energie - Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava

Vysoká škola báňskáTechnická univerzita OstravaZáklady energetických procesůprof. Ing. D. Juchelková, Ph.D.doc. Ing. Z. Kadlec, Ph.D.doc. Ing. M. Vrtek, Ph.D.Fakulta strojníKatedra energetiky1

Základy energetických procesůI. přednáškový blok: Základní energetické přeměny1. Základní pojmy energetiky – co je to energie, práce, teplo. Transformace energií, exergie.2. Vývoj spotřeby energie, zdroje energie a jejich základní vlastnosti, aktuální otázky světovéenergetiky.3. Historie energetiky = historie techniky, síla vody, větru, …4. Historie energetiky = páraII. přednáškový blok:Současné energetické systémy a výroba energie5. Paliva, jejich rozdělení, příprava pro energetickou transformaci.6. Spalovací zařízení, fosilní zdroje energie a procesy jejich využívání7. Kompresory, turbíny, spalovací motory a jejich využití v průmyslu (dopravě, letectví)8. Specifika jaderné energetikyIII. přednáškový blok:Obnovitelné zdroje energie a procesy jejich využívání9. Solární energie, tepelná čerpadla, energetika budov10. Vodní a větrná energie, geotermální energie11. Energie biomasy12. Energie odpadůIV. přednáškový blok:Vliv energetiky na ŽP a další témata13. Kvalita životního prostředí, vlivy energetiky na vodu, půdu a ovzduší14. Výhody, nevýhody a oblasti využívání jednotlivých energetických procesů. Kombinovanéenergetické procesyhttp://www1.vsb.cz/ke/vyuka/zep2

Základní pojmy energetiky:energie, práce, teplo, druhy energií.Transformace energií, exergie.Mojmír VrtekFakulta strojníKatedra energetiky3

EnergieEnergie - skalární fyzikální veličinaČasto uváděná jednoduchá definice:... schopnost hmoty konat práciDiskuseSchopnost za určitých okolností konat práci4

Zákon zachování energieTeoretičtí fyzici - Nechť je obecný systém symetrický vůči operacičasového posunutí, pak se v tomto systému zachovává aditivní fyzikálníveličina, která se nazývá energie.My ostatníEnergie se může měnit z jednoho druhu na jiný, nelze ji vytvořit anizničit. (Co jsou tedy tzv. energetické ztráty?)V izolované uzavřené soustavě její celkové množství zůstává stejné.Pokud je uzavřená soustava neizolovaná,potom součet velikosti práce, kterou soustava vykoná či přijme,a sděleného tepla, které předá či přijme,se rovná změně energie soustavy.5

Soustava, hranice, okolíSoustava: část prostoru, která je v dané chvíli předmětem našeho zájmuHranice: fyzická nebo i pomyslná mez vymezující soustavuOkolí: zvláštní případ „soustavy“ bez hranic, se specifickými vlastnosti,např. že se při vzájemném působení s „obyčejnou“ soustavounemění její tlak ani teplotaRozdělení soustav podle vztahu (interakce) ke svému okolí či jinésoustavě:• Izolovaná soustava - NEvyměňuje se ani energie ani hmota• Uzavřená soustava - vyměňuje se pouze energie• Otevřená soustava - vyměňuje se energie i hmota6

Pojmy práce a teploPokud je uzavřená soustava neizolovaná, potom součet velikostipráce, kterou soustava vykoná či přijme, a sděleného tepla, kterépředá či přijme, se rovná změně energie soustavy.Jsou práce a teplo energie?NEJSOU!Pojmy práce a sdělené teplo popisují vzájemnouinterakci mezi soustavami, příp. okolím (určité okolnosti)ve smyslu "přenosu energie", kdy jedna soustavapředává část své energie soustavě druhé.7

Základní druhy energiea jejich nejčastější vyjádření• mechanická energie- polohová (potenciální) E p = m .g .h- pohybová (kinetická) E k = ½ .m .w 2• vnitřní energie U= m .u• vnější energie E v = p .V• elektrická energie E e = U . I . • zářivá energie• chemická energieE z = ħ . E ch = m .Q i• jaderná energie E o = m o .c 2• aj.8

Nositelé energie• tuhé látky• kapalné látky• plynné látky• hmotné částice - ionty, elektrony• nehmotné částice – fotonyFormy energie(nositel + druh)• tuhá paliva (tuhá látka + chemická energie)• vítr (plynná látka + kinetická energie)• aj.9

Vztah energie - výkonKlasická definice na základní škole:Výkon ~ práce za časale obecně to může být ZMĚNA jakékoliv energie za časTepelný výkon ~ teplo za časZářivý výkon ~ zářivá energie za časPrůměrný výkonP EOkamžitý výkonP dEd10

Používané jednotky energieSoustava SI – joule [J] = [N.m]Vedlejší jednotky SI1 watthodina [Wh] = 3600 J1 elektronvolt [eV] = 1,60219 . 10 -19 JStarší jednotky1 kilokalorie [kcal] = 4186 J1 kilopondmetr [kpm] = 9,81 J1 erg [erg] = 10 -7 J1 tuna měrného paliva [TMP] = 29,3 GJOstatní1 British Thermal Unit [BTU] = 1054,8 J1 Ton of Oil Equivalent [TOE] = 41,868 GJ (i jiné definice)1 tuna trinitrotoluenu [tTNT] = 4,184 GJ11

Příklady použitístatistika International Energy Agency12

Příklady použitítabulky s vlatnostmi plynů ang.-am. literatura13

Příklady použitízpráva ze schůze ČNR z roku 1984Soustředěné úsilí pracujících ... přinesloza uplynulých 2,5 roku 7. pětiletkyúspory paliv a energie ve výši6,4 mil. tun měrného paliva, ...14

Příklady použitíenergetické (kalorické) tabulky potravinZdroj: www.lucy.cz/energeticke-tabulky15

Používané jednotky výkonuSoustava SI – watt [W] = [J/s]Ostatní1 Ton of Refrigeration [TR] = 3,517 kWStarší jednotky1 kůň, koňská síla, horse power [k, ks, HP] = 735 W(i jiné, i když podobné konstanty pro různé druhy energií)Pro zajímavost - původní definice:Jedna koňská síla je rovna výkonu, který podává soustavněpracující kůň, který zapřažený v žentouru zdvíhá náklad180 liber a ujde při tom za hodinu 144 koleček o poloměru12 stop.16

Používané jednotky výkonuOttův slovník naučný: „Žentour (angl. horse-gin, fr. manege, něm. Göpel)je transmissivní zařízení, kterým možno zužitkovati svalovou energiizvířat ke hnaní pracovních strojů. Pokud nebylo rozšířeno užitíparního stroje, býval žentour jedinou pomůckou, kterou mohly se včinnost uváděti a v ní udržovati stroje větší, vyžadující hnací sílyvětší než lidské, zejména upotřeben byl v hornictví k vytahování břemen, vzemědělství a k jiným pracím. Nyní užívá se ho již jen poskrovnu vzemědělství.“17

Používané jednotky výkonuJedna koňská síla je rovna výkonu, který podává soustavně pracující kůň, kterýzapřažený v žentouru zdvíhá náklad 180 liber a ujde při tom za hodinu 144 koleček opoloměru 12 stop.18

Absolutní množství energiesoustavyJsme schopni ji přesně stanovit?Ne!Ale to vůbec nevadí, neboť nás vždy zajímápouze VELIKOST ZMĚN ENERGIÍ19

Absolutní množství energiesoustavyEnergiesoustavy(stavu) 1Energiesoustavy(stavu) 2Rozdíl zůstávástejnýrelativní, referenční(smluvní) 0Neznámé,nedostupné činepotřebné znalostiabsolutní 020

Zákon zachování energie a jehozjednodušení pro typické případyenergetických transformacíObecně:Ep,1Ek , 1U1 Ev,1 Ee,1 Ech,1 .... AQ Ep,2 Ek , 2U2 Ev,2 Ee,2 Ech,2....Příklady zjednodušení (pro uzavřené izolované systémy):tuhá tělesakapalinyplyny- Zákon zachování mechanické energie- Bernoulliho rovnice- Definice entalpie a I. zákon termodynamikyNezapomenout:Při „netypických“ energetických transformacích vždyzvážit a ověřit, které změny energií jsou významné, kterénulové či zanedbatelné!21

Označování energií a některých veličincelkové a měrné (specifické)Velkým písmenem zpravidla celkové hodnoty,malým písmenem hodnoty vztažené na 1 kilogramCelkové energie (i když víme, že ne absolutní velikosti)• vnitřní energie U= m .u [J]• entalpie I = m . i [J]Měrné (specifické)• měrná vnitřní energie u=U / m [J/kg]• měrná entalpie i = I / m [J/kg]ale také např.• měrný objem v = V / m [m 3 /kg]22

Energetické transformace a transferyVÝSTUPMECHANICKÁ ENTALPIE ELEKTRICKÁ ZÁŘIVÁ CHEMICKÁMECHANICKÁmechanický ráz,převody,vodní turbíny,větrná kolatepelná čerpadla,třeníel. generátory,alternátory,piezoelektrickýjevtriboluminiscence,brzdnézářenímechanochemicképrocesyENTALPIEtepelné + spalovacímotorytepelné výměníkyMHD generátory,termoelektrické +termoemisní článkytepelnézářičeendotermickéreakceVSTUPELEKTRICKÁelektromotory,magnetostrikceelektrická topidla,termoel. chlazenítransformátory,usměrňovače,invertoryžárovky,výbojkyakumulátory,elektrolýzaZÁŘIVÁ(~6000 K)tlak zářenísolární kolektory,mikrovlnný ohřevsolární články,fotovoltaickéelektrárnylasery,fluorescencefotosyntézaCHEMICKÁsvalová energiespalování,exotermické reakceelektrochemické +palivové článkychemoluminiscencechemickéreakceJADERNÁ štěpení jader jaderný reaktortransformace –přeměna na jiný druhradioizotopovébaterieradioaktivnírozpadchemonukleárníprocesy23transfer –přenos, převod v rámci jednoho druhu

Vybrané způsoby transformaceCHEMICKÁENERGIESpalováníSvalPalivový článekTEPLOTurbínaPístový motorMHDGTermoemisní gen.Termoelektrické gen.MECHANICKÁENERGIEElektrický generátorElektrický motorELEKTRICKÁENERGIE24

Efektivita transformací, transferůEfektivita =získaná užitečná energie (to, proč to děláme)nutně dodaná vstupní energie (abychom dostali, co chceme)Efektivita TRANSFORMACÍ A TRANSFERŮje popisována pojmemÚČINNOST (označení [- ;%]25

Efektivita procesůEfektivita =získaná užitečná energie (to, proč to děláme)nutně dodaná vstupní energie (abychom dostali, co chceme),ale která nás stojí PENÍZE27

Efektivita procesůPříklad výpočtu efektivnosti procesu v tepelném čerpadleEvst zadarmonízkopotenciální teplonapř. z okolního vzduchuEužteplo provytápěníEvst za penízeelektřinaEneuž"ztráty" třením,prouděním ap.Protože E vst ≥ E už , účinnost nemůže být nikdy větší než 128

Efektivita procesůPříklad výpočtu efektivnosti procesu v tepelném čerpadle (TČ)Evst zadarmoEvst za penízeelektřinanízkopotenciální teplonapř. z okolního vzduchuEužteplo provytápěníEfektivita přeměny energie -účinnost nemůže být nikdy většínež 1,ale efektivita PROCESU (tedy zhlediska uživatele)Eneuž"ztráty" třením,prouděním ap.Efektivita =získaná užitečná energie (to, proč to děláme)nutně dodaná vstupní energie (abychom dostali, co chceme)ale za PENÍZE29

Efektivita procesůPříklad výpočtu efektivnosti procesu chladicího zařízeníEvst (zadarmo) ALE UŽITEČNÉ !!!teplo odebírané účelně chlazené látceEneužteplo odcházející ze zadnístrany chladničkyEvst za penízeelektřinaEfektivita =Eneuž"ztráty" třením,prouděním ap.získaná užitečná energie (to, proč to děláme)nutně dodaná vstupní energie (abychom dostali, co chceme)ale za PENÍZE32

Energie a člověk33

Historický vývoj spotřeby energiePrůměrný „příkon“na 1 člověkaPozn.rok[kW]před -100.000 0,1-100.000 0,21800 0,51900 1,520066,26,02,4Vyspělé země OECDČRSvět34

Historický vývoj populace35

Rozdělení zdrojů energie36

Rozdělení zdrojů energie, nízkopotenciální teplo přírodních hmot(vzduch, voda, země)-energie moří37

v elektrické síti38

Scénáře spotřeby primárníchenergetických zdrojů1600140012001000[EJ]80060040020002000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100YearShell - Sustainable growth - 1995 Shell - The Spirit of the Coming Age - 2001Shell - Dynamics as Usual - 2001 Geller - 2003IEA-Baseline - 200639

Odhady budoucí skladby zdrojů[EJ]600500400300JádroZemní plynObnovitelnéSkladba zdrojů pro scénář„Geller“2003200Uhlí100Ropa01990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060 2070rok1600Skladba zdrojů pro scénářShell „Sustainable growth“1995[EJ]1400geotermálmořská energie1200solárnová biomasa1000vítrvoda800dřevo600jádroplyn400naftauhlí20001900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060rok40obnovitelné

Uváděné argumenty pro nasazení OZE• produkce skleníkových plynů• vyčerpatelnost neobnovitelných zdrojů• trvale udržitelná tepelná stabilita planetyz hlediska využívání vnitřních zdrojů41

Uváděné argumenty pro nasazení OZE• produkce skleníkových plynů (a to zvláště oxiduuhličitého) při spalování fosilních palivAlternativa – Jaderná energie42

Uváděné argumenty pro nasazení OZE• vyčerpatelnost neobnovitelných zdrojů13 508 EJ212 193 EJ992 000 EJSpotřeba v letech 1860 - 1998Připraveno k těžbě a schopné těžbyKonvenční a nekonvenční zásoby s vyššími těžebními náklady a potřebou nových technologiíJeden z optimistických odhadů světových zásob fosilních paliv(IPPC, Climate Change 2001: Mitigation. Cambridge : Cambridge University Press, 2001)43

Uváděné argumenty pro nasazení OZE• vyčerpatelnost neobnovitelných zdrojůKlasifikace zásob a zdrojů nerostných surovinHlediska:• rozvoj lidských znalostí v oboru průzkumné geologie• stupeň připravenosti těžby - stav a charakter lokality, politické poměryvmístě těžby, různé zákonné normy, zejména environmentální• fyzikální a chemické vlastnosti suroviny, investiční náklady, provoznínáklady (těžební, úpravnické, dopravní, aj.), stav a cena suroviny na trhu ap.44

Uváděné argumenty pro nasazení OZE• vyčerpatelnost neobnovitelných zdrojůCitát z odborné literatury z roku 1939Steiner, A., Veselý, J. - Světlo a síla, Praha – Karel Synek 1939, 325 stran, edice: Světové dějiny techniky, svazek 5„jenom již známá ložiska uhlí stačí nám na 2000 let a známé prameny nafty na 50 let“Životnost prověřených zásobROPAUHLÍRok odhadu Životnost v letech Rok odhadu Životnost v letech1939 50 1939 20001950 22 1972 1501960 37 1992 1661970 35 2006 1422000 412008 54Jaderná energie ?množivé reaktory, termojaderná fúze ?45

Uváděné argumenty pro nasazení OZE• trvale udržitelná tepelná stabilita planetyz hlediska využívání vnitřních zdrojů46

Uváděné argumenty pro nasazení OZEOther(geotherm,solar,windetc.)0.4%CombustibleRenewables andWaste10.6%Hydro2.2%Nuclear6.5%• trvale udržitelná tepelná stabilita planety z hlediska využívání vnitřních zdrojůNatural gas20.9%Oil34.3%Coal25.1%Podíl jednotlivých primárníchzdrojů na celosvětové ročníspotřebě energie(86,8 % z neobnovitelných zdrojů )Porovnání s množstvím ročního slunečního záření, jež energetickyovlivňuje Zemicca 0,011 %Při uvažování teoretických zákonů v oblasti záření těles by sepři desetinásobném zvýšení současné spotřeby z vnitřních zdrojůa při zachování současného stavu skleníkových plynůzvýšila průměrná teplota Země o necelou 0,1 °C47

Charakteristické vlastnostienergetických výrobenzdrojenergetickávýrobnaproduktspotřebičstrana zdrojestrana produktuFosilní palivaUranová rudaObnovitelné zdroje – Slunce,vítr, voda, biomasa ...TeploElektřinaTransformovatelnostAkumulovatelnostTransportovatelnostSpolehlivost dodávky48

Charakteristické vlastnosti energetickýchvýrobenStrana produktuTransformovatelnost++ elektřina+/– teplopojem exergieSpolehlivost dodávky produktu– elektřina - nutná okamžitádodávka, dle okamžité spotřeby– teplo - lze dodat potřebnémnožství za určitý časAkumulovatelnost energie– elektřina+ teploTransportovatelnost energie++ elektřina+/– teplo49

Charakteristické vlastnostienergetických výrobenStrana zdrojeTransformovatelnostSpolehlivost přísunu+ fosilní paliva, uran. ruda, velkévodní elektrárny, biomasa - lzezabezpečit díky akumulovatelnostia transportovatelnosti– sluneční záření, vítrAkumulovatelnost energie+ fosilní paliva, uran. ruda+ velké vodní elektrárny, biomasa– sluneční záření, vítrTransportovatelnost energie+ fosilní paliva, uran. ruda+/– biomasa– sluneční záření, vítr50

Obnovitelné zdroje51

Obnovitelné zdroje energie• energie slunečního záření• energie biomasy a odpadů• energie vodních toků• energie větru• geotermální energie• nízkopotenciální teplo přírodních hmot• energie moří52

Charakteristické vlastnostiobnovitelných zdrojů+ možnost ekologického využívání+ nevyčerpatelnost, schopnost regenerace+ zpravidla nízké relativní provozní náklady- malá plošná koncentrace, nízká „hustota“ energie-nestejnoměrné územní rozložení-proměnlivá intenzita během dne, roku- vyšší či vysoké relativní investiční náklady53

Porovnání „hustoty“ energie• chemická energie v 1 kg černého uhlí• potenciální energie 30 m 3 vody při spádu 100 m• kinetická energie 200 000 m 3 vzduchu – větru přirychlosti 15 m/s (~ krychle o hraně 58 m ~ 54 km/h)• jednodenní průměrné celoroční množství slunečního zářenídopadajícího na 3 m 2 horizontální plochy• 1,5 hodinové čerpání nízkopotenciálního tepla ze 100 m vrtu• 12 dm 3 dřevní štěpky• anihilace 3,27 x 10 -10 kg hmoty54

Produkce elektřiny z OZE v ČRElektřina+transformovatelnost, +transportovatelnost, – špatné možnosti akumulacedodávka do celostátní sítěVodní elektrárny+ velmi kvalitní zdroj+ VVE – regulace, akumulace+ MVE - relativní stálostVětrné elektrárny+ možnost zemědělskéhovyužití pozemků- nestabilní produkceElektrárny na biomasu, odpady+ kvalitní zdroj+ regulace, akumulace paliva+ kogenerační výroba tepla- spalovací procesy- provozní náklady – energetickánáročnost a cena paliva?Sluneční elektrárny (FVS)+ minimální provozní náklady- vysoké investiční náklady- velmi nestabilní produkce55

Produkce tepla z OZE v ČRTeplo-omez. transformovatelnost, ± transportovatelnost, + možnost krátkodobé akumulacespotřeba v místě nebo okolíBiomasa, odpady+ kvalitní zdroj+ regulace, akumulace paliva+ kogenerační výroba elektřiny- spalovací procesy- provozní náklady – energetickánáročnost a cena paliva?Geotermální energie+ kvalitní, stálý zdroj- málo vhodných lokalitSluneční energie+ plošná dostupnost+ možnost pasivního využití- denní a sezónní nesoulad„nabídky a poptávky“Nízkopotenciální teplopřírodních hmot+ obecně plošná dostupnost- provozní náklady ~ pohonná56energie

Sluneční energie57

Energie slunečního zářeníÚvod do základů záření tělesPlanckův zákon„laické vysvětlení“ – ukazuje, při kterých vlnových délkách je přenášeno největšímnožství energie při určité, dané teplotě povrchu tělesaIntenzity spektrálního vyzařování černého tělesa při různých absolutních teplotáchWienův posunovací zákon - počítámax2898T[µm]58

Energie slunečního zářeníÚvod do základů záření tělesTedy pro povrchovou teplotu Slunce 6000 K2898max0 , 56000 m59

Energie slunečního záření2500Spektrální intenzita záření [ W.m -2 .m -1 ]20001500100050000.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0Vlnová délka [m]černá – skutečné sluneční spektrum na vnější hranici atmosféry ~ 1370 W/m 2 (Solární konstanta)červená – ideální teoretické spektrum pro záření černého tělesa při povrchové teplotě 5780 Kmodrá – skutečné sl. spektrum, tak jak dopadá na zemský povrch na 48,2° z.š ~ 1000 W/m 2 (ve 12 hod)60

Energie slunečního záření61

Energie slunečního zářeníSkleníkyRozdělení systémůPasivní(architektonicképrvky)SolárnídomyZimnízahradyPlynovéNízkopotenciálníteploPlochéKapalinovéSolárnísystémySběrné systémy(kolektory)PlynovéPlynovéoběhyKoncentračníKapalinovéStředně avysokopotenciálníteploParní oběhyAktivníTu héTermoelekt. atermoemisnípřeměnaEl. energieTavící peceFotovoltaickésystémyFotovoltaickýjev62

Energie slunečního zářeníPasivní systémy(architektonické řešení staveb pro racionální využití slunečního záření při vytápěníresp. ventilaci)63

Energie slunečního zářeníPasivní systémy(architektonické řešení staveb pro racionální využití slunečního záření při vytápěníresp. ventilaci)Příklad použití pasivního systému pro vytápění a ventilaci1 sluneční paprsky2 dvojité zasklení - uzavřené3 tmavá masivní podlaha sloužící jako absorbér a zásobník tepla4 dvojité zasklení - otevřené5 komínový efekt ohřátého vzduchu6 přívod chladného vzduchu ze severní strany budovy7 odvod ohřátého vzduchu64

Energie slunečního zářeníSkleníkyRozdělení systémůPasivní(architektonicképrvky)SolárnídomyZimnízahradyPlynovéNízkopotenciálníteploPlochéKapalinovéSolárnísystémySběrné systémy(kolektory)PlynovéPlynovéoběhyKoncentračníKapalinovéStředně avysokopotenciálníteploParní oběhyAktivníTu héTermoelekt. atermoemisnípřeměnaEl. energieTavící peceFotovoltaickésystémyFotovoltaickýjev65

Energie slunečního zářeníSolární ploché kolektoryt 2transparentní vrstva – nejčastěji skloabsorbér a systém odvodu tepla (nejčastěji kapalina v trubičkách)IZOLACE (nejčastěji minerální vlna)Nosný rámt 166

Energie slunečního zářeníTrubicové solární kolektory vakuovéplochý absorbérválcový absorbér67

Energie slunečního zářeníBazénové absorbérybez skla a izolace68

Energie slunečního zářeníÚčinnostní charakteristika kolektoru (%)100806040Vakuový"Klasický" plochýTypické průběhyúčinnostníchcharakteristikrůzných typůkolektorů20Bazénovýabsorbér00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14(t s -t e )/G o a1t t t t 2sGe a2sGe o , a 1 , a 2 ... konstanty viz technické listy kolektorut s = (t 1 + t 2 )/2 ... průměrná teplota kapaliny v kolektorut e ... venkovní teplotaG ... intenzita slunečního záření69

Energie slunečního zářeníUkázka technického listu plochého solárního kolektoru70

Energie slunečního zářeníKoncentrační systémykoncentrujeme, abychom získali vyšší teplotyTeplota dosažitelná na absorbéruKoncentrační poměr ~ poměr plochy absorbéru ku rovinnému průmětuplochy, na kterou dopadá sluneční záření71

Energie slunečního zářeníKoncentrační systémyTepelné solární elektrárnyParabolic trough collectorParabolický žlabHeliostat solar power tower systemVěžový solární systém s heliostatyParabolic dish system – Systém se zrcadlem ve tvaru paraboloidu (zde se Stirlingovým motorem)72

Energie slunečního zářeníKoncentrační systémykoncentrujeme, abychom získali vyšší teplotyTrubicový vakuový kolektor s CPC reflektorem(CPC - Compound parabolic concentrators)73

Energie slunečního zářeníSolární systémy pro ohřev vodySezónní / Celoroční provozVoda / Nemrznoucí kapalinaJen příprava TV / Příprava TV + přitápění74

Energie slunečního zářeníSolární systémy pro ohřev vody75

Energie slunečního zářeníFotovoltaické systémyPřímá transformace energie slunečního záření na elektřinuFotovoltaické články76

Energie slunečního zářeníTypy FV článků* ČLÁNKY Z AMORFNÍHO KŘEMÍKURozšířené v oblasti malých výkonů (kapesní kalkulátory atd.). Účinnost laboratorní až10% , v praxi asi 2 - 6 %. Problém - nedostačená dlouhodobá stabilita, která je podstatněmenší než u ostatních druhů článků.* MONOKRYSTALICKÉ KŘEMÍKOVÉ ČLÁNKYV současnosti nejpoužívanější a nejpropracovanější. Účinnost laboratorní až 20 %, v praxi14 - 16 %. Zvětšení účinnosti se dosahuje povrchovým strukturováním a antireflexnívrstvou na přední straně článku.* POLYKRYSTALICKÉ (MULTIKRYSTALICKÉ) KŘEMÍKOVÉ ČLÁNKYJedná se např. o články vyráběné z litého křemíku. Účinnost je menší než u článků zmonokrystalického křemíku (11 - 14,5 %) a klesá s dobou použití více než u článků zmonokrystalického křemíku.* TENKOVRSTVÉ ČLÁNKYCdTe nebo CuInSe2. Současné využití je zanedbatelné.* ČLÁNKY Z ARZENIDU GALIAVysoká odolnost vůči vysoce energetickému záření (UV) a jsou používány zejména prokosmické satelity.* ČLÁNKY Z ORGANICKÝCH MATERIÁLŮSnaha o levnější technologie, jejich účinnost je však zatím jen několik procent. Intenzivnívýzkum.77

Energie slunečního zářeníTypy FVS z hlediska připojení na celostátní síť78

Energie slunečního zářeníFVS 20 kWp na VŠB – TUO(+ nový od roku 2010 ~ 350 kWp)79

0.200.180.160.140.12 [-]0.10208018160.08140.06121086420Energie slunečního zářeníFVS 20 kWp na VŠB – TUO – ukázka „nespolehlivosti“ dodávky12.3. 6:0012.3. 7:0012.3. 8:0012.3. 9:0012.3. 10:0012.3. 11:0012.3. 12:0012.3. 13:0012.3. 14:0012.3. 15:0012.3. 16:0012.3. 17:0012.3. 18:00čas [hod]0.040.02Průběh dne výskytu maximálního výkonu v r. 20050.00P [kW]

Energie slunečního zářeníFVS 20 kWp na VŠB – TUOP [kW]1816141210864200.180.160.140.120.100.080.060.040.020.000 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000I [W/m 2 ]Výkonová (modrá) a účinnostní (červená)provozní charakteristikav závislosti na intenzitě slunečního záření81

Nízkopotenciální teplopřírodních hmot82

Nízkopotenciální teplopřírodních hmot+ obecně plošná dostupnost (vzduch, země)- provozní náklady ~ pohonná energieVyužití pomocí TEPELNÝCH ČERPADELpředevším pro VYTÁPĚNÍa dále i pro přípravu teplé vody83

Efektivita procesu v TČEvst zadarmoEvst za penízeelektřinanízkopotenciální teplonapř. z okolního vzduchuEužteplo provytápěníProtože E vst ≥ E už ,účinnost nemůže býtnikdy větší než 1ale efektivita se vtomto případě počítájakoEfektivita =získaná užitečná energie (to, proč to děláme)nutně dodaná vstupní energie (abychom dostali, co chceme)ale za PENÍZEEfektivita se pak nenazývá účinnost(neboť NEPOPISUJE efektivitu transformace vstupních energií)ale tzv. TOPNÝ FAKTOR84

Efektivita procesu v TČZ termodynamických zákonů plyne, žeTOPNÝ FAKTOR je tím VYŠŠÍ,čím je teplota nízkopotenciálního tepla VYŠŠÍ(studené strany TČ tzv. primární)a požadovaná výstupní teplota NIŽŠÍ(teplé strany tzv. sekundární)Praktický důsledek:- co nejteplejší nízkopotenciální zdroj- nízkoteplotní vytápěcí systém, např. podlahové vytápění85

Efektivita procesu v TČOtopná křivka – určuje teplotu topné vody dodávané do otopného systému, abypři dané venkovní teplotě byla zajištěna tepelná pohoda v budověA, B – vysokoteplotní systém (běžné radiátory)C, D – nízkoteplotní (např. podlahové vytápění)červená čára – určuje hranici racionálního nasazení TČ86

Přírodní zdroje nízkopotenciálního tepla• Venkovní vzduch• Povrchové vody• Spodní vody• Zemní kolektory• Zemní vrtyTopný faktorDostupnostOdpadní teploPodzemní vodaZeměVzduch87

Charakteristika přírodních zdrojů NPT• Venkovní vzduchVhodné pro oblasti s dlouhou, ale mírnou zimou- Vysoká fluktuace- Teplota zdroje NPT jde „proti“ potřebě tepla na vytápění- Při teplotách blížících se bodu mrazu nutný odtávacírežim- Hluk a spotřeba ventilátorů+ Nižší pořizovací náklady+ Teplotně neomezeno (prakticky max. do -18°C)88zdroj obrázků: www.ekowatt.cz

Charakteristika přírodních zdrojů NPT• Povrchové vody (vodní toky, rybníky, přehrady, ...)- Místní podmínky- Teploty 0 – 15 °C- Teplotní použití do max. 3 – 4 °C na primární straně –námrazy+ Malá fluktuacezdroj obrázků: www.ekowatt.cz89

Charakteristika přírodních zdrojů NPT• Spodní vody (studny, vrty)- Místní podmínky – čerpací zkouška cca 5 - 7 dní- Teploty 8 – 15 °C- Teplotní použití do max. 3 – 4 °C na primární straně –námrazy- Nánosy- Nebezpečízměny proudění podzemního toku- Práce čerpadla při použití vsakovací jímky bez hladiny+ Velmi malá fluktuace90zdroj obrázků: www.ekowatt.cz

Charakteristika přírodních zdrojů NPT• Zemní kolektory- Místní podmínky – pozemek cca 3 - 4 x otápěná plocha- Teploty -5 až + 15 °C- Teplotní použití do max. - 10 °C na primární straně –zamrznutí, nízký topný faktor- Hydraulické vyvážení smyček, předimenzování- Při nesprávném dimenzování posun začátkuvegetativního období+ Malá fluktuace91zdroj obrázků: www.ekowatt.cz

Měrné výkony jímání – zemní kolektorySuché nesoudržné půdyVlhké soudržné půdyVelmi vlhké soudržné půdyPůdy obsahující voduPůdy s výskytem spodní vody92

Charakteristika přírodních zdrojů NPT• Zemní vrty- Místní podmínky- Teploty -5 až + 15 °C- Teplotní použití do max. - 10 °C na primární straně –zamrznutí, nízký topný faktor- Nejdražší varianta+ Velmi malá fluktuace93zdroj obrázků: www.ekowatt.cz

Měrné výkony jímání -vrtyHornina s velkým výskytem spodní vodyPevná hornina o vysoké tepelné vodivostiNormální pevná horninaŠpatná zemina se suchými usazeninami100 W/m80 W/m55 W/m30 W/mBez údaje o jakosti půdy lze počítat s měrným výkonem jímání 55 W/m.94

Teploty půdy blízko pod povrchem95

Bivalentní bod – z výkonových křivek12topný výkon TČ, tepelné ztráty objektu [kW]1086420-15 -10 -5 0 5 10 15venkovní teplota [ o C]TČ I - ze vzduchu TČ II - z podzemní vody Tepelná ztráta objektu96

Geotermální energie97

Geotermální energiePodle výstupní produkce- produkce pouze tepla- elektrické energie příp. i teplaPodle teplotyvysokoteplotní, nad 150°C,středněteplotní, 90 – 150°C,nízkoteplotní, pod 90°C.nízkopotenciální, okolo teploty okolí (TČ)98

Geotermální energiepříklady vysokoteplotních systémůSuché parní systémyHorké vulkanické systémy(Hot Dry Rock)99

Vodní energie100

Vodní energieÚlohavelkých (VVE), přečerpávacích (PVE) a malých (MVE do 10 MW),vodních elektráren v elektrizační soustavěČRDiagram denního zatížení101

Vodní energieVyužítí:Přeměna (především) potenciální energie vody na mechanickou (točivou na hřídeli),potažmo elektrickou energiiVýkon vodní elektrárny:PmgHgQgHgH g– spádQ – objemový průtok – celková účinnostH g102

Průtok v řece – dlouhodobé normály• Odtoková křivka (křivka překročení denních průtoků)Pro průměrný rok – 90 dní v roce bude průtok Q 90anebo vyšší

Návrh MVEPříklady:150 dní v roce je průtok min. 5,37 m 3 /s anebo vyšší120 dní v roce je průtok min. 6,30 m 3 /s anebo vyššípo (150-120=) 30 dní v roce je průtok mezi 5,37 - 6,30 m 3 /s

Základní typy vodních turbínPeltonova – pro vysoké spády a nízké průtokyFrancisova – pro střední spády i průtokyKaplanova – pro nízké spády a vysoké průtoky

Větrná energie106

Větrná energieVyužítí:Přeměna kinetické energie větru na mechanickou (točivou na hřídeli),potažmo elektrickou energiiVýkon větrné elektrárny:P12mw212Sw3w – rychlost větru v oblastiS – celková plocha rotoru stanovená z jeho poloměru ( . r 2 ) – celková účinnost107

Větrná mapa ČRZdroj: ÚFA AV ČR108

109

Histogram četnosti výskyturychlosti větru v dané oblasti25%20%20%18%16% 16%15%10%8%7%6%5%4%0%0%3% 2%0% 0% 0% 0% 0%0 0.2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14rychlost větru v oblasti v [m/s]Vysvětlivka: rychlost mezi 5 a 6 m/s byla po dobu 6 % roku110

Výkonová a účinnostní křivkav závislosti na rychlosti větruTechnická data E-70 ENERCONJmenovitý výkon: 2,3 MWPrůměr rotoru: 71 mVýška hřídele: 58 –113 m111

112

113

Vysoká škola báňskáTechnická univerzita OstravaZáklady energetických procesůprof. Ing. D. Juchelková, Ph.D.doc. Ing. Z. Kadlec, Ph.D.doc. Ing. M. Vrtek, Ph.D.Fakulta strojníKatedra energetiky114