Premeny elektrickej energie

1. TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY Katedra elektroenergetiky Premeny elektrickej energie Úvod Ing. Dušan MEDVEĎ, PhD. Košice, 17. februára 2014

2. Úvod Široké využívanie elektrickej energie v modernom svete je zákonité, lebo vyplýva z viacerých objektívnych skutočností. Sú to najmä tieto: • dá sa vyrábať z menej hodnotných foriem energie, presnejšie ich nosičov, v súčasnosti technológiami na primeranej technickej úrovni, • dá sa prenášať a distribuovať v podstate na neobmedzené vzdialenosti s prijateľnými stratami, transformácia jej parametrov, potrebná k prenosu a distribúcii, je jednoduchá, • dá sa premieňať na všetky koncové formy napr. na svetlo, teplo, mechanickú prácu, ktoré ľudstvo na začiatku 21. storočia existenčne potrebuje, • kvantitaa kvalita elektrickej energie sa dá jednoducho merať a podľa potreby aj regulovať, • používanie elektrickej energie všeobecne minimalizuje ekologické problémy.

3. Úvod Špecifickou vlastnosťou elektrickej energie je to, že sa nedá skladovať. Z tejto vyplýva požiadavka na trvalú vyváženosť medzi jej produkciou a spotrebou, teda sústavnou premenou elektrickej energie na koncové formy. Uskutočňuje sa prostredníctvom zariadení, ktoré nazývame meniče energie, resp. konverzné zariadenia. Bývajú rôzne, líšia sa rozdielnymi fyzikálnymi princípmi cieľovej premeny, z nich odvodenou energetickou náročnosťou, tiež rozsahom použitia a teda sumárne veľkosťou podielu cieľovej koncovej formy na celkovej spotrebe elektrickej energie. Podľa výšky tohto podielu celá vyrobená elektrická energia sa v podstate spotrebuje na produkciu štyroch koncových foriem – mechanickej, svetelnej, tepelnej a chemickej energie.

4. Úvod Význam koncových foriem energie z pohľadu spotrebiteľa: • mechanická energia – získava sa elektro-mechanickou premenou v točivých elektrických strojoch (motoroch) a spotrebováva sa pre účely pohonu rôznych elektromechanických systémov, • svetelná energia – získava sa elektro-svetelnou premenou v elektrických svetelných zdrojoch a spotrebováva sa vo forme umelého svetla, ktoré poskytujú rôzne svietidlá v osvetľovacích sústavách, • tepelná energia – generuje sa ako elektrické teplo elektro-tepelnou premenou v elektrických peciach a ohrievačoch a nevratne sa spotrebováva v mnohorakých tepelných technológiách, • chemická energia – získava sa elektro-chemickou premenou v roztokoch elektrolytov a spotrebováva sa pri chemických procesoch (elektrolytických), ktorých výsledkom sú chemické produkty inej kvality ako pôvodný elektrolyt, resp. jeho roztok.

5. Zdroje, zásoby, formy energie a ich premeny Naším určujúcim zdrojom energie je Slnko, ktorého žiarivý tok smerujúci k Zemi má gigantickú hodnotu, približne 1731015 W. Je to časť energie Slnka vyžiarená k Zemi za každú sekundu. Žiaľ ľudstvo, na súčasnej úrovni poznania fyzikálneho sveta, z tohto obrovského množstva energie využíva stále len malú časť. Názorne to dokumentuje aj nasledujúca bilancia a obrázok: Bilancia energie Slnka vyžiarenej k Zemi • 30 % energie Slnka sa odráža hornými vrstvami atmosféry späť do vesmíru vo forme krátkovlnového žiarenia – nevyužiteľná energia • 46 % energie Slnka sa pohlcuje atmosférou, ľadovcami a oceánmi vo forme tepla – potenciálna možnosť využitia tepla oceánov • okolo 23 % energie Slnka sa spotrebuje v hydrologických procesoch na Zemi odparovaním a zrážkami – využíva sa hydropotenciál vodných tokov • približne len 0,2 % energie Slnka spôsobuje pohyb vzduchu a vlnenie morí – využíva sa energia vetra • napokon veľmi malá časť energie Slnka, len 0,023 %, sa absorbuje rastlinstvom (flórou) na procesy fotosyntézy, prostredníctvom ktorej sa vytvorili v minulých geologických epochách obrovské zásoby fosílnych palív (uhlie, lignit, ropa a zemný plyn). Sú to produkty rozkladu organických látok, pod zemským povrchom sa vytvárali v priebehu niekoľkých miliónov rokov. Ľudstvo ich účelovo spotrebováva približne 200 až 250 rokov. Sú to vyčerpateľné zdroje energie.

6. Zdroje, zásoby, formy energie a ich premeny Okrem využiteľných zložiek žiarivej energie Slnka, k energetickému potenciálu na našej planéte ešte treba pripočítať: • gravitačné sily Mesiaca, generujúce energiu prílivu a odlivu morí. Je to mechanická energia s reálnou možnosťou využívania • jadrovú energiu Zeme, ktorej nosičom sú štiepne (rádioaktívne) materiály nazhromaždené pod zemským povrchom • geotermálnu energiu Zeme, ktorá je produktom dlhodobých procesov pod zemským povrchom • energiu morských prúdov, ako produkt otáčania Zeme okolo vlastnej osi

7. Všetky využiteľné zložky energie Slnka, Mesiaca a Zeme (s ohľadom na súčasne technické prostriedky, ktoré má ľudstvo k dispozícii), nazývame primárne, resp. prvotné formy energie. V energetickom reťazci sú vhodné na ďalšie premeny, teda aj na produkciu elektrickej energie. Prvotné formy energie, ich pôvod a nosiče energie

8. Premeny prvotných foriem energie a výroba elektrickej energie

9. V súvislosti s výrobou elektrickej energie si treba všimnúť ešte jednu dôležitú skutočnosť. Premeny prvotných foriem na elektrickú energiu sa dajú principiálne uskutočniť dvojako: • jednostupňovou konverziou, t.j. priamou premenou z prvotnej formy energie. V existujúcich výrobniach taká premena prináleží napr. hydroelektrárňam a veterným elektrárňam, v oboch sa získava elektrická energia priamo z mechanickej energie vodných tokov alebo vetra. Ostatné, teoreticky zvládnuteľné jednostupňové premeny, z rôznych technických a ekonomických dôvodov doteraz málo prispievajú do celkového objemu vyprodukovanej elektrickej energie. V ostatných rokoch najväčší pokrok sa zaznamenal v oblasti fotovoltiky. • viacstupňovou konverziou, t.j. nepriamou viacnásobnou premenou. Príkladom je klasická tepelná elektráreň, v ktorej sa postupne chemická energia fosílneho paliva mení spaľovaním na tepelnú, táto termodynamickými procesmi na mechanickú a z tejto sa v elektrickom generátore produkuje elektrická energia. Podobne je to v súčasných jadrových elektrárňach. Obe premeny sú kvalitatívne odlišné, viacstupňová konverzia je zákonite energeticky náročnejšia.

10. Schéma ilustruje používané technológie výroby elektrickej energie vo vodných, tepelných a jadrových elektrárňach. Ak v nej budeme predpokladať ideálne podmienky, t.j. vylúčime pomocné zariadenia upravujúce toky jednotlivých foriem energie, výsledná energetická účinnosť en porovnávaných technológií je teoreticky rôzna: Bloková schéma jedno a trojstupňovej výroby elektrickej energie • pri jednostupňovej výrobe ju určuje účinnosť len jedného konverzného systému – elektrického generátora e, t.j. en,1 = e • pri trojstupňovej premene, napr. v tepelnej elektrárni, jej celkovú energetickú účinnosť určujú účinnosti troch konverzných systémov, postupne: • chemicko-tepelný menič (kotol) s účinnosťou t, • tepelno-mechanický menič (turbína) s účinnosťou m, • mechanicko-elektrický menič (generátor) s účinnosťou e. Teda výsledná energetická účinnosť je en,3 = tme < en,1, nakoľko každý reálny konverzný systém pracuje vždy s účinnosťou  < 1. Z nerovnosti en,3 < en,1 vyplýva súčasné úsilie energetiky technicky a ekonomicky prijateľné zvládnutie všetkých jednostupňových technológií výroby elektrickej energie.

11. Elektrická energia a jej premeny na koncové formy Koncové formy energie, s ohľadom na neskladovateľnosť elektrickej energie, zabezpečujú stabilnú prevádzku elektrizačných sústav, t. j. sústavnú vyváženosť medzi výroboua spotrebouelektrickej energie. Aj z tohto pohľadu za rozhodujúce koncové formy sa považujú mechanická, tepelná, svetelná a chemická energia. Ich podiely na spotrebe elektrickej energie sú najvyššie, ich vývoj v priemyselne najvyspelejších krajinách sveta, za obdobie približne sto rokov, dokumentuje nasledujúca tabuľka. Podiely koncových foriem na spotrebe elektrickej energie

12. Rovnice energetickej bilancie meničov elektrickej energie a ich pracovné charakteristiky Ak sa obmedzíme na štyri koncové formy energie, potom ich generovanie z elektrickej energie a konečná spotreba zodpovedajú jednoduchej blokovej schéme. Bloková schéma premeny elektrickej energie na koncové formy

13. Principiálne pri všetkých znázornených premenách, ku konečnej spotrebe koncových foriem sa dostávame niekoľkými krokmi, s postupnosťou: • prívodom elektrickej energie zo zdroja do meniča. Zdroj má príkon Pp, prívod energie je sprevádzaný elektrickými stratami ΔPe. Na vstupe do meniča máme k dispozícii užitočný elektrický výkon Puž,e = Pp – ΔPe. • premenou elektrickej energie v meniči na koncovú formu. Realizuje sa s teoretickou energetickou náročnosťou, zodpovedajúcou fyzikálnemu princípu premeny. Na výstupe meniča máme k dispozícii výkon Psek = Puž,e. • spotrebou koncovej formy energie s výkonom Psek, ktorá je sprevádzaná sekundárnymi stratami ΔPsek. Sú to napr. tepelné straty v elektro-tepelnom meniči, mechanické straty v elektromechanickom a pod. Pre konečnú spotrebu máme teda k dispozícii užitočný sekundárny výkon Psek,už = Psek – ΔPsek.

14. Z uvedeného zároveň vyplýva, že skutočná náročnosť premeny (produkcia a spotreba koncovej formy energie), je s ohľadom na prítomné straty vždy vyššia ako jej teoretická hodnota. Skutočná hodnota je premenná a sumárne závisí: • od veľkosti teoretickej hodnoty, vyjadrenej výkonom Psek = Puž,e • od veľkosti elektrických strát ΔPe, ktoré určujú elektrickú účinnosť konkrétneho meniča • od veľkosti sekundárnych strát, ktoré určujú zase sekundárnu účinnosť meniča (napr. tepelnú, mechanickú, ...) Proces prívodu elektrickej energie do meniča, jej premenu na koncovú formu vrátane jej konečnú spotrebu, vyjadruje celková, t.j. energetická účinnosť meniča(motora, variča, žiarovky, ...) Tejto zodpovedá rovnica energetickej bilancie procesu premeny Pp = Puž,e+ Pe= Psek,už + Psek+ Pe= Psek,už+ Pc v ktorej Pcsú celkové (energetické) straty pri premene. V ich znižovaní spočíva všeobecný princíp racionalizácie spotreby elektrickej energie.

15. Vymenované premeny elektrickej energie na koncové formy majú jednu spoločnú vlastnosť, vždy sú spojené s produkciou tepla. Ak sa teplo produkuje nezámerne, napr. pri elektro-mechanickej, či elektro-svetelnej konverzii ako sprievodný fyzikálny jav, je to stratové teplo. Môže mať rozdielny charakter podľa príčiny generovania. Ak sa generuje napr. v súlade s Jouleovým zákonom, potom ho označujeme ako elektrické (Jouleove) straty. V elektrickom točivom stroji vzniká teplo na trecích plochách, množstvo tohto tepla vyjadrujeme mechanickými stratami. Ak sa teplo produkuje účelovo, je to užitočné teplo (elektro-tepelná konverzia). Podľa fyzikálnych javov, spojených so zámernou i nezámernou produkciou tepla z elektrickej energie, je možné tepelné procesy rozdeliť do troch skupín: • procesy generujúce teplo – produkcia tepla sa uskutočňuje spotrebovanou elektrickou energiou v konverznom systéme, • procesy termodynamické – spočívajú v zmenách termodynamických parametrov stavu sústavy (p, V, T), na ktoré sa viažu úbytky, resp. prírastky vnútornej energie tejto sústavy, • procesy termokinetické– sú to procesy prenosu tepla (vedenie, prúdenie, sálanie), uskutočňované vždy v smere teplotného spádu (záporného gradientu teploty), buď vo vnútri sústavy, alebo na jej hranici s okolím.

16. Procesy, pri ktorých sa generuje teplo, nemajú rovnakú fyzikálnu podstatu. Existuje niekoľko spôsobov generovania tepla z elektrickej energie, konkrétny spôsob závisí od fyzikálnych vlastností a fázového stavu prostredia, tiež od parametrov konvertovanej elektrickej energie. Mierou intenzity produkcie tepla je generovaný tepelný výkon Pg (tiež ohrievací výkon) [W] kde dQ je generované množstvo tepla za čas dt. Priestorové rozloženie tepelného výkonu v objeme V konverzného systému zohľadňuje objemová hustota tepelného výkonu [Wm–3] Jej stredná hodnota je merný objemový výkon [Wm–3]

17. S ohľadom na jednoduchosť merania elektrických veličín, spravidla za nezávislú premennú v pracovných charakteristikách sa volí privádzaný príkon do jednotlivého meniča Pp. Medzi pracovné charakteristiky patria napr. • energetická– vyjadruje priebeh koncového užitočného výkonu Psek,už = f(Pp) • celkových strát – t.j. funkciu ΔPc = f(Pp) • účinnosti– = f(Pp) • mernej spotreby elektrickej energie, vyjadrovanou veľkosťou energie dodávanej do systému, potrebnej k vytvoreniu jednotky koncovej energie Príklady pracovných charakteristík konverzných systémov

18. Ďakujem za pozornosť