
3. Wikimedia Commons – uložiště volného multimediálního obsahu. [on­line]. [2013].
Dostupné z http://commons.wikimedia.org.
4. ROSYPAL, Stanislav, a kol. Přehled biologie, 1994. 2. upravené vydání.Praha:
Scientia, spol. s.r.o. pedagogické nakladatelství, ISBN 80 – 85827 – 32 – 8.
5. SOULEK, Ivan, MARTINEK, Karel. Cyklistika, 2000. 1. vydání. Praha: Grada
Publishing, spol. s. r. o., ISBN 80­7169­7169­951­9.
6. JANOŠKA, Martin. Větrné mlýny v Čechách, na Moravě a ve Slezku, 2003. 1.
vydání. Praha: Libri,ISBN 80­7277­153­1.
7. ŠTĚPÁN, Luděk, KŘIVANOVÁ, Magda. Dílo a život mlynářů a sekerníků v
Čechách, 2000. 1. vydání. Praha: Argo, ISBN 80­7203­254­2.
8. KÓL, Přemysl. Statika hoření, Spalovací procesy, 2011. [on­line]. Dostupné
z http://Spalovaci­procesy.wz.cz/Statika horeni.html.
9. MILLER, Rudolf, HOCHRAINER, A., LÖHNER, K., PETERMANN, H.
Energietechnik und Kraftmaschinen, 1972. Hamburg: Rowohlt taschenbuch verlag
GmbH, ISBN 3­499­19042­7.
10. ČEPS, a.s., 2012. Přenosové služby, systémové služby, tranzity elektřiny,
vyhodnocování odchylek. Adresa: Praha 10, Elektrárenská 774/2, PSČ 101 52,
http://www.ceps.cz.
11. ČEZ, a.s., 2011. Majitel a provozovatel elektráren. Adresa: Praha 4, Duhová 2/1444,
PSČ 140 53, Česká republika, http://www.cez.cz.
12. HEBERT, Luke. The Engineer's And Mechanic's Encyclopaedia, vol 2, 1849.
London: Thomas Kelly, 17, Paternoster Row.
13. PARSONS, Charles. The Steam Turbine, 1911. Cambridge: Printed by John Clay,
M.A. at the University Press 1911, kopie uvedena
http://www.history.rochester.edu/steam/parsons, dostupnost 2010.
14. NIETHAMMER, Friedrich. Ein­ und Mehrphasen­Wechselstrom­Erzeuger, 1906.
Leipzig: Verlag S. Hirzel.
15. Project: International Thermonuclear Experimental Reactor. [on­line]. [2010].
Dostupný z http://www.iter.org.
16. MILLARD, F. B. Harnessing the Sun, The World's Works, Nov. 1900 to April 1901,
Vol. I.
17. PACÁK, Josef. Úvod do studia organické chemie, 1982. 1. vadání. Praha: SNTL –
Nakladatelství technické literatury, vydání první.
18. HAU, Erich, Wind Turbines – fundamentals, technologies, Applications, Economics,
2006. 2. vydání. Springer Berlin Heidelberg New York, ISBN – 10­3­540­24240­6.
19. HOBHOUSE, Henry. Šest rostlin, které změnily svět, 2004. Praha: Academia,
ISBN 80­200­1179­X. Přeloženo z anglického originálu Seeds of Change, Six Plants
That Transformed Mankind.
20. HOCH, A., Vynálezy, které změnily svět, 1941. Druhé rozšířené vydání. Praha:
Orbis. Vázaná kniha, 324 stran.
21. JÍLEK, František, KUBA, Josef, JÍLKOVÁ, Jaroslava. Světové vynálezy v datech,
1980. 2. vydání. Praha: Mladá fronta. Vázaná kniha, 288 stran.
22. BERNAL D. John. Věda v dějinách, 1960. První vydání. Praha: SNPL. Jedná se o
český překlad anglického originálu Science in History, London: 1954, vydalo Watts and
Comp.
23. CARAS, Ivo. Střelivo, 1995. Příbram: ARS­ARM. ISBN 90­900833­8­2.
24. VÍTEK, Aleš. Kde a jak bydlí webové servery v Česku, Computer, 2004 č. 21.
Brno: Computer Press a.s., ISSN 1210­8790.
25. NOŽIČKA, Jiří. Osudy a proměny trysky Lavalovy, Bulletin asociace strojních
inženýrů, 2000, č. 23. Praha: ASI, Technická 4, 166 07.
26. KALČÍK, Josef, SÝKORA, Karel. Technická termomechanika, 1973. 1. vydání,
Praha: Academia.
27. HYNEK, Vladimír, KLUČINA, Petr. Válečné lodě 2, 1986. Vydání I. Praha: Naše
vojsko. 280 stran, 56 stran příloh.
28. BLUNCK Richard. Hugo Junkers jeho život a dílo, 1942. Praha: Orbis.
29. HOŠEK, Josef. Aerodynamika vysokých rychlostí, 1949. 1. vydání. Praha: Naše
vojsko.
30. FRIDRICH, Alexander. Neviditelná armáda, kniha o energii, 1942. Praha: Orbis.
31. ELSNER, Norbert. Grundlagen der technischen thermodynamik, 1973. Akademie­
Verlag, Berlin, 2., berichtige auflage.
32. MISÁREK, Dušan. Turbokompresory, 1963. Vydání první. Praha: Statní
nakladatelství technické literatury, n.p.
33. BATHIE, William. Fundamentals of gas turbines, 1984. John Wiley&Sons, Inc.
ISBN 0­471­86285­1.
34. CONNER, Margaret. Hans von Ohain, Elegance in Flight, 2001. American Institute
of Aeronautics and Astronautics, ISBN 1­56347­520­0.
35. Autor neuveden. Early Gas Turbine History, [cit. 2013­08­26]. MIT Gas Turbine
Laboratory, web: http://web.mit.edu/aeroastro/labs/gtl/early_GT_history.html.
36. Autor neuveden. Origins of German jet power, 2007. [cit. 2013­08­27]. Web:
http://cnnews.wordpress.com/2007/09/page/9/
37. STEVER, Guyford, HAGGERTY James. Flight, 1966. První vydání. Time Inc.
38. JONNESOVÁ, Jill. Říše světla, 2009. Vydání 1. Praha: Academia, ISBN 978­80­
200­1664­5.
39. EINSTEIN, Albert. Z mých pozdějších let, Jak vidím svět II, 1995. z anglického
originálu Out of My Later Years. Praha: Lidové noviny. ISBN 80­7106­116­6.
40. KUCHTA, Karel. Nouzové napájení elektrickou energií pro ostrovní provoz
energetických zdrojů, Technický týdeník, č. 25, 2013. Praha: Business Media CZ, ISSN
0040­1064.
Citace tohoto článku
ŠKORPÍK, Jiří. Historie transformačních technologií, Transformační technologie,
2006­08, [last updated 2014­05]. Brno: Jiří Škorpík, [on­line] pokračující zdroj, ISSN
1804­8293. Dostupné z http://www.transformacni­technologie.cz/historie­
transformacnich­technologii.html.
©Jiří Škorpík, LICENCE
www.transformacni­technologie.cz
2. Sluneční záření jako zdroj energie
Autor: Jiří Škorpík, [email protected] : aktualizováno 2015­02
Historie technologií pro přímé využití sluneční energie je relativně krátká o to
dynamičtější rozvoj v současnoti prožívá. Tomu to trendu hodně napomáhá skutečnost,
že sluneční energie dopadající na Zemi patří do kategorie obnovitelných zdrojů, protože
neustále dopadá na povrch natočený ke slunci.
1.id61 Slunce je zdrojem životodárné energie v tak obrovském množství, že je téměř nemožné, aby lidstvo
někdy pocítilo její nedostatek. Je pouze na člověku jestli ji dokáže využít.
Tepelný tok ze Slunce na Zemi
Sluneční energie je proud elektromagnetického záření v tomto případě nazývaného
jako sluneční záření vysílané z povrchu slunce na osvětlenou stranu Země. Slunce lze
považovat za černé těleso, což podle Planckova vyzařovacího zákona značí, že vyzařuje
energie ve formě elektromagnetického záření v celém rozsahu vlnových délek
odpovídající vyzařování černého tělesa o téže teplotě jako je teplota povrchu slunce
5770 K. Černé těleso o této teplotě vyzařuje nejvíce energie v oblasti viditelného záření
viz spektrální zářivost černého tělesa a Slunce např. [1, s. 64].
2.id503 Střední vzdálenost Země od Slunce v měřítku.
6
149,6·10 km střední vzdálenost Země od slunce; 1348,333 W·m­2 sluneční konstanta*; 172 000 TW
přibližný celkový výkon slunečního záření dopadající na hranici atmosféry Země; 299 793 km·s­1 rychlost
světla ve vakuu; 8:19 min doba, za kterou urazí záření vzdálenost Slunce­Země. Na tomto obrázku má
Slunce průměr 1,392 mm a Země 0,0128 mm. Zdroj [2]
*Sluneční konstanta
Celkové množství sluneční energie (ve všech vlnových délkách), která dopadá za
jednotku času [s] na jednotku plochy [m2] umístěnou kolmo na směr paprsků ve střední
vzdálenosti Slunce – Země.
Velikost sluneční energie dopadající na Zemi lze určit ze sluneční konstanty a
průměru Země. Zářivý výkon Slunce směrem k Zemi je tedy přibližně 172 000 TW. Ale
ne celý tento zářivý tok se dostane až k povrchu Země. I ta energie, která nakonec
dopadne na povrch Země se po různých přeměnách musí přeměnit opět na vnitřní
tepelnou energii a být vyslána zpět do vesmíru společně s geotermální energii a dalšími
energiemi (kinetická energie dopadající meteoritů, slapová energie, energie uvolněná z
jaderných reakcí...). V opačném případě by se teplota Země začala zvyšovat. Naopak
pokud by Země zářila do okolního vesmíru více energie došlo by k ochlazování Země:
3.id62 Slunečního záření při průniku atmosférou Země.
100 % představuje zářivý výkon směrem k Zemi; 31 % odraz od horních vrstev atmosféry; 17,5 %
pohlceno atmosférou; 32,7 % dopadá na oceány; 4,3 % odraz od souše; 14,4 % pohlceno souší (přeměněno
na teplo Země); 0,1 % spotřeba na fotosyntézu.
Slunce
V jádru slunce probíhá za vysokého tlaku a teploty 15 000 000 K jaderná syntéza a
to slučování jader vodíku respektive jeho izotopů deuteria a tritia za vzniku jáder helia.
Přitom se uvolňuje obrovské množství energie v podobě velmi krátkovlnného záření
gamma. Tato energie se na povrch slunce dostává částečně vedením a v blízkosti
povrchu konvekcí. Přitom dochází k rozptýlení, k pohlcení a znovu vyzáření energie
tak, že na povrchu Slunce už vyzařována energie obsahuje široké spektrum záření a ne
pouze gamma, které by mělo negativní vliv na život na planetě Zemi. Tento rozptyl
způsobí, že efektivní teplota povrchu slunce je přibližně 5700 K a více jak polovina
veškeré vyzařované energie je v oblasti viditelného spektra tedy o vlnové délce 400 až
700 nm, které se také nazývá světlem. Doba, za kterou dojde k rozptylu a tato energie se
dostane na povrch slunce je přibližně 2 000 000 let:
4.id64 Slunce.
H 81,76 % objemový podíl vodíku; He 18,17 % objemový podíl helia; 1,987·1030 kg hmotnost; 1 392 000
km průměr; 480 000 km průměr jádra; 15 000 000 K teplota v jádru; 5 770 K teplota fotosféry (viditelný
povrch); 3,826·1020 MW zářivost slunce. Literatura: [1], [2], [6, s. 313] fotografie Slunce [12] – pořízena
během jedné z misí na stanici Skylab v roce 1973.
Využití sluneční energie
Největším spotřebitelem sluneční energie je sama Země a její flóra a částečně
i fauna (tzv. vyhřívání na slunci, světlo) souhrnně nazývané biosféra (veškerá živá
hmota na planetě Zemi). Ohřev atmosféry a povrchu Země je hlavním zdrojem
klimatických procesů jako je proudění oceánské, vzdušné. Dále vypařování a déšť.
Pomocí těchto procesů je na Zemi udržováno klima vhodné pro Život. Například bez
Slunce by na Zemi byla teplota pouze ­263 °C (bez geotermální energie dokonce jen
­270 °C).
Člověk využívá sluneční energie k výrobě jiného druhu energie mnoha způsoby
závisející na druhu vyráběné energie, způsobu a místu. Především se využívá pro
vytápění pomocí solárních kolektorů nebo pro výrobu elektrické energie v solárních
elektrárnách na principu přímé přeměny (tzv. fotovoltaický systém) nebo pomocí
koncentrování slunečních paprsků pro ohřev pracovního media tepelných motorů
s vnějším přestupem tepla:
5.id65 Obecné rozdělení systému využití slunečního záření a jejich příklady.
Pasivní vnější plášť budovy je konstruován tak, aby zachytil co největší množství energie v topném období
(uplatňování pasivního systému na budovách se nazývá solární architektura); fototermický přeměna
sluneční energie na vnitřní tepelnou energii pracovní tekutiny například ve slunečním kolektoru (viz níže);
fotovoltaický přímá přeměna sluneční energie na energii elektrickou (viz níže).
Intenzita slunečního záření na povrchu Země
Intenzita slunečního záření na povrchu Země je množství sluneční energie v kWh
dopadající na m2 povrchu Země. Tato intenzita je závislá na zeměpisné šířce. Vliv má i
průměrné počasí v dané oblasti především množství oblačnosti:
6.id63 Množství sluneční energie dopadající na povrch České republiky [3].
Jedná se o úhrn záření dopadající kolmo na povrch země při jasné bezoblačné obloze. Jak je patrné
množství energie se rychle zvyšuje s nižší zeměpisnou šířkou. Například v Alžírsku již dosahuje měrné
množství dopadajícího záření úhrnu 2000 kWh∙m­2.
Intenzita slunečního záření dopadající na plochu pod vrstvou atmosféry se skládá z
přímého záření a difuzního záření:
7.id504 Intenzita slunečního záření blízko povrchu Země.
­2
I [W·m ] intenzita slunečního záření blízko povrchu Země; Ip [W·m­2] přímé sluneční záření*; ID [W·m­2]
difuzní sluneční záření**. Zdroj: [4, s. 39].
*Přímé záření
Sluneční záření, které při průchodu atmosférou není odraženo ani pohlceno a znovu
vyzářeno.
**Difuzní záření
Sluneční záření, které se odrazilo od částeček obsažených v atmosféře (vodní kapky,
prach...) a změnilo směr. Vlnová délka tohoto záření zůstává stejná jako před odrazem.
Množství difuzního záření závisí na oblačnosti a znečištění atmosféry. Tyto jevy naopak
zmenšují množství přímého záření. Například při zatažené obloze dopadá na povrch
Země pouze difuzní záření.
Při výpočtu úhrnné sluneční energie dopadající na libovolný povrch je třeba
vycházet i z údaje o skutečné době slunečného svitu v daném období, místo pro které je
výpočet prováděn a z naklonění povrchu vůči přímému záření:
2
8.id505 Denní úhrn sluneční energie dopadající na m plochy.
QS den [kWh·m ] denní úhrn sluneční energie energie dopadající m2 plochy,; τ­ [­] poměrná doba slunečního
­2
svitu; τskut [hod] skutečná doba slunečního svitu; τteor [hod] teoretická doba slunečního svitu (100%
bezoblačná obloha); QS den teor [kWh·m­2] úhrnná sluneční energie dopadající na daný povrch při daném
znečištění atmosféry bez oblačnosti za celý den (bývá tabelována v závislosti na stupni znečištění
atmosféry a úhlu orientaci osluněné plochy); QD den [kWh·m­2] úhrn energie dopadajícího difuzního záření na
plochu m2. Literatura [4, s. 39] (jsou zde i potřebné tabulky).
K tomu, aby bylo možné odečíst z tabulek požadované hodnoty je nutné definovat
orientaci vyšetřované plochy vůči Slunci:
9.id66 Dopad slunečního záření na obecně položenou
plochu.
a [°] azimut slunce; as [°] azimut osluněné plochy;
α [°] sklon plochy od vodorovné roviny; h [°] výška
slunce nad obzorem; γ [°] úhel dopadu slunečních
paprsků. Literatura [4, s. 24].
Systém pro ohřev tekutin a akumulaci tepla
Pomocí solárních kolektorů lze ohřívat vodu, vzduch nebo jiné látky. Sluneční
energie lze těmito způsoby využívat jak pro vytápění, výrobu elektrické energie tak i
v chemickém průmyslu. Sluneční kolektor bývá v ČR nejčastěji spojován s ohřevem
vody pro užitkové účely (teplá užitková voda), pro vytápění (ústřední vytápění vodním
nebo vzduchovým okruhem).
Sluneční energie je neregulovatelný zdroj energie (podobně jako většina
obnovitelných zdrojů) nelze zvýšit její výkon v okamžiku, kdy je nedostatek. Proto
každý solární sytém bývá obvykle vybaven i malou akumulační nádrží pro zachycení a
uložení tepla během dne, pro které není okamžité využití. Tím se vyrovnává
nerovnoměrnost solárních zisků se spotřebou tepla.
V zeměpisných šířkách ČR je velmi obtížné (především investičně a v některých
případech i prostorově) realizovat zařízení s dostatečnou akumulací tepla ze solárního
zdroje, která by byla schopna pokrýt požadavky zásobovaného objektu na teplo po celý
rok. Proto je nutné zdroj tepla založený na sluneční energii v zimních měsících doplnit
dalším zdrojem (elektřina, kotel, biomasa...), pro relativně nízké solární zisky v těchto
měsících:
10.id67 Schéma jednoduchého zařízení pro ohřev
teplé užitkové vody.
1 solární kolektor; 2 potrubí okruhu s teplo­nosným
médiem*; 3 oběhové čerpadlo; 4 akumulace tepla ve
formě ohřáté akumulační tekutiny**; 5 pojistný
ventil; 6 expanzní nádoba; 7 zpětná klapka; 8
ohřívák akumulační kapaliny solárním teplem; 9
ohřívák teplé užitkové vody nebo na vytápění
objektu; 10 elektrické přitápění. Celý okruh musí být
vybaven pojistným ventilem proti vzrůstu tlaku
vlivem přehřátí (vyvedení výfuku pojistného ventilu
viz norma). Expanzní nádoba vyrovnává tlakové
pulzace (aby nedocházelo ke zbytečnému otvíraní
pojistného ventilu).
*Teplo­nosné médium
Nejčastěji se jedná o směs vody, nemrznoucí kapaliny a antikorozní kapaliny. Nutno, při
výběru teplo­nosného média, také přihlížet k jejich termokinetickým vlastnostem (např.
příměsi ve vodě mohou výrazně měnit její viskozitu apod.) a dopady na okolí v případě
havárie či odpouštení přes pojistný ventil. Více o požadavcích a některých nejčastějších
typech teplo­nosných médií např. v [5, s. 102].
**Akumulace tepla ze solárních zisků
Dodávají se zařízení se schopností akumulace tepla (a) po dobu několika hodin –
základní, krátkodobá akumulace; (b) jednoho dne – denní akumulace; (c) po dobu
týdne – týdenní akumulace; (d) po dobu několika měsíců – sezónní akumulace.
Nejčastěji se jako akumulační kapalina používá voda s akumulační schopností 0,2 až
0,3 GJ (55,6 až 83 kWh) [13]. V případě krátkodobé akumulace je akumulační nádoba z
ocelové tepelně izolované nádoby s přetlakem vody do 0,2 MPa o objemu kolem 600 l
(princip akumulace a konstrukce těchto nádob např. v [5, s. 73]), které lze snadno
umístit v bytě či domě (tepelné ztráty nádoby zůstávají uvnitř objektu). Pro delší
akumulaci se používají větší izolované nádoby, už ale bez tlaké, umístěné dále od
spotřeby tepla např. ve sklepě nebo zakopané u objektu. Pro dlouhodobou sezónní
akumulaci tepla se podle [13] používají (a) nadzemní nádrže ocelové, nebo
železobetonové naplněné teplou vodou; (b) solární akumulační rybníky naplněné směsí
vody a soli; (c) podzemní kaverny naplněné teplou až horkou vodou; (d) zemní
horninové akumulátory; (e) akumulátory Aquifer. Příklad schéma zařízení
s dlouhodobou akumulací tepla je uveden v [4, s. 67].
Solární kolektor
Je to sběrač slunečního záření, jehož prostřednictví je ohřívána pracovní látka nebo
je solární energie koncentrována do určitého místa. Dokonalý sluneční kolektor
transformuje sluneční energii záření na tepelnou energii beze zbytku. Tato přeměna se
děje při dopadu slunečního paprsku na plochu absorbéru, kterým je pohlcen. Jako každé
těleso, tak i absorbér vyzařuje zpět do prostoru elektromagnetické záření a intenzita
vyzařování odpovídá teplotě jeho povrchu. Toto záření zpět do prostoru by
představovalo ztrátu na výkonu kolektoru. Proto dokonalý povrch absorbéru by měl mít
součinitel relativní absorpce označovanou písmenem a rovnu 1 a emisivitu
označovanou písmenem ε rovnu 0. Možnost jak snížit poměrnou zářivost povrchu
absorbéru je na povrch absorbéru nanést tzv. selektivní vrstvu. Jedná se o kompromis
mezi poměrnou zářivostí a absorpcí povrchu. Kdy poměr a/ε takového povrchu by měl
být co největší (zpravidla 5 až 10). Takovými povrchy jsou tenké vrstvičky tmavého
kovu např. niklu a chromu nanesené na vrstvu lesklého leštěného kovu hliník. Celý
absorbér bývá uložen v izolované skříní a ve směru slunečního záření zakryt
transparentní vrstvou (průhledná) s co nejmenší poměrnou tepelnou odrazivostí
(pokud možno nulovou) průchodnou pro sluneční paprsky (sklo). Tato vrstva uzavírá
kolektor proti odvodu tepla vedením a konvekcí (okolní vzduch) a chrání absorbér
(nepřízeň počasí – déšť, sníh..). Pouze pro sezónní provoz jsou určeny absorpční
matrace, které nejsou umístěné v izolované skříni a chráněné transparentní vrstvou. Jsou
určeny například pro ohřev vody v bazénech atd.:
11.id68 Základní typy a části slunečních kolektorů.
(a) plochý kolektor; (b) žlabový (koncentrující) kolektor; (c) vakuový kolektor s odrazovou plochou; 1
transparentní vrstva; 2 absorpční plocha; 3 izolace a skříň kolektoru; 4 odrazná plocha (reflektor); 5
skleněná trubice; 6 lesklý povlak na vnitřním povrchu trubice; 7 odrazový povlak pro tepelné paprsky; 8
absorpční trubky. Více o konstrukci [4, s.96], [5, s. 29].
Kolektory z Obrázku 11 jsou určeny především pro ohřev vody o teplotě do
100 °C, výjimečně 200 °C. Existují však aplikace využívající sluneční záření
přeměněné na vysokopotenciální teplo až 2000 °C. Sluneční paprsek podléhá zákonům
optiky proto ho lze koncentrovat v ohnisku, kde teplota může dosáhnout několik stovek
stupňů Celsia. Takovým kolektorům se říká koncentrující kolektory. Nevýhodou těchto
kolektorů je, že dokážou využít pouze přímé sluneční záření nikoliv difuzní:
12.id508 Koncentrující kolektory.
(a) parabolické zrcadlo; (b) solární věž; (c) koncentrace paprsků pomocí čočky; (d) koncentrace paprsků
pomocí Fresnelovy čočky. 1 přímé sluneční paprsky; 2 odražené sluneční paprsky; 3 ohnisko (sběrač, kaverna); 4 natáčivá zrcadla; 5
kaverna; 6 sloup.
Koncentrující sluneční kolektory v solárních elektránách se používají především
pro ohřev pracovního média tepelných motorů s vnějším přestupem tepla (Stirlingův
motor, výroba páry pro parní turbínu, pístový parní motor..). Účinnost přeměny (tedy i
velikost motoru vzhledem k jeho výkonu) tepelné energie v mechanickou práci je tím
větší čím větší je podíl rozdílu střední teploty přívodu a odvodu tepla ku střední teplotě
přívodu tepla viz Carnotizace tepelného oběhu. Obecně je střední teplota odvodu tepla
dána teplotou chladícího média (voda či vzduch), která bývá o něco vyšší než teplota
okolí. Proto je snaha, aby alespoň střední teplota přívodu tepla do oběhu byla co
největší.
13.id359 Solární elektrárna s parním oběhem.
a primární okruh s koncentrujícím kolektorem pro ohřev oleje; b parogenerátor; c sekundární okruh ­ parní
oběh.
Návrh solárního systému pro ohřev vody
Vypočtěte celkovou plochu slunečního plochého kolektoru pro ohřev vody pro období prosinec. Teplo je
určeno pro ohřev teplé užitkové vody v oblasti Brna. Denní spotřeba 120 l a voda se v kolektoru ohřívá z
teploty 10 °C na teplotu 50 °C. Kolektory jsou otočené na jih se sklonem 90 deg. Výsledek porovnejte s velikostí slunečního kolektoru pro měsíc červenec a sklon kolektoru 30°. Úloha 1.id507 Při řešení úlohy doporučuji postup uvedený v [4].
prosinec červenec prosinec červenec
­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­
p [­] 0,1 0,1 z [­] 3 3 t1 [°C] 10 10 Istr [W·m­2] 396 609 t2 [°C] 50 50 ηA [­] 0,45 0,77 Qspotř [kWh] 5,56 5,56 τ [­] 0,12 0,56 tv [°C] 3,5 22,1 SA [m2] 20,56 1,33 Úloha 1: souhrn zadání a výsledků. p [­] poměrná ztráta vzhledem k výkonu kolektoru; t1 [°C] teplota vody na vstupu do kolektoru; t2 [°C]
teplota vody na výstupu z kolektoru; Qspotř [kWh] denní spotřeba tepla nutná pro ohřev vody; tv [°C]
průměrná teplota vzduchu 21 den v měsíci; z [­] stupeň znečištění atmosféry; Istr [W·m­2] intenzita záření
dopadající na kolektor zadaného sklonu; ηA [­] účinnost absorbéru; SA [m2] potřebná plocha solárních
kolektorů.
Fotovoltaické systémy
Ze slunečního záření lze vyrábět přímo elektrickou energii pomocí fotovoltaického
systému. Takový sytém je složen ze solárních panelů, nezbytné řídící elektroniky a
napojení na spotřebič popřípadě je systém napojený na distribuční soustavu pro sdílení
přebytku vyrobené elektřiny nebo nedostatečného výkonu:
14.id506 Schéma solárního systému pro výrobu elektrické energie v domácnosti.
1 solární panel (obrázek z [9]); 2 střídač (převádí stejnosměrný proud ze solárního panelu na střídavý);
3 domácnost; 4 distribuční soustava.
Ze stejného důvodu proč je výhodné mít u solárních topných soustav akumulaci
tepla je výhodné mít systém i na akumulaci elektrické energie vyrobenou ze slunečního
záření. Uložit elektrickou energii přímo v elektrických baterií je velmi nákladné v hodné
jen pro malé výkony v řádech koliwatt. Nejačastěji se elektřina vyrobená ze slunečního
záření skladuje ve formě mechanické práce především pomocí přečerpávacích
elektráren. Přečerpávací elektrárny mají ovšem geografické a geopolitické omezení,
proto se vyvíjí systémy na uskladnění elektrické energie na jiných principech z nichž
nejperspektivnější je pravděpodobně systém tepelné akumuklační elektrárny typu CAES
založený na stlačeném vzduchu.
Prinicp činnosti solárních panelů
Solární panel se skládá ze solárních článků o velkosti okolo 10x10 cm. Solární
článek je tvořen křemíkovou (velice čistý křemík) destičkou tloušťky přibližně 0,3 až
0,5 mm. Na vrchní straně (ta nakloněná ke Slunci) a spodní straně destičky je obohacen
křemík rozdílnými příměsi. Tyto příměsi* způsobí, že horní vrstva bude mít záporný
náboj a spodní kladný respektive horní vrstva bude polovodič typu N(­) dolní polovodič
typu P(+). Rozdíl el. nábojů obou desek vytvoří mezi nimi napětí o velikosti přibližně
0,5 V. Při dopadu slunečního záření o určité vlnové délce na horní vrstvu dojde v
důsledku fotoefektu k uvolnění elektronů ve vrchní vrstvě křemíku, které jsou v
důsledku existujícího napětí odváděny přes spotřebič ke spodní vrstvě pomocí sběrných
vodičů na vrchní vrstvě a vodivé destičky na spodní vrstvě. Tímto způsobem vznikne
elektrický obvod.
*Poznámka U polovodiče typu N se jedná například o příměs fosforu, u polovodiče typu P o příměs
boru.
15.id509 Schéma solárního článku.
1 polovodič typu N; 2 polovodič typu P; 3 směr
ozáření článku; 4 sběrné vodiče; 5 el. spotřebič. Aby
docházelo k efektivnějšímu pohlcování slunečního
záření je vrchní vrstva článků potažena antireflexní
vrstvou. Více o funkci a charakteristice například
v [10].
Velikost proudu respektive výkon jednoho článku závisí na jeho ploše a pohybuje
se okolo 2...3 až 6 A max. Výkon panelu závisí na počtu destiček, které jsou na něm
umístěny. Pro zvýšení napětí se jednotlivé články zapojují sériově. Teoretický limit
účinnosti fotovoltaického článku (množství vyrobené elektrické energie ku množství
pohlcené sluneční energie článkem) na bázi křemíku je 31% (přičemž nejlepší
laboratorní články dosahují účinnosti 26%) [8, s. 24] viz také Shockley–Queisserův
limit.
Většina výrobců garantuje, že účinnost fotovoltaických panelů za 25 let poklesne
maximálně o 20%. Realita je však taková, že za 25 let provozu se snižuje účinnost
pouze o 6 až 8% [7, s. 12]. Nutno podotknout, že před 25 lety účinnost fotovoltaických
panelů byla velmi nízká (10%) a prostor pro opotřebení nebyl u těchto panelů velký.
Pár slov na závěr
Celková primární energie spotřebovaná lidstvem v roce 2000 byla 10 400 Mtoe.
Což průměrně představuje cca 14 TW výkonu. Toto číslo představuje méně jak 9% toho
co příroda spotřebuje na fotosyntézu.
Sluneční záření dopadající na povrch České republiky poskytuje ročně asi 90 000
TWh energie. Ploch použitelných pro fotovoltaické systémy je 50 200 000 m2, což
potenciálně představuje ročně asi 5 500 GWh.
Existují i jiné systémy využívající sluneční energii např. solární komín. Plocha
pod komínem (skleník) je ohřívána slunečním záření, které zahřívání vzduchu ve
skleníku vytváří jeho proudění na základě komínového efektu od okraje skleníku
směrem ke komínu. Na vstupu do komína, kde dosahuje vzduch nejvyšší rychlosti jsou
turbíny (větrné turbíny), které využívají kinetickou energii proudu k výrobě elektřiny:
16.id510 Solární komín.
Postavený v roce 1986 v Manzanares ve Španělsku,
který dosahuje výkonu až 50 kW. Přičemž 75%
plochy pod skleníkem je využito jako skleník pro
zemědělskou výrobu. Fotografie: Benoit Michel,
2007 [11].
Odkazy
1. KADRNOŽKA, Jaroslav. Energie a globální oteplování – Země v proměnách při
opatřování energie, 2006. 1. vydání. Brno: VUTIUM, ISBN 80­214­2919­4.
2. HLAD, Oldřich, PAVLOUSEK, Jaroslav. Přehled astronomie, 1984. 1. vydání.
Praha: SNTL.
3. ŠÚRI, M., CEBECAUER, T., HULD, T., DUNLOP, D. Global irradiation and solar
electricity potential – Czech Republic, 2010. European Commission Joint Research
Centre. Dostupné z http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eur.htm.
4. CIHELKA, Jaromír. Solární tepelná technika, 1994. 1. vydání. Praha: T. Malina.
5. HEINZ, Ladener, SPÄTE, Frank. Solární zařízení, 2003. 1. vydání. Praha: Grada
Publishing a.s., ISBN 80­247­0362­9.
6. MACHÁČEK, Martin. Encyklopedie fyziky, 1995. 1. vydání. Praha: Mladá fronta,
ISBN 80­204­0237­3.
7. BECHNÍK, Bronislav. Fotovoltaika: Recyklace panelů na konci životnosti,
Alternativní energie, 2011, č. 4.
8. MINKEL, Jr., COLLINS, Graham, BIELLO, David, TRIVEDI, Bijal, ASHLEY,
Steven, CHOI, Charles, LEMONICK, Michael. 7 radikálních energetických řešení,
Scientific American, 2011, srpen. České vydání. Praha: Espero publishing, s.r.o., ISSN
1213­7723.
9. Czech Renewable Energy Agency, 2010. Dostupné z http://czrea.org.
10. HENZE, Andreas, HILLEBRAND, Werner. Elektrický proud ze Slunce, 2000. 1.
české vydání. Brno: HEL, ISBN 80­86167­12­7.
11. Panoramio.com, 2010. z http://www.panoramio.com.
12. National Aeronautics and z http://www.nasa.gov, 2010.
[on­line] uložiště Space Administration fotografií. – Dostupné
NASA. Dostupné
13. KADRNOŽKA, Jaroslav. Sezónní akumulace sluneční energie, 3T. Teplo, technika,
teplárenství, 2007, č. 6. Pardubice: Teplárenské sdružení České republiky, 1996­2010,
ISSN 1210 – 6003.
Citace tohoto článku
ŠKORPÍK, Jiří. Sluneční záření jako zdroj energie, Transformační technologie,
2006­09, [last updated 2015­02]. Brno: Jiří Škorpík, [on­line] pokračující zdroj, ISSN
1804­8293. Dostupné z http://www.transformacni­technologie.cz/slunecni­zareni­jako­
zdroj­energie.html.
©Jiří Škorpík, LICENCE
www.transformacni­technologie.cz
3. Biomasa jako zdroj energie
Autor: Jiří Škorpík, [email protected] : aktualizováno 2011­08
Spalovaní dřeva a dřevního odpadu v kotli na ohřev vody může být nahrazeno
například spalováním slámy nebo jiných zbytků rostlinné zemědělské výroby. Podobně
při živočišné výrobě vzniká spousta kejdy (hnůj, chlévská mrva), která se může
shromažďovat v obrovských utěsněných kontejnerech a za pomocí bakterií rozkládat na
plynné produkty (methan), který lze spalovat přímo ve spalovacích motorech nebo
plynových kotlů. Dnes je aktuální pojem bionafta – nafta obsahující uhlovodíky
získávané úpravou biomasy (například lisování plodů řepky olejné). Těmto a podobným
způsobům využití biomasy se říká energetické využití biomasy. V ČR se takto v roce
2006 přibližně vyrobilo 40 GWh elektřiny (bez započítání spoluspalování biomasy s
uhlím).
Biomasa jako zdroj energie je nesmírně důležitý lokální zdroj, který lze využít v
místě nebo nedaleko místa růstu. Což je dáno poměrně vysokými logistickými náklady.
Tyto náklady jsou vysoké zejména pro velký objem biomasy vzhledem k využitelné
energii, kterou obsahuje. Výkon energetického zařízení jehož palivem je biomasa tedy
závisí i na velikosti spádové plochy, na které je biomasa pěstována.
1.id239 Zbytky akátové plantáže (2007) u Litobratřic, která byla hlavním zdrojem topiva v obci ještě v první
polovině 20. století.
Rostlinná biomasa
Rostlinná biomasa se skládá převážně z organické hmoty, vody a nízkého obsahu
"nehořlavých" minerálů tzv. popeloviny (termín užívaný při spalování biomasy. Každá
rostlinná biomasa se skládá z organických prvků C, H, O, N dále ve většině případů
obsahuje další hořlavinu jako je S, Ch nebo jiné neorganické hořlavé prvky, nehořlavé
neorganické prvky (minerální) a přirozeně H2O. Většinu organické hmoty získává
rostlinná biomasa během růstu ze vzduchu, vodu a minerály z půdy:
44 4 34,7 0,9 0,4 4 12 % C H O N S A w organická hmota 83,6 % ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ hořlavina 84% ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ suchá hmota 88 % ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ celková hmota 100 % ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ 2.id240 Příklad prvkového složení biomasy – obilná sláma.
C uhlík; H vodík; O kyslík; N dusík; S síra; A popelovina; W voda, *obsah chlóru je započítán v obsahu
síry. Zdroj dat [1].
Rostlinná biomasa by síru a chlór neměla vůbec obsahovat (v tak velkém
množství). Tyto prvky se do biomasy dostávají přímo nebo nepřímo z atmosféry kam se
dostávají z větší části díky lidské činnosti a z menší přírodním katastrofám (výbuch
sopky...).
Popelovin je v rostlinné biomase velice málo od 0% až po několik málo procent.
Jsou to minerály pocházející z půdy. Proto výrobce kotlů na dřevoplyn s dokonalým
spalováním uvádí, že popel z tohoto kotle stačí vynést jednou za několik dní. Popel je
tvořen ideálně pouze těmito minerály (především u dřeva) a z velké části hrubými
nečistotami, které byly do kotle přineseny spolu s palivem (hlína, prach...).
Fotosyntéza a vznik rostlinné biomasy
Základním stavebním kamenem rostlinné biomasy jsou organické látky. Z těchto
látek se za pomocí fotosyntézy vytváří organická sloučenina glukóza (cukr), která je
základním stavebním prvkem rostlinné biomasy a energetickým zdrojem živočichů.
Proto všechny organické sloučeniny obsažené ve všech organismech byly vytvořeny ze
sloučenin, které byly kdysi primárními produkty fotosyntézy.
Fotosyntéza je proces, při kterém se plynné produkty vzduchu (především CO2)
nejdříve rozloží a potom složí do potřebných organických sloučenin (glukózy) za
pomocí sluneční energie. Fotosyntéza probíhá za přítomnosti chlorofylu, který je obalen
dvojitou membránou. Pigmenty chlorofylu zachytávají světlo pomocí něhož rozkládají
vodu na kyslík a ionty vodíku H+ tomuto ději se říká fotolýza (podobný princip jako u
palivového článku). Elektřina (putující elektron) a ionty vodíku při tomto ději vzniklé
jsou využity k tvorbě organických sloučenin. Kyslík je vypuštěn do atmosféry
(představuje polovinu produkce kyslíku při fotosyntéze). Tento popis je značně
zjednodušen, vzniku glukózy z CO2 je doprovázen dalšími procesy při nichž se také
uvolňuje kyslík:
3.id241 Vznik glukózy a produkce kyslíku při fotosyntéze.
4.id561 Vznik glukózy a produkce kyslíku při fotosyntéze – textový zápis reakce.
Fotosyntéza je tedy reakcí endotermickou, energii spotřebovává. C6H12O6 je
glukóza, která později slouží k tvorbě biomasy jako je například celulóza. Účinnost
fotosyntézy je mezi 0 až 3 % viz úloha níže. Opakem fotosyntézy jsou typické oxidační
reakce jako hoření nebo složitějším procesem jako je transformace energie v živé buňce,
kdy pomocí enzymu při sloučení glukózy (upravené organismem) s kyslíkem vznikne
opět voda a CO2 + energie. Při hoření se rozpadají molekuly glukózy a slučují
s kyslíkem, množství takto uvolněné energie se nazývá spalné teplo popřípadě
výhřevnost.
Vysušená biomasa má výhřevnost kolem 15 MJ∙kg­1 přičemž na 1 m2 za rok lze vypěstovat jen 0,5 až 1 kg
rostlinné biomasy výjimečně 2,5 kg (energetické rostliny). Pokuste se přibližně určit efektivitu ukládaní
sluneční energie dopadající na m2 v biomase. Úloha 1.id562
Výsledky k Úloze 1.
η [%] 0,3..2*
*Poznámka Čistě energeticky k výsledku nelze přistupovat, protože růst biomasy má i jiné efekty,
které nelze vyjádřit energeticky. Velké množství vody se pomocí rostlin odpaří a tím
ochlazuje okolí a naopak tato energie se vrací v noci jako rosa (udržování teploty i
v noci). Dále vyrábí kyslík....
Výnosy
Výnosy v přepočtu na potenciálně získanou energii v biomase v podmínkách ČR
jsou uvedeny v následující tabulce:
Výhřevnost Vlhkost Výnos [t/ha] Plodina (termín sklizně) [MJ·kg­1] [%] min. prům. opt.
­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­
Sláma obilovin (VII.X) 14* 15 3 4 5 Sláma řepka (VII) 13,5 17­18 4 5 6 Energetická fytomasa–orná půda (X­XI) 14,5 18 15 20 25 Rychle rostoucí dřeviny–zem. 12 25­30 8 10 12 půda (XII­II) Energetické seno­zem. půda (VI;IX) 12 15 2 5 8 Energetické seno­horské louky (VI;IX) 12 15 2 3 4 Energetické seno­ostatní půda (VI­IX) 12 15 2 3 4 Rychle rostoucí dřeviny–antropogenní 12 25­30 8 10 12 půda (XII­II) Jednoleté rostliny–antropogenní půda 14,5 18 15 17,5 20 (X.XI) Energetické rostliny–antropogenní 15 18 15 20 25 půda (X.XII) 5.id242 Energetický výnos rostlinné biomasy v podmínkách ČR.
Zdroj dat [4] publikováno v [5].
Poznámka*
Z jednoho hektaru lze tedy získat kolem 16 000 kWh. Pro představu roční spotřeba tepla
(teplá voda+topení) rodinného domku (nezateplený) může převyšovat 25 000 kWh.
Typy konverzí biomasy pro energetické účely
Organické sloučeniny v kyslíkovém prostředí podléhají rozkladu. Se vzdušným
kyslíkem reaguje i povrch lidského těla, který musí být neustále regenerován jinak by
časem došlo k rozložení všech organických sloučenin v lidském těle*. Podobně reaguje
i povrch ostatní biomasy. Odumřelá větev stromu se časem vlivem interakce se
vzdušným kyslíkem také rozpadá, až po několika letech zcela zmizí a zbudou po ní jen
složky nepodléhající při daných podmínkách oxidaci (různé anorganické složky,
minerály...). Za ideálních podmínek se biomasa rozpadá na CO2, H2O. Při tomto
rozkladu se uvolňuje energie ve formě tepla. Rychlost rozpadu při běžných venkovních
podmínek není ale tak velká, aby uvolněné teplo významně zvýšilo okolní teplotu.
Rychlost uvedeného rozkladu významně závísí na teplotě okolí (roste přibližně 2 až 3x
při zvýšení o 10 °C), na vzdušnosti okolí a klimatických podmínkách.
*Zajímavost Vlivu stárnutí tedy reakcí se vzdušným kyslíkem podléhá i plast. Tuto reakci urychluje
přítomnost slunečního světla (především UV složka) a tepla, proto se do plastů
přimíchává tzv. antioxidanty. Daleko horší je pro plast ztráta jeho vlastností vlivem
přetváření jeho makromolekul způsobené stárnutím (křehne).
Biomasa se rozkládá i bez přítomnosti kyslíku (mnohem pomaleji) jednak reaguje
uhlík s kyslíkem v biomase na CO, ale především uhlík reaguje s vodíkem na CH4. K
rozkladu bez přítomnosti kyslíku, ale dochází pouze při vyšších než pokojových
teplotách nebo za přítomnosti bakterií. Rozkladu či hoření za přítomnosti kyslíku
nazýváme aerobní a bez přítomnosti kyslíku anaerobní.
Biomasa tedy reaguje ve velké míře s kyslíkem a i bez přítomnosti kyslíku podléhá
rozkladu. Procesy jenž vedou k rozpadu biomasy se různým způsobem využívá k
získávání paliva, energie a jiných produktů:
způsob konverze energetický odpadní materiál nebo
typ konverze biomasy výstup druhotná surovina ========================================================================
spalování teplo popeloviny ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­
generátorový plyn dehtový olej termochemická* zplyňování a ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­
teplo uhlíkaté palivo ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­
dehtový olej pyrolýza generátorový plyn ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­
pevné hořlavé zbytky ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­
alkoholová etanol, methanol vykvašený substrát fermentace biochemická* ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­
aerobní teplo fermentovaný substrát
fermentace ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­
anaerobní bioplyn fermentovaný substrát
fermentace ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­
fyzikálně– esterifikace metylester glycerín chemická bioolejů biooleje ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­
6.id243 Typy konverzí biomasy pro energetické účely.
*Poznámka Termochemické konverze se označují i jako suché procesy, a biochemické konverze se
označují jako mokré procesy zpracování biomasy.
Spalování
Při spalováním hoří pevný uhlík případně vodík obsažený v palivu i unikající plynné
látky z biomasy ve společném prostoru (topeniště). Vzduch je pokud možno přiváděn ve
všech částech topeniště.
Zplyňování
Při zplyňování (nedokonalé spalování) hoří pevný uhlík obsažený v palivu v jiné častí
spalovacího zařízení než unikající plynné produkty (ty není nutné ihned spalovat, ale
mohou se odvádět a využívat mimo zplyňovací zářízení). Na obrázku níže je
zjednodušený řez teplovodním zplyňovacím kotlem s pevným ložem na ohřev vody pro
ústřední vytápění, ve kterém je palivem kusové dřevo. Do horní komory, která je
zároveň i zásobníkem paliva je přiváděno takové množství vzduchu, aby probíhalo
pouze podstechiometrické hoření. Zde hoří především uhlík na CO (typický produkt
nedokonalého spalování) a CO2. Přitom dochází k uvolnění dalších hořlavých plynů z
termického rozpadu dřeva. Vzniklé spaliny a plyn jsou vedeny do spalovací komory,
kde je přiveden další vzduch (sekundární), kde shoří vzniklé CO a další hořlavé plyny.
Vzniklými horkými spalinami se ohřívá voda. Při zplyňování v zařízení s pevným
ložem probíhá hoření při atmosférickém tlaku a nižších teplotách. Dále se uvolňují
dehtové látky a odpadní fenolové vody [6]. Existují i jiné způsoby zplyňování [3], ale
podstata zůstavá stejná. Například zplyňování při tlaku až 2,5 MPa teplotách 850 °C až
1000 °C. Toto zplynění probíhá pomocí fluidní vrstvy ve fluidních generátorech. Při
těchto teplotách dochází k rozkladu dehtů, fenolů i mastných kyselin na spalitelné
plyny. K vysokotlakému zplyňování je zpravidla přistoupeno kvůli tomu, aby
generátorový plyn byl co nejčistší (typické objemové složení 8 až 10% CO, 4 až 8%
CH4, 8 až 12% H2, 11 až 8% CO2, 7 až 10% H2O, zbytek je N2, potom je výhřevnost
vyrobeného plynu 2,5 až 8 MJ∙m­3n, ale existují i způsoby zplyňování, u kterých je podíl
dusíku mnohem menší a výhřevnost až 14 MJ∙m3n). Tento plyn nebývá okamžitě
spalován za pomocí primárního vzduchu ale zbaven tuhých částic (filtry) a chlazen.
Vzniklý plyn je potom dále využit třeba jako palivo do spalovacího motoru kogenerační
jednotky nebo je možné ještě horký plyn převést pomocí syntézy na kapalné palivo.
Výhodou zplyňování je vysoká účinnost využití energie v palivu a nižší škodlivé emise
oproti klasickému spalování. Nevýhodou je složitější zařízení.
7.id244 Zjednodušený řez zplyňovacím kotlem na
kusové dřevo pro ohřev topné vody o výkonu 20 kW.
1 zásobník paliva; 2 spalovací komora; 3 žárotrubný
kotel; 4 odvod spalin; 5 vzduchový ventilátor; 6
přívod primárního vzduchu; 7 přívod sekundárního
vzduchu; 8 palivo (kusové dřevo); 9 hoření pevného
uhlíku a tvorba hořlavých plynů; 10 hoření plynů; 11
spalinová klapka (slouží k rozdělání ohně, kdy je
otevřena v okamžiku, kdy se začne dřevo zplyňovat
se tato klapka uzavře); 12 přivod studené vody; 13
odvod teplé vody; 14 víko zásobníku paliva; 15
obslužné víko spalovací komory (odběr popela); 16
čistící víka kotle; 17 ovládací panel.
Pyrolýza
Pyrolýza je termický rozklad biomasy bez přístupu kyslíku. Tímto způsobem se vyrábí
například dřevěné uhlí. Většina v současné době provozovaných pyrolýzních systémů je
založena na termickém rozkladu odpadu v rotační peci vytápěné zevně spalinami, které
vznikají z následného spalování pyrolýzních plynů v tzv. termoreaktoru. K ohřátí
biomasy lze použít přímo i horkého inertního plynu (neobsahující kyslík). V závislosti na dosažené teplotě, lze při pyrolytickém procesu pozorovat řadu dějů,
které je možné pro jednoduchost rozdělit do 3 teplotních intervalů. V oblasti teplot do
200 °C dochází k sušení a tvorbě vodní páry fyzikálním odštěpením vody. Tyto procesy
jsou silně endotermické. V rozmezí teplot 200 až 500 °C následuje oblast tzv. suché
destilace. Zde nastává ve značné míře odštěpení bočních řetězců z vysokomolekulárních
organických látek a přeměna makromolekulárních struktur na plynné a kapalné
organické produkty a pevný uhlík. Ve fázi tvorby plynu v oblasti teplot 500 až 1200 °C
jsou produkty vzniklé suchou destilací dále štěpeny a transformovány. Přitom jak
z pevného uhlíku, tak i z kapalných organických látek vznikají stabilní plyny, jako je H2,
CO, CO2 a CH4. Produkty pyrolýzního rozkladu kusového dřeva jsou uvedeny v tabulce
níže. Zahříváním dřeva bez přístupu vzduchu nezačne hořet pevný uhlík z něhož se skládá
zbytek dřeva pokud teplota nedosáhne na teplotu hoření uhlíku – vznikne dřevěné uhlí,
které se využívá například ke kování, jako palivo pro grilování (dřevěné uhlí je totiž
čistý uhlík a tedy produktem spalování je pouze CO2, který je bezbarvý a bezpachý, což
je při opékání to nejpodstatnější, pokud by se topilo dřevem tak vlivem velkého
prchavého podílu by oheň dýmil a jeho kouř by obsahoval velice mnoho pro přípravu
jídla nežádoucích látek) nebo i jako hnojivo:
produkty rozkladu hmotnostní podíl výhřevnost produktu [%] [kJ·kg­1] ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ uhlí 31,8 10215,79 živice 15,8 4689,22 kyselina octová 7,08 1009,02 metylalkohol 1,6 355,88 aceton 0,19 62,8 CO2 9,96 0 CO 3,32 339,13 CH4 0,54 0 C2H4 0,19 0 různé organické látky 10,03 1624,48 voda 19,49 0 ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ celkem 100 18296,32 8.id245 Produkty rozkladu (pyrolýzou) suchého březového dřeva (bez hrubé vody) a jejich výhřevnost.
Tabulka ukazuje produkty rozpadu dřeva při pyrolýze za dokonalých podmínek. Při běžném pyrolýzním
rozpadu je množství vzniklého uhlí nižší, přibližně 10%, zvýší se tedy poměr vzniklých plynných produktů.
Zdroj [7].
Alkoholová fermentace
C6H12O6→2CH3CH2OH+2CO2 katalyzátorem této reakce je enzym (obsažený
v kvasinkách), který urychluje přírodní procesy [2, s. 252], CH3CH2OH je Ethanol
(alkohol – líh). Toto kvašení probíhá bez přístupu vzduchu. Alkohol je velice dobré
palivo a v některých případech může být náhražkou za kapalná fosilní paliva. Zdrojem
pro alkoholové kvašení ve velkých objemech vhodné pro energetické využití je cukrová
třtina, která se nejvíce pěstuje v Brazílii, proto je tam nejvíce tento druh paliva i
využíván.
Aerobní fermentace
CH3CH2OH+O2→CH3COOH+H2O jedná se o pokračování kvašení (předchozího
procesu) v případě, že prostor není uzavřen a je přiváděn vzduch. Je nutná přítomnost
octových bakterií. Výsledkem může být např. kyselina octová (ethanová kyselina) a
voda (mezi přeměnou alkoholu na octovou kyselinu provází vznik mezi produktů jako
je acetaldehyd [2, s. 256]). Známý je tento jev, kdy po otevření láhve vína začne
kysnout. Ocet obsahuje pouze 5 až 8% kyseliny octové.
Anaerobní fermentace
C6H12O6→3CH4 + 3CO2 spočívá v mikrobiologické transformaci organických složek
zvířecích exkrementů a jiné vhodné biomasy v podmínkách bez přístupu vzduchu při
mírně zvýšené teplotě (35 až 35 °C) přičemž vznikne bioplyn a stabilizované hnojivo či
kompost. Bioplyn obsahuje 55 až 60% CH4, 40 až 45% CO2 a jiné plyny (1%
sirovodík...) [6]. CH4 se nazývá methan, který má velkou výhřevnost, ovšem při tomto
procesu se uvolňuje velké množství vody a čpavku, což může způsobovat korozi
zařízení. Tento způsob zplyňování biomasy se často používá u tzv. bioplynových stanic,
u kterých se vzniklý plyn spaluje ve spalovacích motorem se el. generátorem.
K anaerobní fermentaci na bioplynových stanicích v ČR se používají velké nádrže (cca
o objemu 4 000 m3) do kterých se dávkuje kejda obvykle velké množství nařezané
kukuřice. Plyn se jímá do rozvodu plynu a rozpadlá biomasa ve formě řídké "kaše" (tzv.
fermentovaný substrát) se odčerpává mimo zásobník a většinou se používá jako
hnojivo.
Fyzikálně­chemická
Například lisování, drcení. Tímto procesem vzniká například řepkový olej, který se
pomocí rafinace vylisovaného oleje například z Řepky olejné může využívat jako
tzv. bionafta.
Hoření dřeva
Dřevo je z energetického pohledu velmi složitý materiál. Protože obsahuje mnoho
různých druhů hořlaviny, které mají jinou teplotu hoření, proto hoří při určité teplotě
vždy jen určitá část dřeva [7]. Nejdříve je však nutné dřevo zahřát na patřičnou teplotu
a odpařit vodu:
9.id246 Průběh hoření dřeva.
a odpar vázané vody (její var); b maximální zisk plynných produktů (únik je tak vysoký, že dřevo už je
schopno samozahřívaní); c povrch dřeva uhelnatí, plynné produkty už unikají pouze prasklinami; d plynné
produkty již neunikají (neproniknout vrstvou uhlíku, která je 1,5 až 2 cm), hoří směs pevného uhlíku a plynů
nad prasklinami.
Při zahřívání dřeva na 110 °C se z něho uvolňuje vlhkost (vázaná voda) při vyšších
teplotách dochází k pomalému rozkladu. Tento proces je provázen uvolňováním tepla.
Celkové množství tepla uvolněného při rozkladu představuje 5 až 6% jeho výhřevnosti
(uvolňují se totiž CH4 a další uhlíkové řetězce, které „odnáší“ velkou část chemické
energie ve svých vazbách sebou do atmosféry. Při teplotách, které odpovídají
maximálním výtěžkům plynných produktů (280 až 300 °C) je množství tepla, které se
uvolní při rozkladu tak velké, že dřevo je schopné samozahřívání.
Po vznícení unikajících plynných produktů se teplota dřeva zvyšuje sálavým
teplem plamene. Při 290 až 300 °C dochází k největšímu výtěžku plynných produktů.
Rozkladem zůstává v horní vrstvě dřeva uhlík (dřevěné uhlí), povrch dřeva má černou
barvu a vznik plynných produktů se postupně zastavuje. Teplota uhlí v tomto okamžiku
postupně dosahuje 400 až 500 °C. V závislosti na zahřátí horní vrstvy dřeva a jeho
přeměny na dřevěné uhlí probíhá zahřátí níže ležící vrstvy dřeva na 300 °C a dochází k
jejímu rozkladu. Postupné zvětšování vrstvy uhlí je provázeno zvyšováním jeho teploty
na 700 °C a zmenšováním množství tepla, odevzdaného rozkládající se vrstvou dřeva. V
důsledku toho se výtěžek plynných produktů zmenšuje a plamen se nevytváří nad celým
povrchem hořícího dřeva, ale jen nad trhlinami v uhlí. K takovému okamžiku hoření
dochází při síle vrstvy uhlí 1,5 až 2 cm. Zápalná teplota uhlíku na CO2 je 690 °C,
methanu již 597 °C (vodík snižuje zápalnou teplotu uhlíku). Z těchto důvodů pokud
nedosáhne teplota dřeva zápalné teploty uhlíku dřevo zcela neshoří. Například při
požáru řídkých dřevěných konstrukcí nemusí být vývin tepla takový, aby shořela celá
konstrukce a z mohutných dřevěných trámů se stanou ohořelé pahýly s vrstvou
dřevěného uhlí, ale s relativně nepoškozeným jádrem trámu viz Obrázek 9d. a
konstrukce se nemusí zřítit.
Spalování biomasy
Pro konstrukční návrh spalovacího zařízení, co se týče procesu hoření, je nutné
znát množství uvolněné energie, množství spáleného kyslíku respektive vzduchu,
výsledné složení spalin a teplotu nechlazeného plamene označovanou tu (tzv. teplota
adiabatického hoření – je to maximální teplota spalin jestliže žádné teplo při hoření
není odváděno do okolí).
Množství uvolněné energie spálením 1 kg biomasy se vypočítá z prvkového
složení paliva a příslušných chemických reakcí. Například bude­li palivo obsahovat
hmotnostně 90% uhlíku 5% vodíku a 5% vody připadají v úvahu chemické reakce, při
kterých reaguje uhlík s kyslíkem a vodík s kyslíkem. Teplo, které se při těchto reakcí
dohromady uvolní je spalné teplo. Při výpočtu spalného tepla lze vycházet z prvkového
rozboru paliva (zastoupení jednotlivých prvků v palivu) a z následující tabulky, ve které
jsou uvedeny nejčastější chemické reakce při hoření:
prvek molární molární reakce s kyslíkem uvolněné teplo nebo hmotnost objem ΔH sloučenina [kg/kmol] [m3n/kmol] [MJ/kmol] ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ C 12,01 ­ 2C+O2­>2CO 110,55 C+O2­>CO2 393,69 CO 28,01 22,4 2CO+O2­>CO2 283,2 H2 2,016 22,43 2H2+O2­>2H2O 241,87 N2 28,016 22,4 záleží na přebytku kyslíku a množství N v palivu S 32,06 ­ S+O2­>SO2 295 ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ CmHn m=1; n=4 16,04 22,36 reakce A reakce B m=3; n=8 44,09 21,92 ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ O2 32 22,39 Ar 39,944 22,39 INERTNÍ PLYN ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ CO2 44,01 22,26 SO2 64,06 21,89 PRODUKTY HOŘENÍ H2O 18,016 22,4 ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ reakce A: CmHn+(m+n/4)O2 ­> m·CO2+(n/2)H2O reakce B: m·q(Cm)+(n/2)·q(Hn) 10.id247 Tabulka chemických reakci při hoření.
­1
q(Cm); q(Hn) [MJ·kmol ] spalné teplo příslušného množství atomů jednotlivých prvků.
V mnoha případech je množství uvolněné energie změřeno experimentálně a
spalné teplo či výhřevnost se u jednotlivých paliv většinou už počítat nemusí.
Stanovení množství spáleného kyslíku respektive spotřebu vzduchu při dokonalém
hoření se vypočítá z příslušných reakcí stejně tak, jako výsledné složení spalin. Přitom
lze vycházet z uvedené Tabulky 10, ze které lze přepočítat například i hmotnost daného
plynného prvku či sloučeniny ze znalostí objemového množství.
Vypočítejte objemové množství vzduchu nutného pro dokonalé spálení 1 kg slámy a objemové složení
spalin. Součinitel přebytku vzduchu α=1. Úloha 2.id564
Prvkový rozbor slámy Prvkový rozbor vzduchu ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ prvek kg/kg prvek m3n/m3n ωC 0,449 ωO2 0,21 ωH 0,054 ωN2 0,78 ωO 0,48 ωAr 0,01 ωN 0,017 Tabulka složení paliva a spalovacího vzduchu k Úloze 2.
Vvz [m3n· kg­1pal] 3,81147 VCO2,sp [m3n· kg­1pal] 0,83 VAr,sp [m3n· kg­1pal] 0,04 VH2O,sp [m3n· kg­1pal] 0,6 VN2,sp [m3n· kg­1pal] 2,989 Úloha 2: výsledek.
Ve vzduchotěsné ohnivzdorné sušárně dřeva s objemem 95 m3 vznikl požár. Vypočítejte jaké množství dřeva
(v kg) v místnosti může shořet. Hoření se přerušuje, když obsah kyslíku ve vzduchu je 16%. Uvažujte
dokonalé spalování, zanedbejte objem dřeva v místnosti tj. objem vzduchu je stejný jako objem místnosti.
Prvkový rozbor vzduchu převezměte z předchozí úlohy. Úloha 3.id563 Úloha převzata z [7].
prvek kg/kg prvek kg/kg ωC 0,49 ωN 0,02 ωH 0,05 ωW 0,04 ωO 0,4 Tabulka složení slámy k Úloze 3.
Úloha 3: výsledek.
m [kg] 5,21
Teplotu nechlazeného plamene lze vypočítat z entalpie spalin*. K výpočtu je nutné
vědět jaké množství energie (entalpie), do spalovacího procesu sebou přináší jednotlivé
vstupní produkty (palivo, vzduch), jaké množství energie se uvolní při spalování
(výhřevnost) a funkci isp=f(t).
*Entalpie spalin ­ entalpie směsi plynů
Charakteristickou veličinou pro daný plyn je jeho měrná entalpie, která je vztažena buď
na 1 kg směsi J∙kg­1 nebo na 1 m3n kde n značí normálný (jedná se o objem při
normálných podmínkách, které bývají definovány při atmosférickém tlaku a 0 °C).
V ideálním případě (dokonalé spalovaní) entalpie spalin odpovídá výhřevnosti paliva, to
znamená, že při hoření se netransformuje energie spojená se slučováním molekul pouze
na vnitřní tepelnou energii spalin, ale také na tlakovou energii. Při spalování paliva ve
volném plynném prostředí zvětšující se objem spalin musí totiž vykonat i práci [8, s. 36]
(ale velikost této práce vzhledem k uvolněné energii není velká, a proto se při výpočtu
zanedbává.).
11.id700 Výpočet teploty spalin (nechlazeného plamene).
­1
isp [kJ·kg ] měrná entalpie spalin při dané teplotě spalin; tsp [°C] teplota spalin; ivstup [kJ·kg­1] měrná entalpie
vstupních produktů spalování se započtením energie uvolněné při hoření; ipal [kJ·kg­1] měrná entalpie paliva
při vstupní teplotě; ivz [kJ·kg­1] měrná entalpie vzduchu při vstupní teplotě; Qir [kJ·kg­1] výhřevnost paliva;
ia [kJ·kg­1] měrná entalpie spalin a složky spalin při teplotě hoření; ib [kJ·kg­1] měrná entalpie spalin b
složky spalin při teplotě hoření; ωa [kg·kg­1] hmotnostní podíl a složky ve spalinách; ωb [kg·kg­1] hmotnostní
podíl b složky ve spalinách atd. Podle složení spalin a entalpie jednotlivých jejich složek (viz tabulky v [9],
[10]) se zkonstruuje funkce isp=f(t) a z množství vstupní entalpie odečte přibližná teplota nechlazeného
plamene.
Vypočítejte teplotu nechlazeného plamene při hoření slámy z Úlohy 2. Úloha 4.id701
tu [°C] 1842,9
Úloha 4: výsledek. Ve skutečnosti bude teplota nechlazeného plamene mnohem menší, protože při reálném spalování se
používá významný přebytek spalovacího vzduchu a samotné hoření neprobíhá dokonale.
Odkazy
1. IBLER, Zbyněk, KARTÁK, Jan, MERTLOVÁ, Jiřina, IBLER, Zbyněk ml. Technický
průvodce energetika­1. díl, 2002. 1. vydání. Praha: BEN­technická literatura, ISBN 80­
7300­026­1.
2. VACÍK, Jiří, BARTHOVÁ, Jana, PACÁK, Josef, STRAUCH, Bohuslav,
SVOBODOVÁ, Miloslava, ZEMÁNEK, František. Přehled středoškolské chemie,
1995. 1. vydání. Praha: SPN­pedagogické nakladatelství, a.s., ISBN 80­85937­08­5.
3. POHOŘELÝ, Michael, JEREMIÁŠ, Michal, SKOBLIA, Siarhei, KAMENÍKOVÁ,
Petra, SVOBODA, Karel, TOŠNAROVÁ, Markéta, ŠYC, Michal, PUNČOCHÁŘ,
Miroslav, GÁL, Leoš. Zplyňování biomasy – možnosti uplatnění, Konfernce OZE 2010,
2010. Kouty nad Desnou. Dostupné z http://files.tretiruka.cz/200001013­
a770ca86ad/109.pdf.
4. Výzkumný ústav rostlinné výroby. Veřejná výzkumná instituce. Web:
http://www.vurv.cz, [2010].
5. BERANOVSKÝ, Jiří, TRUXA, Jan a kolektiv. Alternativní energie pro váš dům,
2004. 2. aktualizované vydání. Brno: ERA.
6. KRBEK, Jaroslav, OCHRANA, Ladislav, POLESNÝ, Bohumil. Zásobování teplem a
kogenerace, 1999. 1. vydání. Brno: FSI VUT v Brně, ISBN 80­214­1347­6.
7. DĚMIDOV, P. Hoření a vlastnosti hořlavých látek, 1966. Praha: Mír, novinářské
závody.
8. ATKINS, Peter. Čtyři zákony, které řídí vesmír, 2012. První vydání. Praha:
Academia, ISBN 978­80­200­2108­3.
9. BUDAJ, Florian. Parní kotle, Podklady pro tepelný výpočet, 4. vydání. Brno :VUT
Brno,1992. 4. vyd. 200 s. ISBN 80­214­0426­4.
10. POLESNÝ, Bohumil a kol. Termodynamická data pro výpočet tepelných a
jaderných energetických zařízení, 1990. Brno: Vysoké učení technické v
Československé redakci VN MON, ISBN 80­214­0160­5.
Citace tohoto článku
ŠKORPÍK, Jiří. Biomasa jako zdroj energie, Transformační technologie, 2006­10,
[last updated 2011­08]. Brno: Jiří Škorpík, [on­line] pokračující zdroj, ISSN 1804­8293.
Dostupné z http://www.transformacni­technologie.cz/biomasa­jako­zdroj­energie.html.
©Jiří Škorpík, LICENCE
www.transformacni­technologie.cz
4. Využití energie větru
Autor: Jiří Škorpík, [email protected] : aktualizováno 2014­05
Historie větrných elektráren není relativně dlouhá o to dynamičtější rozvoj
v současnoti prožívá. Tento článek se zabývá obecnými problémy využití energie větru
a charakteristickými rysy větrných turbín.
Větrná energie patří do skupiny obnovitelných zdrojů. V ČR je větrná energie
využívána především pro výrobu elektrické energie pomocí větrných elektráren. Větrné
elektrárny transformují pomocí turbíny (rotoru) část kinetické energie větru protékající
přes turbíny na energii mechanickou respektive elektrickou jedná se o lopatkový stroj.
Výkony větrných elektráren jsou široké od velmi malých začínajících na 200 W (do cca
4 kW se mluví o elektrárnách do domácnosti) po největší o výkonech až 7,5 MW.
1.id11 Větrná elektrárna v Břežanech u Znojma.
Větrná elektrárna se skládá z 5 jednotek Vestas V52 s celkovým instalovaným výkonem 5x850 kW, výška
sloupu 74 m, průměr rotoru 52 m. Zdroj parametrů [2].
Konstrukce větrné elektrárny
Z hlediska konstrukce existuje mnoho typů, ale naprosto dominantním typem jsou
větrné elektrárny s axiální stupněm tzv. axiální turbíny.
Větrná elektrárna se skládá ze sloupu, který je pevně ukotven k zemi masivními
betonovými základy případně ještě lany. Na vrcholu sloupu je gondola s elektrickým
generátorem, převodovkou (pokud se jedná o generátor přifázovaný přímo k síti) a
větrná turbína:
2.id12 Větrná elektrárna Enercon E­70.
Instalovaný výkon 2 MW. Otáčky 6...21,5 min­1, poloměr rotoru 71 m. Zdroj obrázků a parametrů [3].
Základy
Základy větrné elektrárny zpravidla tvoří betonová deska. U větrné elektrárny s výškou
sloupu 75 m se jedná přibližně o rozměry 10x10x5 m (větrný park Břežany). Elektrárny
typu "Offshore" (elektrárny budované dále od pobřeží přímo na vodní hladině) mají
základ položený na dně, ale uvažuje se i o stavbě plovoucích elektráren ke dnu pouze
ukotvených lany [8].
Sloup větrné elektrárny
Sloup větrné elektrárny nebo také tubus je dutý, musí být dostatečně vysoký, aby vynesl
větrnou turbínu nad přízemní pásmo větrných turbulencí a dostatečně silný, aby odolal
hmotnosti celého soustrojí a síle větru. Středem sloupu vede servisní žebřík nebo
schodiště do gondoly. Sloupem je také vedeno elektrické vedení. Konstrukce sloupu je
nejčastěji tvořena ocelovým tubusem (u malých turbín ocelovým sloupem) případně
kombinován se železobetonovým tubusem při větších výškách se používají sloupy
příhradové konstrukce z krátkých nosníků. Společnost GE v současnosti (2014) začíná
používat u velkých elektráren kombinace příhradové konstrukce nosníku potaženého
ochranými sklolaminátovými pláty pro lepší povětrnostní ochranu sloupu a přístupu ke
gondole [5]. Výběr typu sloupu je záležitostí lokality instalace, estetiky, výkonu a ceny
[1, s. 444].
Gondola
Gondola obsahuje převodovku, spojku, el. generátor a náboj větrné turbíny. Hřídel
náboje je uložena ve valivém obvykle dvouřadém kuželíkovém ložisku (vnější průměr
tohoto ložiska může dosahovat i několika metrů [9­v článku je popsána funkce
zkušebního zařízení na velká valivá ložiska pro větrné elektrárny]). Pokud je použit
vícepólový generátor s frekvenčním měničem (výstupem je elektřina nejen s
proměnlivým proudem, ale i frekvencí a napětí) podobně jako v případě elektráren
Enercon není převodovka potřeba což zvyšuje účinnost. Nevýhodou je nutnost
vysokofrekvenční elektřinu transformovat na stejnosměrný proud a poté opět na
střídavý o frekvenci 50 Hz viz Obrázek 3. U klasických generátorů s převodovkou je
přímo vyráběn proud o frekvenci 50 Hz a 0,69 kV* (tomu odpovídá i vysoký převodový
poměr, a tedy nutnost použití planetové převodovky) dále je napětí transformováno ještě
v objektu elektrárny na 22 kV (pokud je připojen na velmi vysoké napětí je v blízkosti
další transformátorová stanice). U elektráren s převodovkou se po přifázování otáčí
generátor konstantními otáčkami za jakéhokoliv rychlosti větru (výkonu větru). To
vyžaduje obvykle kombinaci natáčivých lopatek a převodovky případně převodovku
s plynulou změnou převodového poměru [4]. Lze se ale setkat i s dvourychlostními
převodovkami nebo dokonce s turbínami otáčející se pouze konstantními otáčkami
v celém pracovním rozsahu elektrárny. Při použití výkonové elektroniky respektive
vícepólového generátoru nejsou otáčky pevně dány a rotor má tedy vyšší účinnost a
rozsah využití co se týká rychlosti větru. Větrné elektrárny s vysokofrekvenčním
respektive s nízkofrekvenčním generátorem se používají i u nejmenších větrných
elektráren (výkony několik stovek Wattů) určené pro výrobu elektřiny v domácnostech
např. [6, 7]. Dále je mezi gondolou a tubusem nainstalováno tlumení, které zabraňuje
přenosu vibrací.
*Poznámka Napětí na svorkách generátoru větrné turbíny záleží na typu a výkonu. U velmi malých
větrných elektráren pracující v ostrovním režimu (osamocené stavby, malé lodě apod.)
se jedná většinou o stejnosměrné generátory o napětí 12 až 24 V. U větrných elektráren
pro domácnosti to může být až 400 V. U velkých elektráren napětí často nepřesahuje
1000 V, ale dodávají se generátory pro větrné turbíny o jmenovitém napětí 6,3 kV až
11 kV [4].
3.id13 Schéma zapojení vysokofrekvenčního
generátoru větrné elektrárny.
a generátor; b usměroňovač; c střídač.
Lopatky
Lopatky největších větrných turbín jsou duté vyrobené ze sklolaminátu [8 – základní
popis výroby lopatky větrné turbíny], [1, s. 219] (v některých případech se může v
dutých lopatkách srážet vzdušná vlhkost, která následně způsobuje nevyváženost rotoru
a vede k odstavení elektrárny). Počet lopatek závisí na otáčkách turbíny. Nejčastěji se
vyskytují větrné turbíny se třemi lopatkami, ale mohou mít i více lopatek nebo naopak
lze zkonstruovat zcela funkční větrnou turbínu s jednou lopatkou. V současnosti již
dosahují lopatky takových rozměrů (50 m) , že se při otáčení projevuje rozdíl rychlosti
větru (rychlost větru se s výškou nad povrchem zvyšuje viz níže). Na každou lopatku
turbíny tak působí jiné síly a hrozí rozkmitání celé turbíny a následně elektrárny a její
poškození či destrukce. U velkých větrných turbín se konce lopatek pohybují velmi
vysokou rychlostí, při kterých vznikají různé doprovodné zvukové efekty, což stěžuje
výběr lokality pro umístění větrné elektrárny. Lopatky větrných turbín (kromě některých
velmi malých) jsou natáčivé, aby se přizpůsobovaly proměnlivé rychlosti větru. Existuje
i natočení lopatky takové, při kterém dojde k zastavení otáčení rotoru. Lopatky také
obsahují bleskosvod.
Transformace energie ve větrné turbíně
Větrná elektrárna transformuje část kinetické energie větru na práci (ve formě
otáčení rotoru) a poté pomocí elektrického generátoru na energii elektrickou:
4.id217 Přibližný výkon větrné turbíny.
c i [m·s ] rychlost větru před rotorem (v neovlivněné
­1
vzdálenosti před rotorem); Pi [W] vnitřní výkon
větrné turbíny; Pt [W] referenční výkon větrné
turbíny*; ρ [kg·m­3] hustota vzduchu; Arotor [m2]
plocha rotoru; c i [m·s­1] rychlost větru v neovlivněné
oblasti před turbínou; CP [­] výkonový koeficient
větrné turbíny; mt [kg·s­1] hmotnostní tok vzduchu
plochou rotoru rychlostí c i.
*Referenční výkon větrné turbíny
odpovídá výkonu proudu vzduchu o rychlosti ci protékající plochou odpovídající ploše
rotoru turbíny. Někdy se mylně nazývá tento výkon jako teoretický, ale tento výkon
nemůže turbína dosáhnout ani teoreticky.
Proud vzduchu proudící přes rotor vytváří proudovou trubici rotoru. Ze zákona
zachování hmoty a rovnice kontinuity je zřejmé, že před i za rotorem musí být stejný
průtok, ale vzduch za rotorem má menší rychlost a tak musí protékat větším průtočným
průřezem, proto se proudová trubice rozšířuje.
Lze dokázat, že k nejvyšší efektivitě přeměny kinetické energie na práci, při
proudění vzduchu přes větrnou turbínu, dochází přibližně při proudění beze ztrát a
jestliže rychlost větru za turbínou odpovídá jedné třetině rychlosti před turbínou ci*, kdy
větrné turbíny dosahují maximálního vnitřního výkonu, ovšem skutečný vnitřní výkon
bývá mnohem menší a podstatně záleží na kvalitě výroby a aerodynamickém návrhu
bývá mnohem menší a podstatně záleží na kvalitě výroby a aerodynamickém návrhu
větrné turbíny.
*Poznámka Nelze dosáhnou 100% přeměny kinetické energie větru na práci, protože to by
znamenalo úplné zastavení proudění větru přes turbínu a z toho plynoucí účinnost 0%.
Proto existuje jisté optimální snížení rychlosti proudění vzduchu. V současnosti největší
větrné turbíny mohou dosahovat účinnosti turbíny kolem 45%.
Vypočítejte kolikrát se změní teoretický výkon větrné elektrárny s průměrem turbíny 60 m, když rychlost
větru z 15 m∙s­1 klesne třikrát na rychlost 5 m∙s­1. Úloha 1.id593
Úloha 1.: výsledek.
ε [­] 27
Při průchodu vzduchu proudovou trubicí větrné turbíny sice dojde k jeho
zpomalení, ale vlivem okolí postupně získává zpět ztracenou kinetickou energii a za
větrnou turbínou, tak lze postavit další. Další větrnou elektrárnu lze postavit přibližně až
ve vzdálenosti 500 m po větru (záleží na lokalitě a velikosti turbíny­minimální
vzdálenosti udává výrobce a stanovují příslušné úřady).
Vznik větru
Vítr vzniká v atmosféře na základě rozdílu atmosférických tlaků v důsledku
nerovnoměrného ohřívání zemského povrchu včetně oceánu. Také je ovlivněn
vertikálními pohyby vzduchu při jeho zahřívání/ochlazování a rotací Země (Coriolisova
síla, odstředivá síla). Další vliv má (v přízemních výškách) morfologie krajiny,
rostlinstvo, vodní plochy... Některá místa na zemském povrchu mají horší větrné
podmínky jiná lepší:
5.id589 Větrná mapa Země ve výšce 10 m nad povrchem.
Mapa vznikla z měření prováděné v letech 1976 až 1995, data v některých lokalitách byla dopočítána.
Údaje jsou v m∙s­1 a jedná se o roční průměrné rychlosti větru. Zdroj [11].
Výběr lokality
Příznivé větrné podmínky bývají na pobřeží moře nebo ve vyšších nadmořských
výškách (zde je ale problém v zimě s námrazou – námraza svou tíhou narušuje
vyváženost rotoru a při pádu z rotoru může ohrožovat okolí). Zohledňovat se musí i
tahy velkých ptáků:
6.id218 Lokality v ČR vhodné pro stavbu vysokých větrných elektráren s ohledem na průměrnou rychlost
větru a přírodu.
Zdroj [18].
Dalším tentokrát hygienickým omezením je hlučnost turbíny, což je problém
především v obydlených oblastech:
7.id16 Výkon větrné elektrárny Vestas V52 v závislosti na rychlosti větru a hlučnosti.
P [W] elektrický výkon. Už ve vzdálenosti 300 m od elektrárny, při výšce sloupu 49 m může hlučnost
poklesnout na úroveň 45 až 40,8 dB. Zdroj [2].
Jiným problémem je ohrožení bleskem a obtížný přenos elektřiny do obydlených
oblastí. Dalšími faktory při výběru lokality jsou ekologické, dopad vizuálního
znečištění, infrastruktura dané oblasti apod.
Technicky a hospodářsky nejdůležitějším kritériem je dostatečná rychlost větru.
Většina dnes vyráběných větrných elektráren začíná vyrábět elektřinu při rychlosti větru
4 až 5 m∙s­1 a maximálního výkonu dosahuje zpravidla kolem 15 m∙s­1 (Při rychlostech
vyšších než je povolená rychlost větru se větrná turbína zabrzdí a lopatky se stočí tak,
aby kladly větru co nejmenší odpor). Je ale nutné při výběru lokality zohledňovat i další
kritéria (vizuální znečištění, zásah do přírody, infrastruktura apod.):
8.id17 Větrná mapa ČR ve výšce 10 m nad povrchem (2005).
Mapa ukazuje roční průměrné hodnoty rychlosti větru. Zdroj [12].
Rychlost větru s výškou nad povrchem roste přibližně exponenciálně, což souvisí s
odpory, víry a tření vzduchového proudu, které při povrchu vzniká. Je tedy nutné z této
rychlosti dopočítat skutečnou průměrnou rychlost větru ve výšce osy čepu rotoru podle
vztahu:
9.id590 Vztah pro přepočet rychlosti větru podle výšky nad povrchem.
­1
c h2 [m·s ] rychlost větru v požadované výšce; c h1 [m·s­1] rychlost větru ve výšce, ve které byla hodnota
rychlosti měřena; h1 [m] výška měření rychlosti c h1; h2 [m·s­1] požadovaná výška, ve které je rychlost větru
c h2; a [­] exponent jehož velikost se odvozuje od reliéfu krajiny – odvozeno od třídy drsnosti zemského
povrchu viz tab. níže. Zdroj [13].
třída drsnosti charakter krajiny a [­] ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ 0 otevřené pobřeží bez jakýkoliv překážek s větrem 0,12 směřujícím k pobřeží 1 otevřená krajina s ojedinělými volně stojícími 0,15 keři a stromy (pobřeží, prérie) 2 zemědělská krajina s rozptýlenými budovami 0,18 a křovinami 3 uzavřená krajina s porostem stromů, mnoha 0,24 křovinami a sousedícími budovami 10.id591 Třída drsnosti jednotlivých povrchů.
Zdroj [13].
Průměrná rychlost větru se stanovuje z absolutní četnosti naměřených rychlostí
větru. Většina elektráren dosahuje maximálního (efektivního) výkonu při rychlosti větru
kolem 15 m∙s­1, takže v oblasti s průměrnou rychlostí větru 4,5 m∙s­1 dosahuje elektrárna
instalovaného výkonu pouze několik hodin za rok:
11.id18 Průměrná rychlost větru stanovená z absolutní četnosti rychlosti větru v dané oblasti a
předpokládaná výroba elektřiny za rok.
vlevo průměrná rychlost větru stanovená z absolutní četnosti rychlosti větru v dané oblasti; vpravo
předpokládané množství vyrobené elektrické energie za rok v závislosti na rychlosti větru. E [kWh]
množství varobené energie při dané rychlosti větru za rok; b [dny] četnost; x^ [m·s­1] modus, což je
nejčastěji naměřená hodnota rychlosti větru; x­ [m·s­1] průměrná hodnota rychlosti větru; c E [m·s­1]
ekonomická rychlost větru (rychlost větru, která má nejvyšší podíl z vyrobené elektrické energie za rok)*.
O sestavování četnosti např. [14, s. 43].
*Poznámka Protože výkon větrné elektrárny roste přibližně s třetí mocninou rychlosti větru vyrobí
elektrárna nejvíce elektřiny při rychlosti vyšší než je střední rychlost větru. Rychlost cE
je důležitá při návrhu tvaru lopatky.
Před konečným výběrem lokality se na vytipovaném místě provádí dlouhodobé
měření rychlosti větru (minimálně jeden rok). Poté se vypočítá předpokládané množství
vyrobené elektřiny pomocí četnosti větru a výkonové křivky vybrané větrné elektrárny.
Stavba větrné elektrárny
K větrným elektrárnám, které se obvykle staví v oblastech bez dostatečné
infrastruktury je nutné ji vybudovat, přivést vedení (22 kV). Cesta musí být budována
tak, aby po ni mohl projet tahač s lopatkou (cca 30 m). Dále jeřáb a betonářské vozy.
Stavba je ovlivněna povětrnostními podmínkami, protože tak vysoký jeřáb lze postavit
pouze pokud rychlost větru nepřesáhne povolenou hranici. Toto omezení často
prodražuje opravy na větrné elektrárně i dobu opravy (taxa za prostoje jeřábu, který je
již na místě a nemůže pracovat, blokování dopravy při převozu jeřábu atd.):
12.id20 Průběh stavby větrné elektrárny Enercon.
1 základy; 2 stavba sloupu; 3 vyzvednutí gondoly; 4 vyzvednutí generátoru; 5 sestavení turbíny z
jednotlivých lopatek (na zemi)* a připevnění ke gondole. Zdroj [3].
*Montáž větrné turbíny
Turbína se skládá do jednoho celku ještě na zemi a potom se celý vyzvedne a ve výšce
připevní ke gondole. Při opravě nebo výměně jedné lopatky se obdobně musí sundat
celá turbína. Takový systém je velmi citlivý na rychlost větru při montáži (rozměrná
turbína a nutná přesnost při montáži). V roce 2012 představila společnost AREVA Wind
GmbH nový systém (Single blade insttalation­SBI) umožňující montáž rotoru ve výšce
po jedné lopatce. Konstruktéři společnosti vyřešili především problém se šikmým
zavěšením jedné lopatky. Velmi dlouhé lopatky jsou složeny dokonce ze dvou kusů (pro
snadnější přepravu a manipulaci ve vnitrozemí), přičemž ta patní část (blíže k ose) je
obvykle kovová:
13.id892 Montáž lopatek větrné turbíny.
vlevo zařízení na montáž/demontáž větrné turbíny po jedné lopatce. Uvedený systém umožňuje montáž
lopatky přímo na náboj gondoly ve výšce v náklonu lopatky až do 330 °, při rychlosti větru do 12 m∙s­1.
vpravo montáž rotoru větrné turbíny Enercon e­126 s dělenými lopatkami (průměr rotoru až 126 m při
jmenovitém výkonu 7,58 MW). Patní části lopatek rotoru se kompletují k hřídeli na zemi a výsledný rotor se
zvedá společně. K patní částí lopatek se připevňují druhé poloviny lopatek pomocí šroubů až ve výšce.
Obrázek z [10] respektive [3].
Větrná energetika
Významný rozvoj větrné energetiky v ČR začal, především díky dotacím na výkup
vyrobené elektřiny z větrných turbín, až po roce 2001. Od té doby rostl prudce
instalovaný výkon větrných turbín, který se zastavil až v sezóně 2011 (kombinace
vyčerpání lokalit s povolením stavby větrné elektrárny a snížení výkupních cen
elektřiny z větrných elektráren):
14.id21 Instalovaný výkon a roční výroba elektřiny ve větrných elektrárnách v ČR.
Pinst [MW] instalovaný výkon k 31.12.; ED [MWh] roční výroba elektřiny; ηv [­] využití instalovaného
výkonu za rok. Zajímavým úkazem je zvýšený nárůst ED a ηv v roce 2011, i když nárůst Pinst se zastavil. To
může být způsobeno buď obměnou větrných elektráren za účinější typy, nezvykle větrným rokem nebo
chybou při sběru a zpracování dat. Zdroj [15].
Využití instalovaného výkonu za rok není zavislé jenom na rychlosti větru, ale také
na kapacitě sítě (větrná elektrárna může být odstavena z těchto důvodu i při příznivém
větru). Využití instalovaného výkonu větrných elektráren při pobřeží moře se pohybuje
od 20 do 30%. V současnosti (2013) se testují větrné elektrárny s řídícím systémem
schopným komunikace s dalšími větrnými elektrárnami vzdálenými i několik stovek km
a opatřenými akumulací elektrické energie. Tento systém umožňuje predikci výkonu na
základě údajů předpovědi počasí a výkonu vzdálených elektráren, od kterých postupuje
zesilující/oslabující vítr. Tyto predikce v kombinaci s možnosti krátkodobé akumulace
elektrické energie umožňují zvýšit využití instalovaného výkonu větrné elektrárny až na
45% [16].
Využitelný celosvětový větrný potenciál je přibližně 250 TW [17].
V České republice bylo ke dni 31.12.2005 nainstalováno 21,99 MW a ke dni 31.12.2006 nainstalováno 43,75
MW elektrického výkonu ve větrných elektrárnách. Jaká byla přibližně průměrná využitelnost instalovaného
výkonu větrných elektráren u nás, když víme že za rok 2006 bylo vyrobeno ve větrných elektrárnách v ČR
celkem 49,1 GWh netto? Úloha 2.id592 η [­] 0,17
Úloha 2.: výsledek.
Uvedený výsledek je zatížen nepřesností, protože není jisté v jakém období roku byly jednotlivé elektrárny
připojeny poprvé do sítě.
Odkazy
1. HAU, Erich, Wind Turbines – fundamentals, technologies, Applications, Economics,
2006. 2. vydání. Springer Berlin Heidelberg New York, ISBN – 10­3­540­24240­6.
2. Vestas Wind Systems A/S. Výrobce větrných elektráren. Adresa: Hedeager 44 8200
Aarhus N, Denmark, web: http://www.vestas.com/en/about­vestas.aspx, [2010].
3. ENERCON GmbH. Výrobce větrných elektráren. Adresa: Otto­Lilienthal­Strasse 25,
28199 Bremen, Deutschland, web: http://www.enercon.de, 2010.
4. Wikov Wind a.s.. Výrobce http://www.wikov.com, [2011].
a dodavatel větrných elektráren. Web:
5. Autor neuveden. Stožár s unikátním prostorovým rámem, Technický týdeník, č. 8,
ročník 2014. ISSN 0040­1064.
6. Swift. Internetové stránky věnované na propagaci malé větrné elektrárny o výkonu
1,5 kWe. Dostupné z http://www.swiftwindturbine.com, [2012].
7. Honeywell Wind Turbine. Internetové stránky věnované na propagaci malé větrné
elektrárny o výkonu 4,5 kWe – s generátorem po obvodu rotoru. Dostupné
z http://www.windtronics.com/honeywell­wind­turbine.
8. CEJNAROVÁ, A. Jak zkrotit vítr z moře, Technický týdeník, č. 11, ročník 2010.
ISSN 0040­1064.
9. Autor neuveden. Významný mezník ve vývoji větrných elektráren, Technický týdeník,
č. 13, ročník 2012. ISSN 0040­1064.
10. SHARPLEY, Nic. Single blade installation equipment showcased at Husum,
Windpower Engineering, 2012. [on­line] pokračující zdroj. Web:
http://www.windpowerengineering.com/design/mechanical/blades/single­blade­
installation­equipment­showcased­at­husum/.
11. Autor neuveden. The World of Wind Atlases – Wind Atlases of the World, [2010].
Dostupné z http://www.windatlas.dk, 2010.
12. Ústav fyziky atmosféry AV ČR, v.v.i. – Akademie věd ČR. Web:
http://www.ufa.cas.cz, [2010].
13. CROME, Horst. Technika využití energie větru, 2002. Ostrava: HEL, ISBN 80­
86167­19­4.
14. IBLER, Zbyněk, KARTÁK, Jan, MERTLOVÁ, Jiřina, IBLER, Zbyněk ml.
Technický průvodce energetika­1. díl, 2002. 1. vydání. Praha: BEN­technická literatura,
ISBN 80­7300­026­1.
15. Energetický regulační úřad. Web: http://www.eru.cz, [2012].
16. Autor neuveden. Obří inteligentní elektrárna, Technický týdeník, č. 7, ročník 2013.
ISSN 0040­1064.
17. Autor neuveden. Statistika, Scientific American, 2012, listopad­prosinec. České
vydání. Praha: Espero publishing, s.r.o., ISSN 1213­7723.
18. Metodický pokyn k vybraným aspektům postupu orgánů ochrany přírody při
vydávání souhlasu podle § 12 a případných dalších rozhodnutí dle zákona č. 114/1992
Sb., které souvisí s umísťováním staveb vysokých větrných elektráren, 2011. Praha:
Ministerstvo životního prostředí ČR. Dostupné
z http://www.mzp.cz/cz/metodicky_pokyn_aspekty_elektrarny.
Citace tohoto článku
ŠKORPÍK, Jiří. Využití energie větru, Transformační technologie, 2006­10, [last
updated 2014­05]. Brno: Jiří Škorpík, [on­line] pokračující zdroj, ISSN 1804­8293.
Dostupné z http://www.transformacni­technologie.cz/vyuziti­energie­vetru.html.
©Jiří Škorpík, LICENCE
www.transformacni­technologie.cz
5. Využití energie vodního spádu
Autor: Jiří Škorpík, [email protected]: aktualizováno 2013­07
Historie využívání vodního spádu sahá hluboko do minulosti díky vodním kolům
nicméně dnešním technologiím ve vodní energetice dominují vodní turbíny. Historie
vodních turbín už není tak dlouhá, ale o to je možná dynamičtější. V ČR se energie
vodního spádu, až na výjimky, využívá k výrobě elektrické energie pomocí vodních
turbín ve vodních elektrárnách. K využití vodního spádu je potřeba nejen samotná vodní
elektrárna, ale většinou i přehradní nádrž (někdy dvě a více nádrží), veškerá tato
zařízení a stavby jsou součástí vodního díla. Vodní díla téměř vždy plní i jiné úkoly než
energetické, mají vliv na okolní krajinu a často se využívají k regulaci toku, splavnění
toku, mívají i vodárenské úkoly a pod.:
1.id22 Vodní dílo Vranov.
Postaveno v roce 1934, instalovaný výkon 3x5,4 MW (Francisovy turbíny) při průtoku 3x15 m3∙s­1, celkový
průměrný průtok 9,87 m3∙s­1. Foto: [1].
Potenciální energie vodního spádu
Vodní elektrárny využívají rozdílu potenciální energie mezi hladinou horní nádrže
a spodní nádrže (odtok). Tato energie se transformuje v turbíně podle Bernoulliho
rovnice na práci v podobě otáčejícího se hřídele turbíny:
2.id222 Přibližný výkon vodní elektrárny.
η [­] účinnost turbosoustrojí; V [m3·s­1] průtok; h [m] spád; ρ [kg·m­3] hustota vody; g [m·s­1] gravitační
zrychlení; T umístění turbíny. Potenciální energie vodního spádu je dán průtokem vody v daném místě a
rozdílu potenciální energie vody před vodním dílem a za vodním dílem.
Základní typy vodních elektráren
Existují tři základní typy vodních elektráren odlišující se od sebe jak jejich funkcí
v přenosové soustavě tak možnostmi samotného zdroje vody pro vodní dílo jehož
součástí elektrárna je. Jedná se o vodní elektrárny akumulační; průtočné a přečerpávací.
Součástí vodního díla s akumulační elektrárnou je rozsáhlá vodní nádrž o
projektované kapacitě (tento typ elektráren je velmi náročný na plochu nádrže a
vztaženo na výkon patří k nejnáročnějším typu elektráren co se týká potřebné plochy).
Tento typ elektrárny se spouští pouze v případech nedostatku el. energie v přenosové
soustavě. Spouští se pouze po určitou část dne a zbytek dne se nádrž postupně opět
dopouští:
3.id24 Akumulační vodní elektrárna Orlík (Vltava).
Instalovaný výkon 4x91 MW, kaplanovy turbíny pro
spád 70,5 m, Výška hráze 91,5 m. Foto: [2].
Vodní díla s průtočnou elektrárnou mají mnohem menší nádrž než akumulační
elektrárny. Jedná se o elektrárny s malým spádem, ale stálým průtokem (v provozu po
celý den nebo jeho větší část):
4.id25 Průtočná vodní elektrárna Lipno II (Vltava).
Instalovaný výkon 1x1,5 MW, Kaplanovy turbíny pro
spád 10..4 m, výška hráze 11,5 m. Nádrž vodního
díla Lipno II slouží k vyrovnání průtoku z vodního
díla Lipno I, které se nachází o několik kilometrů
výše proti proudu Vltavy. Foto: [2].
Přečerpávací elektrárny mají podobnou funkci jako akumulační elektrárny
doplněnou o možnost "uskladňovat elektrickou energii" v době jejího přebytku v
přenosové soustavě. Tyto elektrárny jsou součásti vodního díla minimálně se dvěma
nádržemi. V době přebytku el. energie pracuje elektrárna v čerpadlovém režimu
(účinnost cca 90%), ve kterém čerpá vodu z dolní nádrže do nádrže horní a tím
spotřebovává elektřinu. V době velké poptávky po elektřině pracuje elektrárna v
turbínovém režimu (účinnost cca 95%), kdy voda z vrchní nádrže je přepouštěna přes
turbínu do dolní nádrže. Přečerpávací elektrárny jsou vybaveny turbínami (pro
turbínový provoz) i čerpadly (pro čerpadlový provoz) nebo speciální čerpadlovou
turbínou, která je schopna pracovat v turbínovém i čerpadlovém provozu.
5.id26 Přečerpávací vodní elektrárna dlouhé stráně
(Jeseníky).
Instalovaný výkon 2x325 MW (při čerpání 312 MW),
Francisovy turbína pro spád 510,7 m – největší
reverzní turbíny v Evropě (2008). Jedná se
o nejvýkonnější vodní dílo v ČR. Foto: [3].
Vodní turbíny
Vodní turbíny jsou lopatkové stroje schopny transformovat pouze kinetickou,
tlakovou energii a potenciální energii vody odpovídající vodnímu sloupci, proto
základní energetická bilance vodní turbíny není složitá a jedná o základní úlohu
hydromechaniky. Nejčastěji používanými typy vodních turbín jsou Peltonova turbína,
Francisova turbína a Kaplanova turbína:
Peltonova turbína je vhodná pro vysoké výškové (někollik stovek metrů i
kilometr) nebo tlakové spády (například v průmyslových provozech).
6.id27 Soustrojí s Peltonovou turbínou.
Peltonova turbína se dvěmi dýzami s horizontální osou rotace, výrobce Escher – Wyss. Zdroj: [6].
Francisovy turbíny jsou vhodné pro široký rozsah spádů a průtoků. Nevýhodou
je, že při menších průtocích než, na které byla navržena klesá výrazně její účinnost.
7.id28 Soustrojí s Francisovou turbínou.
Francisova turbína pro elektrárnu Xingu, Brazílie. Zdroj: [4], autor: Voith Siemens Hydro Power generace.
Kaplanova turbína je vhodná pro menší až střední spády. Dokáže pracovat i při
proměnlivém průtoku (sezónní výkyvy) při stejné účinnosti díky možnosti natáčet
lopatky turbíny (natáčivé lopatky jsou pro Kaplanovu turbínu charakteristické). Proto
Kaplanovy turbíny někdy doplňují elektrárny s Francisovými turbínami v místech, kde
dochází k dlouhodobějšímu sezónnímu snížení průtoku. U malých vodních elektráren se
používají tzv. vrtulové turbíny, které jsou konstrukčně blízké Kaplanovým turbínám
akorát nemají natáčivé rotorové lopatky.
Vhodnost konkrétního typu turbíny pro danou lokalitu lze určit pomocí
specifických otáček turbíny a celkového spádu.
Potenciál vodního spádu v ČR
Česká republika je z pohledu místa kam se vlévají její řeky do moří rozdělena do
povodí tří řek: Labe, Odra a Morava:
8.id31 Hlavní povodí v ČR, [5].
Celkový průtok všemi řekami v ČR je přibližně 450 m3∙s­1 při průměrném spádu
200 m by bylo teoreticky možné dosáhnout výkonu 880 MW. Přesto je v ČR instalován
ve vodních elektrárnách výkon 2164 MW tedy asi 12% celkového instalovaného
elektrického výkonu v ČR (2005), proto mohou být vodní elektrárny spouštěny pouze
krátkodobě dokud nevyčerpají zásobu vody v nádrži. Tomu odpovídá podíl vodní
energetiky na celkové výrobě elektřiny v ČR přibližně 4% (2005):
povodí ­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ČR ukazatel Labe Odry Moravy celkem ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ Průměrná nadmořská výška povodí [m n.m.] 446 443 397 432 Dlouhodobý průměrný průtok v hlavním toku povodí v hraničním profilu [m3·s­1] 313 32 101 ­ Specifický odtok [l/(s·km2)] 6,1 10,8 4,8 6,1 Průměrný roční úhrn srážek [mm] 653 808 640 661 Roční odtoková výška [mm] 192 341 152 195 9.id614 Hydrologické charakteristiky hlavních povodí, [5].
Vzhledem k malému energetickému potenciálu vodního spádu v ČR se vodní
elektrárny, používají především ke krytí špiček spotřeby elektřiny, kde se uplatňuje další
přednost vodních turbín a to rychlý náběh na plný výkon a jeho snadná regulace.
Výroba elektřiny ve vodních elektrárnách je většinou považována za ekologicky
čistou především vzhledem k produkci škodlivých látek do okolí (spaliny, záření,
odpad...). Za negativní lze považovat vliv na vodní režim řeky, na které jsou postaveny,
uvolňování metanu ze dna nádrží, který se uvolňuje v důsledku hnilobných procesů.
Odkazy
1. Státní zámek Vranov nad Dyjí. Web: http://www.zamekvranov.cz, [2010].
2. Power plants around the world. [on­line] fotoalbum energetických staveb. Web:
http://www.industcards.com, [2010].
3. ČEZ, a.s., 2011. Majitel a provozovatel elektráren. Adresa: Praha 4, Duhová 2/1444,
PSČ 140 53, Česká republika, http://www.cez.cz.
4. Wikimedia Commons – uložiště volného multimediálního obsahu. [on­line]. [2010].
Dostupné z http://commons.wikimedia.org.
5. Plán hlavních povodí České republiky. Schválený usnesením vlády České republiky
ze dne 23. května 2007 č. 562, Ministerstvo zemědělství ČR. Dostupné
z http://eagri.cz/public/web/file/18971/PlanHlavPov_schvaleny_vladou1_1_.pdf,
[2010].
6. MILLER, Rudolf, HOCHRAINER, A., LÖHNER, K., PETERMANN, H.
Energietechnik und Kraftmaschinen, 1972. Hamburg: Rowohlt taschenbuch verlag
GmbH, ISBN 3­499­19042­7.
Citace tohoto článku
ŠKORPÍK, Jiří. Využití energie vodního spádu, Transformační technologie, 2006­
10, [last updated 2013­07]. Brno: Jiří Škorpík, [on­line] pokračující zdroj, ISSN 1804­
8293. Dostupné z http://www.transformacni­technologie.cz/vyuziti­energie­vodniho­
spadu.html.
©Jiří Škorpík, LICENCE
www.transformacni­technologie.cz
6. Tepelné oběhy a jejich realizace
Autor: Jiří Škorpík, [email protected] : aktualizováno 2015­10
V předchozích článcích 4. Využití energie větru, 5. Využití energie vodního spádu
a 2. Sluneční záření jako zdroj energie jsou představeny zařízení schopné transformovat
kinetickou energii větru, potenciální energii vodního spádu a elektromagnetické vlnění
na elektrickou energii respektive práci. Existují ovšem i zařízení, které jsou schopny
transformovat teplo na práci respektive elektřinu. V takových zařízení se realizuje
některý ze známých druhů tepelných oběhů*. Jak je taková transformace vůbec možná a
základní pojmy jsou vysvětleny v článku 43. Technická termomechanika. Mimo
tepelených oběhů transformující teplo v práci existují i tepelné oběhy, které dokáží
pomocí přivedené práce zvyšovat teplotní hladinu pracovní látky např. chladící oběh.
*Přímá transformace tepla na elektřinu
Teplo lze přímo transformovat na elektřinu termoelektrických nebo termoemisních
zařízeních [8, s. 854].
V tomto článku popsuji pouze nejpoužívanější tepelné oběhy a to pouze jejich
ideální verzi. Tzv. Ideální tepelný oběh je složen z vratných termodynamických změn.
Ovšem v technické praxi nelze takové ideální oběhy dokonale realizovat (limity jsou
technické i investiční) pouze se k nim přiblížit, takové oběhy můžeme nazývat reálné
tepelné oběhy. Například porovnejte Stirlingův oběh se skutečným oběhem Stirlingova
motoru, kde velký vliv mají ztráty a použitý mechanismus pístu, což může změnit oběh
oproti ideálnímu vzoru k nepoznání, jak sami můžete posoudit tvar reálného oběhu
Stirlingova motoru v článku 36. Ztráty ve Stirlingových motorech. Aby se reálné oběhy
blížily těm ideálním musely by probíhat velmi pomalu, a musely by se také na
minimum omezit ztráty. Proto se tepelné oběhy složené pouze z vratných
termodynamických změn nazývají také porovnávací tepelné oběhy. Hlavním důvodem
přiblížit podobu reálného oběhu tomu ideálního je dosažení vysoké tepelné účinnosti
oběhu.
Tepelné oběhy se znázorňují v p­V diagramech a nebo v T­s diagramech, ve
kterém jsou lépe patrny energetické toky pro vytvoření energetické bilance oběhu.
Oběhy spalovacích motorů
Tímto pojmem jsou označovány oběhy objemových strojů, nejčastěji pístových, u
kterých hoření palivové směsi probíhá přímo v pracovním objemu­válci, proto se také
nazývají motory s vnitřním spalováním. Nejčastěji se lze setkat v technické praxi
s různými modifikacemi tří takových oběhů a to Lenoirova oběhu, Ottova oběhu a
Dieselova oběhu pojmenované po svých objevitelých Jeanu Lenoirovi, Nikolausu
Ottovi a Rudolfu Dieselovi:
Lenoirův oběh
Jedná se o oběh plynového pístového motoru. Celý oběh je realizován během
jednoho otočení hřídele, kdy ve válci postupně probíhá nasátí vzduchu a hořlavého
plynu, zapálení a hoření této směsi, expanze horkých spalin a nakonec vytlačení spalin
z válce:
1.id976 p­v diagram Lenoirova oběhu.
i sání; e výfuk; ip sání paliva nebo vstřik paliva v případě jeho kapalné fáze; iv sání vzduchu; s zapalovací
svíčka. p [Pa] tlak; V [m3] objem; κ [­] Poissonova konstanta pracovního plynu ve válci; a [J·kg­1] měrná
práce oběhu; K konstanta. Čárkovaně je vyznačen reálný průběh oběhu.
Ideální realizace Lenoirova oběhu je složena ze čtyř termodynamických vratných
změn:
Sání
Sání probíhá na úseku 1­2 tj. během pohybu pístu z horní úvratí do polohy 2.
Hoření
Ve stavu 2 se uzavře sací ventil i a pomocí zapalovací svíčky s je zapálena palivová
směs ve válci. Nastává izochorické zvyšování tlaku při vzniku horkých spalin.
V ideálním případě tento děj probíhá, když píst stojí.
Expanze
Po dosažení maximálního tlaku dochází k izoentropické expanzi ze stavu 3 do stavu 4.
Stavu 4 oběh dosáhne, když je píst v dolní úvrati.
Výfuk
Pohybem pístu z dolní úvrati 4 do úvrati horní 1 probíhá výfuk spalin při otevřeném
výfukovém ventilu e. Nyní se celý oběh může opakovat.
Změny stavu pracovního plynu ve skutečném motoru zaznamenané v p­v diagramu
(indikátorový diagram) se liší od ideálního oběhu. To je dáno nepřetržitým­plynulým
chodem pístu a průběhem hoření, které není tak rychlé jak předpokládá ideální stav, ale
probíhá i při expanzi.
Motor, ve kterém se realizuje tento oběh se nazývá Lenoirův plynový motor. Při
prvních realizacích byl vybaven šoupátkovým rozvodem a jako palivo se používal
svítiplyn o atmosférickém tlaku, který byl společně nasáván se vzduchem.
2.id977 T­s diagram Lenoirova oběhu a základní rovnice pro případ ideální realizace.
T [K] absolutní teplota; s [J·kg­1·K­1] měrná entropie; qD [J·kg­1·K­1] měrné teplo dodané do oběhu;
qOd [J·kg­1·K­1] měrné teplo odvedené z oběhu; v [m3·kg­1] měrný objem; c v [J·kg­1·K­1] měrná tepelná
kapacita plynu při stálém objemu (v tomto případě je uvažována jako konstanta, ale ve skutečnosti se během
chemických reakcí hoření trochu mění); c p [J·kg­1·K­1] měrná tepelná kapacita plynu při stálém tlaku
(v tomto případě je uvažována jako konstanta, ale ve skutečnosti se během chemických reakcí hoření trochu
mění); ηt [­] tepelná účinnost oběhu. Protože v ideální případě se termodynamické změny realizují v
uzavřeném válci lze vycházet, při odvození základních rovnic, z rovnic Prvního zákona termodynamiky pro
uzavřený systém. Odvození rovnic energetické bilance Lenoirova oběhu je uvedeno v Příloze 977.
Lenoirův oběh je oběh, ve kterém se teplo generuje přímo uvnitř stroje
exotermickou chemickou reakcí hořením palivové směsi, proto mluvíme o motoru s
vnitřním spalováním. Navíc se každý oběh koná s novou náplní (výměna pracovní
tekutiny po každém oběhu), proto hovoříme i o otevřeném oběhu. Při návrhu reálného
oběhu je nutné zohledňovat i skutečnost, že při hoření se mohou měnit termodynamické
vlastnosti pracovního plynu/směsi/spalin.
Výbušný (Ottův) oběh
Iddeální výbušný oběh je rozdělen do čtyř termodynamických vratných změn,
které jsou realizovány ve válci s pístem a dvěma ventily (sací a výfukový). Celý oběh se
realizuje během dvou během dvou zdvihů pístu (čtyři doby nebo též čtyři takty).
Pracovní látkou je hořlavá směs nejčastěji vzduchu a hořlavých par paliva:
3.id617 p­v diagram výbušného oběhu a jedna z jeho možných realizací.
i sání pracovní směsi, píst se pohybuje k dolní úvrati při otevřeném sacím ventilu; 1­2 izoentropická
komprese pracovní směsi, sací ventil uzavřen (kompresní poměr – poměr maximálního a minimálního
objemu válce se pohybuje od 8 do 13 podle typu paliva [7, s. 11]), stav 2 musí odpovídat tlaku a teplotě nižší
než je teplota vznícení směsi ale zároveň už musí odpovídat teplotě hoření; 2­3 hoření směsi­ve stavu 2
dojde pomocí zapalovací svíčky s k iniciaci hoření směsi, která velice rychle shoří, přičemž se zvýší její
tlak a teplota na stav 3. Ideálně hoření probíhá izochoricky – píst se nepohybuje; 3­4 expanze horkých spalin
– izoentropická expanze horkých spalin ze stavu 3 do stavu 4. Přitom spaliny působí na píst silou, který se
pohybuje do své dolní úvrati; 4­1 výfuk – ve stavu 4 se otevře výfukový ventil a větší část spalin je z válce
vyfouknuta do výfuku. Oběh je ukončen po vytlačení zbylých spalin z válce tj. po vyrovnání tlaku spalin ve
válci s okolím píst při pohybu k horní úvrati vytlačí zbývající spaliny z válce přes otevřený výfukový ventil
e. Nyní se celý oběh může opakovat.
K ideální realizaci takového oběhu by bylo potřeba, mimo jiné, přetržitého chodu
pístu. Takový mechanismus je pro praktické požití nevhodný a pohyb pístu je nejčastěji
realizován spojitě pomocí klikového mechanismu. Odtud je zřejmé, že nemohou být
realizovány izochorické děje na úseku 13 a 4­1 oběhu, ale pouze se k takovým dějům
lze přiblížit. Toto přiblížení se realizuje tak, že zapálení směsi se děje ještě před
dosažením horní úvrati pístu při kompresi (s předstihem) a otevření výfukového ventilu
ještě před dosažením dolní úvrati pístu během expanze spalin. Na tvar oběhu mají vliv i
ventily a sací a výfukové potrubí představující tlakové odpory, což snižuje práci oběhu.
Existují i realizace, ve kterých je oběh rozdělen pouze do dvou taktů. Tj. Při
pohybu k dolní úvrati probíhá postupně hoření, expanze a výfuk po otevření
výfukového ventilu e. Při pohybu pístu k horní úvrati jsou ze začátku otevřeny oba
ventily pro výfuk e i sání i přičemž sání probíhá díky podtlaku vzniklým ochlazením
právě vyfukovaných spalin, dále se realizuje komprese a před horní úvratí pístu zapálení
směsi. Při této konstrukci je výfuk umístěn nikoliv na čele pístu, ale někde v oblasti
dolní úvrati. Dvojtaktní motor je jednodušší, má větší výkon při stejných otáčkách, ale
horší účinnost ve větší části provozních parametrů v porovnání se čtyřdobými motory.
Původně se tento oběh realizoval v Ottově motoru pro spalování kapalných
uhlíkatých či plynných paliv. Palivo a vzduch je možné také do válce přivádět odděleně,
během sání se nasává jen vzduch a palivo je příváděno při vysokém tlaku palivovým
čerpadlem.
4.id620 T­s diagram výbušného oběhu a základní rovnice pro případ ideální realizace.
Protože v ideálním případě se termodynamické změny realizují v uzavřeném válci lze vycházet, při
odvození základních rovnic, z rovnic I. zákona termodynamiky pro uzavřenou soustavu. Odvození rovnic
energetické bilance výbušného oběhu je uvedeno v Příloze 620.
Oběh vznětového motoru (Dieselův oběh)
Rovnotlaký oběh je rozdělen do čtyř taktů podobně jako oběh výbušný s tím
rozdílem, že pro tento oběh je charakteristické mnohem větší stlačení, izobarický ohřev
pracovní látky a vstřik paliva přímo do válce ke konci komprese:
5.id978 p­v diagram rovnotlakého (Dieselova) oběhu
a jedna z jeho možných realizací.
Tučně je vyznačena ideální realizace rovnotlakého
oběhu. Čerchovaná čára vyznačuje přibližných
průběh reálné realizace rovnotlakého oběhu.
K sání vzduchu v ideálním rovnotlakém oběhu dochází při pohybu pístu k dolní
úvrati při otevřeném sacím ventilu iv stav 1. Po nasátí vzduchu a uzavření sacího ventilu
dojde k izoentropické kompresi vzduchu ze stavu 1 do stavu 2. Kompresní poměr se
pohybuje od 14 do 23. Stav 2 musí odpovídat tlaku a teplotě samovznícení směsi
vzduchu a paliva, které se do válce vstřikuje tryskou ip na konci komprese vzduchu.
Rychlost pohybu pístu k dolní úvrati musí být taková, aby spalování směsi probíhalo
izobaricky až do stavu 3. Mezi stavy 3­4 probíhá izoentropická expanze a píst se
pohybuje k dolní úvrati. V dolní úvrati (stav 4) se otevře výfukový ventil a hmotnostně
větší část spalin je vyfouknuta přetlakem z válce do výfuku. Výfuk se děje izochoricky
– píst se nepohybuje do chvíle než tlak poklesne na tlak p1.
Skutečné vznětové motory, podobně jako i výbušné motory, využívají přímočarý
vratný pohyb pístu pomocí klikového mechanismu. Sínusový pohyb pístu ovlivňuje tvar
oběhu ztráty.
Existují i zjednodušené motory, u kterých je počet taktů redukován na dva podle
stejného principu jako je využíváno u výbušného oběhu. Motor je následně jednodušší,
má větší výkon při stejných otáčkách, ale horší účinnost ve větší části provozních
parametrů.
Podobně jako u výbušného motoru tak i rovnotlakého motoru existuje mnoho
variant. Například velmi často je vybaven žhavící svíčkou umístěnou těsně před
vstřikem paliva do válce pokud se jedná o palivovou směs s velmi vysokou teplotou
vznícení. V případě paliv s velmi nízkou výhřevností například bioplyn je motor
vybaven i zapalovací svíčkou.
6.id979 T­s diagram rovnotlakého oběhu a základní rovnice pro případ ideální realizace.
Protože v ideální případě se termodynamické změny realizují v uzavřeném válci lze vycházet, při odvození
základních rovnic, z rovnic I. zákona termodynamiky pro uzavřenou soustavu. Odvození rovnic energetické
bilance rovnotlakého oběhu je uvedeno v Příloze 979.
Ve výbušném motoru probíhá hoření směsi při vyšší teplotě než ve znětovém
motoru a proto má i vyšší účinnost využití energie v palivu. Naproti tomu negativním
důsledkem vysoké teploty je vznik i mnohem většího množství škodlivých sloučenin
NOx než u motoru výbušných, kde jsou teploty a tlaky nižší. Spalovací motory bývájí
pro zvýšení výkonu vybavovány tzv. přeplňováním (zvýšení obsahu kyslíku a paliva
ve válci). Přeplňování bývá nejčastěji realizováno pomocí turbodmychadla poháněné
výfukovými spalinami. Také se k přeplňování používají dmychadla pohaněné přes
mechanický převod hřídelem motoru nebo rezonanční sací potrubí a pod. Přeplňování
se především používá u vznětových motorů, u kterých nevadí větší tlak na vstupu.
U výbušných oběhů je použití přeplňování ne vždy produktivní, protože komprese
palivové směsi musí končit tak, aby nedošlo k samovznícení směsi ve válci ještě před
dokončením komprese. Z toho důvodu se přeplňování používá u výbušných oběhů
pouze v případě paliv s vyšší zápalnou teplotou jako je například letecký benzín
[2, s. 82] nebo při nasátí vzduchu chudého na kyslík např. ve velkých výškách, jinak by
se musel snížit kompresní poměr motoru, což by negovalo výhodu přeplňování.
Rankine­Clausiův oběh (R­C oběh; parní oběh)
Jedná se o nejrozšířenější tepelný oběh v oblasti energetiky. Parní oběh je zároveň
technicky nejstarší využívaný tepelný oběh jehož historie je popsána v kapitole
1. Historie strojů na páru. Pracovní látkou v tomto oběhu je voda proto se často
označuje jako parní oběh, ale používají se i alternativní pracovní látky [25.]. Parní oběh
se začal používat nejdříve pro transformaci tepla v práci pomocí parních strojů,
v současnosti je parní stroj nahrazen parními turbínami ale podstatu oběhu to
nezměnilo. Parní turbína je lopatkový stroj konající práci kontinuálně, ale pístový parní
motor pracuje přetržitě (viz. kapitola 11. Rozdíl mezi objemovým a lopatkovým
strojem). Na rozdíl od předchozí realizace výbušného oběhu v jednom válci (v jednom
stroji) se parní oběh uskutečňuje v několika zařízeních vzájemně propojených potrubím:
7.id621 Zjednodušené schéma zařízení pro realizaci
Rankine­Clausiova oběhu.
k. parní kotel (parogenerátor v případě jaderných
elektráren; p.t. parní turbína popřípadě i jiný typ
parního motoru; el.g. elektrický točivý generátor;
kon. kondenzátor (uvnitř kondenzuje vodní pára);
ch.v. chladící věž; n.č. napájecí čerpadlo (zvyšuje
tlak vody proudící vody do kotle).
Zvýšení tlaku napájecí vody 1­2
Z bodu 1 do bodu 2 probíhá zvýšení tlaku vody z tlaku p1 na tlak p2 pomocí napájecího
čerpadla. Voda je téměř nestlačitelná proto příkon čerpadla je malý při srovnání
s výkonem parní turbíny 3 – 4.
Skupenská přeměna vody v kotli­výroba páry
V parní kotli je nejdříve voda o vysokém tlaku ohřívána až na mez sytosti kapaliny 2­3'.
Jiné části kotle dochází k varu vody až do stavu syté páry 3'­3''. Ve většině případů je
vzniklá pára ještě tzv. přehřívána v části kotle zvané přehřívák na stav 3.
Expanze páry v parní turbíně
V parní turbíně probíhá v ideálním případě izoentropická expanze ohraničená stavy 3 a
4. Práce turbíny bývá nejčastěji transformována na elektrickou energii pomocí
lektrického generátoru.
Skupenská přeměna páry v kondenzátoru­kondenzace
Kondenzace páry po expanzi v parní turbíně probíhá v kondenzátoru a stav pracovní
tekutiny se změní ze stavu 4 (pára) na 1 (voda). Tím je oběh uzavřen, protože voda se
nachází opět ve stavu 1. Kondenzátor je nádoba, do které se přivádí pára na jedné straně
a odvádí na druhé straně zkondenzovaná voda. Uvnitř nádoby kondenzátoru jsou
potrubí, ve kterých proudí chladící voda, která odvádí teplo z kondenzace. Chladící
voda se ochlazuje např. v chladících věží, ale existují i jiné konstrukční varianty
kondenzátorů a způsoby jeho chlazení.
Parní oběh zakreslený v T­s či i­s diagramu dává reálnou představu a způsobu
transformace energie a energetických tocích:
8.id55 Rankine­Clausiův oběh v T­s a i­s diagramu vody a vodní páry.
Stav páry v bodě 3 je 9,4 MPa, 550 °C, tlak kondenzace 9 kPa. i [J·kg­1] měrná entalpie; t [°C] teplota; x [­]
suchost páry (poměr hmotnosti páry ve vzorku k celkové hmotnosti vzorku).
Teplo je pracovní látce dodáváno pouze v kotli, odváděno v kondenzátoru. Práce
se koná v turbíně. Naopak napájecí čerpadlo práci spotřebovává a o tuto práci je
výsledná vykonaná práce oběhu menší:
9.id622 Energetická bilance Rankine­Clausiova oběhu.
­1
ic [J·kg ] měrná celková entalpie; aTi [J·kg­1] měrná vnitřní práce turbíny; ači [J·kg­1] měrná vnitřní práce
čerpadla. Protože v ideální případě se termodynamické změny realizují v několika zařízení provádí se
energetická bilance pro každé zvlášť. Pro odvození rovnic pro jednotlivá zařízení je nutné použít rovnice
pro První zákon termodynamiky pro otevřený systém, protože každé zařízení je z obou stran otevřeno (vstup
a výstup) během transformace energie realizované pomocí protékající látky. Rovnice jsou odvozeny při
zanedbání změny potenciální energie pracovní látky. Odvození rovnic energetické bilance R­C oběhu je
v Příloze 622.
Protože parní oběh je oběh s vnějším přestupem tepla je možné využít prakticky
jakéhokoliv zdroje tepla (fosilní paliva, biomasa, sluneční energie, jaderná energie atd).
Vypočítejte měrnou práci turbíny, suchost páry na konci expanze v turbíně, teplotu vody v kondenzátoru,
tepelnou účinnost R­C oběhu a porovnejte práci napájecího čerpadla s prací turbíny pro následující
parametry: teplota páry na výstupu z kotle 450 °C, tlak páry 3,5 MPa, tlak v kondenzátoru 3 kPa.
Zanedbejte veškeré ztráty. Úloha 1.id623
aT [kJ·kg­1] 1259,59 t4 [°C] 24,079 aČ [kJ·kg­1] 3,504 x [%] 80,9135 ηt [­] 0,3896 aČ/aT [­] 0,0028
Úloha 1: souhrn výsledků.
V praxi nevypadá schéma zařízení pro realizaci parního oběhu tak jednoduše.
Kvůli zvyšování výkonu a účinnosti se provádí regenerace tepla, pro výtopenské a jiné
účely se odebírá v různých částech oběhu pára včetně odběrů páry v parní turbíně atd.
I parní oběh ovlivňují ztráty, které při reálných realizacích vznikají. Více informací
o parním oběhu jsou v článku 25. Parní turbína v technologickém celku.
Braytonův oběh (Jouleho oběh)
Braytonův oběh se uskutečňuje v několika zařízeních, které obvykle tvoří
kompaktní celek respektive soustrojí tvořené kompresní částí (turbokompresor) a
expanzní částí (turbína), přičemž pracovní látkou je plyn. Oběh se používá nejčastěji
v otevřené podobě (výměna pracovní látky probíhá s okolím­podobně jako
u spalovacích motorů), proto je takové soustrojí nazýváno spalovací turbínou. Spalovací
turbíny mají široké uplatnění v letectví, kde jsou pohonou jednotkou v proudových
motorech, a v energetice.
10.id624 Schéma soustrojí pro realizaci Braytonova oběhu.
(a) uzavřený oběh; (b) otevřený oběh (tzv. spalovací turbína a další otevřené aplikace). K kompresní část
soustrojí; OH ohřívák pracovního plynu; E expanzní část soustrojí; ch. chladič; SK spalovací komora
s přívodem paliva.
V jednotlivých částech soustrojí v ideálním případě probíhají následující
termodynamické změny:
Komprese
V kompresní části probíhá izoentropická komprese pracovního plynu ze stavu 1 do
stavu 2.
Ohřev plynu
Ohřev pracovního plynu probíhá izobaricky z teploty T2 na teplotu T3 buď v ohříváku
OH nebo spalovací komře SK.
Expanze plynu
V expanzní části pracovní plyn izoentropicky expanduje ze stavu 3 do stavu 4. Přitom
pracovní plyn koná práci, která se odvádí ve formě otáčejícího se hřídele. Obvykle
turbína přímo pohání, přes společnou hřídel, turbokompresor, který spotřebovává větší
část práce turbíny. Zbytek práce může být využit například k pohonu el. generátoru.
Ochlazení plynu v chladiči
V chladiči probíhá isobarické ochlazení pracovního plynu na teplotu T1 a celý oběh se
může opakovat.
V případě otevřeného oběhu se využívá přímo atmosférický vzduch, který je
v kompresní části stlačován na tlak p2. Tento stlačený vzduch je promícháván ve
spalovací komoře s palivem (hořlavá tekutina) při tlaku p2, za postupného hoření. Při
hoření vznikají horké spaliny, které expandují v tubínové části. Po expanzi proudí
spaliny do komína.
11.id58 Braytonův oběh v T­s diagramu ideálního
plynu.
Pracovní plyn a oběh má tyto parametry: c p=1,004
J∙kg­1∙K­1, (suchý vzduch bez CO2 při at.
podmínkách), κ=1,402, p1=pat (atmosférický tlak),
p2=1 MPa, t1=20 °C, t3=1 300 °C, složení
pracovního je stálé. U otevřeného oběhu se
spalovací komorou se složení pracovního plynu mění
v důsledku spalování. Poprvé se tento oběh pokusil
realizovat Američan Georg Brayton pomocí
pístových strojů.
Energetická bilance Braytonova oběhu je následující:
12.id59 Energetická bilance Braytonova oběhu.
Pro každé zařízení plynové turbíny se energetická bilance provádí zvlášť. To znamená, že k jednotlivým
zařízením se přistupuje jako k otevřeným termodynamickým soustavám. Rovnice jsou odvozeny při
zanedbání změny potenciální energie. Rovnice pod písmenem (b) jsou pro případ konstantních
termodynamických vlastností pracovního plynu a zanedbání kinetické energie v jednotlivých bodech oběhu.
Odvození rovnic energetické bilance Braytonova oběhu je v Příloze 59.
Stanovte teploty pracovního plynu v jednotlivých bodech Braytonova oběhu, výkon a tepelnou účinnost
oběhu, kompresní poměr p2/p1=ε a teplotní poměr T3/T1=τ. Jestliže měrná tepelná kapacita pracovního plynu
je konstantní, c p=konst.=1,004 J∙kg­1∙K­1 (suchý vzduch při at. podmínkách), κ=1,402, p1=pat, p2=1 MPa,
t1=20 °C, t3=1300 °C, m•=30 kg∙s­1. Úloha 2.id625
t2 [°C] 292,026 P [MW] 14,61272 ε [­] 9,8692 t4 [°C] 542,824 ηt [­] 0,4813 τ [­] 5,3664
Úloha 2: souhrn výsledků.
Chladící oběh
Mimo oběhy, ve kterých ze transformuje teplo na práci existují oběhy s obráceným
pochodem. Takové oběhy práci spotřebovávají za účelem změny stavových veličin
pracovní tekutiny (ledničky, tepelná čerpadla a pod.). Především v technice tepelných
čerpadel je rozšířený chladící oběh s kompresorem, který je obdobou Rankine­
Clausiova oběhu v opačném smyslu změny stavových veličin [3, s. 170], [5]:
13.id628 T­s diagram chladícího oběhu a schéma zařízení pro jeho realizaci.
k kompresor; š škrtící orgán; v výparník (uvnitř dochází k odpařování pracovní látky); ch ochlazovaná
tekutina. Jako pracovní látka není používána voda (vysoká teplota tuhnutí), ale může ji být například směs
par vody a čpavku respektive roztok vody a čpavku. Vlastnosti takových směsí se blíží látce, která je v ní
více zastoupena a naopak [1, s. 26], [4, s. 508]. V případě směsí se tedy tvar oběhu v T­s diagramu bude od
uvedeného měnit, ale princip zůstává stejný, stejně tak jako schéma zařízení pro realizaci oběhu.
V jednotlivých zařízení v ideálním případě probíhají následující termodynamické
změny:
Komprese pracovního plynu
V kompresoru se pracovní plyn komprimuje ze stavu 1 do stavu 2.
Chlazení a kondenzace pracovního plynu
V kondenzátoru se nejdříve pracovní plyn ochladí na mez sytosti plynu a následně
zkondenzuje až na mez sytosti kapaliny 3. Tlak tekutiny je p2.
Škrcení syté kapaliny
Škrcení syté kapaliny se provádí ve škrtícím orgánu (snížení tlaku z p2 na p3). Při snížení
tlaku se část syté kapaliny vypaří a na konci škrcení je pracovní tekutina ve formě
mokré páry.
Var pracovní tekutiny
Var pracovní tekutiny probíhá ve výparníku, ve kterém pracovní tekutina přejde do
stavu syté páry 1.
Teplo je tedy do oběhu dodáváno ve výparníku, odváděno v kondenzátoru. Práce je
oběhem spotřebovávána a to při kompresi:
14.id629 Rovnice energetické bilance chladícího oběhu.
εR [­] chladící faktor*. Práce oběhu je záporná. Z pohledu jednotlivých zařízení jedná o termodynamické
soustavy otevřené. Rovnice jsou odvozeny při zanedbání změny potenciální energie. Odvození rovnic
energetické bilance chladícího oběhu je v Příloze 629.
*Chladící faktor
Z definice chladícího faktoru je zřejmé, že příkon chladícího oběhu roste s rozdílem
teplot mezi chladící látkou a okolím.
Chladící oběh se používá k chlazení nebo k vytápění. V případě chlazení je
chlazené látce teplo odebíráno pomocí výparníku, který je většinou přímo v chlazené
látce umístěn nebo je obtékán chlazenou tekutinou.
Carnotizace tepelného oběhu
U každého tepelného oběhu lze definovat střední teplotu přívodu tepla do oběhu
T‾T a střední teplotu odvodu tepla z oběhu T‾S defivané vztahy:
15.id172 Střední teplota přívodu a odvodu tepla do/z tepelného oběhu.
T‾T [K] střední teplota přívodu tepla do oběhu; T‾S [K] střední teplota odvodu tepla z oběhu. Střední teplota
přívodu tepla do oběhu představuje teplotu izotermického děje probíhající mezi entropiemi smin a smax
vyšetřovaného tepelného oběhu, přičemž množství přivedeného tepla při tomto ději je stejné jako množství
přivedeného tepla vyšetřovaného tepelného oběhu. Střední teplota odvodu tepla z oběhu představuje teplotu
izotermického děje probíhající mezi entropiemi smax a smin vyšetřovaného tepelného oběhu, přičemž množství
odvedeného tepla při tomto ději je stejné jako množství odvedeného tepla vyšetřovaného tepelného oběhu.
Například u Carnotova oběhu je střední teplota přívodu tepla do oběhu rovna
teplotě T1 (T‾T=T1) a střední teplota odvodu tepla z oběhu rovna teplotě T3 (T‾S=T3).
U R­C oběhu bude teplota T‾T a T‾S následující:
16.id125 R­C oběh–definice střední teploty přívodu tepla do oběhu a střední teploty odvodu tepla z oběhu.
τ‾ [­] teplotní poměr středních teplot. Střední teplota přívodu tepla do oběhu je někde mezi teplotami T2 a T3.
Střední teplota odvodu tepla z oběhu je rovna kondenzační teplotě T1, protože teplo se odvádí z oběhu pouze
při kondenzaci tedy izotermickém ději. Oběh složený ze středních teplot (T‾T; T‾S) a z příslušného rozdílu
entropií vytvoří ekvivalentní Carnotův oběh, který koná stejnou práci, má stejné množství odvedeného a
přivedeného tepla a proto má i stejnou tepelnou účinnost jako původní R­C oběh.
Smyslem takového převodu je zjistit možnosti zvýšení tepelné účinnosti daného
oběhu. Tepelná účinnost oběhu se zvýší zvýší­li se teplotní poměr τ‾. To znamená zvýšit
střední teplotu přívodu tepla do oběhu nebo snížit střední teplotu odvodu tepla z oběhu.
Například u uvedeného R­C oběhu je zřejmé, že zvýšením tlaku p2 se zvýší i střední
teplota přívodu tepla do oběhu a tím i tepelná účinnost bez ohledu na maximální teplotu
oběhu. Podobným způsobem lze u každého tepelného oběhu definovat teplotu T‾T a T‾S
a na jejich základě snadno sledovat vliv parametrů pracovní látky na tepelnou účinnost
oběhu. Všeobecně se záměrné změny parametrů tepelného oběhu za účelem zvýšení
tepelné účinnosti nazývá Carnotizace oběhu. V technické praxi se nejčastěji setkáváme
Carnotizací oběhů v energetice např. s carnotizací R­C oběhu a carnotizací Braytonova
oběhu atd.
Z uvedeného převodu je zřejmé, že pro účinnost tepelného oběhu je důležitý
teplotní poměr τ‾ a nikoliv poměr nejvyšší a nejnižší teploty oběhu.
Tepelné stroje a podobné pojmy
Tepelným strojem se nazývá takové zařízení, ve kterém dochází k transformaci
vnitřní tepelné energie a obvykle současně i tlakové energie (při přímé přeměně tato
změna nemusí proběhnout) pracovní látky tedy entalpie pracovní látky na práci nebo
naopak. Tepelné výměníky (kotle, kondenzátory i hořáky) tedy nejsou tepelnými stroji.
Tepelná elektrárna
Obvykle se tak nazývá komplex budov a zařízení postavených za účelem výroby
elektrické energie pomocí nějakého tepelného oběhu. U tepelných elektráren se
používají často názvy podle druhu paliva nebo principu funkce jako například elektrárna
na fosilní paliva, geotermální elektrárna, jaderná elektrárna; solární elektrárna...
Účinnost transformace tepla na elektřinu v tepelné elektrárně se nazývá účinnost
tepelné elektrárny (nebo také tepelná účinnnost) je definovaná jako poměr
elektrického výkonu na prahu elektrárny ku disponibilnímu teplu v palivu dodané do
elektrárny:
17.id1091 Účinnost tepelné elektrárny.
η [­] účinnost tepelné elektrárny; Pe [W] elektrický výkon elektrárny na prahu elektrárny; Ppal [W] dodávaný
disponibilní výkon v palivu do elektrárny.
Teplárna
Obvykle se tak nazývá komplex budov a zařízení postavených za účelem výroby
elektrické energie a tepla pomocí nějakého tepelného oběhu (takový proces se nazývá
kombinovaná výroba elektřiny a tepla zkráceně KVET nebo kogenerace). Při
transformaci tepla na práci respektive elektřiny se velká část tepla musí z oběhu odvést.
Je přirozeně hospodárnější toto odvedené teplo také využít (pokud to dovolí okolnosti –
blízkost teplovodu či parovodu..., které přivádí teplo ke spotřebiči tepla, který může být
i několik desítek kilometrů vzdálený). Využitím odvedeného tepla z oběhu se lépe
využije teplo obsažené v palivu, což zvyšuje návratnost investice do zařízení. Protože
prioritním úkolem teplárny je dodávka tepla jsou teplárny konstruovány tak, aby
zajistily dodávku tepla i v případě výpadku technologie pro výrobu elektřiny. Teplota
pracovních látek v teplovodech a parovodech musí být na určité výši (pro výtápění a
výrobu teplé užitkové vody aspoň 80 °C až 90 °C, pro průmyslové účely i vyšší), což u
některých typů tepelných oběhů znamená zvýšit střední teplotu odvodu tepla z oběhu a
tedy i snížit účinnost tepelnou účinnost oběhu. Místo názvu teplárna se především
u menších zdrojů (do 2 MW) používá název kogenerační zdroj či kogenerační
jednotka. V souvislosti s teplárnou se definuje teplárenský modul a celkové využití
energie v palivu:
18.id479 Celkové využití energie v palivu (účinnost teplárny) a teplárenský modul.
η [­] celková účinnost využití tepla v palivu v teplárně; e [­] teplárenský modul teplárny. PT [W] tepelný
tep
výkon teplárny na prahu teplárny (dodávané množství tepla do rozvodů tepla).
Teplárenský modul teplárny je především fukcí typu tepelného stroje a jeho
výkonu:
Typ teplárny e [­] ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ teplárna s R­C oběhem 0,15..0,4 teplárna s Braytonovým oběhem 0,4...0,7 teplárna se spalovacím motorem* 0,6...0,8 teplárna s paroplynovým oběhem 0,7...1,2
19.id967 Obvyklé teplárenské moduly tepláren podle typu tepelného oběhu.
*Pro vyšší výkony. Teplárenské moduly dalších technologií jsou uvedny v kapitole 10. Kogenerace v
domácnosti.
V České republice se nejvíce používají teplárny se spalovacími motory, teplárny
s parními turbínami a teplárny se spalovacími turbínami. Zařízení teplárny musí
obsahovat mimo vyvedení vyrobené elektřiny i vyvedení tepla ke spotřebičům tepla:
20.id208 Schéma zařízení kogenerační jednotky se spalovacím motorem.
1 přívod paliva; 2 přívod spalovacího vzduchu přes filtr; 3 spalovací motor; 4 elektrický generátor; 5 odvod
el. energie; 6 odvod horkých spalin z motoru; 7 tepelný výměník spaliny­voda (tento výměník může být
nahrazen i parogenerátorem, na požadavek zákazníka); 8 komín; 9 okruh chladící vody motoru
s cirkulačním čerpadlem; 10 tepelný výměník chladící voda­voda; 11 tepelný výměník olej­voda; 12
regulace průtoku a teploty oleje; 13 vývod teplé vody z kogenerační jednotky; 14 spotřebiče teplé vody
(například ústřední vytápění); 15 chladič (pro případ, že spotřebiče tepla 14 mají slabou spotřebu nebo jsou
mimo provoz); 16 regulace teploty a množství teplé vody ke spotřebičům; 17 hranice kogenerační jednotky.
Malé kogenerační jednotky se nejčastěji dodávají v kompaktním provedení
(v kontejneru), ale u větších výkonů je nutná stavba speciální strojovny a infrastruktury:
21.id209 Kogenerační jednotka se spalovacím motorem o výkonu 20 kW.
1 víko protihlukového krytu; 2 nádrž na doplnění oleje; 3 spalovací motor; 4 generátor; 5 spalinový výměník
a tlumiče hluku; 6 přívod plynu (paliva); 7 výstup topné vody; 8 vstup vratné vody; 9 výstup spalin; 10 hlavní
vypínač; 11 řídící systém; 12 počítadlo motohodin; 13 rozvaděč. Pohledy nejsou ve stejném měřítku. Zdroj
[6].
Odkazy
1. HOCH, Václav. Chladící technika, 1992. Vydání první. Brno: VUT v Brně, ISBN 80­
214­0412­4.
2. KOŽOUŠEK, Josef. Výpočet a konstrukce spalovacích motorů I, 1978. Vydání první.
Praha: SNTL, 368 stran, 333 obrázků, 12 tabulek.
3. HLOUŠEK, Jiří. Termomechanika, 1992. 1. vydání. Brno: Vysoké učení technické v
Brně, ISBN 80­214­0387­X.
4. SHAVIT, Arthur, GUTFINGER, Chaim. Thermodynamics from concepts to
applications, 2009. Second edition. New York: CRC Press, Taylor&Francis Group,
ISBN 978­1­4200­7368­3.
5. ZLATAREVA, Veneta. Tepelná čerpadla, 2001. Praha: ČEA–česká energetická
agentura, [on­line]. Dostupné dostupné z http://www.mpo­
efekt.cz/cz/ekis/publikace/953, [cit. 2012].
6. Tedom, a.s., výroba kogeneračních jednotek a spalovacích motorů. Adresa:
Hrotovická ­ průmyslová zóna 160, 674 01 Třebíč, web: http://tedom.com. [cit. 2013­
08]
7. JAN, Zdeněk, ŽDÁNSKÝ, Bronislav. Automobily–Motory, 2010. 6. vydání. Brno:
Avid, spol. s.r.o., ISBN 978­80­87143­15­5.
8. HEŘMAN, Josef. Příručka silnoproudé elektrotechniky, 1986. 2. nezm. vyd. Praha:
Státní nakladatelství technické literatury, 1028 s.
Citace tohoto článku
ŠKORPÍK, Jiří. Tepelné oběhy a jejich realizace, Transformační technologie,
2006­11, [last updated 2015­10]. Brno: Jiří Škorpík, [on­line] pokračující zdroj, ISSN
1804­8293. Dostupné z http://www.transformacni­technologie.cz/tepelne­obehy­a­
jejich­realizace.html. English version: Heat cycles and their realizations. Web:
http://www.transformacni­technologie.cz/en_tepelne­obehy­a­jejich­realizace.html.
©Jiří Škorpík, LICENCE
www.transformacni­technologie.cz
7. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a
ekologické dopady
Autor: Jiří Škorpík, [email protected] : aktualizováno 2011­06
Fosilní paliva jsou zbytky prehistorické organické hmoty. Tyto zbytky jsou tvořeny
především uhlíkem popřípadě uhlovodíky. Fosilní paliva se v přírodě vyskytují v
různých formách pevných, kapalných i plynných. Obsahují velké množství uhlíku a
vodíku, které nejsou chemicky vázány na jiné prvky a proto mají poměrně velkou
výhřevnost. Jejich využití je především ve spalovaní v zařízeních (před spalováním
předchází úprava surového fosilního paliva), které vyrábí teplo nebo přímo elektrickou
energii. Využívají se i jinde například živice (zbytky po rafinaci ropy) se používá při
stavbě silnic, s fosilních paliv se vyrábí plasty a některé léky. Jedná se stále o velice
dostupný a levný zdroj energie. Bez fosilních paliv by energie byla mnohem dražší a
méně dostupná a dnešní svět tak jak jej známe by zcela jistě vypadal jinak (především z
pohledu ceny a množství úsilí vynakládané na získávaní energie pro uspokojování
lidských potřeb). Pokud by jen ČR chtěla nahradit fosilní paliva například vodíkem
vyráběný elektrolýzou v jaderných elektrárnách potřebovali bychom cca 47
temelínských bloků. Tj. stavbou jedné jaderné elektrárny se závislost na dovozu
fosilních paliv prakticky nezmění. Za jeden rok (2005) spotřebuje lidská civilizace
takové množství fosilních paliv jaké se tvořilo po dobu 2 miliónů let. Význam fosilních
paliv pro ČR, ale jiné rozvinuté země dokládá jejich energetický obsah.
Vznik uhlí
Uhlí jsou zuhelnatělé zbytky převážně suchozemských rostlin. Převážná část uhlí
pochází z období Karbonu, kdy byly pro vznik uhlí velice příhodné podmínky, který
jsou kombinace velkých přírodních katastrof a horotvorná činnost. Postupem doby, kdy
docházelo k úbytku přírodních katastrof vlivem stabilizace klimatu a ústupu horotvorné
činnosti došlo k útlumu vzniku uhelných ložisek:
1.id35 Přírodní katastrofa v období Karbonu.
Obrázek: Zdeněk Burian 1967.
Podstata tvorby fosilních paliv spočívá v odříznutí odumřelé biomasy od vzduchu
(například zakrytí vrstvou bahna o tloušťce přibližně 50 cm). Nejdříve probíhá
biologický rozklad biomasy pomocí bakterií. V další fázi vzniku uhlí je nutný termický
rozklad při vysokém tlaku, který může být způsoben poklesem vznikajícího ložiska do
větších hloubek způsobený horotvornou činností v dané lokalitě. Během uhelnatění
biomasy vznikají různé plyny (CH4, CO2) a voda, které bývají v ložisku přítomny:
Vznik uhlí je i časově náročný a jednotlivé meziprodukty vzniku uhlí lze rozdělit
obvykle na rašelinu→lignit→hnědé uhlí→černé uhlí→antracit:
2.id433 Výřez z časové osy Země zachycující období vzniku uhlí.
PAL. Paleogén; NE. Neogén; KENOZ. Kenozoikum. Přibližně 56% uhlí pochází z období Karbonu a
Permu. 30% z období Jury a Křídy. 14% uhlí pochází z období Paleogénu a Neogénu.
Rašelina
Rašelina vzniká nejdříve aerobním a při poklesu do hloubek několika metrů
anaerobních bakterií. V této fázi unikne do okolí i většina prchavých látek obsažených v
biomase. Rašelina svou strukturou stele připomíná tvary původního materiálu.
Lignit a hnědé uhlí
Vzniká z ložiska rašeliny. Pro vznik hnědého uhlí je nutný významnější pokles ložiska
biomasy (kombinací nahromaděných dalších vrstev biomasy nad původní a poklesu
podloží ložiska do větší hloubky). Za takových podmínek se zvyšoval tlak původní
usazené vrstvy biomasy a teplota přibližně mezi 150 až 200 °C. Přechodovou fází mezi
rašelinou a hnědým uhlím je lignit, který obsahuje ještě větší množství vody než čistě
hnědé uhlí. Ložisko lignitu a hnědého uhlí mají již charakter měkké horniny, ale lze v
nich rozeznat otisky tvarů původního materiálu.
Černé uhlí a antracit
Pokud pokles ložiska hnědého uhlí postupoval dále do větších hloubek až se teplota
ložiska pohybovala mezi 300 až 500 °C a tlak byl dostatečný na to, aby uhlí
prouhelnatělo ještě více vzniklo černé uhlí. Jestliže tyto podmínky trvaly dostatečně
dlouho zvýšil se podíl uhlíku v ložisku více jak na 92%, a takové uhlí nazýváme
antracit. V extrémních případech došlo k regionální metamorfóze, kdy se organická
hmota přeměnila na grafit [18]. Ložiska černého uhlí připomínají horninu a nelze v nich
rozeznat stopy tvarů a otisky původního materiálu.
Výsledná hloubka ložiska uhlí se může občas lišit pokračující horotvornou činností
v dané lokalitě. Například opětovným zdvižením ložiska nebo poklesem. Proto se
například některá ložiska hnědého uhlí a lignitu mohou nacházet hlouběji než některá
ložiska černého uhlí.
Rozdíly mezi jednotlivými typy uhlí jsou dány jejich složením:
C H O N S A w ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ (a) 63,6 2,3 4,8 0,7 0,4 20,2 8 % (b) 44,7 3,5 11,3 0,5 1 10 29 % 3.id36 Prvkové složení uhlí v procentech hmotnostního podílu.
a černé uhlí – důl Dukla s výhřevností 27,3 MJ∙kg­1; b hnědé uhlí – Mostecko 18,7 MJ∙kg­1 (na hnědé uhlí
velmi dobrá výhřevnost obvykle 10 až 15 MJ∙kg­1). C uhlík; H vodík; O kyslík; N dusík; S síra; A
popelovina; W voda. Porovnejte s prvkovým složením rostlinné biomasy*, která byla původním materiálem.
Obvyklá výhřevnost některých paliv včetně uhlí je uvedena v Tabulce 44.1043. Zdroj dat pro tabulku [2].
*Poznámka Porovnáním tabulky složení uhlí s tabulkou se složením rostlinné biomasy lze sledovat
jak se měnilo prvkové složení ložiska na časové ose rozkladu.
Z kolika km2 se sklidí stejná energie obsažená v biomase (obilná sláma) a na jakou plochu dopadne za rok
stejné množství sluneční energie, která byla obsažena ve veškerém uhlí vytěženém v ČR v roce 2005?
Víme, že v roce 2005 se v ČR vytěžilo množství uhlí v energetickém objemu přibližně 790 883 709 GJ.
Víme také, že energetický výnos biomasy určená z její výhřevnosti je 63 GJ∙ha­1 a průměrná sluneční
energie dopadající na 1 m2 plochy v našich geografických šířkách je 1000 kWh∙rok­1. Úloha 1.id175
Ložiska uhlí v ČR
Výskyt uhelných ložisek na území ČR je patrný z mapy:
4.id37 Geografické rozmístění hnědouhelných ložisek v ČR.
Hnědé uhlí: 1 severočeská hnědouhelná pánev; 2 sokolovská pánev; 3 chebská pánev; 4 žitavská pánev;
5 ložisko Uhelná; 6 výskyty křídového uhlí v okolí Moravské Třebové; 7 jihomoravská lignitová pánev;
8 jihočeské pánve. Černé uhlí: Hornoslezká pánev, Kladenská pánev, Oslavanská pánev (vytěžena).
Obrázek: [3].
Uhlí jako palivo pro ohniště bylo člověkem využíváno pravděpodobně již před 3
000 lety. V té době se ale účelově netěžilo a využívali se uhelné pánve, které byly
vybíhají přímo k povrchu země (což byly i některé lokality severní Moravy).
Uhlí se v ČR těží jak v povrchových dolech tak v dolech hlubinných (i v
kilometrových hloubkách ve formě hloubení tunelů). Hlubinná těžba uhlí u nás
odpovídá těžbě černého uhlí na Ostravsku. Většina uhlí u nás se těží v povrchových
dolech:
5.id38 Těžba uhlí v ČR.
vlevo Těžba hnědého uhlí v mosteckém revíru – Mostecká uhelná společnost [4]; vpravo spotřeba uhlí v ČR
[5] v jednotlivých letech. t [t] vytěžené množství. Rypadla pro povrchovou těžbu hnědého uhlí dosahují
výkonů až 10 000 m3∙hod­1 vytěžené hmoty*. V roce 2005 se v ČR vytěžilo 9 099 284 tun černého uhlí a 45
234 890 tun hnědého uhlí.
*Poznámka Vytěžená hmota neobsahuje pouze uhlí, ale i příměsi, které byly společně s biomasou v
pánvi uvězněny. Například u severočeských povrchových ložiscích se musí vytěžit cca
4 až 7 m3 na jednu tunu uhlí. Tomuto poměru se říká skrývkový poměr [m3·t­1]. Proto se
před distribucí k odběratelům uhlí musí vytěžená hmota třídit a odstranit příměsi.
Největším spotřebitelem uhlí nejen v ČR je elektroenergetika a průmysl. Některé
uhelné elektrárny (viz níže) jsou postaveny přímo v bezprostřední blízkosti ložiska uhlí
potom se přímo z dolu dopravuje uhlí na dopravních pásech přímo do areálu elektrárny.
Na větší vzdálenosti se dopravuje vlakem což vyžaduje obvykle posílenou železniční
infrastrukturu v okolí elektrárny a speciální vykládkové zařízení schopné vyložit
například i zamrzlé uhlí ve vagónech. Uhlí se dopravuje i mezi kontinenty po moři,
říčními cestami například i po Labi k elektrárně Mělník.
Spalování uhlí v uhelných elektrárnách
Uhlí se využívá k výrobě elektrické energie a tepla nejčastěji pomocí parního
oběhu, kde je uhlí zdrojem tepla uvolňovaného při jeho spalování v ohništi parního
kotle:
6.id684 Základní znaky uhelné elektrárny.
(a) celkový pohled na areál uhelné elektrárny Dětmarovice – letecká fotografie se svolením autora [1],
parametry [6]; (b) čistá účinnost bloku tepelné elektrárny s uhlím jako palivem uhelné elektrárny* –
definice [2, s. 517]; (c) zjednodušený řez granulačním kotlem v Dětmarovické elektrárně dosahující
účinnosti 91% [17] [schéma kotle poskytnul Bohumír Čech, VŠB – TU Ostrava], řezy dalšími velkými kotly
u nás např. [7]. 1 skládka paliva a hmogenizace paliva; 2 kotelny; 3 strojovny; 4 chladící věže; ηe,pr [­] čistá
účinnost bloku tepelné elektrárny (na prahu elektrárny), obecný vztah platný pro všechny typy tepelných
elektráren; Ppr [W] elektrický výkon na prahu elektrárny; m·pv [kg·s­1] hodinová spotřeba paliva
v elektrárně; Qir [J kg­1] výhřevnost paliva. Elektrárna obsahuje 4xelektrárenský blok 200 MW Škoda (čtyři
nezávislé výrobní okruhy obsahující zařízení k realizaci parního oběhu), tj. jsou zde 4 parní kotle s
granulační spalovací komorou [9, s. 84] a čtyři turbosoustrojí s parními turbínami. Více o typech kotlů na
spalování uhlí např. [9].
*Čistá účinnost bloku uhelné elektrárny
Čistá účinnost velké uhelné elektrárny v ČR se pohybuje od 30 % do 38 % ve světě
i více.
Uhlí se nejdříve na skládce homogenizuje to znamená, že se mísí jednotlivé
dodávky mezi sebou aby zajištěna stálá kvalita uhlí kvůli výhřevnosti odsíření atd.
Černé uhlí už neobsahuje prakticky žádný prchavý podíl. Hoří už jen uhlík. Parní kotle
na spalování uhlí jsou jsou mnohem výkonnější než kotle na biomasu, protože je k
dispozici velké množství paliva s vyšší výhřevností. Jeden tah kotle může dosahovat i
několik desítek metrů. Kotle na uhlí bývají vybaveny i dalším zařízením, které kotle na
biomasu nemívají především kvůli vysoké míře popelovin, prašnosti (odprášení spalin)
a škodlivých emisí, které se při spalovacím nebo těsně po spalovacím procesu musí ze
spalin odstranit.
Při výpočtu spalování se postupuje stejně jako při výpočtu spalování biomasy
uvedené například v [19], pouze složení paliva se liší.
Vypočítejte teplotu nechlazeného plamene při hoření černého uhlí. Předpokládejte stechiometrické spalování
suchého vzduchu (α=1). Množství a složení spalin (viz tabulka), Množství vzduchu potřebného ke spálení
1 kg paliva je 6,1039 m3n∙kg­1pal. Výhřevnost Qir=27,3 MJ∙kg­1pal. Úloha 2.id689
Hmotnostní složení černého uhlí Prvkový rozbor vzduchu ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ prvek kg/kg prvek m3n/m3n ωC 0,636 ωN2 0,7805 ωH 0,023 ωO2 0,21 ωO 0,048 ωAr 0,0092 ωN 0,007 ωCO2 0,0003 ωS 0,004 ωH2O 0,08 ωA 0,202 Tabulka k Úloze 2.
Vypočítejte objem spalin a teplotu nechlazeného plamene při hoření uhlíku. Spalování probíhá za pomocí
okysličovacího plynu o objemovém složení uvedeném v tabulce. Úloha 3.id690
Hmotnostní složení paliva Prvkový rozbor vzduchu ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ prvek kg/kg prvek m3n/m3n ωC 1 ωN2 0,79 ωH 0,023 ωO2 0,21 ωO 0,048 ωN 0,007 ωS 0,004 ωH2O 0,08 ωA 0,202 Tabulka k Úloze 3.
V uhelných elektrárnách se v ČR vyrábí více jak 60% elektřiny. Uhelné elektrárny
jsou většinou vázaný nejen na blízkost uhelného dolu ale i většího zdroje vody (řeka
nebo přehrada) potřebnou pro chlazení.
Ropa
Tekuté či polotekuté (živičné usazeniny) byly známy již od středověku (především
v jihovýchodní Asii) a byly zpracovávány jako stavební materiály, zdroje světla a
farmaceutické produkty. Ve větším měřítku se postupně začala používat ropa a její
produktu v Americe v průběhu 19. století. K čemuž přispěl i objev hlubinné těžby ropy
pomocí ropy v roce 1859 [20, s. 180]. Po vytěžení se ropa dále zpracovávala (formou
destilace) na různé frakce. Nejdříve se využívaly středně těžké frakce (petrolej) pro
spalování a svícení později lehčí (nafta, benzín) pro pohon motorů s vnitřním
spalováním. Ropa se v průběhu 20. století stala dominantním energetickým zdrojem v
současnosti stále bez alternativy především v dopravě.
7.id41 Ropné pole Signa Hill 1930 (dnes součást
jižního Los Angeles).
Autor fotografie nezjištěn, obrázek je publikován
např. v [10].
Výhřevnost ropy se pohybuje od 40 až 45 MJ∙kg­1 [15].
Těžba ropy
Těžba ropy probíhá na souši i pod hladinou oceánů. Na následujícím obrázku je
ropné pole Gullfaks asi 135 km od břehu Norska. Ropné pole se nachází cca 100 až 130
m pod hladinou. Je těženo za pomocí tří ropných plošin Gullfaks A, B a C na
betonových nohách vysokých až 150 m. Vytěžená ropa je shromažďována v zásobnících
blízko plošin odkud se přečerpává do tankerů. Na plošinách také probíhá ihned čištění
ropy (od vody a pod.). "This oil field reached peak production in 2001 at 180,000
barrels per day", což odpovídá přibližně 115% roční spotřeby ČR (2006):
8.id42 Ropné pole Gullfaks s třemi ropnými plošinami Gullfaks A, B, C vzdálené 135 km od pobřeží Norska.
Obrázek z [11].
Doprava ropné suroviny z ložiska na povrch po poklesu tlaku v ložisku se
nejčastěji realizuje pomocí dvouventilových pump a okrajově pomocí proudového
čerpadla (ejektoru umístěného při dně sacího koše – ejektorů může být zapojeno za
sebou několik [22]).
Složení ropy
Ropa je směsí především kapalných a plynných uhlovodíků a jiných organických
sloučenin. Při těžbě se dostává do ropy voda a minerální příměsi. Jedná se o živičné
látky, do které spadá zemní plyn (uhlovodíkový), asfalt a ozokerit (zemní vosk):
Sloučenina Chem. vzorec poznámka ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ Alkany* CnH2n+2 n=1..60 Cykloalkany CnH2n především C5H10 a C6H12 Aromatické uhlovodíky CnH2n­6 především C6H6 (benzén) 9.id691 Přibližné složení ropy.
Ropa v malém množství obsahuje i další sloučeniny obsahující kromě vodíku a kyslíku i dusík a síru. Zdroj
dat pro tabulku [12].
*Alkany v ropě
Podle složení se může jednat o látky ve skupenství plynném ( CH4 – metan až C4H10 – ),
kapalném (C5H12 až C16H34) a ostatní alkany jsou v pevné podobě.
Složení ropy kolísá podle naleziště; některé druhy ropy obsahují převážně alkany
(parafinické ropy), v jiných převládají cykloalkany (naftenické ropy) nebo aromatické
uhlovodíky (aromatické ropy). Pro snadnější využití (skladování, spalování) se provádí
krakování [20, s. 181], což je tepelné zpracování (450 až 900 °C) ropy při kterém
dochází k rozpadu – rozštěpení uhlíkatých řetězců na lehčí řetězce.
Vznik ropy není tak jednoznačně popsatelný jako vznik uhlí. Většina ropy má
pravděpodobně původ v rozkladu biomasy v blízkosti pobřeží, které později kleslo do
větších hloubek. Některé teorie předpokládají i nebiologický vznik ropy na základě
především geologických procesů, při kterých dochází k separací organických sloučenin
obsažených v neživé hornině.
Spotřeba ropy v ČR
ČR nemá významné zásoby (naleziště) ropy. Ropu je nutné dovážet. Do ČR se
dováží ropa především z Ruska ropovodem Družba. Menší přípojka je i z Německa
(napojení na ropovod TAL vedoucí z přístavu Terst). Ropa v elektroenergetice nehraje
významnou roli (kotle na spalování oleje nebo jiných ropných produktů jsou pouze
záložní), ale spotřeba pro jiné části průmyslu a dopravu je obrovská:
10.id43 Ropovod Družba se sítí ropovodů v ČR a dovoz ropy a ropných produktů do ČR.
t [mil. tun] množství spotřebopvané ropy. Obrázek sítě ropovodů z [13]; zdroj dat pro graf [5].
Protože ropa je pro ČR republiku strategická a nemá významné vlastní přírodní
ložiska ropy disponuje zásobníky s kapacitou odpovídající přibližně devadesáti denní
spotřebě (2007). Většina zásobníků je situována v lokalitě Nelahozeves [8]. Mimo
ropných zásobníků se jsou v ČR v provozu i zásobníky na pohonné hmoty.
Zemní plyn
Zemní plyn z velké většiny tvořen pouze metanem CH4 často doprovází ložiska
předchozích dvou fosilních paliv, především ropy. Zemní plyn se nahromadí i při
rozkladu biomasy na uhlí či ropu nad ložiskem v případě, je mu znemožněno uniknout
na povrch. Tlak zemního plynu v ložisku dosahuje až 100 MPa.
Plyn [% obj.] ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­
CH4 98,2 S [mg·m3n] 0,20 CmHn 0,94 Qir [MJ·m3n] 34,08 CO2 0,10 Qr [MJ·m3n] 37,82 N2 0,77 ρ [kg·m­3n] 0,69 ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ zápalná teplota [°C] 650 ad. tep. plamene [°C] 1957 11.id44 Složení tranzitního plynu (zemní plyn v tranzitním plynovodu).
Údaj z roku 2001. Zdroj [2].
Dovoz a distribuce zemního plynu
Podobně jako ropu je nutné zemní plyn do ČR dovážet. Díky masivní podpoře
plynofikace v první polovině minulého desetiletí se zvýšila spotřeba zemního plynu z
cca 6 mld. m3 na 9,5 mld. m3. Na této úrovni se spotřeba zemního plynu pohybuje
posledních 5 let. Svým odběrem se tak Česká republika podílí na celosvětové spotřebě
zemního plynu 0,4%.
12.id45 Spotřeba zemního plynu v ČR (objem při 15 °C) a trasa tranzitního plynovodu Tranzit přes území
ČR.
3
t [mil. m n] objem spotřebovaného zemního plynu. Světlost plynovodu: 5x Ø1 400 mm, průtok: 120 mil.
m3∙den­1 (z toho odběr ČR 30 mil. m3∙den­1), provozní tlak: 7,5 MPa. HPS hraniční předávací stanice; VPS
vnitřní předávací stanice; KS konečná stanice; PZP podzemní zásobník plynu. Zdroj obrázku a dat [14].
Do ČR se dováží plyn z Ruska tranzitním plynovodem Tranzit. Malé množství
zemního plynu se dováží přes Německo z Norska. Část plynu přecházejícího přes ČR
jde do Německa a Francie. Celá Evropa je protkána poměrně hustou sítí plynovodů,
které jsou zásobovány z východu (Rusko), z jihu a ze severu (v severním moři se
nachází významné zásoby zemního plynu).
Na následujícím obrázku je znázorněna spotřeba zp během roku a množství
zemního plynu, které si může ČR odebrat z Tranzitu (na obrázku je vyznačeno toto
množství jako konstantní, ale ve skutečnosti se během roku mění a v létě může odebírat
z Tranzitu ČR více zemního plynu než v zimě). Je zřejmé, že povolený odběr v zimě
nedokáže pokrýt spotřebu a naopak v létě je povolený odběr větší než se spotřeba. Proto
se na území ČR provozují podzemní zásobníky plynu, které se přes léto plní přebytky a
v zimě se z nich odebírá potřebné množství zemního plynu pro pokrytí veškeré
spotřeby:
13.id46 Spotřeba ZP a dovoz plynu pro ČR.
Šrafování aktuální spotřeba ZP v daném měsíci; Fialová přebytek/nedostatek odebíraného zemního plynu z
tranzitního plynovodu. Jak ukazuje graf. Protože plynovody jsou navrženy pro konstantní průtok během roku
je v létě do těchto zásobníků plyn dodáván a v zimě z nich opět odčerpáván.
Na rozdíl od skladování svítiplynu*, který se uskladňoval v nadzemních
zásobnících je potřebné množství zemního plynu pro uskladnění tak velké, že se ukládá
do obrovských podzemních prostor. Pro podzemní zásobník se využije buďto prostory
po vytěžené ropě či zemním plynu, loužením solných ložisek, po odčerpání části nebo
veškeré vody z podzemního jezera (aquifera) a nebo v jeskyni nějakého masivu.
Hloubky takových skladových prostor jsou ve stovkách až tisících metrech. V Hájích na
Příbramsku je podzemní zásobník vybudovaný v žulovém masivu v hloubce 1000 m:
14.id692 Podzemní zásobník plynu Dolní Dunajovice.
1 cetrála zásobníku; 2 produkční kříž; 3 tlak plynu v zásobníku dosahuje několika MPa zde 1,5 MPa.
*Svítiplyn
Plyn vyrobený zplyňováním uhlí, používaný od 19. a značnou část 20. století místo
zemního plynu, který v té době nebyl dostupný.
Na větší vzdálenost (tam kde se nevyplatí vybudovat plynovod) se zemní plyn
převáží ve zkapalněném stavu tzv. LNG (Liquid Natural Gas) pomocí tankerů.
Například do Evropy se tímto způsobem přepravuje zemní plyn ze severní Afriky [21].
Výpočet dodané energie v zemním plynu
Odběr plynu je měřen plynoměrem v jednotkách m3. Platba je ovšem provedena za
dodanou energie vypočítané ze spalného tepla dodávaného plynu. Spalné teplo plynu je
naměřeno při určitém tlaku a teplotě plynu. Pokud je tedy plyn odebírán při jiné teplotě
či tlaku nebo kombinací obou, potom se musí dodaný objem plynu nejdříve přepočítat
na objem plynu při vztažných podmínkách. Tento přepočet se dělá pomocí stavových
rovnic pro vztažné podmínky a provozní podmínky plynovodu v místě odběru. Vztažné
podmínky jsou obvykle tv=15 °C, pv=101,325 kPa:
15.id47 Energie dodaná v zemním plynu.
3
QD [kWh] dodané teplo; Vv [m ] objem dodaného plynu při vztažných podmínkách; Qr [kWh·m­3] spalné
teplo dodaného plynu při vztažných podmínkách (měří se na odběrech v plynovodu několikrát za měsíc);
Vp [m3] objem dodaného plynu (údaj z plynoměru); k [­] přepočtový koeficient; K [­] stupeň kompresibility
(přibližně 1,0001); pp [kPa] tlak plynu v místě odběru; Tv [K] vztažná teplota odebraného plynu; Tp [K]
teplota plynu v místě odběru; pv [kPa] vztažný tlak plynu; pb [kPa] atmosférický tlak v místě odběru;
ppr [kPa] přetlak plynu v místě odběru; h [m] nadmořská výška místa odběru plynu.
Ze vzorců je zřejmé, že odebrané množství tepla odpovídá vychlazením spalin na
vztažnou teplotu tedy 15 °C. Ve skutečnosti pokud spotřebitel nedisponuje kotlem, který
je schopen vychladit spaliny na co nejnižší teplotu (kondenzační kotel) bývá teplota
spalin do komína cca 120 °C a část energie, které spotřebitel zaplatí není schopen
využít.
Vypočtěte množství dodané energie v zemním plynu pro dvě zeměpisně odlišná místa. Odběrnými místy
jsou Brno (243 m n.m.) a (Třešť 545 m n.m.). Obě odběrová místa odebrala za rok stejné množství plynu
2500 m3 (údaj z plynoměru). Průměrná teplota dodávaného plynu byla 9 °C. Průměrná hodnota přetlaku v
plynu v místech odběrů 2 kPa. Střední spalné objemové teplo plynu ve sledovaný rok pro vztažné podmínky
bylo Qr=10,5261 kWh∙m­3. Vztažné podmínky: pv=101,325 kPa, Tv=288,15 K. Výsledek uveďte v kWh i v
MJ. Úloha 4.id693
Vypočítejte objem spalin a teplotu nechlazeného plamene při stechiometrickém spalování zemního plynu.
Předpokládejte spalování suchého vzduchu. Výhřevnost Qir=34 080 kJ∙m­3n, pal. Složení vzduchu je stejné
jako v případě Úlohy 2, složení zemního plynu je uvedeno v Tabulce 11. Úloha 5.id694
Závislost na dovozu fosilních paliv
ČR i většina zemí v EU nemá významné zásoby ropy a zemního plynu, výjimku
tvoří uhlí. Tento fakt výrazně ovlivňuje závislost Evropy na dovozu paliv jak ukazuje
tabulka:
země EU dovoz [%] země EU dovoz [%] ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ Británie 0 (čistý vývozce) Německo 60,5 Dánsko 0 (čistý vývozce) Slovensko 65,3 Polsko 11,3 Itálie 86,7 ČR 26,6 Lucembursko 100 Estonsko 29,2 Kypr 100 Francie 50,3 Malta 100 16.id49 Množství dovážených fosilních paliv/produktů.
Údaj z roku 2004.
ČR z vlastních zdrojů pokrývá 73,4% spotřeby, import tvoří zbývajících 26,6%.
Což řadí ČR na čtvrté místo v EU. V případě uhlí je ČR čistým vývozcem, naopak přes
95% spotřeby ropy a zemního plynu pochází z dovozu.
Spalování fosilních paliv a ekologické dopady
Po spálení mají výstupní spaliny jiné složení než spalovací vzduch. Spaliny
obsahují všechny prvky a sloučeniny co vzduch včetně kyslíku, protože neexistuje
technické zařízení, které by spálilo veškerý kyslík. Navíc jsou ve spalinách další prvky
sloučeniny, které byly obsaženy v palivu nebo vznikly při jeho hoření. Některé plyny
jsou zdraví a přírodě škodlivé tzv. škodlivé emise. Pokud by nedošlo k jejich odstranění
nebo přetvoření než budou vypuštěny do atmosféry mohly by uškodit jak člověku tak
přírodě nejen v bezprostředním okolí zdroje. Některé sloučeniny dokonce v atmosféře
dále reagují a přetvářejí se. Množství jednotlivých emisí ve spalinách se stanovuje v
jednotkách ppm. Přičemž 1 ppm je miliontina objemu v daném objemu při normálných
podmínkách (podle 309/91 Sb. a vyhláškou 117) [2].
Některé sloučeniny emitované do ovzduší mají vysokou rozpustnost ve vodě a jsou
zpětně ukládány spolu s kapkami vody na zemský povrch. Některé sloučeniny unikají
až do stratosféry, kde vlivem slunečního záření muže dojít k jejich rozkladu na jiné
částice, které lépe reagují s okolím a opět vytváří další sloučeniny.
Mimo níže uvedené sloučeniny mohou spaliny obsahovat v malé míře další
sloučeniny a škodliviny, které vznikají v různých fázích spalovacího procesu podle
druhu zařízení. Mohou vznikat halogeny – plynný chlorovodík HCL a fluorovodík HF;
stopové prvky organických sloučenin uvolněné do plynné fáze během spalování.
Obsahem spalin bývají i emise tuhých částic (prach). Uhlí může obsahovat i malé
množství radioaktivních prvků a těžké kovy (jedná se materiál splavený při
nahromadění biomasy během přírodních katastrof), které jsou vylučovány v tuhých
částicích ve spalinách i v popelu.
Vliv oxidů síry
Obsahuje­li palivo síru může při hoření vznikat SO2 (oxid siřičitý), přičemž
některý SO2 (2% až 3%) reaguje ještě ve spalovacím zařízení na SO3 (oxid sírový). SO2
je odolný vůči UV záření a v atmosféře dochází k jeho oxidaci na SO3 a následně k
tvorbě kyseliny sírové H2SO4, která se při vodních srážkách dostává na na zemský
povrch kyselé deště. Odstraňování sloučenin síry ze spalin se nazývá odsířeni nebo­li
desulfidace a používá se k tomu několik metod. U fluidních ohnišť se síra obsažená v
palivu odstraňuje částečně už ve fluidní vrstvě za pomocí vápna, což je jedna z výhod
fluidního spalovaní. U automobilové dopravy se síra neuvolňuje protože automobilová
paliva už síru neobsahují. Podrobnější popis [2, s. 444].
17.id695 Schématické znázornění působení oxidů síry uniklé při spalování do ovzduší na atmosféru.
Podrobnější popis chemických reakcí síry vznikajících při hoření a v atmosféře je uveden v [2, s. 218].
Vliv oxidů dusíku
Při spalování se hoření účastní i dusík obsažený v palivu a především dusík
obsažený ve vzduchu. Tento dusík reaguje ve spalovacích zařízeních s kyslíkem
přičemž vzniká NO (oxid dusnatý cca 95% z celkového množství oxidu dusíku) a NO2
(oxid dusičitý cca 5% z celkového množství oxidu dusíku), které se souhrnně nazývají
NOx. Tvorba závisí především na koncentraci kyslíku, době pobytu a teplotě ve
spalovacím prostoru, kde je přítomen kyslík. NOx a jejich produkty způsobuje redukci
ozónu a tím přispívá ke vzniku skleníkového efektu a podílí se na změně klimatu. Za
jistých podmínek může v atmosféře vznikat za pomocí sloučenin dusíku i kyselina
dusičná. Více [2, s. 464].
18.id696 Schématické znázornění působení oxidů dusíku uniklého při spalování do ovzduší na atmosféru.
Podrobnější popis chemických reakcí dusíku vznikajících při hoření a v atmosféře je uveden v [2, s. 219].
Tvorba CO a CO2 a koloběh uhlíku
Při spalování fosilních paliv vzniká velké množství CO2 (oxid uhličitý), protože
dominantním prvkem fosilních paliv je uhlík a velká většina spalného tepla je právě
vázána na na uhlík. Spalování uhlíku je podstatou spalování fosilních paliv. CO (oxid
uhelnatý) je produktem; nedokonalého spalování, kdy vlivem nedostatku kyslíku
nedochází k úplné oxidaci palivového uhlíku. Uhlík a oxidy uhlíku jsou nenahraditelnou
součástí biosféry a slouží jako základní stavební kámen živých organismů a rostlin. Na
koloběhu uhlíku v přírodě je proto vlivem omezené životnosti biologické hmoty život
naprosto závislý:
19.id50 Koloběh uhlíku.
1 fotosyntéza a vznik glukózy; 2 spalování biomasy; 3 využití glukózy při dýchání; 4 rozklad biomasy; 6
fosilizace biomasy (rašelina); 7 těžba fosilních paliv; 8 spalování fos. paliv (energetika, doprava, průmysl
atd.); 9 vulkanická činnost (únik uhlíku do atmosféry); 10 sedimentace uhlíku v oceánu a v mořské funě a
flóře; 11 neplynná část Země. Sedimenty obsahující uhlík se ze dna oceánů dostávají do atmosféry
vulkanickou činností. Plocha oceánu respektive mořská vody je schopna některé uhlíkaté sloučeniny jímat i
do svého objemu (za cenu zvýšení kyselosti) a postupně ho u dna vyloučit ve formě uhličitanů.
Z obrázku je patrné, že koloběh uhlíku nemusí být v současnosti v rovnováze a do
atmosféry je ho uvolňováno víc než je z ní spotřebováváno. Zatímco tvorba CO2 vlivem
rozpadu či dalšího zpracování biomasy je kompenzováno přibližně stejnou spotřebou
atmosférického CO2, tak vzniklé CO2 při spalování fosilních paliv zůstává v atmosféře
(v malé míře je pohlcován oceány). Při spalování fosilních paliv uniká do atmosféry
uhlík, který byl uložen před mnoha milióny let v zemi, což přispělo ke snížení
koncentrace CO2. Spalováním fosilních paliv se tedy opět dávno uložený uhlík dostává
do atmosféry a tím jeho koncentrace v atmosféře roste oproti stavu před masivním
spalováním fosilních paliv. S jistou rezervou lze tvrdit, že spalováním fosilních paliv se
koncentrace CO2 v atmosféře vrací v čase, přičemž koncentrace oxidů uhlíku v
atmosféře má vliv na klima Země, protože se jedná o skleníkový plyn.
Největší krátkodobé či dlouhodobé zásoby uhlíku ve formě různých sloučenin
následující:
(1) sedimenty na dně oceánů asi 40 000 Gt uhlíku, (2) fosilní paliva 5 000 až 10 000 Gt uhlíku, (3) odumřelá biomasa asi 2 000 Gt uhlíku, (4) ovzduší dnes 800 Gt uhlíku, (5) uhličitany, (6) živá biohmota. 20.id697 Krátkodobé či dlouhodobé zásoby uhlíku na zemském povrchu a atmosféře ve formě různých
sloučenin.
Zdroj dat [15].
Skleníkový efekt a vliv CO2
Sluneční záření dopadající na povrch Země má vlnovou délku nejčastěji
odpovídající viditelnému světlu. Část tohoto záření je odražena na atmosférou nebo
povrchem Země do vesmírného prostoru beze změny vlnové délky jak je popsáno v
kapitole 2. Tepelný tok ze Slunce na Zemi . Větší část tohoto záření je pohlcena zemí a
přeměněna na vnitřní tepelnou energii Země odkud je vyzářena zpět do vesmírného
prostoru v podobě záření o vlnové délce odpovídající teplotě látky, které jej vyzářilo.
Vlnová délka elektromagnetického záření odpovídající teplotě povrchu Země je
mnohem větší 5 až 40 mm. Pro takové dlouhovlnné záření je mnohem těžší projít
atmosférou než slunečnímu záření, které má vlnovou délku mnohem menší a je částečně
absorbováno skleníkovými plyny v atmosféře.
Skleníkové plyny se zahřívají a vyzařují tepelné záření buď do vesmíru nebo zpět
k zemi. Tím se část záření Zemí vyzářené vrací zpět k Zemi a ohřívají ji ještě více. Čím
vyšší bude koncentrace skleníkových plynu v atmosféře tím vyšší bude i podíl
zachyceného záření atmosférou teplota atmosféry a Země a obráceně. Záleží také na
množství energie, které může atmosféra zachytit. Protože skleníkové plyny absorbují
záření pouze o určitých vlnových délkách může zachytit pouze energii v této vlnových
délkách vyzařované.
Sálavé spektrum Země se dramaticky nemění ani při globálním oteplováním, proto
se předpokládá, že od okamžiku kdy bude zachyceno veškeré možné záření vysálané
Zemí nebude mít zvyšování koncentrace skleníkových plynů na množství zachycené
energie vliv. Tato úvaha je chybná, protože skleníkových plynů je několik druhů a
pokrývají svou absorpcí prakticky celé spektrum kromě spektra viditelného světla. Mezi
velmi vlivné skleníkové plyny v atmosféře patří například H2O, CH4 a CO2. Především
zvyšování koncentrace v atmosféře posledně zmiňovaného plynu je připisován velký
podíl na změně klimatu vlivem globálního oteplování:
21.id51 Průběh změn počtu slunečních skvrn, koncentrací CO2 a teploty od roku 1850.
(a) průběh teploty; (b) koncentrace CO2 z rozboru ledu z Law Dome v Antarktidě; (c) koncentrace CO2 z
měření na observatoři Mauna Loa; (d) počet slunečních skvrn. Zdroj [16].
Z obrázku je patrný vliv koncentrace CO2 na globální teplotu. Jedním z příčin
zvyšování koncentrace CO2 je spalovaní fosilních paliv. Proto jsou v některých zemích
legislativně a dotacemi podporovány technologii, které mají co nejnižší produkci CO2
na množství získané energie. Například místo uhlí se podporuje spalování zemního
plynu a pod, což je zřejmé z následující tabulky. Také se některé státy pokouší omezovat
produkci CO2 zpoplatněním jejich vypouštění do atmosféry tzv. povolenky CO2 a zkouší
sei technologie na uskladňování CO2 ze spalin například v dutinách po těžbě a pod.
účinnost elektrárny [%] 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ palivo ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ hnědé uhlí 1,13 0,97 0,85 0,75 0,68 ­ ­ černé uhlí 1,16 0,99 0,87 0,77 0,70 ­ ­ zemní plyn 0,72 0,61 0,54 0,48 0,43 0,43 0,36 ropa 0,91 0,78 0,68 0,61 0,55 0,50 0,46
22.id52 Měrná produkce CO2 při výrobě elektřiny [kgCO2/kWh] v závislosti na druhu paliva a účinnosti
elektrárny.
Zdroj dat [15].
Odkazy
1. Oficiální web Michala Poláka. Web: http://www.empefoto.cz, [2011].
2. IBLER, Zbyněk, KARTÁK, Jan, MERTLOVÁ, Jiřina, IBLER, Zbyněk ml. Technický
průvodce energetika­1. díl, 2002. 1. vydání. Praha: BEN­technická literatura, ISBN 80­
7300­026­1.
3. OTČENÁŠEK, Petr. Elektrická energie pro Českou republiku, 2006. Vydal ČEZ, a.s.,
Dostupné z http://www.cez.cz/edee/content/file/vzdelavani/elektricka­energie­cr.pdf,
[2013].
4. Czech Coal, a.s.. Obchodní společnost s uhlím. Adresa: Evropská 2690/17, 160 00
Praha 6, Dejvice, web: http://www.czechcoal.cz, [2011].
5. Český statistický úřad. Web: http://www.czso.cz, [2011].
6. Elekrárna Dětmarovice, Web:http://www.cez.cz/cs/vyroba­elektriny/uhelne­
elektrarny/cr/detmarovice.html, [2011].
7. ČECH, Bohumír. Diagnostické metody měření spalinových traktů a jejich aplikace u
kotlů s fluidní vrstvou, 1997. Disertační práce obhájená na Slezské polytechnice Gliwice
katedře energetiky a životního prostředí v roce 1998. Práce obsahuje i katalog
schématických řezů všech fluidních kotlů v ČR – stav konec roku 1997.
8. Autor neuveden. České zásoby ropy čekají v pískovně u Nelahozevsi, iDnes.cz, 2007.
Dostupné z http://ekonomika.idnes.cz/ceske­zasoby­ropy­cekaji­v­piskovne­u­
nelahozevsi­fvw­/ekonomika.aspx?c=A070112_163905_ekonomika_ven, [2012].
9. KRBEK, Jaroslav, OCHRANA, Ladislav, POLESNÝ, Bohumil. Průmyslová
energetika, 1996. 1. vydání. Brno: Fakulta strojní VUT v Brně, ISBN 80­214­0831­6.
10. ANGELO, Laura (Lead Author), CLEVELAND, Cutler. "Signal Hill, California",
In: Encyclopedia of Earth, July 2, 2008. Washington, D.C.: Environmental Information
Coalition, National Council for Science and the Environment, Dostupné
z http://www.eoearth.org/article/Signal_Hill,_California.
11. Statoil, energetetická společnost zaměřená na těžbu a zpracování ropy a zemního
plynu. Web: http://www.statoil.com, [2011].
12. ZIMÁK, Jiří. Ložiska nerostných surovin, 2005. Olomouc: Katedra geologie PřF UP
Olomouc. Dostupné z http://www.geology.upol.cz/soubory/LG­3.doc, [2011].
13. MERO ČR, a. s., vlastník a provozovatel české části ropovodu Družba a ropovodu
IKL. Adresa: Veltruská 748, 278 01 Kralupy nad Vltavou­Lobeček, web:
http://www.mero.cz, [2011].
14. Energetický regulační úřad. Web: http://www.eru.cz, [2011].
15. KADRNOŽKA, Jaroslav. Energie a globální oteplování – Země v proměnách při
opatřování energie, 2006. 1. vydání. Brno: VUTIUM, ISBN 80­214­2919­4.
16. Autor neuveden. Global Climate Change, 2011. Stanford SOLAR Center, dostupné
z http://solar­center.stanford.edu/sun­on­earth/glob­warm.html, [2011].
17. JANČAR, Rostislav. Prozkoumali jsme jedinou černouhelnou elektrárnu v Česku,
iDnes.cz, 2007. Dostupné z http://technet.idnes.cz/prozkoumali­jsme­jedinou­
cernouhelnou­elektrarnu­v­cesku­pnw­/tec_technika.aspx?
c=A070202_122622_tec_technika_rja, [2012].
18. KASÍK, Pavel. Neobyčejná historie obyčejné tužky, iDnes.cz, 2007. Dostupné
z http://technet.idnes.cz/neobycejna­historie­obycejne­tuzky­dbi­/tec_technika.asp?
c=A071025_221320_tec_technika_pka, [2012].
19. KÓL, Přemysl. Spalovací procesy. Internetové stránky zabývající se popisem
spalování a vztahy pro výpočet spalování. Dostupné z http://Spalovaci­procesy.wz.cz,
[2011].
20. PACÁK, Josef. Úvod do studia organické chemie, 1982. 1. vydání. Praha: SNTL.
21. HARANT, Václav. Plyn, nebo vodík?, ihned.cz, 2006. Dostupné
z http://ekonom.ihned.cz/c1­18095430­vaclav­harant­plyn­nebo­vodik, [2012].
22. HIBŠ, Miroslav. Proudové přístroje, 1981. 2. vydání­přepracované. Praha: SNTL ­
Nakladatelství technické literatury, n. p., DT 621.694.
Citace tohoto článku
ŠKORPÍK, Jiří. Fosilní paliva, jejich využití v energetice a ekologické dopady,
Transformační technologie, 2011­04, [last updated 2011­06]. Brno: Jiří Škorpík, [on­
line] pokračující zdroj, ISSN 1804­8293. Dostupné z http://www.transformacni­
technologie.cz/fosilni­paliva­jejich­vyuziti­v­energetice­a­ekologicke­dopady.html.
©Jiří Škorpík, LICENCE
www.transformacni­technologie.cz
8. Využití tepla Země
Autor: Jiří Škorpík, [email protected]: aktualizováno 2014­06
Energii sdílí povrch Země (myšleno několika kilometrová hloubka) nejen se
Sluncem (sluneční energie), i když tato energie je dominantní, ale také s nitrem Země
geotermální energie*, slapovými silami (zpomalování rotace Země) a další např.
při dopadu meteoritů atd. Ve svém důsledku se tyto energie transformují na teplo
povrchu Země. Sluneční energie zahřívá atmosféru a povrch Země (do malé hloubky)
včetně vodních ploch a plynného obalu. Toto ohřátí není velké a dosahuje maximálně
několika desítek stupňů Celsia. Průměrný tepelný tok z nitra Země je o několik řádů
nižší (udává se v mW∙m­2) než je tepelný tok od Slunce. Ovšem tepelný odpor Zemské
kůry způsobuje, že přibližně každých 100 m hloubky se zvýší teplota o 3 °C.
V bezprostředním dosahu člověka je tedy k dispozici velké množství tepla, ale o
poměrně nízké teplotě, přesto i toto nízko – potenciální teplo lze různými způsoby
využít v energetice.
*Geotermální energie
Za geotermální energii je považováno teplo zemského jádra, které již několik miliard let
chládne, energie z náhodných jaderných reakcí v nitru Země, energie pohybu zemských
desek a v relativně tenké vrstvě (několik metrů) v místech s většími výkyvy teplot
během střídání ročních období se mezi ročně akumuluje sluneční energie.
Pro smysluplnou výrobu elektrické energie v tepelném oběhu by teplota zdroje
musela být mnohem vyšší [2]. V případě využití sluneční energie je možné teplotu
dopadající na určitou plochu zvýšit koncentrací slunečních paprsků pomocí
parabolického zrcadla. V případě geotermální energie nedokážeme tuto energii
koncentrovat uměle a tak zvýšit teplotu ohřívaného média. Ale na některých místech
Země dochází ke koncentraci geologické energie jehož výsledkem mohou být horniny
zahřáté na vysokou teplotu (místa blízké vulkanické činnosti či blízkosti tektonických
zlomů apod.). Na takových místech lze budovat i elektrárny využívající teplo Země.
Na našem území se geotermální energie využívá prakticky pouze pro výrobu
nízko­potenciálního tepla často pomocí tepelných čerpadel. Průměrný tepelný tok
geotermální energie činí 62,8 mW∙m­2 [8, s. 68], čemuž odpovídá výkon 4 952,8 MW pro
plochu České republiky.
Přímé využití geotermální energie
Přímé využití geotermální energie je vázáno na lokality s přirozeným výskytem
horkých hornin v blízkosti povrchu Země a vyvěrající horké prameny. V České
republice je výskyt takových lokalit minimální a známé prameny se využívají pouze
k lázeňským účelům (teplota od 30 do 80 °C /Karlovy Vary 73 °C/) pro jejich malou
vydatnost. V některých okolních státech jsou takové prameny mnohem vydatnější a
používají se například k vytápění skleníků pomocí geotermálních výtopen. Na
Islandujsou dokonce natolik vydatné zdroje horkých pramenů, že se jimi vytápí celé
Islandujsou dokonce natolik vydatné zdroje horkých pramenů, že se jimi vytápí celé
aglomerace (např. hl. město Reykjavík).
Geotermální energii je možné využít i k výrobě elektřiny v geotermálních
elektrárnách pomocí parního oběhu v místech, kde teploty geologických vrstev
dosahují alespoň 200 °C (při nižších teplotách je možné použít ještě Kalinův oběh
případně další vhodné typy tepelných oběhů). Zdrojem tepla pro parní oběh jsou horké
horniny (nejlépe drť) obvykle ve větších hloubkách, ke kterým je pomocí vrtu přiváděna
voda o vysokém tlaku. Voda je v podstatě postupně protlačena mezerami mezi
jednotlivými kusy horniny a tak se ohřívá na požadovanou teplotu. Protějším vrtem je
tato horká voda odváděna k povrchu k dalšímu využití například v parní elektrárně.
Tento způsob ohřevu vody se nazývá Hot–Dry–Rock (HDR).
1.id32 Schéma zařízení pro realizaci R­C oběhu
využívající teplo z nitra Země.
1 Horká voda; 2 uvolňovač páry; 2'' Sytá pára; 3
parní turbína; 4 kondenzátor; 5 kondenzátní
čerpadlo; 6 dopravní čerpadlo doplňující vodu zpět
do ložiska horké vody (udržování tlaku vody
v ložisku); 7 chladící věž.
V případě parní elektrárny je horká voda přiváděna do uvolňovače páry a vzniklá
pára je využita standardním způsobem v parním oběhu (v případě Kalinova oběhu je
uvolňovač páry nahrazen povrchovým tepelným výměníkem pro ohřev roztoku čpavku
a vody). Po kondenzaci je voda čerpána zpět do vrtu k dalšímu ohřevu. Tento typ
elektráren se ale příliš nevyplácí v místech, kde není zvýšená geologická aktivita.
Protože průměrný tepelný tok z jádra Země je příliš malý a proto vyhloubený prostor
pro adekvátní výkon by musel být obrovský. Odtud plynou vysoké pořizovací náklady a
především velké technické problémy. Tento typ elektráren je experimentálně
provozován v několika zemích v četně těch Evropských [5]. V geologicky neaktivních
lokalitách se tento systém vyplatí přibližně tam, kde je gradient nárůstu teploty
s hloubkou vyšší než 3 °C/100 m. Přírodních podzemních lokalit vyplněné dostatečně
pórovitou horkou horninou je málo a v praxi se pórovitosti dosahuje pomocí umělých
explozí.
Po zprovoznění takové elektrárny postupně její výkon klesá, tak jak se ochlazuje
původní hornina. Tento výkon klesne (po vyčerpání naakumulovaného tepla
v horninách) na hodnotu odpovídají tepelnému toku z nitra Země v dané oblasti. Aby se
uvedený systém opravdu vyplatil budují se v místech s vyšší geologickou aktivitou
popřípadě blízko vulkánů (vulkanické elektrárny). Takové typy elektráren se nacházejí
např. v Itálii, USA, Novém Zélandu, Islandu* a v dalších geologicky podobných
lokalitách.
*Poznámka Oblast Islandu je velmi geologicky aktivní a nachází se tam oblasti s velmi horkým
prostředím (teplota 180 až 300 °C v hloubkách 1 až 2 km nebo až 700 °C v hloubkách
3 až 5 km). Z těchto důvodů se zvažuje ekonomická smysluplnost dodávka Islandské
elektřiny pomocí vysokonapěťového stejnosměrného kabelu do Evropy [2].
2.id33 Geotermální elektrárna Krafla 2x30 MW (Island) a výměna rotoru turbíny.
1 strojovna; 2 chladící věže; 3 rozvodna elektřiny; 4 parní separátor, 5 parovod; 6 zdroje páry. V tomto případě je zdrojem horké vody vrt v blízkosti vulkánu. Zdroj: [3].
Problémy u takových typů elektráren způsobují nečistoty ve vodě, které si sebou z
podzemních vrtů přináší (především rozpuštěné plyny a minerální látky s vysokým
podílem především síry a čpavku). Tyto nečistoty způsobují zvýšené opotřebení všech
součástí (především turbín) mechanickým i chemickým způsobem. Rozpuštěné plyny
zase způsobují problémy v kondenzátoru, kdy zvyšují tlak kondenzace a je proto nutné
je odsávat z prostoru kondenzace pomocí vývěv [4]. Z těchto důvodů se místo
uvolňovače páry instaluje povrchový výměník (parogenerátor), kde z jedné strany horká
voda z vrtu postupně ohřívá až k teplotě varu čistou vodu v okruhu turbíny. Tento
způsob, ale významně negativně ovlivňuje celkový výkon a tepelnou účinnost
elektrárny.
Tepelná čerpadla
V geografických podmínkách střídání ročních období je možné využívat nízko­
potenciální teplo akumulované v zemi a vodě. Toto teplo získává zemina a povrchová
voda ze sluneční energie přijímaná jejich povrchem během slunečných dnů případně
horkého produ vzduchu při povrchu. V zimě se naopak postupně ochlazují a své teplo
předávají okolí především studenému vzduchu a chladné dopadající vodě z atmosféry
(sníh, déšť..). Teplota vody a země je v zimě i tak velmi nízká a médium, které tímto
teplem bude ohříváno se ohřeje jen o málo stupňů celsia, ale pomocí chladícího oběhu*
lze tuto teplotu zvýšit. Zařízením, které dokáži využít teplo o nízké teplotě ze země,
vody popřípadě vzduchu** se nazývá tepelné čerpadlo. Do tepelného čerpadla je
pomocí teplo – nosné látky přivedeno teplo i nízké teplotě pomocí tepelného výměníku,
který teplo okolí odebírá (primární výměník). V tepelném čerpadle se pomocí tepelného
oběhu tato teplota zvýší a teplo je dále předáno tepelnému výměníku, který ohřívá
vytápěný prostor (sekundární výměník).
3.id34 Princip tepelného čerpadla využívající
akumulované teplo v zemi pro vytápění.
1 primární tepelný výměník umístěný v zemi
naplněný teplo – nosnou látkou; 2 zařízení tepelného
čerpadla; 3 sekundární tepelný výměník; P [W]
příkon tepelného čerpadla (obvykle elektřina);
Q·D [W] teplo do oběhu přivedené; Q·Od [W] teplo
z oběhu odvedené.
*Poznámka Existuje více chladících oběhů, ale nejčastěji se používá chladící oběh s kompresorem.
V případě chladícího oběhu s kompresorem bývá teplota kondenzace mezi 50 až 60 °C.
Skupenské teplo kondenzace je odváděno chladící tekutinou (nejčastěji voda). Var
probíhá při teplotě nižší než kondenzace i nižší než je 0 °C. Více o fungování a typech
pracovní tekutiny chladícího oběhu v tepelném čerpadlu např. [6].
**Poznámka Vzduch se prouděním ohřívá/ochlazuje o povrch Země a vodní plochy.
Tepelné čerpadlo tedy využívá nízko­potenciální teplo, pro ohřev pracovní
tekutiny, které pomocí přivedené mechanické práce zvyšuje teplotu na využitelnou
úroveň pro vytápění. Množství takto získané tepla je vyšší než činí přivedená práce,
takže je to výhodnější než práci (elektřinu, která se při této práci spotřebuje) pomocí
ztrát (třením) přeměňovat na teplo a přímo tímto teplem vytápět. Ovšem kompresor je
poháněn elektřinou většinou vyrobenou v tepelných elektrárnách spalující fosilní paliva
u hlavně uhlí. Aby se tepelné čerpadlo vyplatilo musí být výtěžek tepla z tepelného
čerpadla větší než množství tepla uvolněného po spálení ekvivalentního množství uhlí
pro výrobu potřebné elektřiny. K takovému hospodárnému užití tepelného čerpadla
dochází jestliže je topný faktor* větší než převrácená hodnota účinnosti výroby
elektřiny v tepelné elektrárně (správně by se měla účinnost výroby elektřiny v uhelné
elektrárně měla vynásobit ještě účinnosti přenosu elektřiny ke spotřebiteli o čemž píšu
v článku 10. Principy výroby elektřiny a tepla v domácnostech).
*Topný faktor
Je definován stejně jako chladící faktor. V podmínkách ČR by měl pro smysluplný
provoz tepelného čerpadla být vyšší jak 3.
Z definice chladícího oběhu i topného faktoru je zřejmé, že aby byl topný faktor co
nejvyšší je zapotřebí co nejmenšího rozdílu teplot mezi kondenzací a vypařování. Pokud
zdrojem tepla bude teplo zeminy je zapotřebí primární tepelný výměník umístit ve
vhodné hloubce, kde je dostatečně vysoká teplota i v zimním období. Při instalaci
takového výměníku do země je nutné počítat s podchlazením této části pozemku oproti
okolní zemině, protože tepelný tok do výměníku je prakticky vždy větší než do zeminy
(pro představu průměrný tok geotermální energie o výkonu 5 kW je ekvivalentem
79 618 m2, přesně takovou plochu by potřeboval tepelný výměník o stejném příkonu,
který by zeminu nepodchlazoval).
Zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo nemusí pocházet ze zeminy, ale může jim být i
jiná látka povrchu Země jako například podzemní nebo povrchová voda či vzduch, u
kterého se už ale nejedná o geotermální energii. Zde jsou parametry některých řešení:
Zemní výměník (plošně rozmístěné) trubky jsou umístěny 1,2 až 1,6 m pod povrch země. Plocha
ochlazované země by měla být asi 3x větší než plocha vyhřívaná. 5 až 8 m výkopu na
1 kW tepelného zisku. Získaný tepelný výkon v zimním období je cca 10 až 40 W∙m­2
(suchá půda menší hodnoty­půda se spodní vodou větší hodnoty).
Zemní sondy – vrty jedná se o získávání tepla z větších hloubek. Respektive z vrtu. Vrt bývá pro tepelné
čerpadlo pro rodinný domek hluboký 50 až 120 m v podmínkách ČR, ve světě 100 až
200 (BHE – borehole heat exchangers). Jedním vrtem je vedeno přívodní i odvodní
potrubí teplo – nosného média. Získaný měrný tepelný tok je opět velice závislý na typu
půdy. Suchá půda s nízkou tepelnou vodivostí 30 W m­1 délky vrtu, vlhká půda
s podzemní vodou až 100 W m­1 délky vrtu.
Spodní voda (studna) princip spočívá v tom, že z vodního vrtu je odčerpávána voda (7 až 12 °C).
Tato voda je ochlazována respektive je z ní pomocí tepelného čerpadla odňata část
tepelné energie. Ochlazená voda je pouštěna do druhého vodního vrtu. jsou tedy nutné
dvě studny (vrty). Přičemž na 1 kW tepelného výkonu čerpadla je potřeba cca 180 l∙h­1
vody.
Vzduch je to nejjednodušší systém s tepelným čerpadlem. Teplo je odebíráno okolnímu
vzduchu. Problémy jsou pouze při velmi nízké teplotě vzduchu, kdy se snižuje topný
faktor tepelného čerpadla. Primární výměník může fungovat přímo i jako výparník
tepelného čerpadla – záleží na typu tepelného čerpadla a pracovní tekutině.
Ostatní primární tepelný výměník může být umístěn také v řece, jezeru­rybníku či může
odebírat teplo ze solární kolektoru atd.
Tepelné čerpadlo by mělo být navrženo a provozováno tak, aby se v období mimo
topnou sezónu okolní zemina/hornina ohřála na původní teplotu. V opačném případě by
docházelo postupně ke snižování teploty okolí primárního výměníku a tím by se snížil
topný faktor a výkon tepelného čerpadla. Také umístění primárního výměníku se musí
vybírat citlivě s ohledem na okolí, především v případě zemědělského využití plochy
nad výměníkem.
Zrychlit zvyšování nebo i zvýšit teplotu okolní zeminy v letní sezóně je možné
speciálním typem tepelných čerpadel, která jsou schopna vytápěné místnosti v zimě
vytápět a v létě ochlazovat. Takové čerpadlo funguje v zimě i v létě stejně, ale prohodí
okruhy mezi primárním a sekundárním (ten co teplo normálně vyzařuje) výměníkem
z Obrázku 3. Jestliže v létě bude tepelné čerpadlo zeminu ochlazovat a místnost ohřívat
tak, po prohození okruhu výměníků se bude teplem z místnosti (bude ochlazována)
ohřívat zemina [1].
4.id605 Průběh teploty neporušené zeminy
(Německo).
a leden; b červenec; t [°C] teplota zeminy;
h [m] hloubka měření. Zdroj dat: [7].
Odkazy
1. ČÍŽEK, Petr. Jak geologické poměry ovlivňují provoz tepelných čerpadel,
Alternativní energie, 2004, č. 4. Praha: CEMC ­ České ekologické manažerské centrum.
2. TŮMA, Jan. Island nabízí Evropě elektřinu, Technický týdeník, č. 5, 2013. Praha:
Business Media CZ, ISSN 0040­1064.
3. Landsvirkjun, [2010]. Elektrárenská z http://www.landsvirkjun.com.
společnost, Island. Dostupné
4. NIELSEN, Gunnlaugur, MAACK, Runólfur, GUDMUNDSSON, Ásgrímur,
GUNNARSSON Gunnar. Proceedings World Geothermal Congress 2000, Completion
of Krafla geothermal power plant, 2000, May 28...June 10. Kyushu­Tohoku, Japan,
Dostupné z http://www.geothermal­energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2000/R0689.pdf.
5. European geothermal project for the construction of a scientific pilot plant based on
an Enhanced Geothermal System, [2010]. Projekt na využití geotermální energie pro
výrobu elektřiny systémem Hot – Dry – Rock v oblasti Soultz­sous­Forets (Francie).
Dostupné z http://www.soultz.net.
6. ZLATAREVA, Veneta. Tepelná čerpadla, 2001. Praha: ČEA–česká energetická
agentura, [on­line]. Dostupné dostupné z http://www.mpo­
efekt.cz/cz/ekis/publikace/953, [2012].
7. PAUL, Eberhard. Využití zemních výměníků tepla ve spojení se zařízením pro bytové
větrání a rekuperaci tepla, TZB­info, 2005, 10. říjen. Praha: Topinfo s.r.o., ISSN 1801­
4399. Dostupné z http://www.tzb­info.cz/2772­vyuziti­zemnich­vymeniku­tepla­ve­
spojeni­se­zarizenim­pro­bytove­vetrani­a­rekuperaci­tepla.
8. KADRNOŽKA, Jaroslav. Globální oteplování země, 2008. Vydání první. Brno:
VUTIUM, ISBN 978­80­214­3498­1.
Citace tohoto článku
ŠKORPÍK, Jiří. Využití tepla Země, Transformační technologie, 2006­11, [last updated
2014­06]. Brno: Jiří Škorpík, [on­line] pokračující zdroj, ISSN 1804­8293. Dostupné
z http://www.transformacni­technologie.cz/vyuziti­tepla­zeme.html.
©Jiří Škorpík, LICENCE
www.transformacni­technologie.cz
9. Jaderná energetika
Autor: Jiří Škorpík, [email protected] : aktualizováno 2012­01
V jaderné energetice je zdrojem energie vazebná energie v jádrech atomu. Tato
energie se uvolňuje v důsledku změn v jádrech atomu v jaderných reaktorech (štěpení
jader atomů) nebo snad v budoucnu i v termonukleárních reaktorech (jaderná syntéza).
Jaderné reaktory
Jaderný reaktor je zařízení, ve kterém se realizuje řízená štěpná reakce. Dnes se
používá několik typů reaktorů, které lze dělit podle různých kritérií (podle použitého
chladícího média aktivní zóny reaktoru; jetli chladivo dosahuje varu či nikoliv, podle
typu moderátoru...). Základním kritériem, podle něhož se rozdělují reaktory na dvě
podstatně odlišné skupiny, je energie neutronů v aktivní zóně. Proto rozlišujeme dva
základní typy reaktorů a to reaktory s tepelnými neutrony a reaktory rychlé (příp.
množivé). Naprostá většina energetických jaderných reaktorů světa pracuje se spektrem
převážně tepelných neutronů. Říkáme jim proto reaktory pracující na tepelných
neutronech. Každý takový jaderný reaktor musí obsahovat moderátor. Podle typu
použitého moderátoru pak lze reaktory dělit na:
(1) Lehkovodní–moderátorem i chladivo je „lehká“ voda. (2) Grafitové–moderátorem je grafit. (3) Těžkovodní­moderátorem je těžká voda. 1.id76 Rozdělení jaderných reaktorů podle typu moderátoru.
Reaktory rychlé pracují s rychlými neutrony. Takové jaderné reaktory moderátor
nemají.
Lehkovodní reaktory jsou moderované i chlazené obyčejnou vodou. Do této
kategorie patří i tlakovodní reaktor (anglická zkratka PWR, ruská VVER). Jedná se
o nejrozšířenější typ jaderného reaktoru provozované i v ČR.
2.id77 Jaderný reaktor VVER 1 000 (tlakovodní).
1 tlaková nádoba reaktoru; 2 přívod chladící vody; 3
odvod ohřáté vody do parogenerátoru; 4 víko tlakové
nádoby; 5 vývody vnitroreaktorového měření; 6
rozsah aktivní zóny; 7 palivové a regulační kazety; 8
pohon regulačních tyčí; 9 ochranná trubka
regulačních tyčí. Pseudonym autora obrázku:
Panther [2], obrázek upraven autorem tohoto článku.
Palivo v tomto reaktoru je součástí palivové kazety (podrobný popis je uveden dále
v tomto článku). Z palivových kazet je sestavena aktivní zóna uvnitř tlakové nádoby
reaktoru viz dále. Výměna použitého paliva probíhá jednou za rok a půl při odstavení
reaktoru. Obvykle se během této odstávky nahradí 1/3 palivových kazet.
Mimo paliva mohou být v aktivní zóně reaktoru přítomny další tři typy aktivního
materiálu ve formě tyčí používané k regulaci výkonu aktivní zóny – regulační tyče.
Tyto tyče neobsahují palivo, ale naopak absorbátor v různých koncentracích.
(1) Kompenzační* (2) Řídící (3) Havarijní 3.id526 Typy regulačních tyčí přítomných v aktivní
zóně.
*Kompenzační tyče
Jsou to tyče či celé kazety, které obsahují nuklid scnbsp;vysokým účinným průřezem
pro absorpci neutronů. Tyče jsou z počátku do aktivní zóny více zasunuty, aby
eliminovaly přebytečnou reaktivitu. Jak se v průběhu provozu v palivu hromadí
produkty štěpení a neutronová bilance se zhoršuje, tyče se postupně vysouvají. U
tlakovodních reaktorů částečně přebírá roli kompenzačních tyčí kyselina boritá H3BO3
přimíchána v chladící vodě respektive v moderátoru. Při spuštění reaktoru je
koncentrace kyseliny borité ve vodě vyšší, a čím více se spotřebovává palivo v aktivní
zóně tím se koncentrace kyseliny borité řízeně ve vodě snižuje.
4.id527 Reaktivita aktivní zóny reaktoru.
ρ [1] reaktivita; k [­] multiplikační faktor.
Řídící tyče
Řídící tyče upravují okamžité změny výkonu reaktoru způsobené jinými faktory. Tyto
tyče reagují na jakoukoliv změnu výkonu a podle okamžité potřeby se do aktivní zóny
zasunují nebo se z ní vysunují. Tím se udržuje stav aktivní zóny k=1.
Havarijní tyče
Za normálního provozu nejsou v aktivní zóně zasunuty a slouží k rychlému zastavení
štěpné reakce v případě, že by výkon reaktoru z nějakého důvodu významně přesáhl
povolenou hodnotu, nebo při závažnějších poruchách. Účinnou složkou řídících tyčí,
která absorbuje neutrony, je většinou bór ve formě oceli legované bórem, řidčeji
kadmium nebo hafnium ve formě slitin.
U moderních reaktorů typu PWR (VVER) přejímají všechny tři výše uvedené
funkce zařízení nazývané havarijními a regulačními soubory. Ty mohou mít tvar
šestihranných kazet nebo tzv. klastrů*.
Klastry
Přímo v palivovém souboru jsou trubičky, ve kterých se pohybují havarijní a regulační
tyče.
Teplo vzniklé v aktivní zóně reaktoru je odváděno ve formě ohřáté vody pod
vysokým tlakem tak, aby nedošlo k varu chladící vody (odtud tlakovodní reaktor).
Maximální tepelné výkony jaderných reaktorů se pohybují od několik kilowattů
(experimentální) přes několik desítek megawattů (lodě, ponorky) až po jednotky GW
(elektrárny).
Termonukleární reaktor
Vazebná jaderná energie se uvolňuje i při slučování lehkých jader [1]. Podobně
jako v při štěpení se může vzniklé teplo využívat pro energetické účely. Použitelný
termonukleární reaktor se však doposud nepodařilo vyrobit a zprovoznit. Jedno z
nejslibnějších zařízení pro fúzi lehkých jader je koncepce termonukleárního reaktoru
typu TOKAMAK*.
TOKAMAK
Zkratka ruských slov: TOroidalnaja KAmarea i MAgnitnyje Katuški­toroidální komora
a magnetické cívky. Je to jeden z nejslibnější typů zařízení pro uskutečnění řízené
termojaderné fúze, v budoucnu i stavby termonukleární elektrárny. Koncepce
TOKAMAKu se zrodila v letech 1950 až 1952 v bývalém Sovětském svazu především
zásluhou dvou ruských fyziků podílejících významně na výrobě vodíkové bomby Igora
Kurčatova a Andreje Sacharova. TOKAMAK si můžeme představit jako dutou
prstencovou komoru naplněnou horkým vodíkovým plynem, která je obklopena
magnetickými cívkami a transformátorovým jádrem. V tokamaku rozlišujeme dva
významné směry­toroidální a poloidalní, a dva význačné poloměry – hlavní a vedlejší.
Toroidální směr můžeme sledovat, vydáme­li se podél prstence, zatímco v poloidním
směru bychom kroužili kolem komory v rovině kolmé na toroidální směr. Hlavní
poloměr je poloměrem prstence. Vedlejší poloměr je poloměr samotné komory.
TOKAMAK je typ termojaderného zařízení s magnetickým udržení částic (paliva)
v daném objemu bez styku s jinou hmotou. Toroidální složka magnetického pole (o síle
1­10 Tesla) je vytvářena magnetickými cívkami, poloidální složka je přibližně 100x
menší a je indukována elektrickým proudem procházejícím vodíkovým plazmatem
uvnitř komory. Pomocí těchto elektromagnetických polí lze udržet plazma horké o
několika tisíci stupních Celsia uvnitř komory a nichž by se dotklo pevných částí
reaktoru (jinak by došlo k poškození reaktoru). Palivem pro takový reaktor je deuterium
a tritium přičemž podmínky v TOKAMAKu (teplota a tlak) umožňují, z možných typů
jaderných syntéz, pouze ten typ jaderné syntézy, při kterém dochází ke slučování
jednoho jádra tritia a deuteria za vzniku jednoho jádra helia. V&bsp;případě reaktoru v
rámci projektu ITER se předpokládá výroba tritia přímo uvnitř reaktoru štěpením lithia
na vnitřním povrchu reaktoru neutrony. Výroba tritia mimo reaktor je totiž velmi drahá
[9, s. 74] a je stejně nutné použít některou z radiokativních metodod výroby, protože
tirtium na rozdíl o deuteria je v přírodě extrémě vzácné.
Jaderné elektrárny
V České republice jsou v současnosti dvě jaderné elektrárny* jaderné elektrárnyu
Dukovan a Temelína. zároveň se uvažuje o jejich rozšíření (2010). Jaderná elektrárna
Dukovany byla dána do provozu v roce 1985 (dosažení kritického stavu u prvního
bloku) a leží v Jihomoravském kraji poblíž obce Dukovany v okrese Třebíč. Jaderná
elektrárna Temelín byla dána do provozu 9 října 2000 (aktivace paliva). Leží v
jihočeském kraji na sever od Českých Budějovic. V první polovině roku 2005 vyrobily
pouze tyto dvě elektrárny cca 30% elektřiny v ČR přičemž představují pouze 22%
celkově instalovaného výkonu v ČR.
elektrárna parametry ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­
Temelín (ETE) 2x reaktor VVER 1000, celkový elektrický výkon přibližně 2000 MW Dukovany (EDU) 4 x reaktor VVER­440, celkový el. výkon 1822 MWe (po proběhlých rekonstrukcích) 5.id79 Jaderné elektrárny v ČR.
*Poznámka: následuje upravený text z [5, s. 216] V české republice jsou mimo jaderných reaktorů v elektrárnách Temelín a Dukovany
ještě 2 jaderné reaktory. V Praze při fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT je
školní reaktor. Je to reaktor bazénového typu s výkonem 0,1 až 1 kW. Používá uran
obohacený na 19,7% (pojem obohacování uranu je popsán níže). Je zde umožněno
vkládat vedle aktivní zóny vzorky k ozařování. Druhý mnohem větší reaktor je také
lehkovodního typu a je v provozu v Ústavu jaderného výzkumu v Řeži u Prahy –
současné obohacení uranu na 36% (2010) postupně se ale přechází na obohacení 19,7%
(do roku 2012). Maximální tepelný výkon reaktoru je 10 MW. Reaktor má řadu
ozařovacích kanálů, v nichž tok neutronů dosahuje 1017...1018 neutronů m­2∙s­1. Reaktor
slouží k výrobě radioaktivních nuklidů pro diagnostickou a terapeutickou nukleární
medicínu a pro ozařovací zařízení v průmyslu, k aktivační analýze a ke studiu problémů
reaktorové fyziky.
Jaderná elektrárna
Jaderná elektrárna je komplex několika průmyslových budov, kde se zajišťuje
provoz elektrárny a nakládaní s palivem. Na Obrázku 6 je celkový pohled na jadernou
elektrárnu. Samotný areál JE obsahuje následující provozy: budovy reaktorů a
bezprostředně souvisejících provozů (etážerky*, barbotážní věž** atd.), strojovny (zde
jsou parní turbosoustrojí a s tím související zařízení), zásobní nádrže demivody,
provozní budovy, administrativní budovu, úpravny vody, hasičský útvar, diesel
generátorové stanice a naftové hospodářství, budovy aktivních pomocných provozů,
zpracování nízko a středně aktivních odpadů, mezisklad použitého paliva, dílny a sklady
strojní a stavební údržby, nízkotlaká turbokompresorová stanice a zdroje chladu, čerpací
stanice chladící vody, chladící věže, ventilační komíny, úložiště nízkoaktivních odpadů,
elektrorozvodny a trafostanice, vrátnice, čistící stanice průmyslové kanalizace. Mimo
areál JE, se většinou vyskytují další sklady a napojení na infrastrukturu (napojení na
železnici, silnice atd. ), parkoviště, ale často i informační centra...
*Etažérky
Jedná se o konstrukce uvnitř budovy reaktoru na nichž jsou umístěny například dozorny
a další technická zařízení jako jsou různé nádrže apod.
**Barbotážní věž
Jedná se o pasívní bezpečnostní prvek pro snížení tlaku na budovu reaktoru při náhlém
úniku chladiva primárního okruhu. Pára by kondenzovala při průchodu nádržemi
s vodou a nekondenzující plyny by byly zadrženy ve speciálních prostorách.
Kondenzací páry by došlo k podstatnému snížení tlaku působící na stěny budovy
reaktoru.
Fotografie: [4, 2007].
6.id528 Celkový pohled na areál jaderné elektrárny Dukovany.
K samotné elektrárně jsou přidružené přímo další závody, které nemusí být v
bezprostřední blízkosti elektrárny. Především se jedná o zdroje chladící vody, rozvodny
elektřiny, ze které je elektřina z elektrárny distribuována do nadřazené sítě apod. V
případě EDU se jedná o přečerpávací elektrárnu Dalešice (výkon 4x112,5 MW, reverzní
Francisovy turbíny, spád 90 m), která je tvořena vodními nádržemi Dalešice a Mohelno
sloužící zároveň jako zásobárna vody pro jadernou elektrárnu (chlazení atd.). Za součást
EDU můžeme považovat i rozvodnu Slavětice, kde se elektřina z EDU napojuje přímo
na celorepublikovou přenosovou soustavu.
Schéma zařízení jaderné elektrárny s reaktorem typu VVER
V jaderné elektrárně dochází k transformaci tepla na energii elektrickou stejným
způsobem jako v klasických elektrárnách. Rozdíl je pouze ve způsobu získávání tepla.
Proto ani základní tepelné schéma jaderné elektrárny se příliš neliší od schématu
klasické elektrárny. Tepelné schéma jaderné elektrárny tvoří dva okruhy, a to primární a
sekundární okruh. V primárním okruhu obíhá chladící médium, které chladí reaktor a
získané teplo předává v parogenerátoru přes teplosměnnou plochu do okruhu
sekundárního, který je tvořen klasickým R­C oběhem a technologiemi k nim
náležejícími.
7.id80 Zjednodušené schéma zařízení jaderné elektrárny s reaktorem VVER a průběh expanze v parní
turbíně.
Pr. primární okruh; J.r. jaderný reaktor; C.č. cirkulační čerpadlo; PG parogenerátor; P.oh. parní ohřívák;
VT vysokotlaký díl turbíny; NT nízkotlaký díl turbíny. T [K] absolutní teplota; s [J·kg­1·K­1] měrná entropie
vody/vodní páry; x [­] suchost páry.
Teplná účinost jaderných elektráren je přibližně 25% až 30% (záleží na typu) bez
započítání účinnosti zdroje, která se u jaderných elektráren nezapočítává (v jad. el.
Temelín se z 1 kg paliva vyrobí přibližně 350 MWh elektřiny, při vztažení na obsah
235U v palivu, kterého je v palivu 5% a energie uvolněné při štěpení 235U bez
započítání tepla z rozpadu produktu štěpení je čistá účinnost bloku přibližně 8,5%).
Primární okruh
Hlavními částmi primárního okruhu jsou: jaderný reaktor a 6 chladících okruhů
(smyček) z nichž každá obsahuje cirkulační čerpadlo, parogenerátor + potrubí a
armatury. Jeden z chladících okruhů obsahuje také kompenzátor objemu a zařízení pro
regulaci koncentrace kyseliny borité v chladící vodě.
8.id81 Zjednodušené schéma primárního okruhu jaderné elektrárny Dukovany.
R. reaktor; A.z. aktivní zóna; H.c.č. hlavní cirkulační čerpadlo; H.u.a. hlavní uzavírací armatura; PG
parogenerátor; 2, 3'' vstup vody do parogenerátoru a výstup syté páry z parogenerátoru (již sekundární
okruh); K.o. kompenzátor.
Chladící voda je ohřáta v reaktoru pod teplotu meze sytosti kapaliny (nesmí dojít k
varu uvnitř reaktoru)*. Tato voda cirkuluje mezi parogenerátorem a reaktorem pomocí
hlavního cirkulačního čerpadla (cirkulační čerpadlo překonává tlakovou ztrátu v okruhu
zajišťuje cirkulaci chladícího média při stálém tlaku). Ohřáté chladící médium je
odváděno do parogenerátoru, což je povrchový tepelný výměník. V parogenerátoru se
přivádí k varu voda sekundárního okruhu, která opouští parogenerátor ve stavu syté
páry.
*Poznámka Parametry chladící vody jaderného reaktoru ETE: vstup 290 °C, výstup 320 °C, tlak
15,7 MPa; EDU: vstup 267°C, výstup 297°C, tlak 12,25 MPa.
Důležitým předpokladem správného chlazení reaktoru je udržování stálého tlaku
chladícího okruhu. To se děje pomocí kompenzátoru objemu k.o. následujícím
způsobem. Kompenzátor objemu je částečně zaplaven vodou a z části sytou párou o
stejné teplotě jako má voda v kompenzátoru respektive teplota syté páry odpovídá tlaku
v primárním okruhu. V případě, že by tlak vody stoupal bude stoupat i tlak, ale zároveň
i teplota páry, proto se sprchou pustí do kompenzátoru objemu studená voda, tak aby se
teplota páry snížila a tím i tlak na požadovanou hodnotu. Kompenzátor objemu reaguje i
na pokles tlaku v primárním okruhu. Při poklesu tlaku totiž hrozí, že chladící voda v
aktivní zóně reaktoru začne vřít. Tím se naruší přestup tepla z paliva na chladící vodu a
hrozí nejdříve natavení pokrytí palivových tablet a náledně až roztavení aktivní zóny.
V takovém případě bude klesat tlak a teplota vody a páry v kompenzátoru objemu. Pro
tento případ jsou v kompenzátoru objemu instalovány elektroohřívaky, které zahřejí
vodu a tím se začne uvolňovat pára a opět vzrůstat tlak v celém primárním okruhu.
V případě, že tlak v primárním okruhu vzroste nad povolenou mez, je otevřen
pojistný ventil a část páry z kompenzátoru objemu je vyfouknuta do barbotážní nádrže
(barbotážní nádrž je směšovací kondenzátor – pára probublává studenou vodou čímž
kondenzuje a zároveň vodu ohřívá kondenzačním teplem). V případě nárůstu tlaku v
barbotážní nádrži praskne pojišťovací membrána a část páry z barbotážní nádrže unikne
do hermeticky uzavřeného prostoru prostoru, ve kterém je nádrž umístěna.
9.id82 Reaktorový sál (1) jaderné elektrárny Dukovany a cirkulační čerpadlo (2).
Fotografie: [4, informační materiál: Jaderná elektrárna Dukovany, A4, 22 stran].
Sekundární okruh
V sekundárním okruhu je zařazena parní turbína, ve které expanduje sytá pára
respektive mírně přehřátá o několik stupňů Celsia*. Protože při expanzi syté páry z tak
vysokého tlaku by pára na konci turbíny byla velice vlhká, je expanze páry rozdělena na
dvě části Obrázek 7. Pára nejdříve o stavu sytosti bod 3“ vstupuje do vysokotlaké dílu
turbíny, kde expanduje do tlaku p3,2, který je podstatně vyšší než tlak v kondenzátoru.
Poté co vystoupí z vysokotlakého dílu má pára určitou vlhkost. Vodní kapičky v páře
jsou nejdříve odstraněny v separátoru páry a poté je pára pomocí páry z parogenerátoru
v tepelného ohříváku nejdříve ohřáta na stav sytosti a potom dokonce přehřáta až na
teplotu blížící se teplotě páry parogenerátoru. Tato přehřátá pára vstupuje do nízkotlaké
části turbíny, kde expanduje až na tlak v kondenzátoru.
Poznámka* Parametry páry na výstupu z parogenerátoru v ETE: 278,5 °C při tlaku 6,3 MPa; v EDU
4,61 MPa při teplotě 260 °C.
Uran a palivový cyklus
Energie obsažená v jednom kilogramu uranu je sice ohromná, ale získat kilogram
uranu ve formě, ve které by ho bylo možno využít v jaderném reaktoru je technologicky
složitý a drahý proces. U klasických reaktorů nelze k výrobě energie využít veškerý
uran obsažený v palivu respektive jeho izotopu 235U. Při štěpení vznikají další nuklidy
a i radionuklidy. Proto po použití paliva je tento objem látek již radioaktivní a nelze jej
jednoduše zneškodnit přírodní cestou. Pouze recyklovat (přepracovat) nebo trvale uložit
na bezpečné místo. Proces od o těžby uranové rudy přes použití vytěženého uranu v
reaktoru až po jeho recyklaci či uložení se nazývá palivový cyklus.
10.id83 Schéma palivové cyklu.
1 těžba a úprava uranové rudy; 2 obohacování uranu; 3 výroba palivové kazety; 4 štěpení v reaktoru; 5
přepracovací závod; 6 mezisklad použitého paliva; 7 hlubinné (konečné) úložiště jaderného odpadu.
Těžba a úprava uranové rudy
Uran se těží obvykle klasickým hornickým způsobem. Přesněji těží se uranová
ruda, ze které se dalšími úpravami separuje uran (například loužením) tzv. přírodní
uran.
11.id529 Úlomek uranové rudy.
V uranové rudě je uran obsažen podle naleziště od
koncentrace 2 až 3 g na tunu rudy (chudá rudná žíla)
až po 10 až 30 kg na tunu rudy (bohatá rudná žíla)
[6]. Přírodní uran je složen z izotopu 238U (tvoří
99,282% hmotnosti), izotopu 235U (tvoří 0,712%
hmotnosti) a izotopu 234U (tvoří 0,006% hmotnosti)
[7, s. 21]. Obrázek [4, informační materiál nazvaný:
Vyhořelé jaderné palivo ve světě, A4, 23 stran].
V ČR se těží uran v dolu v Dolní Rožínce (údaj k roku 2007). Úprava uranové
rudy probíhala v podniku MAPE Mydlovary. Zbytky po úpravě rudě v přilehlých
oblastech tvoří velkou ekologickou zátěž. Při loužení vznikly laguny toxického a
radioaktivního odpadu, které dodnes zůstávají na místě. Podle některých zdrojů došlo i
ke kontaminaci místních podzemních vod.
Obohacování uranu
Pro některé reaktory (včetně lehkovodních reaktorů) je potřebná koncentrace
izotopu 235U v palivu vyšší než je v přírodním uranu. Zvyšování koncentrace jednoho
izotopu uranu v palivu na úkor druhého je možné buď oddělováním nežádoucích
izotopů nebo obohacování/přidáváním požadovaného izotopu [7, s. 21]. Obohacování je
velmi složitý a finančně náročný technologický proces. Obohacování se provádí v o
obohacovacích závodech, které jsou převážně pouze ve státech, které mají velkou
spotřebu jaderného paliva jako jsou USA, Německo, Rusko a další. Před obohacováním
musí být původní uranová ruda přeměněna kombinací chemických a fyzikálních metod
na uranový koncentrát zvaný „žlutý koláč“ (jak již název napovídá jedná se o jasně
žlutou hmotu). Z něj je během dalšího zpracování získán hexafluorid uranu UF6 (Fluorid
uranový). Tento flourid má vhodné mechanické vlastnosti pro obohacování, na druhou
stranu je vysoce toxický a silně korozivní.
Obohacování se provádí například plynnou difuzí, odstřeďováním a nebo
nejmoderněji pomocí laseru [3]. Poté se obohacené palivo ve formě oxidu uraničitého
UO2 lisuje a spéká do palivové tablety o průměru cca 1 cm a výšce 1 až 9 cm podle
typu reaktorů, pro které jsou určeny (jsou hnědé barvy). Tyto tablety se na sebe skládají
v trubičce ze slitiny zirkonia, přičemž mezi stěnou trubičky a tabletami je mezera
vyplněná heliem. Tyto trubičky se hermeticky uzavřou a vznikne palivový proutek.
12.id530 Palivová tableta UO2 z obohaceného
přírodního uranu.
Obohacený přírodní uran obsahuje 95% izotopu
238U a až 5% 235U.
Výroba palivové kazety
Výroba palivové kazety může probíhat mimo obohacovací závod z dodaných
palivových proutků (jedna kazeta obsahuje až 300 palivových proutků). Výroba
palivové kazety je přesný přesto nepříliš složitý strojírenský proces a tyto závody jsou
ve více státech (například ve Švédsku). Materiál palivové kazety je opět slitina zirkonia
a nebo i z nerezové austenitické oceli.
13.id531 Palivová kazeta pro VVER 1000 od firmy TVEL.
1 palivové proutky (312 ks); 2 trubičky pro klastrovou regulaci. hmotnost kazety: 681 kg, délka kazety: 4
570 mm. Obrázek [8].
Štěpení v reaktoru
Palivová kazeta vydrží podle typu reaktoru přibližně 4 roky v provozu než klesne
koncentrace izotopu 235U pod požadované minimální množství, kdy obsahuje 1%
235U, 1% Pu, 3% štěpných produktů a asi 95% neškodného 238U. Tedy na rozdíl od
čerstvého paliva, které je prakticky neradioaktivní se po použití v reaktoru stane z
paliva vysoce radioaktivní odpad. Ve vyhořelém palivu probíhá přirozený radioaktivní
rozpad (radiace a teplo) především produktů vzniklých při štěpení. Je tedy nutné použité
palivové proutky chladit a zároveň chránit okolí přede radioaktivitou. Proto se nejdříve
použité palivové kazety s použitým palivem ukládá hned vedle reaktoru do bazénu s
vodou* po dobu několika let, dokud jejich aktivita podstatně neklesne. Někdy bývá
použité palivo vedle reaktoru skladováno po celou dobu životnosti elektrárny.
*Poznámka Voda jednak pohlcuje ionizující záření a jiné radioaktivní částečky uvolňované
použitým palivem a tím chrání okolí před škodlivými vlivy použitého paliva. Za druhé
voda plní funkci chladící. I použité palivo se vlivem rozpadu radionuklidu velice
zahřívá. Radioaktivní částečky jsou z vody později odfiltrovávány a zbylá voda je
ředěná s „čistou vodou“, aby mohla být vypuštěna zpět do přírody (i když je voda
zbavena radioaktivních částeček vzniká vlivem neutronového záření z použitého paliva
ve vodě radioaktivní tritium, proto se voda musí nejdříve zředit s nekontaminovanou
vodou než je vypuštěna).
14.id532 Zavážecí stroj* nad reaktorem v EDU.
Vpravo bazén vyhořelého paliva a šachta pro
manipulační kontejnery s čerstvým palivem.
Fotografie: [4, informační materiál: Jaderná
elektrárna Dukovany, A4, 22 stran].
*Zavážecí stroj
Slouží k manipulaci s palivovými kazetami v bezprostřední blízkosti reaktoru a
v reaktoru.
Přepracovací závod
Použité jaderné palivo stále obsahuje štěpitelné izotopy (235U a 238U). Proto se
někdy podrobuje přepracování. K tomu je třeba odstranit produkty štěpení. Tento proces
je vzhledem k radiaci a dalším faktorům spojené s oddělením štěpných produktů od
izotopů 235U a 238U velice obtížný a nákladný. I dnes (2010) je tento proces
nákladnější než vytěžit a obohatit přírodní uran. Při manipulaci s tímto materiálem může
být použito jen robotů. Přepracovacích závodů je mnohem méně než obohacovacích. Je
to dáno i politickým rozhodnutím. Přepracovací závod dokáže separovat produkty
štěpení z použitého paliva, uran i plutonium, které může být použito pro výrobu
jaderných zbraní.
Mezisklad použitého paliva
Použité palivo musí být bezpečně odděleno od životního prostředí (nebezpečí
úniku ionizujícího záření a případěn úník radioaktivních částic do okolí) a zároveň musí
být chlazeno jinak může dojít k jeho roztavení a výpary mohou kontaminovat okolí i
radioaktivními částicemi. V meziskladu použitého paliva se skladuje použité palivo po
dobu několika desítek let.
Podle metody chlazení paliva se mezisklady rozdělují na suché (chlazení
vzduchem) a mokré (chlazení vodou­bazén). Prvním meziskladem použitého paliva je
bazén vedle reaktoru.
Ve skladech použitého paliva se skladuje nejen použité palivo, ale i jiné
radioaktivní látky a látky kontaminované radionuklidy, které vznikly při provozu
elektrárny (použité součástky a přístroje, ochranné pomůcky atd.). Radioaktivní látky
rozdělujeme na nízko, středně a vysokoradioaktivní. Nízko a středně aktivní odpady se
dělí na krátkodobé, které mají poločas přeměny kratší než 30 let a obsah a aktivita
zdrojů alfa záření dosahuje max. 4 000 kBq∙kg­1 a na dlouhodobé. Vysoko aktivní
odpady jsou definovány jako ty, které vyvíjejí teplo.
U nás je zatím pouze jeden suchý mezisklad použitého jaderného paliva, který je
umístěn v areálu EDU Obrázek 6. Použité palivové kazety jsou nejdříve uloženy ve
speciálních bezpečnostní kontejnerech, které chrání kazety před mechanickým
poškozením. Celý sklad je neustále chlazen cirkulujícím vzduchem proudící mezi
kontejnery.
15.id533 Suchý mezisklad použitého paliva v areálu jaderné elektrárny Dukovany, [4].
Hlubinné (konečné) úložiště jaderného odpadu
Slouží k uložení radioaktivního odpadu vyprodukované člověkem (nebezpečné
radionuklidy). Tento typ skladu musí dokázat uchovat bezpečně radioaktivní odpad po
dobu až 100 000 let dokud radioaktivní pozadí jeho obsahu nebude rovno přirozenému
pozadí. V současnosti se taková uložiště teprve budují.
16.id534 Pohled na hlubinné úložiště jaderného
odpadu u jaderné elektrárny Forsmark (Švédsko).
Nachází se 1,5 km od pobřeží a samotné úložiště je
80 m pode dnem Baltského moře v granitových
horninách. V blízkosti uložiště je i stejnojmenná
jaderná elektrárna (na obrázku v pozadí). Obrázek:
[1].
Jaderná bezpečnost
Každé jaderné zařízení může své okolí ohrožovat nejen fyzickou kontaminací,
nežádoucími chemickými reakcemi, ale i ionizujícím záření [9]. Každé jaderné zařízení
musí být vybaveno mimo jiné i několika nezávislými ochranami, které zabrání nebo
podstatně omezí možný únik ionizujícího záření a radioaktivního materiálu mimo jejich
pracovních prostor do životního prostřední jak během řádného provozu, tak i havárie
zařízení. Tyto ochrany mohou být aktivní (různé absorpční a kondenzační zařízení..) a
pasivní (ochranná obálka budovy, kontejner...).
Mezinárodní agentura pro atomovou energii přijala a v roce 1991 zavedla
mezinárodní stupnici pro hodnocení jaderných nehod. Stupnice má sloužit především k
rychlému a srozumitelnému informování veřejnosti o závažnosti nehod. Nenahrazuje
povinnost provozovatele provést důkladný rozbor příčin a následků událostí.
0 UDÁLOST POD Situace při kterých nejsou překročeny STUPNICÍ provozní limity a podmínky a které jsou (zero bezpečně zvládnuty vhodnými postupy. level­below scale) 1 ODCHYLKA Funkční nebo provozní odchylky od (anomaly) ústředně povolených limitů. Poruchy nepředstavující žádné bezpečnostní riziko, ale odhalují nedostatky bezpečnostních zařízení. 2 PORUCHA Technické poruchy nebo odchylky, které Mihama 1991 (incident) neovlivňují bezpečnost elektrárny přímo (Japonsko) nebo bezprostředně. Neovlivňuje bezpečnost elektrárny, ale vede ke zdokonalení bezpečnostních opatření. 3 VÁŽNÁ Ozáření personálu nad normu (dávky Forsmark 2006
PORUCHA překračují 50 mSv), nepatrný únik (Švédsko) (serious radioaktivity do okolí. Únik radioaktivních incident) částic mimo elektrárnu nad povolené limity. Následkem je individuální dávka pro nejza­ saženější skupinu obyvatel v okolí elektrárny řádově desetiny milisievertu. Všechny poruchy, při kterých by další sel­ hání bezpečnostních systémů mohlo vést k havárií. 4 HAVÁRIE S Částečné poškození aktivní zóny, ozáření Bohunice­A1 ÚČINKY V JA­ personálu. Ozáření obyvatel na hranici 1977 DERNÉM limitu. (Českosloven­
ZAŘÍZENÍ sko) (accident mainly in installation) 5 HAVÁRIE S Vážnější poškození aktivní zóny. Únik Three Mile ÚČINKY NA radioizotopů (100 až 1000 TBq jódu 131 nebo Island 1979 OKOLÍ jiných podobně významných radioizotopů) (USA) (accident mimo elektrárnu. Nutnost částečné evakuace with off­ okolí. site risk) 6 ZÁVAŽNÁ Únik radioizotopů (1 000 až 10 000 TBq jódu HAVÁRIE 131 nebo jiných podobně významných radio­ (serious izotopů) mimo elektrárnu. Nutnost využití accident) havarijních plánů k ochraně okolí. 7 VELKÁ Únik radioizotopů (více jak 10 000 TBq jódu Černobyl 1986
HAVÁRIE 131 nebo jiných podobně významných radio­ (SSSR) (major izotopů) mimo elektrárnu na velké území. accident) Okamžité zdravotní následky. Poškození životního prostředí. 17.id87 Mezinárodní stupnice pro hodnocení jaderných událostí a uskutečněný příklad dané události
Odkazy
1. Forsmark – jaderná elektrárna, [2010]. Švédsko. Dostupné
z http://www.Forsmark.com­stránka je přesměrována na stránky společnosti Vattenfall,
která elektrárnu provozuje.
2. Wikimedia Commons – uložiště volného multimediálního obsahu. [on­line]. [2010].
Dostupné z http://commons.wikimedia.org.
3. Autor neuveden. Laserové obohacování uranu poprvé komerčně, Česká nukleární
společnost,2007. [on­line], Dostupné z http://www.csvts.cz/cns/news07/071025c.htm.
4. ČEZ, a.s., 2011. Majitel a provozovatel elektráren. Adresa: Praha 4, Duhová 2/1444,
PSČ 140 53, Česká republika, http://www.cez.cz.
5. HÁLA, Jiří. Radioaktivita, ionizující záření, jaderná energie, 1998. 1. vydání. Brno:
KONVOJ, ISBN 80­85615­56­8.
6. KADRNOŽKA, Jaroslav. Energie a globální oteplování – Země v proměnách při
opatřování energie, 2006. 1. vydání. Brno: VUTIUM, ISBN 80­214­2919­4.
7. NĚSTĚRENKO, G., SOBOLEV, A., SUŠKOV, J. Atomová letadla, 1959. Vydání
první. Praha. Naše vojsko, z ruského originálu Primeněnije atomonych dvigatělej v
avijaciji.
8. TVEL Fuel Company, [2010]. Výrobce paliva pro jaderné reaktory. Rusko. Dostupné
z http://www.tvel.ru.
9. MOYER, Michael. FÚZE: Falešný úsvit, Scientific American, 2012, srpen. České
vydání. Praha: Espero publishing, s.r.o.
Citace tohoto článku
ŠKORPÍK, Jiří. Jaderná energetika, Transformační technologie, 2006­12, [date od
last update 2012­11]. Brno: Jiří Škorpík, [on­line] pokračující zdroj, ISSN 1804­8293.
Dostupné z http://www.transformacni­technologie.cz/jaderna­energetika.html.
©Jiří Škorpík, LICENCE
www.transformacni­technologie.cz
10. Principy výroby elektřiny a tepla
v domácnostech
Autor: Jiří Škorpík, [email protected] : aktualizováno 2016­01
V podstatě každá domácnost spotřebovává teplo i elektřinu, přičemž elektřinu
nakupuje z el. sítě a teplo na topení a teplou užitkovou vodu si většinou vyrábí v kotlích
a zařízení k tomu určených (elektrické boilery, průtočné kotle a pod.), nebo jej odebírá
z rozvodů centrálního zásobování teplem. Především rostoucí ceny energií, touha po
nezávislosti a ekologická odpovědnost obyvatel vede k pořizování zařízení, které
elektřinu a teplo dokáží maximálně efektivně vyrábět i v domácnostech. V této
souvislosti se jako velice perspektivní ukazují technologie na bázi obnovitelných zdrojů
přičemž vysoce účinná je kombinovaná výroba elektřiny a tepla (KVET) neboli
kogenerace, kdy lze efektivně využívat i fosilní paliva. Hlavním předpokladem
takových technologií musí být smysluplná úspora paliva (pokud na vstupu je), snížení
ekologické zátěže a přijatelné pořizovací a provozní náklady.
1.id491 Příklad způsobu výroby a dopravy energií pro domácnost a účinnost výroby a přenosu v ČR [1].
1 elektrárna na fosilní paliva a její účinnost; 2 přenosová soustava elektřiny (PS); 3 domácnost; 4 zařízení
na ohřev TUV a tepla na vytápění. e [­] teplárenský modul; Q [J] energie vyrobená/spotřebovaná za určitý
časový úsek. Index D znamená "domácnost", index e znamená "elektrická", index TUV je zkratkou "teplá
užitková voda", index t označuje teplo na vytápění.
Z technologického hlediska lze zařízení pro výrobu energie rozdělit na ty, které
dokáží vyrábět pouze teplo (výtopenský zdroj do domácnosti DVZ), pouze elektřinu
(bez využitelného tepla – elektrárenský zdroj do domácnosti DEZ) a technologie,
které dokáží současně vyrábět elektřinu i teplo což jsou kogenerační jednotky.
Výroba tepla
Výroba tepla v domácnostech je poměrně rozšířená, nejedná se o technologický
ani regulační velký problém. Základním předpokladem je výroba tepla v množství, které
domácnost aktuálně spotřebovává a to vzhledem k setrvačnostem způsobené akumulací
tepla konstrukcí budovy není velký problém. Rozšiřují se i technologie na akumulaci
tepla v akumulačních nádržích, které umožňují plynulý a optimální chod zařízení na
výrobu tepla a tedy zvyšování účinnosti jeho výroby.
Zdrojem energie pro výrobu tepla bývá především zemní plyn, který je rozváděn v
ČR hustou sítí plynovodů. Dále jiné druhy fosilních paliv jako je uhlí a ojediněle i ropné
produkty. Výhodou uhlí je jeho relativně snadná skladovatelnost, nevýhodou jsou vyšší
emise při spalování a zbytky po spalování (popel může obsahovat nebezpečné látky,
které jsou v uhlí obsažené ve formě popelovin a je nutné s nimi odpovídajícím
způsobem zacházet). Dalším, a v posledních letech čím dál více významnějším, zdrojem
spalovacích zařízení je biomasa. Především se používá palivové dříví a tzv. peletky
(lisované zbytky biomasy). Pro ohřev TUV a v menší míře i pro vytápění je možné
využít sluneční energii. Tento typ je ale vždy spjat s akumulací tepla, protože sluneční
záření je neregulovatelné. Při velmi nízké spotřebě tepla a pro ohřev TUV může být pro
domácnost ekonomicky výhodné vyrábět teplo z elektřiny v denní dobu, ve které je
nejlevnější (mimo energetické špičky). Ovšem v takovou dobu ani domácnost nemívá
velkou spotřebu tepla a proto se toto vyrobené teplo akumuluje v tepelném
akumulátoru* a spotřebuje později.
*Tepelný akumulátor
Obvykle dobře tepelně izolovaná nádrž s vodou o objemu od sta litrů do několika
stovek litrů. Při nabíjení akumulátoru se voda uvnitř ohřívá při vybíjení akumulátoru se
voda ochlazuje.
Technologií pro výrobu tepla v domácnostech je velké množství od krbových
kamen až po sofistikované bivalentní systémy se solárním ohřevem. Zde je seznam
několika hlavních:
(1) Průtočné kotle na zemní plyn. (2) Kotle na dřevo či jiný druh biomasy (tyto kotle jsou v mnoha případech schopny spalovat i tuhá fosilní paliva). (3) Kotle na tuhá fosilní paliva. (4) Kotle na kapalná fosilní paliva. (5) Solární kolektory. (6) Různé typy krbů podle toho jaké palivo spalují. 2.id492 Některé technologie pro výrobu tepla v domácnosti.
Systémy DVZ, které závisí na počasí jsou vždy vybaveny akumulací tepla (nádrž s
teplou vodou). Tyto akumulátory se v době přebytku tepelného výkonu zdroje nabíjejí a
v době, kdy zdroj poskytuje menší tepelný výkon než je spotřeba domácnosti se tyto
akumulátory vybíjí a dodávají teplo do domácnosti. Akumulace je výhodná i u ostatních
zdrojů tepla. DVZ jsou dimenzovány pro určitý vhodný rozsah výkonů a pouze v
určitém výkonovém rozmezí je jejich účinnost a ekologičnost (škodlivé emise ve
spalinách) nejvyšší. Proto se vyplatí provozovat DVZ v tomto výkonovém rozmezí a
přebytek/nedostatek tepelného výkonu sdílet s tepelným akumulátorem:
3.id502 Princip výroby tepla v domácnosti s
akumulací tepla.
1 DVZ (dimenzování zdroje/ů musí odpovídat
maximálnímu potřebnému tepelnému příkonu
domácnosti, i když je v systému akumulace); TAku
tepelný akumulátor.
Výroba elektřiny v domácnostech
Elektřinu lze v domácnostech vyrábět pomocí několika dnes dostupných
technologií vhodných pro konstrukci elektráren do domácnosti, které mají potřebné
specifické vlastnosti. V této kapitole se zaměřme na technologie, které poskytují pouze
elektřinu bez využitelného odpadního tepla.
(1) Fotovoltaické systémy*. (2) Malé větrné elektrárny.
4.id493 Některé technologie pro výrobu elektřiny v domácnosti.
*Poznámka Kombinaci solárního kolektoru+fotovoltaického systému nelze považovat za
technologii KVET, protože tyto technologie jsou na sobě nezávislé.
Obě uvedené technologie využívají k výrobě elektřiny přírodní zdroje, proměnné
intenzity současně i spotřeba energie v domácnosti je značně proměnlivá a proto
nemožné vyrábět přesně tolik elektřiny kolik domácnost právě spotřebovává:
5.id494 El. příkon v domácnosti a (poptávková
křivka) a výkon DEZ v domácnosti b.
Pe [kW] výkon/příkon; τ [h] čas. Měření el. příkonu
v domácnosti [5].
Kvůli vyladění spotřeby a výroby elektřiny v domácnosti je nutné nadbytečnou
vyrobenou elektřinu dodávat do akumulačního systému el. energie, do okolí* nebo do
přenosové sousatvy PS (domácnost zásobuje své nejbližší okolí elektřinou) a naopak v
případě nedostatečné výroby elektřiny domácnost potřebnou část elektřiny odebere
z akumulačního systému el. energie** z okolí popřípadě z PS Taková domácnost se
chová v době nadbytku výroby elektřiny jako lokální zdroj zásobující své okolí
elektřinou.
*Poznámka Okolím jsou myšleny další zdroje a spotřebiče elektřiny na stejné napěťové úrovní v
nejbližším okolí např. jiné domácnosti s DEZ či kogenerační jednotky.
**Poznámka Součástí elektrického akumulačního systému může být i soubor spotřebičů, které je
nutné dobíjet viz kapitola níže "Řízení výroby a spotřeby energií v domácnostech".
6.id495 Princip výroby elektřiny v domácnosti.
EAku elektrický akumulátor (s možností řízené dodávky a odběru z PS za účelem maximalizace úspor
domácnosti za nákup elektřiny); 1 DEZ (Obrázek 1a převzat z [6]­obrázek 1b převzat z [7]); 2 domácnost;
3 okolí; 4 PS.
Výhodou tohoto řešení je nižší zatěžování PS a obecně nižší spotřeba primárních
energetických zdrojů používaných v elektrárnách. Připojení takto malých jednotek (1...2
kWe) do sítě je realizováno přes 16 ampérový jistič* k síti o napětí 230 V. Tato elektřina
může být bez jakýchkoliv dalších úprav spotřebována.
*Poznámka Pro výkony odpovídajíc příkonu domácnosti je 16 ampérový jistič obvykle dostatečný.
Pro vyšší výkony je nutná i vyšší ampérová ochrana a vyšší napětí.
Podle výsledné bilance elektrické energie v domácnosti (údaji na elektroměru)
probíhá vyúčtování služeb za připojení k distribuční soustavě (zajišťuje propojení PS s
jednotlivými spotřebiči a zdroji). Účtování spotřeby či výroby elektřiny probíhá po
účtovacím období a mohou vzniknout celkem tři případy účtování:
(a) DEZ vyrobil přesně tolik elektrické energie kolik domácnost spotřebovala. (b) DEZ vyrobil méně elektrické energie než kolik domácnost spotřebovala. (c) DEZ vyrobil více elektrické energie než činila spotřeba domácnosti.
7.id496 Případy účtování za vyrobenou/dodanou el. do dis. sítě.
ad (a) Domácnost neplatí provozovatelům distribuční soustavy žádný účet pouze paušální
poplatek za připojení do sítě a za poskytování elektřiny v době, kdy je DEZ mimo
provoz a přesto domácnost elektřinu spotřebovává.
ad (b) Domácnost platí smluvní cenu za jednotku energie, kterou spotřebovala na úkor
distribuční soustavy.
ad (c) Provozovatel PS zaplatí za takovou „nespotřebovanou“ elektřinu smluvní cenu. Ovšem
tento případ je pro domácnost značně nevýhodný oproti prvnímu případu pokud je
výkupní cena nižší než prodejní – nižší úspora sumy peněz za dobu životnosti DEZ.
Také je možnost, že domácnost se zřekne zisku z přebytku výroby elektřiny ve prospěch
sítě. V podstatě se jedná o zapojení elektrárenského zdroje v domácnosti s vědomím
provozovatele PS s klasickým smluvním vztahem, ve kterém domácnost figuruje pouze
jako spotřebitel. Výhoda je v tom, že domácnost není ekonomický subjekt prodávající
elektřinu. Zároveň se snaží, aby jeho bilance odpovídala případu (a) platil pouze
paušální poplatky za připojení k síti. Tento typ účtování nazvaný Net­metering [9], byl
zprovozněn v roce 2012 na Slovensku [4].
Další možností regulace je dobíjení el. baterií v době přebytku el. výkonu EZ.
Vzhledem k tomu ,že domácnost je spotřebičem střídavého proudu je nákladné poté
stejnosměrný proud z baterií převádět na střídavý pro spotřebu se tento způsob příliš
nepoužívá. To se může změnit s nástupem elektrických automobilů s možností dobíjení
"ze zásuvky".
Kombinovaná výrova elektřiny a tepla v domácnosti
Základní filozofií KVET v domácnosti je vyrábět v kogenerační jednotce (KJ)
elektřinu i teplo v množství jakou domácnost sama spotřebuje. Jen tak dojde
k maximální úspoře primární energie a k ekonomickému zhodnocení kogenerační
jednotky:
8.id497 Princip KVET v domácnosti s pomocným DVZ.
5 kotel pro vytápění v zimní sezóně a případně přihřívání TUV.
Optimální provoz kogenerační jednotky je závislý na použité technologii a
teplárenském modulu jednotky, který by měl být pokud možno roven skutečnému
teplárenskému modulu domácnosti:
(1) Palivový článek s integrovaným kotlem na zemní plyn e≐0,4..0,05. (2) Pístový parní motor e≐0,19. (3) Spalovací motor e≐0,31. (3) Stirlingův motor e≐0,15. 9.id498 Technologie pro kogeneraci v domácnosti a jejich teplárenské moduly.
Je očividné, že je výhodné kombinovat v zimní sezóně výrobu tepla s nezávislým
DVZ a teplárenský modul kogenerační jednotky dimenzovat podle teplárenského
modulu domácnosti pro letní sezónu.
Všechny uvedené technologie jsou nezávislé na denní době a počasí a je možné je
kdykoliv spouštět. Kogenerační jednotky vyrábí současně elektřinu i teplo v poměru,
který odpovídá jeho teplárenskému modulu. Opět není možné přesné kopírovat výrobu
el. energie podle spotřeby domácnosti. Kopírovat okamžitou spotřeba tepla (především
TUV) už není tak potřebné, jelikož teplo v teplé vodě lze bez problému akumulovat.
Proto nezbytností pro provoz kogenerační jednotky je i akumulační zásobník teplé vody.
Z těchto důvodů se kogenerační jednotky spouští v době, kdy domácnost má největší
spotřebu tepla obvykle pouze na několik hodin denně tak, aby množství vyrobeného
tepla za den nepřekročilo spotřebu domácnosti:
10.id499 Spotřeba a výroba elektrické energie v
domácnosti během dne [5].
b el. výkon kogenerační jednotky (palivový článek).
Shodou okolností se doba nejvyšší spotřeby tepla v domácnosti kryje s el.
špičkami. Takže přebytečná elektrická energie může být dodávána okolním
domácnostem nezatížená ztrátami v PS:
11.id500 Poptávka PS po elektřině během dne
(3.5.2005 ČR [2]) a příklad doby provozu
kogenerační jednotky.
a poptávková křivka; b doba provozu kogenerační
jednotky (letní sezóna); c doba provozu kogenerační
jednotky (zimní sezóna). PPSe [GW] výkon PS;
PDKJe [kW] elektrický výkon DKJ.
Účtování bilance elektrické energie je založena na stejném principu jako je
uvedeno v Seznamu 7. Ovšem v České republice je významný rozdíl mezi letní a zimní
sezónou co se týká optimální doby chodu kogenerační jednotky (v letní je kratší). V létě
s nižší spotřebou tepla bude vyrábět i menší množství el. energie a více ji nakupovat
v zimě naopak. Ale z důvodů uvedených v souvislosti s bodem (c) v Seznamu 7. bude
výhodnější výkon kogenerační jednotky dimenzovat tak, aby žádné účetní období (které
bývá cca 1 měsíc) zbytečně nevyráběl více el. energie než je spotřeba domácnosti (to
neplatí v případech, kdy je cena výkupu za jednotku energie elektřiny vyšší než prodejní
cena "dotovaný výkup").
Výhodné (z pohledu účtování a dohledu nad výkony kogenerační jednotky) pro
provozovatele distribuční soustavy el. energie i provozovatele kogenerační jednotky je
vytvoření virtuální elektrárny. Virtuální elektrárnu tvoří několik kogeneračních
jednotek rozmístěných v dané lokalitě, ale se společným řídícím systémem. Tento
systém jednotky spouští a odstavuje dle požadavku distribuční soustavy nebo podle
smluvních pravidel s provozovatelem distribuční soustavy. Výhoda pro provozovatele
distribuční soustavy je v garanci dodávaného výkonu. Výhoda na straně kogenerační
jednotky je možnost nasmlouvání výhodnější ceny díky zmíněné garanaci výkonu.
Nejvhodnější parametry kogenerační jednotky lze z technického hlediska přesně
vymezit několika faktory. Referenční hodnota účinnosti oddělené výroby elektřiny a
tepla, kterou domácnost spotřebuje ηD*, úsporou primární energie tzv. PES** při KVET
(podle[3] musí být minimálně 10%) a poměr spotřebované elektřiny a tepla
v domácnosti eD.
*ηD
Je to referenční hodnota účinnosti oddělené výroby elektřiny a tepla, kterou domácnost
spotřebuje. Je to podíl, kde v čitateli je součet spotřebované elektřiny a tepla za určité
období (E+T) v domácnosti z referenčního zdroje (elektrárna, teplárna); ve jmenovateli
je součet primárních energiích spotřebovaných na výrobu tohoto množství energie (Q).
**PES
Je anglická zkratka slov "Primary Energy Savings" volně přeloženo "úspora primární
energie". Jedná se o procentuální vyjadření množství uspořeného paliva při výrobě
daného množství elektřiny a tepla v KVET oproti referenční oddělené výrobě (v
elektrárně a výtopně) toho samého množství elektřiny a tepla. Přesnou definici pojmů,
seznam primární energie (paliva) a výpočet naleznete v [3].
Uvedené veličiny jsou funkcí různých parametrů a zakreslují se do společného
grafu:
D
12.id501 Oblast dimenzování kogenerační jednotky s ohledem na η .
η [%] referenční hodnota účinnosti oddělené výroby elektřiny a tepla, kterou domácnost spotřebuje; ηKJe,
D
ηKJ [%] elektrická a celké účinnost kogenerační jednotky. Technicky nejvhodnější je dimenzovat
kogenerační jednotky tak, aby její teplárenský modul byl stejný jako je teplárenský modul domácnosti a
zároveň došlo k úspoře primární energie. Tuto oblast označuje šrafovaná plocha, přičemž platí čím blíže
jsou parametry kogenerační jednotky teplárenskému modulu domácnosti a čím vyšší je její celková účinnost
tím jsou parametry vhodnější. Pokud by teplárenský modul kogenerační jednotky byl větší než teplárenský
modul domácnosti nepokryl by výkon kogenerační jednotky ani spotřebu TUV.
V grafu je uvden příklad pro velikost elektrické účinnosti kogenerační jednotky při
její celkové účinnosti 85% v závislosti na teplárenské modulu. Je patrné, že ideální
elektrická účinnost kogenerační jednotky pro úplné pokrytí spotřeby elektřiny a tepla
pro ohřev TUV je kolem 26%, ovšem i při elektrické účinnosti kolem 9% je stále ještě
úspora primární energie 10%. Teplárenský modul domácnosti by se vlivem minimálního
množství transformací energie díky kogenerační jednotce mohl částečně i snížit např.
při využití tepla z kogenerační jednotky pro praní.
Skutečná elektrická účinnost kogenerační jednotky nebude záviset pouze na těchto
technických parametrech, ale také na ekonomické návratnosti investice do kogenerační
jednotky (což je funkce pořizovací ceny, životnosti, rozdílu energie v palivu pro
kogenerační jednotku a ceny kupované elektřiny atd.).
Akumulace elektřiny v domácnostech
V současné době se pro akumulaci elektřiny v domácnostech používají elektrické
baterie typu Li­ion. Vyplatí se prakticky pouze je­li v domácnosti i zdroj elektrické
energie.
13.id412 Blok elektrických akumulačních baterií
Powerwall pro domácnosti.
Kompaktní blok o rozměrech 130x86x18 cm je určen
na zavěšení na stěnu. Obsahuje podle verze 800 až
1100 Li­on článků respektive jeho kapacita je 7 až
10 kWh. Nabíjecí i vybíjecí proud je stejnosměrný
o napětí 350 až 450 V. Účinnost akumulace je větší
jak 92% i díky vlastnímu chladícímu okruhu.
Maximální výkon/příkon je 3,3 kW. Obrázek [10].
Řízení výroby a spotřeby energií v domácnostech
Zvláště z předchozí kapitoly je patrné, že k maximální úspoře nákladů na energie v
domácnostech respeketive k co nejefektivnějšímu využití vyrobené energie je vytvořit
soulad mezi a spotřebou. Jak již bylo uvedeno první krokem je akumulace energie
v případě kogeneračního zdroje a nebo při použití zdrojů závislých na počasí. Druhým
krokem je vyladění činnosti zdrojů Z, akumulace A a spotřeby S pomocí
programovatelného elektronického řídícího systému. Z pohledu řídícího systému platí,
že čím více má informací tím lépe může sladit činnosti jednotlivých komponent.
Kvalitní řídící systém využívá predikce spotřeby například pomocí předpovědi
počasí dostupné na internetu, ke kterému je připojen (počasí spotřebu ovlivňuje). Tímto
způsobem dokáže předpovídat i výrobu elektřiny ze zdrojů závislých na počasí. Na
základě těchto predikcí ovlivňuje akumulaci energie (vybíjení a nabíjení akumulačního
systému nebo může zahájit dobíjení elektrických akumulátorů v automobilu sekačce
apod.) a dokáže odložit či doporučit energetické náročné činnosti (například praní) na
příhodnější den. Pokud zásuvky v domácnosti jsou rozděleny do okruhů s měřením
podle priorit dokáže systém některé zbytné spotřebiče/okruhy odpojit/připojit apod.
Samozřejmostí je i případné připojování/odpojování na rozvodnou elektrickou síť
v okamžiku výhodné tarifu.
14.id954 Elektrický akumulátor s integrovaným
řídícím systémem pro správu elektrických zdrojů a
spotřebičů v domácnosti.
Na obrázku je jednotka Schüco 4 000 společnosti
Schüco International KG [9]. Kapacita systému je
4 kWh, rozměry 1500x600x600 mm, 168 kg. Řídící
systém, podle výrobce, dokáže vyhodnocovat jestli
je právě vyrobenou nadbytečnou elektřinu výhodné
akumulovat či přímo prodávat do DS. V případě
výhodnosti lze do DS dodávat i akumulovanou
elektřinu. Řídící systém je programovatelný a lze ho
rozšířit o další funkce podle místa instalace a přání
uživatele. S jednotkou lze komunikovat na dálku
pomocí PC, tabletu i telefonu.
Pár slov na závěr
Mnoho technologií vhodných pro použití k výrobě elektřiny v domácnostech se
teprve rozvijí a i možnosti upotřebit efektivně vyrobenou elektřinu ještě nejsou zcela
ideální a nezbytností je sdílení elektřiny s distribuční soustavou. Pokud by toto sdílení
nebylo dotované speciálními výkupními cenami nutilo by to majitele provozovat tyto
jednotky tak, aby vyrobili přesně tolik energie kolik za určité období samy spotřebují,
což by vedlo k používání těchto jednotek právě v době energetických špiček.
Výroba elektrické energie v domácnosti může snížit spotřebu primární energie a
tedy i produkce CO2 až do 20% v případě fosilních paliv a až 100% v případě využití
obnovitelných zdrojů. Důležitým předpokladem pro využívání energetických jednotek v
domácnostech je ekonomické hledisko tedy množství ušetřených výdajů domácnosti na
energie a legislativa, která může použití kogenerační jednotky zefektivnit a přiměřeně
ohodnotit jejich celkový přínos společnosti. Některé technologie kogeneračních
jednotek umožňují spalovaní biomasy v malých objemech, což by umožňovalo
dokonalejší a levnějšímu využití biomasy v bezprostředním okolí umístění kogenerační
dokonalejší a levnějšímu využití biomasy v bezprostředním okolí umístění kogenerační
jednotky. V neposlední řadě použití kogenerační jednotky znamená minimum
transformací energie v domácnosti.
Odkazy
1. Bilance elektřiny ES ČR za leden 2005, Energetického regulační úřad, 2005. [on­
line]. Dostupné z http://www.eru.cz, 2005.
2. ČEPS, a.s., 2012. Přenosové služby, systémové služby, tranzity elektřiny,
vyhodnocování odchylek. Adresa: Praha 10, Elektrárenská 774/2, PSČ 101 52,
http://www.ceps.cz.
3. Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2004/8/ES ze dne 11. února 2004 o
podpoře kombinované výroby tepla a elektřiny založené na poptávce po užitečném teple
na vnitřním trhu s energií a o změně směrnice 92/42/EHS.
4. Autor neuveden. Inspirativní slovenský recept: rozvoj fotovoltaiky zdarma a bez
zbytečné byrokracie, Technický týdeník, č. 21, ročník 2012. ISSN 0040­1064.
5. DUNKER R., Kleine KWK mit Brennstoffzellen­Heizgeräten etablieren,
EuroHeat&Power, 2004, č.11. DE: ISSN 0949­166X.
6. Fotovolt system, [2010]. [on­line]. Web: http://www.fotovoltsystem.cz.
7. Renewabledevices, [2010]. Web: http://www.Renewabledevices.com.
8. Schüco International KG, [2013]. Adresa: Karolinská 650/1, 186 00 Praha 8. Web:
http://www.schueco.com/.
9. ZILVAR, Jiří. Jak funguje net metering, TZB­info, 201305­06. Praha: Topinfo s.r.o.,
ISSN 1801­4399. Dostupné z http://oze.tzb­info.cz/9862­jak­funguje­net­metering.
10. Tesla Motors, Inc. Výrobce elektromobilů a elektrických baterií. Web:
https://www.teslamotors.com. [cit. 2016­01­17]
Citace tohoto článku
ŠKORPÍK, Jiří. Principy výroby elektřiny a tepla v domácnostech, Transformační
technologie, 2010­06, [last updated 2016­01]. Brno: Jiří Škorpík, [on­line] pokračující
zdroj, ISSN 1804­8293. Dostupné z http://www.transformacni­technologie.cz/principy­
vyroby­elektriny­a­tepla­v­domacnostech.html.
©Jiří Škorpík, LICENCE
www.transformacni­technologie.cz
—1—
—2—
Tato Příloha 59 je součástí článku 6. Tepelné oběhy a
jejich realizace, http://www.transformacnitechnologie.cz/tepelne-obehy-a-jejich-realizace.html.
aei =q+ic3 −ic4 +g⋅(H3 −H 4) [43. id288]
Odvození rovnic pro Braytonův oběh
g⋅(H3 −H 4)≈0 změna potenciální energie pracovního plynu
Teplo je dodáváno v ohříváku. Na vstupu do ohříváku je
plyn ve stavu 2 a na výstupu je o stavu 3:
qD=ai +ic3 −i c2+g⋅(H3 −H 2 ) [43. id288]
ai=0 v ohříváku není práce přiváděna ani odváděna,
g⋅(H3 −H2 )≈0 změna potenciální energie v ohříváku je
velmi malá,
qD=i c3−ic2 .
Teplo je odváděno v chladiči. Na vstupu do chladiče je
pracovní plyn ve stavu 4 a na výstupu z chladiče ve
stavu 1:
q≈0 sdílení tepla s okolím je v turbíně
zanedbatelné,
v turbíně je velmi malá,
aei =i c3−ic4.
Vnitřní práce turbokompresoru odpovídá změně stavu
pracovního plynu na úseku 1-2 během komprese:
aki =q+i c1−ic2 +g⋅(H 1 −H2) [43. id288]
q≈0 sdílení tepla s okolím je v turbokompresoru
zanedbatelné,
g⋅(H1 −H2 )≈0 změna potenciální energie plynu v
turbokompresoru je velmi malá,
aki =ic1 −i c2.
velmi malá,
Pro případ konstantních termodynamických vlastností
pracovního plynu a zanedbání kinetické energie
v jednotlivých bodech oběhu lze rovnice upravit podle
vztahu pro entalpii:
Δi=cp·ΔT
[43. id966]
qOd=i c1−i c4 .
Odtud:
Práce oběhu:
a=qD+qOd=(ic3-ic2)+(ic1-ic4) [43. pod id54].
q D=c p ( T 3−T2 ) ; qOd=c p (T 1− T4 ) ; a=c p ( T3 −T 2 +T1 −T 4 )
T −T
ηt=1+ 1 4 ; aei =c p ( T 3−T4) ; aki =c p( T1 −T 2 ) .
T 3−T2
qOd=ai +ic1 −ic4 +g⋅(H1−H 4) [43. id288]
ai=0 v chladiči není práce přiváděna ani odváděna,
g⋅(H1 −H 4)≈0 změna potenciální energie v chladiči je
Vnitřní práce turbíny odpovídá změně stavu pracovního
plynu na úseku 3-4 během expanze:
—3—
Tato Příloha 620 je součástí článku 6. Tepelné oběhy a
jejich realizace, http://www.transformacnitechnologie.cz/tepelne-obehy-a-jejich-realizace.html.
Odvození rovnic pro výbušný (Ottův) oběh
Teplo je do oběhu přiváděno při izochorické změně na
úseku 2-3 [6. id620]:
3
—4—
p=
r⋅T
[43. id956], dosazením do předchozí rovnice:
v
T1=T2
2
[43. id956]
2
3
∫ p⋅dv=0 izochorický děj,
2
3
T 4=T3
v2 v3
= .
v1 v4
T3
2
Teplo je z oběhu odváděno při izochorické změně na úseku
4-1 [6. id620]:
1
1
qOd=∫ du∫ p⋅dv=c v  T1−T 4 .
4
4
Práce jako součet dodaného a odvedeného tepla:
a=qD+qOd=cv(T3-T2)+cv(T1-T4)
[43. pod id54].
Tepelná účinnost oběhu:
ηt =1−
T4 −T 1
[43. pod id54].
T3 −T 2
Mezi stavy 3-4 a 1-2 probíhá adiabatická změna:
κ
κ
p1⋅v 1 =p2⋅v 2 [43. id945]
.
Poměr měrných objemů je stejný:
∫ du=c v∫ dT=c v T3 −T 2  [43. id965],
qD=c v T 3−T2  .
(κ−1)
()
v3
v4
3
2
.
Stejným způsobem lze odvodit rovnici pro teplotu T4:
3
qD=∫ du∫ p⋅dv
(κ−1)
()
v2
v1
ηt =1−
(κ−1)
(κ−1)
( ) ()
v2
v1
v
− 2
v1
T 3−T2
(κ−1)
( )
v
=1− 2
v1
.
—5—
—6—
Tato Příloha 622 je součástí článku 6. Tepelné oběhy a
jejich realizace, http://www.transformacnitechnologie.cz/tepelne-obehy-a-jejich-realizace.html.
Vnitřní práce turbíny odpovídá změně stavu páry na úseku
3-4 během expanze:
Odvození rovnic pro Rankine-Clausiův oběh
(R–C oběh; parní oběh)
q≈0 sdílení tepla s okolím je v turbíně
zanedbatelné,
Teplo je dodáváno v kotli. Na vstupu do kotle je voda ve
stavu 2 a na výstupu je pára ve stavu 3:
qD=ai +ic3 −i c2+g⋅(H3 −H 2 ) [43. id288]
ai=0 v kotli není práce přiváděna ani odváděna,
g⋅(H3 −H2 )≈0 změna potenciální energie v kotli je velmi
aTi =q+i c3 −ic4 +g⋅(H3 −H4 ) [43. id288]
g⋅(H3 −H 4)≈0 změna potenciální energie páry v turbíně je
velmi malá,
aTi =ic3−i c4.
Vnitřní práce napájecího čerpadla odpovídá změně stavu
vody na úseku 1-2 během čerpání:
malá,
ači =q+i c1−ic2 +g⋅(H 1 −H2 )
qD=i c3−ic2 .
q≈0 sdílení tepla s okolím je v čerpadle
zanedbatelné,
Teplo je odváděno v kondenzátoru. Na vstupu do
kondenzátoru je pára ve stavu 4 a na výstupu
z kondenzátoru je voda ve stavu 1:
qOd=ai +ic1 −ic4 +g⋅(H1−H 4) [43. id288]
ai=0 v kondenzátoru není práce přiváděna ani
odváděna,
g⋅(H1 −H 4)≈0 změna potenciální energie v kondenzátoru je
velmi malá,
qOd=i c1−i c4 .
Práce oběhu:
a=qD+qOd=(ic3-ic2)+(ic1-ic4) [43. pod id54].
[43. id288]
g⋅(H1 −H2 )≈0 změna potenciální energie páry v turbíně je
velmi malá,
ači =ic1 −i c2.
—7—
Tato Příloha 629 je součástí článku 6. Tepelné oběhy a
jejich realizace, http://www.transformacnitechnologie.cz/tepelne-obehy-a-jejich-realizace.html.
Odvození rovnic energetické bilance
chladícího oběhu
—8—
a=qD+qOd=(ic1-ic4)+(ic3-ic2) [43. pod id54].
Mezi stavem 3-4 probíhá škrcení což je izoentalpický děj
[43. id90]:
ic3=ic4,
odtud pro práci:
a=qD+qOd=ic1-ic2.
Teplo je dodáváno ve výparníku. Na vstupu do výparníku
je pracovní látka ve stavu 4 a na výstupu je o stavu 1:
qD=ai +ic1 −i c4+g⋅(H1 −H 4 ) [43. id288]
Vnitřní práce kompresoru odpovídá změně stavu par
pracovního plynu na úseku 1-2 během komprese:
ai=0 ve výparníku není práce přiváděna ani
odváděna,
aki =q+i c1−ic2 +g⋅(H 1 −H2) [43. id288]
g⋅(H1 −H 4)≈0 změna potenciální energie ve výparníku je
q≈0 sdílení tepla s okolím je v kompresoru
zanedbatelné,
velmi malá,
qD=i c1−ic4 .
Teplo je odváděno v kondenzátoru. Na vstupu do
kondenzátoru je pracovní plyn ve stavu 2 a na výstupu z
kondenzátoru je kapalina na mezi sytosti ve stavu 3:
qOd=ai +ic3 −ic2 +g⋅(H3−H 2) [43. id288]
ai=0 v kondenzátoru není práce přiváděna ani
odváděna,
g⋅(H3 −H2 )≈0 změna potenciální energie v kondenzátoru je
velmi malá,
qOd=i c3−i c2 .
Práce oběhu:
g⋅(H1 −H2 )≈0 změna potenciální energie páry v
kompresoru je velmi malá,
aki =ic1 −i c2.
—9—
Tato Příloha 977 je součástí článku 6. Tepelné oběhy a
jejich realizace, http://www.transformacnitechnologie.cz/tepelne-obehy-a-jejich-realizace.html.
— 10 —
Tepelná účinnost oběhu:
ηt=1+
c p (T1−T 4 )
[43. pod id54].
c v (T3−T2 )
Odvození rovnic pro Lenoirův oběh
cp
=κ [1, s. 75]
cv
Teplo je do oběhu přiváděno při izochorické změně na
úseku 2-3 [6. id977]:
ηt =1−κ
3
3
qD=∫ du+∫ p⋅dv [43. id956]
2
2
3
∫ p⋅dv=0 izochorický děj,
2
3
3
∫ du=c v∫ dT=c v (T3 −T 2 ) [43. id965],
2
2
qD=c v T 3−T2  .
Teplo je z oběhu odváděno při izobarické změně na úseku
4-1 [6. id977]:
1
1
qOd=∫ di−∫ v⋅dp [43. id964]
4
4
1
∫ v⋅dp=0 izobarický děj,
4
1
1
∫ di=c p ∫ dT =c p(T1−T 4) [43. id966],
4
4
qOd=c p (T1 −T 4) .
Práce jako součet dodaného a odvedeného tepla:
a=qD+qOd=cv(T3-T2)+cp(T1-T4) [43. pod id54].
T4 −T1
.
T3 −T 2
Odkazy
1. KALČÍK, Josef, SÝKORA, Karel. Technická
termomechanika, 1973. 1. vydání, Praha: Academia.
— 11 —
Tato Příloha 979 je součástí článku 6. Tepelné oběhy a
jejich realizace, http://www.transformacnitechnologie.cz/tepelne-obehy-a-jejich-realizace.html.
Odvození rovnic pro rovnotlaký (Dieslův)
oběh
Teplo je do oběhu přiváděno při izobarické změně na
úseku 2-3 [6. id979]:
3
3
qD=∫ di−∫ v⋅dp [43. id964]
2
2
∫ v⋅dp=0 izobarický děj,
3
∫ di=c p ∫ dT =c p T3 −T 2  [43. id966],
2
2
qD=c p T3−T2  .
Teplo je z oběhu odváděno při izochorické změně na úseku
4-1 [6. id979]:
1
1
qOd=∫ du∫ p⋅dv [43. id956]
4
4
1
∫ p⋅dv=0 izochorický děj,
4
1
1
∫ du=c v∫ dT=c v T1 −T 4  [43. id965],
4
Tepelná účinnost oběhu:
ηt=1+
4
qOd=c v T1 −T 4 .
Práce jako součet dodaného a odvedeného tepla:
a=qD+qOd=cp(T3-T2)+cv(T1-T4) [43. pod id54].
c v (T1−T 4 )
[43. pod id54].
c p (T3−T2 )
cp
=κ [1, s. 75]
cv
1 T −T 4
ηt =1+ κ 1
.
T3−T 2
Odkazy
1.
3
2
3
— 12 —
KALČÍK, Josef, SÝKORA, Karel. Technická
termomechanika, 1973. 1. vydání, Praha: Academia.
Rejstřík
Index
A
A
• absolutní charakteristika kompresoru 26.
• absolutní nula (teplota) 46.
• absolutní rychlost 11.
• absorbátor 47.
• absorpce fotonu 46.
• absorpce tepelného záření 46.
• adiabatická expanze 13.
• adiabatická komprese 13.
• adiabatické hoření 3.
• adiabatický děj 43.
• aerobní 3.
• aerobní fermentace 3.
• aeroderivát 23. 27.
• aerodynamický tunel 16.
• aerodynamika osamoceného profilu 16.
• aktivační energie 1.
• aktivita 47.
• aktivní zóna 47.
• akumulační elektrárna 5.
• Al­Chwárizmí Muhamad ibn Músa 42.
• alfa záření 47.
• alkoholová fermentace 3.
• amplituda pravděpodobnosti 46.
• anaerobní 3.
• anaerobní fermentace 3.
• anihilace 47.
• antihmota 47.
• antipompážní regulace 26.
• atmosférický tlak 1.1035
• atom 47.
• ATP 1.
• antracit 7.
• axiální stupeň 19. 11.
• axiální ventilátor 22.
• absolute velocity 11.
• absolute zero (temperature) 46.
• absorptivity of photon 46.
• absorptivity of heat radiation 46.
• additional losses 13.
• additional heating 23.
• adiabatic compression 13.
• adiabatic expansion 13.
• adiabatic process 43.
• admission of steam piston engine 28. 29.
• aeroderivative 23. 27.
• Al­Khwārizm Muḥammad ibn Mūsā 42.
• alloys steel 15. 21.
• aluminum 15.
• angle of attack 15. 16.
• angle of camber of flow 15.
• angle of deviation 15.
• angle of glide 16.
• anti­stall system 26.
• atmospheric pressure 1.1035
• atom 47.
• attack velocity 15.
• axial fan 22.
• axial stage 19. 11.
B
B
• bandáž 11. 24. 17.
• barevné těleso 46.
• Bealovo číslo 36.
• back­pressure 40.
• back­pressure steam turbine 23.
• balancing valve 37.
• Bendemannova elipsa 40.
• Benz Carl 1.
• Bernoulliho rovnice 11. 13. 42.
• beta záření 47.
• bezlopatkový difuzor 12. 20. 11.
• bezlopatkový rozvaděč 12. 20. 11.
• bezrozměrové otáčky 26.
• bezrozměrový průtok 26.
• bílé těleso 46.
• bio­materiál 15.
• biomasa 3.
• bioplyn 3.
• bit43.
• Born Max 46.
• Boussinesq Joseph 38.
• Brayton Georg 1.
• Braytonův oběh 6. 27.
• bronz 15.
• bubnový rotor 24.
• buňka 1.
C – Č
• Carnotův oběh 43.
• carnotizace 6. 25. 27.
• celková energie kapaliny 11. 21. 13.
21.949
• celková entalpie 43.
• celková teplota 43.
• cirkulace rychlosti 12.
• cirkulace vektoru 42.
• clona 37.
• Colebrook Cyril 38.
• Compton Arthur 46.
• Curtisův stupeň 19. 24.
• černé těleso 46.
• base airfoil 15.
• Beal number 36.
• Bendemann ellipse 40.
• Bernoulli equation 11. 13. 42.
• bio­material 15.
• biogas 3.
• biomass 3.
• blade 11. 15.
• blade passage 15. 11.
• blade profile 15. 16.
• blade profile angle 15.
• blade row 11. 15. 16.
• blower 23.
• boiler 1. 7.
• Born Max 3.
• boundary layer 38. 17.
• Boussinesq Joseph 38.
• branches of turbomachines 15. 17. 11.
• Brayton Georg 1.
• Brayton cycle 6. 27.
• Briggs Henry 42.
• bronze 15.
• burning 1.
• burning of wood 3.
• by­pass governing 25.
• by­pass ratio 23.
C
• carbon steel 15.
• Carnot cycle 43.
• carnotization 6. 25. 27.
• cast iron 15.
• cavitation 21.
• ceramics 15.
• characteristics of axial turbine stage 24.
27.
• characteristics of compressor 24. 26.
• characteristics of combustion turbine 24.
• characteristics of fan 22. 21.
• characteristics of piping system 38. 21.
• characteristics of pump 21.
• characteristics of radial turbine stage 24.
• characteristics of steam turbine 24. 25.
• characteristics of wind turbine 22.
• CHP at domestic 10.
• CHP unit 10.
• circular function 42.
• circulation compressor 23.
• circulation of velocity 12.
• circulation pump 11.
• circumference velocity 11.
• coal gas 7.
• coefficient of performance 6.
• cogeneration unit 6.
• Colebrook Cyril 38.
• combined cycle gas turbine (CCGT) 23.
25.
• combined heat and power (CHP) 6.
• combined heat and power plant 6.
• combustion chamber 27.
• combustion turbine 24. 27., 23. 11.
• composite 15.
• compressed air energy storage (CAES)
23.
• compression fan 39.
• compression ratio 13. 26. 6.
• compressor station 23.
• Compton Arthur 46.
• condensate pump 11. 23.
• condensing turbine 23. 25. 24. 41.
• configuration of Stirling engine 33.
• control valve 37.
• controlled extraction 23. 25.
• convergent passage 15.
• cooling of blade 23.
• cooling of compressor 23. 26. 13.
• cooling tower 1.
• copper 15.
• corrected flow 26.
• corrected speed 26.
• crankshaft 31.
• crankshaft mechanism 31.
• critical enthalpy 40.
• critical flow (nozzle) 40.
• critical flow (Reynolds number) 38.
• critical flow area 40.
• critical pressure ratio 40.
• curl 42.
• Curtis stage 19. 24.
• cylindrical coordinate system 42.
D
• Daimler Gottlieb 1.
• Darcy Henry 38.
• Darcy­Weisbachova rovnice 38.
• deexcitace jádra 47.
• Descartes René 42.
• deuterium 47.
• dávka záření 47.
• dávkový ekvivalent 47.
• dávkový příkon 47.
• diagonální stupeň 19. 11.
• diatermní těleso 46.
• Diesel Rudolf 1.
• Dieselův oběh 6.
• difuzní záření 2.
• difuzor 41. 38. 17.
• difuzorový kanál 15.
• diskový rotor 24. 22.
• distribuční soustava 1. 10.
• divergence vektoru 42.
• dmychadlo 23.
• domácnost10.
• druhý zákon termodynamiky 43.
• dusík 7. 3.
• dvojčinný pístový parní motor 28.
• dvojčinný Stirlingův motor 33.
• dvousedlový ventil 37.
• dvoutlakový oběh 23. 27.
E
• Edison Thomas 1.
• efektivní sálavost 46.
• efektivní účinnost stupně 14.
• Einstein Albert 46.
• ejekční poměr 41.
• ejektor 41.
• ekvivalentní dávka 47.
• ekvivalentní délka potrubí 38.
• ekvivalentní průměr 38.
• elektromagnetické záření 46.
• elektron 47.
• emise 7.
• energetická hodnota 1.
• energetická tloušťka 38.
D
• Darcy Henry 38.
• Darcy­Weisbach equation 38.
• density of blade row 15.
• Descartes René 42.
• Diesel Rudolf 1.
• Diesel cycle 6.
• diagonal stage 19. 11.
• diffuser 41. 38. 17.
• diffuser passage 15.
• disc rotor 20. 22.
• direct Air­Cooled 23. 25. 26.
• distribution point 28.
• divergence 42.
• double pressure cyle 23. 27.
• double­acting steam piston engine 28.
• double­acting Stirling engine 33.
• double seat valve 37.
• draft tube 13. 21.
• drum rotor 24.
E
• efficiency of Carnot cycle 43. 6.
• effective efficiency of stage 14.
• efficiency of heat cycle 43.
• efficiency of heat power plant 6. 7.
• efficiency of jet engine 23.
• efficiency of propeller 13.
• efficiency of steam cycle 6. 25. 9.
• efficiency of turboset 14.
• efficiency of wind turbine 13. 22.
• ejector 40.
• enthalpy 43.
• enthalpy of gases mix 3.
• entropy 43. 13.
• EP 15.
• energetický mix 1.
• entalpie 43. 13.
• entalpie směsi 3.
• entropie 43. 13.
• EP 15.
• Ericsson John 1. 33.
• éter 46.
• Euler Leonhard 1.
• Eulerova rovnice 12.
• Eulerova n­rovnice 16.
• Eulerova rovnice hydrodynamiky 19.
• Eulerova turbínová rovnice 12.
• excitace 47.
• exentricita šoupátka 30.
• expanzní vlny 39.
• exponent polytropy 40.
F
• Fannova křivka 38. 37.
• Faraday Michael 1.
• Fermi Enrico 1.
• Ferraris Galile 1.
• fosilní paliva 7. 23.
• fotoelektrický jev 46.
• fotolýza 3.
• foton 46.
• fotosyntéza 3.
• fotovoltaický systém 2.
• Francisova turbína 21. 5. 11. 20.
• Fresnel Augustin­Jean 46.
G
• Galvani Luigi 1.
• gamma záření 46. 47.
• geotermální elektrárna 8.
• geotermální energie 8.
• geotermální výtopna 8.
• Gibbs John 1.
• Glauert­Prandtlovo pravidlo 16.
• goniometrické funkce 42.
• gradient 42.
• graf 42.
• grafit 15.
• Ericsson John 1. 33.
• Euler equation 12.
• Euler Leonhard 1.
• Euler turbomachinery equation 12.
• evaporative cooling 1.
• evaporator 6.
• equation for difference of specific
enthalpy between two states 13. 40.
• equation of enthalpy for difference
between two states 13.
• equation of state of ideal gas 43.
• equation for crankshaft mechanism 31.
• equivalent length in pipe diameters 38.
• excitation 47.
• expansion fan 39.
F
• fan 11. 22.
• Fann's plot 38. 37.
• feed pump 11. 23.
• fire 1.
• first law of thermodynamics for open
system 43.
• flash point 1.
• flow coefficient 18.
• flow factor 37.
• flow rate cone of nozzle 42.
• fossil fuels 7. 23.
• Francis turbine 21. 5. 11. 20.
• friction factor of pipe 38.
G
• gas turbine 6. 23. 24. 27. 11.
• geothermal energy 8.
• geothermal power plant 8.
• Glauert­Prandtl rule 16.
• governing of fan 22.
• governing of steam turbine 25. 24.
• gradient 42.
• graphite 15.
• Grassmann Hermann 42.
• Gramme Zénobe 1.
• Grassmann Hermann 42.
• Gray Stephen 1.
• Gualard Lucien 1.
• Guericke Otto 1.
H – Ch
• Hagen Gotthilf 38.
• Hahn Otto 1.
• Herz R. Heinrich [46.
• hladina skalárního pole 42.
• hliník 15.
• hoření 1.
• hoření dřeva 3.
• hrdla lopatkových strojů 15. 17. 11.
• Hugoniotův teorém 39.
• hustota lopatkové mříže 15.
• Huygens Christian 46. 1.
• hybnost tekutiny 12.
• hydraulický lopatkový stroj 11.
• hydraulická účinnost 13. 41.
• hydrodynamické čerpadlo 21. 11.
• charakteristika čerpadla 21.
• charakteristika kompresoru s
redukovanými parametry 26.
• charakteristika parní turbíny 25.
• charakteristika potrubního systému 38.
21.
• charakteristika spalovací turbíny 27.
• charakteristika stupně lopatkového stroje
18.
• charakteristika ventilátoru 22. 21.
• charakteristika větrné turbíny 22. 4.
• chladící faktor 6.
• chladící oběh 6. 8.
• chladící věž 1.
• chlazení kompresoru 23. 26. 13.
• chlazení lopatky 23.
• chlazení odparem 1.
• chlazení vzduchem 23. 25. 26.
I
• i­s diagram 43. 13. 19. 20. 40.
• ideální tekutina 38.
H
• Hagen Gotthilf 38.
• heat 43.
• heat of combustion 1.
• heat capacity 43.
• heat machine 6. 11.
• heat pump 8. 6.
• heat turbomachine 11.
• heat cycle 43. 6.
• heater of Stirling engine 33.
• heating value 1. 44.1043
• Hugoniot condition 39.
• hydraulic efficiency 13.
• hydraulic turbomachine 11.
I
• i­s diagram 43. 13. 19. 20. 40.
• impulse stage 12. 19. 24. 22.
• ignition timing 6.
• imaginární číslo 42.
• imaginární jednotka 42.
• impulsní tloušťka 38.
• indikátorový diagram 30.
• injekční poměr 41.
• injektor 41.
• intenzita vyzařování 46.
• intenzita záření 2.
• inverzní křivka 37.
• ionizující záření 47.
• ITER­International Thermonuclear
Experimental Reactor 1.
• iracionální čísla 42.
• iterační výpočet 42.
• izobar 47.
• izobara (izobarická termodynamická
změna) 43.
• izochora (izochorická termodynamická
změna) 43.
• izoentropický děj (změna) 43. 13.
• izopléta 42.
• izotermický děj 43.
• izotop 47.
J
• jaderná bezpečnost 9.
• jaderná elektrárna 9.
• jaderná energie 45.
• jaderná syntéza 47.
• jaderný izomer 47.
• jaderný reaktor 9. 1.
• jakostní faktor 47.
• jednosedlový ventil 37.
• jednostupňová parní turbína 11. 24.
• jmenovitý výkon 14.
• Joule Prescott 1.
• Joulův­Thomsonův jev 37.
• Junkers Hugo 1.
• impulse passage 15.
• injector 40.
• iteration calculation 42.
• intercooling 23. 26. 27.
• internal combustion engine 6. 23.
• internal efficiency of steam piston engine
29.
• internal efficiency of Stirling engine 35.
• internal efficiency of turbomachine 13.
• internal efficiency of turbomachine stage
14.
• internal efficiency of turbomachine stage
14.
• internal energy 43.
• internal friction 38.
• internal heat 43.
• internal losses 11. 13.
• internal power input of turbomachine 11.
13.
• internal power output of steam piston
engine 29.
• internal power output of turbomachine
11. 13.
• internal work of turbomachine 11. 13. 14.
• internal work of steam piston engine 29.
• internal work of Stirling engine 35. 34.
• irreversible process 43.
• isentropic process 43. 13.
• isopleth 42.
J
• jet engine 23. 27.
• Joule–Thomson effect 37.
K
• Kalinův oběh 25.
• kamenivo 15.
• Kaplanova turbína 21. 1. 11. 5. 19.
• kavitace 21. 20.
• keramika 15.
• kliková hřídel 31.
• klikový mechanismus 31.
• klouzací poměr 16.
• klouzavý úhel 16.
• koeficient rychloběžnosti 22.
• kogenerační jednotka 6.
• Kolben Emil 1.
• kombinovaná výroba elektřiny a tepla
(KVET) 6.
• komplexní čísla 42.
• kompozit 15.
• kompresní poměr 13. 26. 6.
• kompresní stanice 23.
• kompresní vlny 39.
• kondenzační turbína 23. 25. 24. 41.
• kondenzátní čerpadlo 11. 23.
• konfuzorový kanál 15.
• korpuskule 46.
• kosinus 42.
• kotangens 42.
• kotel 1. 7.
• kritérium podobnosti 18.
• kritická entalpie 40.
• kritická rychlost 40.
• kritické proudění (Reynoldsovo číslo)
38.
• kritické proudění 40.
• kritický průřez 40.
• kritický tlakový poměr 40.
• kroutící moment pístového parního
motoru 31.
• Křižík František 1.
• kuželový stupeň 19.
• kůň (výkon) 1.
• kvantum 46.
• KVET v domácnosti 10.
• kompresní poměr 13. 26.
K
• Kalina cycle 25.
• Kaplan turbine 21. 1. 11. 19.
• Kutta–Joukowski theorem 12.
L
• Labe 5.
• labyrintová ucpávka 37. 24.
• laminární proudění 38.
• Langen Eugenem 1.
• Laval Carl Gustav 1.
• Lavalova tryska 40.
• Lavalova turbína 11. 1.
• Lenoir Jean 1.
• Lenoirův motor 1. 6.
• Lenoirův oběh 6.
• lignit 7.
• lineární oscilátor 46.
• litina 15.
• lodní šroub 11.
• logaritmické pravítko 42.
• logaritmy 42.
• lopatka 11. 15.
• lopatková mříž 11. 15. 16.
• lopatkový kanál 15. 11., 40.
• lopatkový stroj 11.
• Lorentz A. Hendrik 46.
M
• Machovo číslo 39.
• Machův úhel 39.
• materiály lopatkových strojů 15. 23. 27.
• Maxwell James 46.
• mechanická energie 43.
• Meitner Lise 1.
• metoda charakteristik 40.
• mez stability (charakteristika čerpadel,
ventilátorů a turbokompresorů) 21.
• mezichlazení 23. 26. 27.
• mezní vrstva 38. 17.
• měď 15.
• měrný objem 43.
• Michelson A. Albert 46.
• Minkowski Hermann 46.
• mocnina 42.
• modifikace Stirlingova motoru 33.
• Moody Lewis 38.
• Moodyho diagram 38.
• Morava 5.
L
• labyrinth seal 37. 25.
• laminar flow 38.
• Laval Carl Gustav 1.
• Laval nozzle 40.
• Laval turbine 11. 1.
• leading edge of blade of blade 11.
• Lenoir cycle 6.
• Lenoir engine 1. 6.
• Lenoir Jean 1.
• logarithmic paper 42.
• logarithms 42.
• loss heat 43. 13.
• loss of stage through leaks 17.
• losses inside branches 17.
• losses through leaks of piston rings 36.
• losses through stall and outlet
recilculation 41. 17. 19. 20.
• low pressure fan 11.
M
• Mach angle 39.
• Mach number 39.
• marine screw propeller 11.
• mass flow coefficient 40.
• materials of turbomachine 15. 23. 27.
• mean aerodynamic velocity 12. 16.
• mean camber line 15.
• mean temperature of input heat of cycle
6.
• mean temperature of rejection heat to
cycle 6.
• method of characteristics 40.
• momentum of fluid 12.
• Moody chart 38.
• Moody Lewis 38.
• multi­casing steam turbine 24. 11.
• multi­stage pump 11. 21.
• multi­stage turbocompressor 11. 24. 26.
23.
• multi­stage steam tubine 11. 24. 25.
• Morley W. Edward 46.
• motor s vnitřním spalováním 6.
• multiplikační faktor 47.
• Musschenbroek Pieter 1.
N
• najížděcí diagram 25.
• náběžná hrana lopatky 11.
• náporový motor 41.
• NBR 15.
• nadzvukový difuzor 41. 39.
• napájecí čerpadlo 11. 23.
• nátoková rychlost 15.
• neregulovaný odběr 23. 25.
• Net­metering 10.
• neutron 47.
• neutronové záření 47.
• nevírové proudění 42.
• nevratná změna 43.
• Newcomen Thomas 1.
• Newton Isaac 46.
• Nikuradse Johann 38.
• nízkotlaký ventilátor 11.
• nomogram 42.
• normála proudnice 42.
• normální stupeň 19.
• NOx 7.
• nuklid 47.
• nukleon 47.
• nukleonové číslo 47.
O
• oběhové čerpadlo 11.
• oběhový kompresor 23.
• objemový stroj 11.
• oblouková míra 42.
• obohacování uranu 9.
• obtokový poměr 23.
• obvodová práce 12. 14.
• obvodová rychlost 11.
• obvodová účinnost 14. 19. 20.
• ocel slitinová 15. 21.
• ocel uhlíková 15.
• odběr páry 23.
N
• NBR 15.
• Nikuradse Johann 38.
• nominal power 14.
• nomograph 42.
• non­dimensional speed 26.
• non­dimensional flow 26.
• nozzle 40.
• nozzle governing 25.
• NOx 7.
• nuclear energy 45.
• nuclear fission of atom 47.
• nuclear power plant 9.
• nuclear reactor 9. 1.
O
• oblique shock wave 39.
• one­stage steam turbine 11. 24.
• open cycle 6.
• optimal power 14.
• orfice plate 37.
• organic Rankine cycle (ORC) 25.
• other losses of turbomachine stage 14.
17.
• Otto engine 1.
• Otto Nikolaus A. 1.
• Otto cycle (spark ignition) 6.
• Oughtred William 42.
• odpor (potrubí) 38.
• odporová síla 16. 17.
• Odra 5.
• odstavení parní turbíny 25.
• odtoková hrana lopatky 11.
• odvěsna 42.
• Ohain Hans 1.
• oheň 1.
• ohřívák Stirlingova motoru 33.
• okrajová ztráta 17. 25. 14.
• olejový okruh 24.
• optimální výkon 14.
• organic Rankine cycle (ORC) 25.
• osamocený profil 16.
• ostatní ztráty stupně lopatkového stroje
14. 17.
• otevřený oběh 6.
• Otto Nikolaus A. 1.
• Ottův motor 1.
• Ottův oběh (zážehový) 6.
• Oughtred William 42.
P
• p­V diagram 43.
• p­V diagram pístového parního motoru
29.
• Paciontti Antonio 1.
• palivová kazeta 9.
• palivová tableta 9.
• palivový proutek 9.
• Papin Denis 1.
• parabolické zrcadlo 2.
• parciální derivace 42.
• parciální ostřik 17. 25.
• parní oběh 6. 25. 23.
• parní turbína 11. 24. 23. 25. 1.
• paroplynový oběh 23. 25.
• Parsons Charles Algernon 1.
• Parsonsova turbína 1.
• PEEK 15.
• Peltonova turbína 21. 5. 11.
• Pfleiderer Carl 17.
• pístový parní motor 28. 1.
• plamen 1.
• Planck Max 46.
• overexpansion nozzle 40.
P
• p­V diagram 43.
• p­V diagram of steam piston engine 29.
• parabolic reflector 2.
• partial admission 17. 25.
• PEEK 15.
• Pelton turbine 21. 5. 11.
• performance of combustion turbine 24.
27.
• piston machine 11.
• pitch of blade row 11. 15.
• Poiseuille Jean 38.
• polytropic compression 13. 26.
• polytropic expansion 13.
• polytropic index 40.
• polytropic process 43.
• potential flow 42.
• potential vortex 42.
• power coefficient 4. 22.
• power to heat ratio 6. 23.
• PPS 15.
• Prandtl­Meyer equation 39.
• preheat factor 13.
• Planckova konstanta 46.
• Planckův vyzařovací zákon 46.
• plnění pístové parního motoru 28. 29.
• plynová turbína 6. 23. 24. 27. , 11.
• podexpandovaná tryska 40.
• Poiseuille Jean 38.
• Poincaré Henri 46.
• pojistný ventil 37.
• polytropická expanze 13.
• polytropická komprese 13. 26.
• polytropický děj 43.
• pomalé neutrony 47.
• poměrná zářivost 46.
• popeloviny 3.
• porovnávací izobara 43.
• pošinovací tloušťka 38.
• potenciál rychlosti 42.
• potenciální energie vodního spádu 5.
• potenciální proudění 42.
• potenciální vektorové pole 42.
• potenciální vír 42.
• potlačená kondenzace/vakuum 23.
• PPS 15.
• pracovní stroj 11.
• Prandtl­Meyerova funkce 39.
• pravoúhlá soustava souřadnic 42.
• Priestley Joseph 1.
• primární energie 1.
• profil lopatky 15. 16.
• profilová mříž 11.
• profilová ztráta 17. 16. 14.
• propulzní účinnost 13. 23.
• protiběžný vír 20.
• protitlak 40.
• protitlaková parní turbína 23.
• protium 47.
• proton 47.
• protonové číslo 47.
• proudová funkce 42.
• proudová trubice rotoru 13. 11.
• proudové čerpadlo 41.
• proudové pole 42.
• proudový motor 23. 27.
• průmět (matematika) 42.
• průtočná elektrárna 5.
• průtokový kužel trysky 42.
• pressure energy 43.
• pressure drop 38. 37.
• pressure gradient 42. 19. 17.
• pressure ratio 40.
• pressure reduction 37.
• pressure reduction valve 37.
• pressure side of blade 16. 11.
• pressurized­water reactor 9. 23.
• profile losses 17. 16. 14.
• profile row 11.
• propeller 13. 22. 11.
• propulsion efficiency 13. 23.
• PVC 15.
• průtokový součinitel 18.
• průtokový součinitel armatury 37.
• průvodič (matematika) 42.
• první zákon termodynamiky pro
otevřený systém 43.
• první zákon termodynamiky pro
uzavřený systém 43.
• přečerpávací elektrárna 5.
• předstih 6.
• přeexpandovaná tryska 40.
• přeměna alfa 47.
• přeměna beta 47.
• přeměna gamma 47.
• přeměnová konstanta 47.
• přenosová soustava 1. 10.
• přeplňování 6.
• přepona 42.
• přepouštěcí ventil 37.
• přestupník 29.
• přetlakový stupeň 12. 19. 20. 22. 14.
• přetlaková strana lopatky 16. 11.
• přihřívání páry 25. 23.
• příčné proudění 17.
• přídavné ztráty 13.
• přílivová elektrárna 22.
• přímá lopatka 11. 19. 20.
• přímé záření 2.
• přírodní uran 9.
• přirozená čísla 42.
• přírůstek 42.
• přitápění 23.
• pumpovní čára 26.
• PVC 15.
• pyrolýza 3.
R
• racionální čísla 42.
• radiální čerpadlo 21.
• radiální stupeň 20. 11.
• radiální ventilátor 12. 22.
• radioaktivita 47.
• raketový motor 40.
• Rankine­Hugoniotovy rovnice 39.
• rašelina 7.
• rázová vlna 39.
R
• radial fan 12. 22.
• radial pump 21.
• radial stage 20. 11.
• Rankine­Hugoniot equations 39.
• re­usable heat 13.
• reaction 18. 20. 19.
• reaction stage 12. 19. 20. 22. 14.
• reducing pressure unit 37. 23.
• reducing­cooling unit 37.
• reálná čísla 42.
• redukce tlaku 37.
• redukčně­chladící stanice 37.
• redukční stanice 37. 23.
• redukční ventil 37.
• redukované otáčky 26.
• redukovaný průtok 26.
• referenční otáčky (kompresor) 26.
• referenční poloměr lopatky 19.
• referenční průtok 26.
• referenční výkon větrné turbíny 4. 22.
• regenerace tepla (parní oběh) 25. 23.
• regenerace tepla (spalovací turbína) 27.
23.
• regenerace tepla (Stirlingův motor) 35.
• regenerátor 33.
• regulace hydrodynamického čerpadla 21.
• regulace obtokem 25.
• regulace parní turbíny 25. 24.
• regulace škrcením 22. 25. 26.
• regulace ventilátoru 22.
• regulační stupeň 24. 25.
• regulační tyče 9.
• regulační ventil 37.
• regulovaný odběr 23. 25.
• relativní drsnost trubek 38.
• relativní rychlost 11.
• relativní vlhkost vzduchu 1. 26.
• Reteau Augustem 1.
• reverzní turbína 11. 21.
• reverzační kompresor 23.
• Reynoldsovo číslo 38. 38.1038
• ropa 7.
• rotace vektoru 42.
• rotor lopatkového stroje 11. 24.
• rovnice adiabatického proudění plynu za
přítomnosti tření 38.
• rovnice klikového mechanismu 31.
• rovnice kontinuity ve vektorovém tvaru
42.
• rovnice Kutta–Žukovského 12.
• rovnice pro rozdíl entalpií mezi dvěma
stavy 13. 40.
• rovnice radiální rovnováhy pro proudění
po válcové ploše 19.
• rovnotlaký kanál 15.
• reference power of wind turbine 4. 22.
• reference radius of blade 19.
• reffered speed (compressor) 26.
• reffered flow 26.
• refrigeration cycle 6. 8.
• regeneration of heat (combustion
turbine) 25. 23.
• regeneration of heat (steam turbine) 27. ,
23.
• regeneration of heat (Stirling engine) 35.
• regenerator 33.
• reheat factor 13.
• reheating of steam 25. 23.
• relative humidity of air 1. 26.
• relative roughness of tubes 38.
• relative velocity 11.
• relief valve 37.
• resistance coefficient 38. 37.
• reversible compressor 23.
• reversible process 43.
• reversible turbine 11. 21.
• Reynolds number 38., 38.1038
• rocket engine 40.
• root of blade 11. 15.
• rotating reduction 37.
• rotodynamic pump 21. 11.
• rotor friction loss 17. 14. 12. 19. 20. 26.
13.
• rotor of turbomachine 11. 24.
• rovnotlaký stupeň 12. 19. 24. 22.
• rozteč lopatkové mříže 11. 15.
• rozvodový okamžik 28.
• Rømer Ole 46.
• rychlost proudění v potrubí 38. 38.1039
• rychlost světla ve vakuu (fotonu) 46.
• rychlost větru 4.
• rychlost zvuku 39.
• rychlostní pole lopatkové mříže 17.
• rychlostní poměr 18.
• rychlostní součinitel 40. 14.
• rychlostní trojúhelník 11. 19. 22.
• rychlý nutron 47.
S–Š
• sací strana lopatky 16. 11.
• sací trouba 13. 21.
• Saint­Venant Adhémar Jean Claude
Barré 1.
• Saint Vénant­Wantzelova rovnice 40.
• Savery Thomas 1.
• Segnerovo kolo 12.
• selektivní vrstva 2.
• separátor vlhkosti 23. 26.
• setrvačník 42. 31.
• Scheele Carl 1.
• Schiller Ludwig 38.
• Schmidtův oběh 34.
• Schrödinger Ervin 46.
• Siemens Werner 1.
• sinus 42.
• síra 7. 3.
• skleníkový efekt 7.
• skluz 20.
• skupinová regulace 25.
• Slunce 2.
• sluneční konstanta 2.
• solární energetika 2. 1.
• solární elektrárna 2. 1.
• solární kolektor 2.
• solární komín 2.
• součinitel odporu 16.
• součinitel průtoku (pro průtok
uzavřeným kanálem) 40.
• součinitel přebytku vzduchu 1.
S
• Saint­Venant Adhémar Jean Claude
Barré 1.
• Saint Vénant­Wantzel equation 40.
• Schiller Ludwig 38.
• Schmidt cycle 34.
• Schrödinger Ervin 46.
• Segner wheel 12.
• shaft work 12. 14.
• shaft work efficiency 14. 19. 20.
• shock wave 39.
• shroud 11. 24. 17.
• single seat valve 37.
• slide rule 42.
• slide valve of steam piston engine 30. 28.
• solar power industry 2. 1.
• solar collector 2.
• solar power plant 2. 1.
• Solar thermal collector 2.
• specific impulse 40.
• specific speed 18. 21. 22.
• specific volume 43.
• speed of sound 39.
• spiral casing 12. 15.
• stage of turbomachine 11. 19. 20.
• stator of turbomachine 11.
• stagger angle 15. 19. 22.
• stagnation enthalpy 43.
• stagnation temperature 43.
• steam cycle 6. 25. 23.
• steam extraction 23.
• součinitel relativní absorpce 46.
• součinitel skluzu 20.
• součinitel tření v potrubí 38.
• součinitel přídavných ztrát 13.
• součinitel vztlaku 16.
• součinitel zpětného využití ztrát 13.
• spaliny 1.
• spalné teplo 1.
• spalovací motor 6. 23.
• spalovací komora 24.
• spalovací turbína 24. 27. 23. 11.
• spalování 3. 6. 1. 7.
• specifické otáčky 18. 21. 22.
• specifický impuls 40.
• spirální skříň 12. 15.
• start parní turbíny 25.
• stator lopatkového stroje 11.
• stavová rovnice ideálního plynu 43.
• Stefan­Boltzmannova konstanta 46.
• Stefan­Boltzmannův zákon 46.
• stechiometrické spalování 1.
• Stirling Robert 33.
• Stirlingův motor 33.
• Stirlingův oběh 34.
• Stodola Aurel 17.
• střední aerodynamická rychlost 12. 16.
• střední čára profilu 15.
• střední kvadratický poloměr lopatky 19.
• střední poloměr lopatky 19.
• střelivina 1.
• stupeň lopatkového stroje 11. 19. 20.
• stupeň reakce 18. 20. 19.
• střední teplota odvodu tepla z oběhu 6.
• střední teplota přívodu tepla do oběhu 6.
• supratekutost 38.
• Sutherland William 38.
• světlo 46.
• svítiplyn 7.
• šedé těleso 46.
• šikmá rázová vlna 39.
• šikmo seříznutá tryska 40.
• škrcení (proudění) 37.
• šoupátko pístového parního motoru 30.
28.
• štěpení jader atomů 47.
• steam piston engine 28. 1.
• steam turbine 11. 24. 23. 25. 1.
• Stirling engine 33.
• Stirling cycle 34.
• Stirling Robert 33.
• stoneware 15.
• straight blade 11. 19. 20.
• stream­tube of rotor 13. 11.
• suction side of blade 16. 11.
• Sun 2.
• supercharging 6.
• supersonic diffuser 41. 39.
• suppressed condensation 23.
• surge line 24. 26.
• Sutherland William 38.
T
• T­s diagram 43. 13. 19. 20. 23. 27.
• tah proudového motoru 23.
• tah vrtule 13.
• tangens 42.
• teflon 15. 36.
• technická práce 43.
• tekutina 38.
• teorie relativity 46.
• tepelná akumulační elektrárna 23.
• tepelná elektrárna 6. 23.
• tepelná kapacita 43.
• tepelná odrazivost povrchu 46.
• tepelná pohltivost povrchu 46.
• tepelná průteplivost 46.
• tepelná účinnost 43.
• tepelné čerpadlo 8. 6.
• tepelný lopatkový stroj 11.
• tepelný oběh 43. 6.
• tepelný stroj 6. 11.
• teplárna 6.
• teplárenský modul 6. 23.
• teplo 43.
• teplo znovu využité 13.
• teplota hoření 1.
• teplota nechlazeného plamene 3.
• teplota pracovního plynu ve Stirlingově
motoru 34.
• teplota vznícení 1.
• teplotní ekvivalent rychlosti 43. 19.
• teplotní poměr (Stirlingův motor) 34.
• termické neutrony 47.
• termonukleární reaktor 9. 1.
• termoregulace 1.
• Tesla Nikola 1.
• Tháles z Milétu 1.
• tlaková energie 43.
• tlaková ztráta 38. 37.
• tlakový součinitel 18.
• tlakovodní reaktor 9. 23.
• tlakový gradient 16. 19. 17.
• tlakový poměr 40.
• točivá redukce 37.
• topný faktor 8.
• Torricelli Evangelista 1.
T
• T­s diagram 43. 13. 23. 27.
• teflon 15. 36.
• temperature of burning 1.
• temperature of working gas inside
Stirling engine 34.
• temperature ratio (Stirling engine) 34.
• thermal efficiency 43.
• thermal power plant 6. 23.
• thermoregulation 1.
• throttle governing 25. 26.
• throttling (flow) 37.
• thrust of jet engine 23.
• tah of propeller 13.
• tidal power plant 22.
• tip clearance loss 17. 25. 14.
• tip­speed ratio 22.
• torque of steam piston engine 31.
• total energy of liquid 11. 21. 13. 21.949
• trailing edge of blade 11.
• Turbinia 1. 23.
• turbocharger 11. 23.
• turbo­expander 23. 26. 37.
• turbocompressor 24. 26. 23. 11.
• turbomachine 11.
• turboset 11. 14.
• turbulent flow 38.
• twisted blade 19. 11.
• transparentní vrstva 2.
• tritium 47.
• tryska 40.
• třaskavá směs 1.
• Turbinia 1. 23.
• turbodmychadlo 11. 23.
• turboexpandér 23. 26. 37.
• turbokompresor 24. 26. 23. 11.
• turbosoustrojí 11. 14.
• turbostroj 11.
• turbulentní proudění 38.
U
• účinnost Carnotova oběhu 43. 6.
• účinnost difuzoru 41.
• účinnost parního oběhu 6. 25. 9.
• účinnost proudového motoru 23.
• účinnost tepelné elektrárny 6. 7.
• účinnost tepelného oběhu 43.
• účinnost trysky 40.
• účinnost turbosoustrojí 14.
• účinnost turbosoustrojí 14.
• účinnost vrtule 13.
• účinný průřez pro absorpci neutronů 47.
• uhlí 7.
• uhlík 7. 3.
• úhel deviační 15.
• úhel náběhu 15. 16.
• úhel nastavení profilu v mříži 15. 19. 22.
• úhel profilu 15.
• úhel zakřivení proudu 15.
• univerzální charakteristika kompresoru
26.
• uran 9. 47. 27.
V
• válcová soustava souřadnic 42.
• vazebná energie 45.
• ventil pístového parního motoru 28.
• ventil s difuzorem 37. 41. 25.
• ventilační ztráta 17. 14. 12. 19. 20. 26.
13.
• ventilátor 11. 22.
• vějířová ztráta 17. 19.
U
• uncontrolled extraction 23. 25.
• underexpansion nozzle 40.
• uranium 9. 47. 27.
V
• valve of steam piston engine 28.
• valve with diffuser 37. 41. 25.
• velocity of flow inside pipe 38. 38.1039
• velocity triangle 11. 19. 22.
• Velocity field of blade row 17.
• velocity coeffcient 40. 14.
• vaneless confuser 12. 20. 11.
• vaneless diffuser 12. 20. 11.
• větrná elektrárna 4. 22. 1.
• viscosity 38. 21.
• větrná turbína 22. 13. 12. 11.
• virtuální elektrárna10.
• vlnově­částicový dualismus 46.
• vnitřní tepelná energie 43.
• vnitřní práce lopatkového stroje 11. 13.
14.
• vnitřní práce pístového parního motoru
29.
• vnitřní práce Stirlingova motoru 35. 34.
• vnitřní tepelná energie 43.
• vnitřní tření 38.
• vnitřní účinnost lopatkového stroje 13.
• vnitřní účinnost pístového parního
motoru 29.
• vnitřní účinnost Stirlingova motoru 35.
• vnitřní účinnost stupně lopatkového
stroje 14.
• vnitřní ztráty 11. 13.
• vícestupňové čerpadlo 11. 21.
• vícestupňová parní turbína 11. 24. 25.
• vícestupňový turbokompresor 11. 24. 26.
23.
• vícetělesová parní turbína 24. 11.
• vírové vektorové pole 42.
• vírový pohyb 42.
• viskozita 38. 21.
• vnitřní příkon lopatkového stroje 11. 13.
• vnitřní výkon lopatkového stroje 11. 13.
• vnitřní výkon pístového parního motoru
29.
• vodní elektrárna 5.
• vodní kolo 1. 11. 12.
• vodní spád 5.
• vodní turbína 21. 1. 5. 11.
• Volta Alssendro 1.
• vratná změna 43.
• vrtule 13. 22. 11.
• vrtulová turbína 5. 21.
• výhřevnost 1. 44.1043
• výkonový koeficient 4. 22.
• výkonový součinitel 18.
• výparník 6.
• vyrovnávací buben 24.
• vyvažovací armatura 37.
• výživová hodnota 1.
• vztlak 12.
W
• Wantzel Pierre 1. 40.
• Watt James 1.
• Weisbach Julius 38.
• Whittl Frank 1.
W
• Wantzel Pierre 1. 40.
• water power plant 5.
• water trap 23. 26.
• water turbine 21. 1. 5. 11.
• water wheel 1. 11. 12.
• Weisbach Julius 38.
• wind power plant 4. 22. 1.
• wind tunel 16.
• wind turbine 22. 13. 12. 11.
• water potential gradient 5.
Z­Ž
• základní profil 15.
• zápalná teplota 1.
• závěs lopatky 11. 15.
• Země 2.
• zemní plyn 7.
• zkroucená lopatka 19. 11.
• zplyňování 3.
• zpožděné neutrony 47.
• ztráta nesprávným úhlem náběhu 17.
• ztráta netěsností pístních kroužků 36.
• ztráta rázem při obtékaní profilu 17.
• ztráta třením v mezní vrstvě 17. 14.
• ztráta v hrdlech strojů 17.
• ztráty v lopatkových strojích 17.
• ztráta vířením za odtokovou hranou 17.
• ztráta vířením při odtržení mezní vrstvy
41. 17. 19. 20.
• ztráta vnitřní netěsností stupně 17.
• ztrátové teplo 43. 13.
• ztrátový součnitel 38. 37.
©Jiří Škorpík, LICENCE
www.transformacni­technologie.cz
Články
Articles
Zdroje a přeměna energie
Sources and transformation
of energy
1. Historie transformačních technologií
1. History of transformation technologies
2. Sluneční záření jako zdroj energie
2. Sun radiation as source of energy
3. Biomasa jako zdroj energie
3. Biomass as source of energy
4. Využití energie větru
4. Use of wind energy
5. Využití energie vodního spádu
5. Use of water gradient
6. Tepelné oběhy a jejich realizace
6. Heat cycles and their realizations
7. Fosilní paliva, jejich využití
v energetice a ekologické dopady
7. Fossil fuels, their use in energy industry
and environmental impact
8. Využití tepla Země
8. Use of heat of Earth
9. Jaderná energetika
9. Nuclear energy industry
10. Principy výroby elektřiny a tepla
v domácnostech
10. Principles of production of electricity
and heat in household
Teorie lopatkových strojů
Introduction to turbomachinery
11. Lopatkový stroj
11. Turbomachine
12. Základní rovnice lopatkových strojů
12. Essential equations of turbomachines
13. Energetické bilance lopatkových strojů 13. Energy balances of turbomachines
14. Vztah mezi obvodovou a vnitřní prací
stupně lopatkového stroje
14. Relation between shaft work and
internal work of turbomachine stage
15. Geometrie a materiály lopatkových
strojů
15. Shapes of parts and materials of
turbomachines
16. Základy aerodynamiky profilů lopatek
a lopatkových mříží
16. Fundamentals of aerodynamic of blade
profiles and blade rows
17. Ztráty v lopatkových strojích
17. Losses in turbomachines
18. Podobnosti lopatkových strojů
18. Similarities of turbomachines
19. Návrh axiálních a diagonálních stupňů
lopatkových strojů
19. Design of axials and diagonals
turbomachine stages
20. Návrh radiálních stupňů lopatkových
strojů
20. Design of radials turbomachine stages
21. Vodní turbíny a hydrodynamická
čerpadla
21. Water turbines and rotodynamic pumps
22. Větrné turbíny a ventilátory
22. Wind turbines and fans
Tepelné turbíny a turbokompresory
Heat turbines and turbocompressors
23. Tepelné turbíny a turbokompresory
23. Heat turbines and turbocompressors
24. Návrh a konstrukce tepelných turbín a
turbokompresorů
24. Design and construction of heat
turbines and turbocompressors
25. Parní turbína v technologickém celku
25. Steam turbine in technological unit
26. Turbokompresor v technologickém
celku
26. Turbocompressor in technological unit
27. Plynová turbína v technologickém
celku
27. Gas turbine in technological unit
Pístový parní motor
Steam piston engine
28. Pístový parní motor (Parní stroj)
28. Steam piston engine
29. Termodynamický návrh pístového
parního motoru
29. Thermodynamic design of steam
piston engine
30. Vyšetření pohybu a rozměrů šoupátka
30. Calculation of move and dimensions of
slide valve
31. Základní rovnice klikového
mechanismu parního motoru
31. Essential equations of crank
mechanism of steam engine
32. Pístový parní motor v technologickém
celku
32. Piston steam engine in technological
unit
Článek je zatím neveřejný.
The article is not public yet.
Stirlingův motor
Stirling engine
33. Stirlingův motor
34. Stirling engine
34. Oběh Stirlingova motoru
34. Stirling Engine Cycle
35. Energetická bilance oběhu Stirlingova
motoru
35. Energy balance of Stirling engine
cycle
36. Ztráty ve Stirlingových motorech
36. Losses in Stirling engines
Proudění
Flow
37. Škrcení plynů a par
37. Throttling of gases and steam
38. Vznik tlakové ztráty při proudění
tekutiny
38. Formation of pressure drop during
fluid flow
39. Efekty při proudění vysokými
rychlostmi
39. Effects at high velocity flow
40. Proudění plynů a par tryskami
40. Flow of gases and steam through
nozzles
41. Proudění plynů a par difuzory
41. Flow of gases and steam through
diffusers
Vybrané statě z technických nauk
Some chapters of technical sciences
42. Technická matematika
42. Engineering mathematics
43. Technická termomechanika
43. Engineering thermomechanics
44. Technická chemie
44. Engineering chemistry
Článek je zatím neveřejný.
The article is not public yet.
45. Elektrotechnika
45. Electrical engineering
Článek je zatím neveřejný.
The article is not public yet.
46. Přenos energie elektromagnetickým
zářením
46. Transmission of energy by
electromagnetic radiation
47. Jaderná energie a ionizující záření
47. Nuclear energy and ionizing radiation
48. Deformace těles
48. Deformation of bodies
Článek je zatím neveřejný.
The article is not public yet.
49. Kmitání
49. Vibration
Článek je zatím neveřejný.
The article is not public yet.
50. Části strojů
50. Mechanical engineering
Článek je zatím neveřejný.
The article is not public yet.
©Jiří Škorpík, LICENCE
www.transformacni­technologie.cz