Premeny elektrickej energie

Ing. Dušan MEDVEĎ, PhD.

Košice, 19. februára 2015

FEI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACHFAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY

Katedra elektroenergetiky

Úvod

ÚvodŠiroké využívanie elektrickej energie 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,

•kvantita a kvalita elektrickej energie sa dá jednoducho merať a podľa potreby aj regulovať,

•používanie elektrickej energie všeobecne minimalizuje ekologické problémy.

ÚvodŠpecifickou 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 energiemeniče energie, resp. konverzné zariadeniakonverzné 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.

ÚvodVýznam koncových foriem energie z pohľadu spotrebiteľa:

•mechanická energia mechanická energia – získava sa elektro-mechanickou premenou v točivých elektrických strojoch (motoroch) a spotrebováva sa pre účely pohonu rôznych elektromechanických systémov,

•svetelná energia 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 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 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.

Zdroje, zásoby, formy energie a ich premenyNaším určujúcim zdrojom energie je Slnko, ktorého žiarivý tok

smerujúci k Zemi má gigantickú hodnotu, približne 1731015 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:

•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.

Bilancia energie Slnka vyžiarenej k Zemi

Zdroje, zásoby, formy energie a ich premenyOkrem využiteľných zložiek žiarivej energie Slnka, k energetickému

potenciálu na našej planéte ešte treba pripočítať:

•gravitačné sily Mesiacagravitačné sily Mesiaca, generujúce energiu prílivu a odlivu morí. Je to mechanická energia s reálnou možnosťou využívania

•jadrovú energiu Zemejadrovú energiu Zeme, ktorej nosičom sú štiepne (rádioaktívne) materiály nazhromaždené pod zemským povrchom

•geotermálnu energiu Zemegeotermálnu energiu Zeme, ktorá je produktom dlhodobých procesov pod zemským povrchom

•energiu morských prúdovenergiu morských prúdov, ako produkt otáčania Zeme okolo vlastnej osi

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

Prvotná forma energiePrvotná forma energie Pôvod (zdroj)Pôvod (zdroj) Nosič energieNosič energieŽiarivá energia Slnka Jadrové procesy na Slnku elektromagnetické

žiarenieMechanická energia energia vodných tokov,

energia vetra, energia morských prúdov,energia prílivu a odlivu

vodné toky, vietor, morské prúdy, príliv a odliv

Tepelná energia geotermálne procesy,teplo oceánov

voda

Chemická energia energia fosílnych palív uhlie, lignit, ropa, zemný plyn

Jadrová energia energia štiepnych materiálov

štiepne (rádioaktívne) materiályPrvotné formy energie, ich pôvod a nosiče energie

Premeny prvotných foriem energie a výroba elektrickej energie

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 konverzioujednostupňovou 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 konverziouviacstupňovou 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.

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:

o chemicko-tepelný menič (kotol) s účinnosťou t,

o tepelno-mechanický menič (turbína) s účinnosťou m,

o 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.

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 výrobouvýrobou a spotrebouspotrebou elektrickej 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.

Koncová forma energie [%]

Začiatok 20. storočia

50-te až 60-te roky

20. storočia

70-te až 90-te roky

20. storočia

Začiatok 21. storočia

ChemickáMechanickáEl. svetloElektrické teplo

?70 – 80

510 – 15

855 – 658 – 1020 – 25

do 1045 – 505 – 6

30 – 35

viac ako 1035 – 40

3 – 545 – 50

Spolu 100 100 100 100

Podiely koncových foriem na spotrebe elektrickej energie

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

Principiálne pri všetkých znázornených premenách, ku konečnej spotrebe koncových foriem sa dostávame niekoľkými krokmi, s postupnosťou:

•prívodom elektrickej energie 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 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 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.

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 hodnotyteoretickej hodnoty, vyjadrenej výkonom Psek = Puž,e

•od veľkosti elektrických strát elektrických strát ΔPe, ktoré určujú elektrickú účinnosť konkrétneho meniča

•od veľkosti sekundárnych strátsekundárnych 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 celkovácelková, t.j. energetická účinnosť meničaenergetická 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 Pc sú celkové (energetické) straty pri premene. V ich znižovaní spočíva

všeobecný princíp racionalizácie spotreby elektrickej energievšeobecný princíp racionalizácie spotreby elektrickej energie.

p

sek

p

ep

p

euž,e P

P

P

PP

P

P

euž,

sekeuž,

sek

seksek

sek

užsek,sek P

PP

P

PP

P

P

p

užsek,sekeenc P

P

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 teplostratové 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 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 procesy generujúce teplo – produkcia tepla sa uskutočňuje spotrebovanou elektrickou energiou v konverznom systéme,•procesy termodynamické 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 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.

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 generovaný tepelný výkon Pg (tiež ohrievací výkon)

[W]

kde dQ je generované množstvo tepla generované množstvo tepla za čas dt.

Priestorové rozloženie tepelného výkonu v objeme V konverzného systému zohľadňuje objemová hustota tepelného výkonuobjemová hustota tepelného výkonu

[Wm–3]

Jej stredná hodnota je merný objemový výkonmerný objemový výkon

[Wm–3]

t

QP

d

dg

V

PpV d

d gg,

V

PpV

gg,

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.

•energetickáenergetická – vyjadruje priebeh koncového užitočného výkonu Psek,už = f(Pp)

•celkových strát celkových strát – t.j. funkciu ΔPc = f(Pp)

•účinnostiúčinnosti – = f(Pp)

•mernej spotreby elektrickej energiemernej spotreby elektrickej energie, vyjadrovanou veľkosťou energie dodávanej do systému, potrebnej k vytvoreniu jednotky koncovej energie

enužsek,

p

užsek,

pe

1

d

d

P

P

W

Ww

Príklady pracovných charakteristík konverzných systémov

Ďakujem za pozornosť