Nekonvenční zdroje elektrické energie

ČESKÁ ELEKTROTECHNICKÁ SPOLEČNOST PRAHA,
VUT V BRNĚ
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ
ENERGIE
www.nzee.cz
HROTOVICE 2012
ISBN 978-80-02-02372-2
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ
ENERGIE
Tato publikace obsahuje zkrácená znění původních sdělení a některých referátů
přednesených na mezinárodní konferenci 33. Nekonvenční zdroje elektrické
energie uspořádané v Hrotovicích ve dnech 21. – 23. května 2012 Českou
elektrotechnickou společností (UOS pro chemické zdroje elektrické energie) a
Fakultou elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.
Organizační výbor konference:
Programový výbor konference:
doc. Ing. Petr Bača, Ph.D.
Ing. Petr Křivík, Ph.D.
Ing. Pavel Abraham
Ing. Jiří Wagner
Ing. Pavel Tošer
Ing. David Pléha
doc. Ing. Petr Bača, Ph.D.
RNDr. Karel Micka, DrSc.
doc. Ing. Zdeněk Dostál, CSc.
doc. Ing. Jiří Vaněk, Ph.D.
doc. Ing. Vítězslav Novák, Ph.D.
doc. Ing. Peter Tauš, Ph.D.
doc. Ing. Dušan Kudelas, Ph.D.
Matrice pro tisk byly pořizovány přímo z originálů dodaných autory. Z tohoto důvodu
vydavatel neodpovídá za jazykovou ani věcnou správnost uveřejněných textů.
OBSAH SBORNÍKU
Šimonová, L.: TERMOFOTOVOLTAIKA A JEJÍ VÝVOJ ................................................... 7
Pázral E.: OBNOVITELNÉ ZDROJE A JADERNÁ ENERGETIKA ROK
PO FUKUŠIMĚ ..................................................................................................................... 12
Mikšík, F., Kotlík, J.: KOMBINOVANÉ SOLÁRNÍ SYSTÉMY A JEJICH ŘÍZENÍ
V RD ...................................................................................................................................... 21
Vaněk, J., Baura T., Veselý A.: ZAŘÍZENÍ PRO DETEKCI DEFEKTŮ POMOCÍ
FOTOLUMINISCENCE ........................................................................................................ 27
Stojan, R., Vaněk J., Šimonová L., Veselý A., Frantík O.: LUMINISCENČNÍ
SPEKTROSKOPIE FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ ...................................................... 32
Tošer, P., Bača P., Neoral J.: BEZKONTAKTNÍ MĚŘENÍ SOLÁRNÍCH PANELŮ
S VYUŽITÍM TERMOVIZE ................................................................................................. 36
Veselý, A.: VLIV OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ NA LUMINISCENČNÍ
DIAGNOSTICKÉ METODY SOLÁRNÍCH ČLÁNKŮ ...................................................... 40
Wolf P., Kuřík O., Benda V.: FOTOVOLTAICKÝ SYSTÉM PŘEDÁVAJÍCÍ VÝKON
DO ODPOROVÉ ZÁTĚŽE ................................................................................................... 44
Micka, K.: 150 LET OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU ..................................................... 51
Tonar, K., Tošer, P., Bača, P.: VLIV Ti4O7 NA CHOVÁNÍ ZÁPORNÉ AKTIVNÍ
HMOTY OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU ....................................................................... 55
Abraham, P., Bača, P.: PULZNÍ NABÍJENÍ OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU ............... 60
Křivík, P.: TEPELNÉ ZMĚNY V OLOVĚNÉM AKUMULÁTORU II .............................. 63
Šembera, J., Veselý, I., Zezulka, F., Sajdl, O.: SYSTÉM PRO MĚŘENÍ, PREDIKCI A
ÚSPORY ENERGIE V DOMÁCNOSTECH ....................................................................... 67
Pospíšil, J., Pospíšil, P., Tureček, P.: MONITOROVÁNÍ PROVOZU VÝROBEN
OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ............................................................................................. 71
Morte, M.: VYUŽITÍ SMART GRIDS VE VODÍKOVÉM HOSPODÁŘSTVÍ ................. 75
Dostál, Z.: AKUMULAČNÉ PRVKY V ENERGETICKÝCH SYSTÉMOCH .................. 79
Radil, L., Bernáth, F.: NETRADIČNÍ METODY SKLADOVÁNÍ ENERGIE
POUŽITELNÉ V PRAXI....................................................................................................... 97
Pléha, D.: VANADOVÉ REDOXNÍ BATERIE ................................................................ 100
Šubarda, J.: PALIVOVÉ ČLÁNKY - VÝVOJ A SOUČASNÝ STAV ............................. 102
Kunovjánek, M., Musil, M., Šubarda, J.: PVA MEMBRÁNY PRO PEMFC
PALIVOVÉ ČLÁNKY ........................................................................................................ 106
Máca, J.: VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY .................................................................................. 112
Vyroubal, P., Maxa, J., Solčanský, M., Vaněk, J.: APLIKACE CAE SYSTÉMŮ PŘI
NÁVRHU CHLAZENÍ KONCENTRÁTOROVÝCH SOLÁRNÍCH ČLÁNKŮ ............. 116
Tauš, P., Hovorka, I.: ZHODNOTENIE PREVÁDZKOVÝCH PARAMETROV
PROTOTYPOV SOLÁRNYCH VZDUCHOVÝCH KOLEKTOROV ............................. 120
Kudelas, D., Urbanová, M.: VYUŽITEĽNOSŤ VETERNÝCH ZARIADENÍ
S VERTIKÁLNOU OSOU V KOŠICIACH ....................................................................... 127
Tichý, J., Dvořák., P.: Ni-Zn AKUMULÁTORY ............................................................... 134
Libich, J., Čech, O., Sedlaříková, M., Vondrák, J.: PERSPEKTIVNÍ MATERIÁLY
PRO NEGATIVNÍ ELEKTRODY LITHNO-IONTOVÝCH ČLÁNKŮ .......................... 138
Čech, O.: PROGRESIVNÍ KATODOVÉ MATERIÁLY PRO Li-ION
AKUMULÁTORY .............................................................................................................. 142
Kazda, T., Čech, O.: OPTIMALIZACE VÝROBY A STABILIZACE STRUKTURY
LiCoO2 ................................................................................................................................. 147
Chladil, L., Dvořák, P.: MOŽNOSTI EIS METODY PŘI MĚŘENÍ IMPEDANČNÍCH
ZMĚN Ni(OH)2 ELEKTRODY V PRŮBĚHU CYKLOVÁNÍ .......................................... 151
Darmová, V.: SVETELNÉ ZDROJE A ĽUDSKÝ ORGANIZMUS .................................. 155
Kazda, T., Sedlaříková, M., Vondrák, J., Čech, O.: STABILIZACE STRUKTURY
LiCoO2 POMOCÍ DRASLÍKU ............................................................................................ 160
Tonar, K.: VLIV VODIVÝCH PŘÍMĚSÍ NAM NA ŽIVOTNOST OLOVĚNÉHO
AKUMULÁTORU............................................................................................................... 164
Rozsívalová, Z., Frk, M.: METODY MĚŘENÍ TEPLOTY A JEJICH PŘESNOST .......... 169
Mimo sborník byly některé příspěvky a prezentace vydány v elektronické formě na CD.
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
1
TERMOFOTOVOLTAICKÉ SYSTÉMY
Lucie Šimonová
Ústav elektrotechnologie, FEKT VUT v Brně, Technická 3058/10, 616 00 Brno,
[email protected]
Abstrakt
Hlavním cílem termofotovoltaiky je dosažení vyšší účinnosti celého systému za využití běžně
dostupných fotovoltaických článků při minimálních nákladech a využití záření jak ve
viditelné, tak i v infračervené oblasti spektra. Klíčem k dosažení vyšší účinnosti systému je
tzv. spektrální řízení, které může být zajištěno jednotlivými částmi termofotovoltaického
systémy.
Úvod
Pro dosažení maximální účinnosti termofotovoltaického (TFV) systému musí být splněny dvě
zásadní podmínky => minimální emise fotonů na FV článek s energií nižší, než je šířka
zakázaného pásu fotovoltaického (FV) článku a maximální emise fotonů s energií vyšší či
rovnou šířce zakázaného pásu FV článku.
Hlavními částmi TFV systému, které se podílejí na splnění těchto podmínek a tím také na
vzrůstu účinnosti celého systému, jsou radiátor (někdy také nazývaný jako absorbér či
emitor), filtr a běžně dostupný FV článek. Radiátor i filtr může mít různá provedení
s odlišnými vlastnostmi i použitými materiály. Stejně tak i zdroj záření/tepla může být
různého provedení, což určuje oblast uplatnění takovéhoto systému.
U TFV systému se sledují jednak optické parametry - absorpce, odrazivost, emise
a propustnost použitých materiálů jednotlivých součástí systému, které se odvíjí jednak od
úhlu dopadu záření a od samotných vlastností použitých materiálů. Velmi důležitou vlastností
je výsledná účinnost systému, a také výkon celého systému, který velmi silně závisí na teplotě
radiátoru. Neméně důležitá je životnost systému i jeho jednotlivých částí a samozřejmě cena.
TFV radiátor
Jedná se o velmi důležitou část TFV systému. Tento prvek má za úkol absorbovat co největší
spektrum záření bez toho, aniž by došlo k jeho zpětnému odrazu a rozptýlení do okolí.
Zároveň musí sloužit i jako emitor fotonů na FV článek, kde jsou tyto přeměněny na energii
elektrickou. V běžném FV článku je přeměněna na elektrickou energii pouze malá část
dopadající energie a zbylá část je přeměněna na tepelné ztráty. Pokud by se na zadní straně
FV článku využila reflexní vrstva, mohou být tyto fotony zpětně odraženy k radiátoru, který
tímto zahřívají. Podobného principu můžeme docílit i zařazením filtru mezi radiátor a FV
7
článek. Energie odražených fotonů může být využita při další emisi nebo může přispívat
k udržení teploty radiátoru.
Obr. 1: Základní princip TFV. [2]
Základním rozdílem TFV oproti FV je schopnost využít fotony o energii E vyšší než je šířka
zakázaného pásu Eg FV článku k přeměně na energii elektrickou, ale také využít fotony
o energii nižší pro udržení potřebné teploty radiátoru (rekuperace). Při běžné FV přeměně by
tato energie představovala tepelné ztráty. Z toho tedy vyplývá, že radiátor, proto aby správně
fungoval, potřebuje vysoké teploty. S tím úzce souvisí také šířka spektra, kterou TFV
využívá. Běžné FV systémy využívají pouze oblast viditelného spektra, kdežto TFV využívá
i oblast infračervenou (IR), jejíž energie je běžně při absorpci přeměněna na ztrátové teplo,
ale TFV toto teplo dokáže využít pro udržení požadované teploty radiátoru, čímž se efektivně
využije širší spektrum záření včetně záření s nižší energií fotonů, čímž se zvyšuje účinnost
celého systému. Jak je vidět na Obr. 2 a v Tab. 1, s rostoucí vlnovou délkou klesá energie
fotonů i frekvence. Běžné systémy tyto energie nejsou schopny účinně využít.
Obr. 2: Spektrum záření. [1]
Ideálním radiátorem je dokonale černé těleso, které by mělo stálou teplotu a bylo by schopno
absorbovat všechno dopadající záření nezávisle na úhlu dopadu s nulovým zpětným odrazem.
8
Zároveň by fungovalo jako dokonalý zářič a množství absorpce by bylo srovnatelné s emisí.
Bohužel lidské oko má úzké spektrum reakce, čímž dochází ke klamu oka, takže to, co se nám
zdá „absolutně“ černé, bohužel není. Proto existence dokonale černého tělesa je velmi
nepravděpodobné. Ale existují materiály, které se některými vlastnostmi tomuto tělesu
přibližují – černý uhlík, černá platina, černé zlato či karbid křemíku.
Tab. 1: Přehled záření a jejich parametrů.
Reálný radiátor se od ideálního podstatně liší, jelikož nikdy nemůžeme docílit dokonalé
absorpce a nulové odrazivosti, ale můžeme se těmto vlastnostem snažit přiblížit.
Nejdůležitější podmínkou, pro správnou funkci radiátoru je jeho dostatečná teplota, která se
pohybuje mezi 1 200 ≤ TE ≤ 2 000 K, což odpovídá 927 – 1 727 C. Tyto teploty jsou
poměrně dost velké, proto se jich dosahuje jednak na vrchní ploše radiátoru, která je
vystavena tepelnému záření ze zdroje. Dále je teplota udržována za pomocí ztrátového tepla,
resp. odražených fotonů s nízkou energií, které dopadají zpět na stranu radiátoru, která je blíž
k FV článku.
Od reálných radiátorů se vyžaduje, aby emise fotonů o energii E < Eg byla minimální,
případně aby došlo k jejich zpětnému odrazu k radiátoru a zároveň aby docházelo k emisi
fotonů o energii E > Eg, pro uplatnění FV přeměny. Reálné radiátory můžeme dělit do dvou
základních provedení – šedý radiátor a selektivní radiátor.
Šedý vs. selektivní radiátor
Pro šedý radiátor je typická stejná spektrální emise pro všechny vlnové délky. Pro všechny
druhy radiátorů je zapotřebí volit takové materiály, které mají vysoký bod tavení. Vhodnými
materiály mohou být například platina (P), wolfram (W) či karbid křemíku (SiC). Ovšem jako
jiné materiály, ani tyto nejsou dokonalé. Vyskytují se různé problémy např. u wolframu, je
kladnou stránkou výborná emisivita požadovaných energií a malá pro velké vlnové délky, ale
zároveň dochází k oxidaci materiálu mimo vákuum za působení vysokých teplot, stejně tak u
karbidu křemíku, i přes to, že se vyznačuje dobrou emisivitou, což je zásadní pro radiátory,
taktéž se u něj vyskytují problémy spojené s degradací na vzduchu za působení vysokých
teplot. Dalšími problémy u materiálů vhodných pro šedé radiátory může být například
pozvolné vypařování či zhoršená emise od určitých vlnových délek.
Stejně jako u předchozího typu i u selektivního radiátoru se vyžaduje vysoká emise fotonů
o energii E Eg a zanedbatelná emise E < Eg. Selektivní radiátor může mít dvě základní
provedení a to v podobě plynné nebo pevné fáze. Plynná fáze, také nazývána plazmovým
radiátorem, má oproti ostatním provedením radiátorů jednu zásadní nevýhodu. Vyžaduje totiž
9
velmi vysoké teploty nad 2 000 K a vzhledem k tomu, že hustota plazmy je nízká, je také
poměrně nízký výkon, takovéhoto radiátoru. Oproti tomu radiátor pevné fáze vyžaduje
teploty sice vyšší než 1 000 C, ale přitom nižší než plazmové radiátory. Opět
i v tomto případě je zapotřebí volit materiály s vysokou teplotou tavení. Vhodnými materiály
proto mohou být například sloučeniny lanthanoidů s jinými prvky (viz. Tab. 2). U radiátorů
v pevné fázi by měl být rozsah emise srovnatelný s Eg dostupných FV článků. Zároveň se
musí vzít v úvahu fakt, že žádný materiál, použitý pro radiátor, nebude mít nulovou zpětnou
odrazivost, proto je velmi žádoucí využití ještě antireflexní vrstvy (např. Al 2O3).
Tab. 2: Ukázka možných sloučenin s lanthanoidy (R), vhodných pro selektivní radiátory. [2]
Sloučeniny
Teplota tavení [°C]
Poznámka
> 2 200
-
RxY3-xAl5O12
1 930
0<x<3
RxGd3-xGa5O12
1 750
0<x<3
RxMg1-xAl2O4
2 100
0<x<1
RxZr1-xO2
2 700
0<x<1
RxY2-xO3
2 400
0<x<2
R2O3
Filtry pro TFV
Největšího spektrálního řízení pro dosažení vysoké účinnosti u TFV lze dosáhnout právě
pomocí filtrů, umístěných mezi radiátorem a FV článkem. Proto, aby bylo dosaženo co
nejvyšší účinnosti celého systému, musí splňovat základní podmínky – minimální absorpce
záření, velká odrazivost fotonů o energiích E < Eg zpět k radiátoru a maximální propustnost
pro fotony o energiích E > Eg. Vhodné filtry dělíme do následujících čtyř skupin =>
interferenční (úzkopásmové), plazmové, kombinované interferenčně-plazmové a maticové
filtry.
Interferencí filtry se vyznačují velkou propustností v daném rozsahu spektra, velkou
odrazivostí pro nežádoucí vlnové délky, ale také má svá negativa a tím je zhoršená odrazivost
pro velké vlnové délky. Ale i přes to je absorpce pro všechny vlnové délky prakticky
zanedbatelná. Vhodnými materiály jsou dielektrika. Oproti tomu plazmové filtry mají sice
velkou odrazivost, ale velmi významnou absorpci v propouštěném spektru. Jedná se
o materiály vodivé a polovodivé.
Nejlepší variantou je tedy kombinace těchto dvou filtrů, pro dosažení požadovaných
vlastností obou filtrů a tím odstraňují nedostatků obou variant. Přičemž je potřeba, aby
interferenční filtr byl zařazen před filtr plazmový.
Poslední variantou filtrů je filtr maticový. Jak již sám název napovídá, jedná se
o skupinu malých otvorů, určených pro průchod požadovaných vlnových délek, přičemž
velikosti a rozestupy otvorů jsou menší než vlnová délka. Tyto filtry mají velkou odrazivost.
Vhodnými materiály jsou sloučeniny kovů.
10
Možnosti aplikace TFV systémů
Podle toho, jaký zdroj tepla TFV systém využívá, se dá rozdělit do tří skupin, od kterých se
odvíjí i samotná oblast uplatnění:
Solární TFV systém
o
sluneční zdroj
o
běžné využití jako FV, ale s vyšší účinností
Nukleární TFV systém
o
založen na rozkladu radioisotopů
o
využití v hlubokém vesmíru, kde je solární záření příliš malé pro přeměnu
Systém řízeného spalování
o
využívá spalování plynů, tuhých paliv aj.
o
využívá část tepla při spalování pro výrobu elektrické energie
o
severské státy bez el. energie (horské oblasti), armáda, hybridní vozidla
o
široké komerční využití
o
výroba tepla i elektrické energie
Závěr
V této práci bylo shrnuto, jakými způsoby se dá ovlivnit TFV přeměna při využití komerčně
dostupných FV článků. Zaměřili jsme se především na stavbu celého TFV systému a vhodné
materiály. Pokud by se do budoucna podařilo úspěšně aplikovat některé z možných provedení
do skutečné praxe a provozu, dá se předpokládat, že zájem o tyto systémy bude opravdu
velký, protože v porovnání s klasickými FV systémy má tento mnoho výhod. Velkým plus
TFV systémů je fakt, že by mohly být aplikovány v rozmanitých oblastech uplatnění.
Poděkování
Tato práce vznikla za podpory interního grantu VUT v Brně č. FEKT-S-11-7.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Spektrální citlivost solárních článků
[online]. Dostupný na WWW:
http://www.solartec.cz/cs/fv-systemy/o-fotovoltaice/spektralni-citlivost-clanku.html
CHUBB, DONALD L., Fundamentals of thermophotovoltaic energy conversion.
Amsterdam: Elsevier, 2007. ISBN: 978-0-444-52721-9
DePOY, D. M., Thermophotovoltaic Spectral Control [online]. 2004-06-09. Dostupný
na WWW: http://www.osti.gov/bridge/product.biblio.jsp?osti_id=850113
GREEN, MARTIN A., Third generation photovoltaics; Advanced solar energy
conversion, Springer. 2006. ISBN 3-540-26562-7
Spektrum
[online].
Dostupný
na
WWW:
http://www.asu.cas.cz/~bezdek/fyzika/spektrum_ab.php
11
4
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
OBNOVITELNÉ ZDROJE A JADERNÁ ENERGETIKA ROK
Emil Pázral
Výzkumný ústav zemědělské techniky, Praha 6 - Ruzyně, e-mail: [email protected]
Minulost a současnost jaderné energetiky
29. ledna t.r. byl na programu ČT 2 ve večerních hodinách uveden dokument Občan Kurčatov
(Igor Vasiljevič, 12.1.1903 – 7.2.1960) s podtitulem Dramatický život otce sovětské atomové
bomby. Popisuje se m.j. rozpolcenost člověka – vlastence, který na jedné straně cítí povinnost
učinit vše pro to, aby se Sovětský svaz vyrovnal Spojeným státům a nemohla být ohrožena
jeho suverenita a mocenské postavení a na straně druhé obrovskou odpovědnost za následky
zneužití této zbraně pro lidstvo. Vznikla situace, kdy on a jeho kolektiv spolupracovníků měl
veškerou podporu stranického a státního vedení, ale zároveň si ideologicky navzájem příliš
nerozuměli. Stalin v rozhovoru s Berijou se měl údajně vyjádřit, že: když nebudou dělat
dobrotu, zastřelit je můžeme vždycky! Kurčatov řešil rozpor podporou světového mírového
hnutí a usilovnou prací na co nejdřívějším využití jádra pro produkci elektrické energie. A tak
již v r. 1954 byla v areálu jaderného výzkumného ústavu v lokalitě Dubna u Moskvy uvedena
do provozu jako první na světě jaderná elektrárna o výkonu 5 MW. Reaktor je černobylského
typu (moderovaný grafitem) a z experimentálních důvodů je stále ještě udržován v provozu.
Spojené státy měly v téže době k dispozici větší počet reaktorů a o větším výkonu, ale pro
jejich energetické využití chyběla motivace.
Následoval postupný vývoj jaderné energetiky v Evropě i ve světě. Několik zajímavých dat
z vývoje v Evropě udává následující tabulka. Jsou uvedena nejstarší a nejnovější, příp. nejdéle
provozovaná jaderná zařízení.
Tab. 1: Nástin vývoje jaderné energetiky v Evropě
Země
Místo
1.
Francie
Chinon
Golfech
2.
Německo
3.
bývalý SSSR
4.
Velká Británie
5.
bývalé
Československo
12
Rheinsberg
Grundremmirgen
Neckarwestheim
Obninsk
Sibiřská
Kalininská
Smolensk
Calder Hall
Oldbury
Sizewell
Jaslovské Bohunice
Temelín
GCR
PWR
Výkon
(MW)
84
1365
FBR
BWR
PWR
APS-1
FBR
VVER 1000
VVER 1500
GCR
GCR
PWR
GCHWR (A1)
VVER 1000
80
252
1365
30
100
1000
1500
60
230
1258
150
1000
Typ reaktoru
Započetí
provozu
1963
1993
Ukončení
provozu
1973
dosud v
provozu
1966
1990
1966
1980
1989
dosud
1954
2004
1963
2008
2004
dosud
ve stadiu příprav
1956
2003
1967
dosud
1995
dosud
1972
1979
2002
dosud
6.
Finsko
7.
Švédsko
8
Maďarsko
Loviisa
Olkiluoto
Agesta
Oskarshamn
Pakš
VVER 440
EPR
PHWR
BWR
VVER 440
510
1600
12
1205
440
1977
dosud
ve výstavbě
1964
1974
1985
dosud
1980
dosud
Tab. 2: Typy jaderných reaktorů
Označení
Význam
AGR
Advanced Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor
- pokročilý plynem chlazený, grafitem moderovaný reaktor
Advanced Pressurized Light Water Cooled and Moderated Reactor
- pokročilý tlakovou vodou chlazený a moderovaný reaktor
Booling Light Water Cooled and Moderated Reactor
- vroucí vodou chlazený a moderovaný reaktor
Fast Breeder Reactor
- rychlý množivý reaktor
Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor
- plynem chlazený, grafitem moderovaný reaktor
High temperature, Gas Cooled, Graphite Moderated Reactor
- vysokoteplotní, plynem chlazený, grafitem moderovaný reaktor
Light Water Cooled and Moderated Reactor
- obyčejnou vodou chlazený a moderovaný reaktor
Light Water Cooled, Graphite Moderated Reactor
- lehkou vodou chlazený, grafitem moderovaný reaktor
Pressurized Heavy Water Cooled and Moderated Reactor
- tlakovou těžkou vodou chlazený a moderovaný reaktor
Pressurized Light Water Cooled and Moderated Reactor
- tlakovou lehkou vodou chlazený a moderovaný reaktor
Reaktor bolšoj moščnosti – kanalnyj (kanálový reaktor velkého výkonu),
ruské označení pro sovětský reaktor typu LWGR
Vodovodjanoj energetičeskij reaktor (vodo-vodní energetický reaktor),
ruské označení reaktoru PWR
European Pressurized Water Reactor
- evropský tlakovodní reaktor (reaktor budoucí Evropy)
Težkovodní reaktor A1
- tepelný, plynem chlazený, těžkou vodou moderovaný reaktor
APWR
BWR
FBR
GCR
HTGR
LWR
LWGR
PHWR
PWR
RBMK
VVER
EPR
GCHWR
Tabulka uvádí nejdříve čtyři rozhodující evropské státy. Je patrno, že vývoj byl všude zhruba
stejný. První elektrárny byly uváděny do provozu v padesátých a šedesátých letech a jejich
výkony se pohybovaly v řádu desítek MW. Rozhodující nástup jádra byl zaznamenán v 70. a
80. letech s výkony řádově ve stovkách MW. Pak došlo k relativnímu ,,nasycení jádrem“ a
zpomalení rozvoje. V devadesátých letech se již také ve větší míře začínají nahrazovat starší
postupně dožívající kapacity novými. Jednotkové výkony bloků začínají překračovat hranici
1000 MW.
Například v USA byla poslední jaderná elektrárna uvedena do provozu před 30 lety a teprve
v únoru letošního roku bylo definitivně rozhodnuto o výstavbě další. Žádostí o novou
výstavbu, zpravidla v lokalitách současných elektráren, je kolem dvaceti.
U starších a nejstarších elektráren je velmi různá doba jejich provozu – od 10 do 45 let. Ruský
Obninsk – 30 MW – byl spuštěn již v r. 1954 a provozován plných 50 let! U současných
13
jaderných elektráren se předpokládá minimální životnost 40 let, ale počítá se s jejich
průběžnou modernizací ke zlepšení provozních a bezpečnostních parametrů a ke zvýšení
výkonu a k současnému prodloužení životnosti až na 60 let. V USA bylo údajně vydáno již 44
povolení tohoto druhu!
Tabulka dále obsahuje údaje z býv. Československa a dalších tří srovnatelných malých
evropských států. Je zřejmé, že se od těch velkých nijak zásadně neliší.
Dramatický osud naší A – jedničky v Jaslovských Bohunicích, jsme podrobně popsali už loni
(palivo – přírodní, neobohacený uran, ukončení provozu zcela zbytečnou, ale dokonale
zvládnutou havárií menšího rozsahu).
Obdobný vývoj jako v Evropě lze zaznamenat i v ostatních částech světa. Úplný výčet všech
jaderných států a podíl jádra na jejich energetické bilanci jsme rovněž uvedli již v loňském
příspěvku. Počátkem roku 2011 bylo v provozu celkem 442 reaktorů o úhrnném instalovaném
výkonu přes 377 000 MWe, nejvíce v USA, Francii, Japonsku, Velké Británii a Rusku.
V Evropě asi 1/3 elektrické energie pochází z jaderných elektráren.
V současnosti se ve 13 zemích světa staví 60 nových bloků jaderných elektráren a pro
nejbližších 15 let se připravuje dalších 150. Realizace jednoho bloku trvá zpravidla 3 – 5 let a
příprava nejméně 15. V Olkiluotu ve Finsku a ve Flamanville ve Francii jsou ve výstavbě
reaktory resp. bloky s instalovaným výkonem 1600 a 1700 MWe. Naproti tomu ruský
Smolensk – VVER 1500 je teprve ve stádiu přípravných prací.
Události ve Fukušimě s výjimkou Německa tyto záměry nijak výrazněji neohrozily, spíše se
promítly do zvýšení požadavků na bezpečnost při projektování díla i do zdokonalování
kontrolních testů a zvýšení počtu i náročnosti zátěžových zkoušek provozovaných zařízení.
Vývoj jaderné energetiky v České republice
Československá jaderná energetika započala v Jaslovských Bohunicích (podrobně popsáno
loni) a v České republice to byly Dukovany na Jižní Moravě. Jsou prakticky totožné
s Bohunicemi, ale celé dodány Škodou Plzeň a jejími československými subdodavateli.
V podmínkách socialistického Československa se nevyskytly žádné větší potíže
s povolováním stavby. Samotná výstavba proběhla v letech 1978 – 1988. Byly vybudovány 4
bloky VVER 440 (v 213) – údaj v závorce charakterizuje jejich škodovácký původ – původní
sovětské nesou označení (v 230). Na každý reaktor 440 MW navazují dva turbogenerátory
220 MW.
Historie Temelína začínala obdobně. Investiční záměr stavby byl vydán počátkem roku 1979
a o rok později rozhodnuto o výstavbě čtyř bloků s možností budoucího rozšíření na šest.
Pro zajímavost: taková elektrárna už existuje, a sice na Ukrajině v Záporoží. Stavba byla
zahájena v r. 1980 a mezi léty 1984 až 1989 bylo uvedeno do provozu pět reaktorů VVER
1000. Poslední, šestý, byl připojen k síti v r. 1995. Všechny jsou v provozu.
Přípravné práce v Temelíně začaly v r. 1983 a vlastní výstavba o rok později. Do toho zasáhly
události r. 1989. Vláda tehdejší ČSFR vzala v úvahu nové ekonomické podmínky a zastavila
výstavbu 3. a 4. bloku. Zbývajících 2000 MW výkonu mělo nahradit 3700 MW postupně
odstavovaných uhelných elektráren v severních Čechách (tomu jsme se podrobně věnovali
v r. 2010) a rozdíl měl být vyrovnán racionalizací spotřeby a očekávaným snížením výroby
v energeticky náročných odvětvích (hutnictví, ocelářství).
14
Následoval rozpad Československa a usnesení České vlády z března 1993, kterým bylo
definitivně rozhodnuto o dostavbě 1. a 2. bloku. Ta byla zahájena v r. 1984 a 1985 a bloky
uvedeny do provozu v r. 2000 a 2002.
Původní sovětská koncepce předpokládala, že proti reaktoru 1000 MW budou pracovat dvě
turbosoustrojí o výkonu 500 MW. K vyzkoušení prototypu byla postavena v Horních
Počáplech na Labi elektrárna Mělník III., kterou tvoří jediný turbogenerátor 500 MW. Do
provozu byla uvedena v r. 1981 a modernizována v r. 1996. Dvě turbosoustrojí mají mít tu
výhodu, že při event. poruše nevypadnou ze sítě obě najednou, takže u reaktoru přichází
v úvahu k rychlé doregulaci jen polovina výkonu. To ovšem neřeší situaci, kdy k odlehčení
dojde v důsledku výpadku sítě. Proto byla – v Temelíně poprvé – zvolena ,,česká cesta“ –
vychlazení páry v parním kondenzátoru při současném novém způsobu mnohem rychlejšího
snížení tepelného výkonu reaktoru. Krom toho jeden velký turbogenerátor je téměř o 25 %
levnější než dva poloviční. V této ,,škodovácké“ podobě byly tedy posléze realizovány oba
temelínské bloky.
Původní sovětské bloky v Bohunicích byly řízeny a kontrolovány důmyslnými a spolehlivými
reléovými systémy. V českých odborných kruzích se označovaly jako ,,sovětská těžkotonážní
elektronika“ – název inspirován tzv. težkotonážními nákladními vlaky, provozovanými tehdy
u nás po sovětském vzoru. U bloků VVER 440 českého původu byly nahrazeny
polovodičovou technikou na bázi integrovaných obvodů ze Závodů průmyslové automatizace
(ZPA) a zejména státního podniku DIAMO, jejichž úroveň byla na svou dobu hodnocena
velmi vysoko. Původně se s nimi počítalo i pro Temelín, ale průtahy ve výstavbě způsobily,
že mezitím byl vyvinut a mohl být aplikován počítačový řídící a kontrolní systém
Westinghouse.
Nově nabytá svoboda po r. 1989 se pochopitelně projevila také protitemelínskými aktivitami,
a sice různými demonstracemi a blokádami, nebo přístupem sdělovacích prostředků. Přitom
nelze nepozorovat rozdíl před a po březnu 1993, kdy dostavbu schválila vláda.
Například jedna z největších a protestních akcí se krátce předtím uskutečnila přímo před
branami Temelína. Velké zástupy lidí tam ,,spontánně“ vyjadřovaly svůj odpor. Aby ne, když
šlo o najatý kompars z Temelína a dalších okolních obcí, z nichž jeden každý, krom legrace
s tím spojené, dostal za své vystoupení osm stovek československých. Jejich lidoví
organizátoři obdrželi číselně srovnatelné částky, ale v říšskoněmeckých markách a po
skončení akce nasedli do svých Audin, Bavoráků a Mercedesů a spokojeně odjeli nikoli do
Rakouska, ale do Bavorska. Tato zpráva je důvěryhodně ověřena ze dvou nezávislých zdrojů
– od pracovnice jednoho výzkumného ústavu, která se v Temelíně narodila a dodnes tam žijí
její příbuzní, a od seriozního vědeckého pracovníka ve volné diskusi na jedné
elektrotechnické konferenci.
V protitemelínském tažení se též smutně vyznamenal i čs. rozhlas. Například v jedné z relací
zaznělo asi toto: Kdo je směrodatný k posuzování účelnosti Temelína? Pracovníci Akademie
věd? Zaujatí! Vysokoškolští pedagogové? Hlupáci! Energetici? Nekompetentní! Kdo tedy?
Inu kdo jiný než Jiřina Bohdalová. To je přece pravý expert k posouzení zbytečnosti
Temelína. Obdobným způsobem byla zneužita i osobnost Václava Havla nebo filozofa
Erazima Koháka. Celá řada neseriozních, povrchních novinářů si s gustem přihřívala
polívčičku ke zvýšení své popularity na takovém jasném propadáku jako je Temelín –
jenomže vláda ho schválila! A s vládou si to přece nerozhází! A tak skončili jako když utne.
Rakouské a v menší míře i německé akce pokračovaly i nadále a zesílily hlavně po událostech
ve Fukušimě, ale již bez výraznější odezvy ve sdělovacích prostředcích.
15
Po Fukušimě se zvýšila také náročnost na bezpečnost jaderných elektráren. Podle požadavků
Mezinárodní agentury pro atomovou energii – MAAE – byla většina elektráren v Evropě a v
USA podrobena tzv. zátěžovým zkouškám, které každou elektrárnu hodnotí komplexně. A
jako nejlepší v Evropě byly dle zpráv z 24.1. t.r. vyhodnoceny Dukovany. Ekologičtí aktivisté
reagovali prohlášením, že toto kladné hodnocení se týká hlavně ekonomiky, spolehlivosti a
dalších provozních parametrů, ale nikoli bezpečnosti. Ta je nedostatečná a musí se zlepšit
v oblasti zabezpečení proti zemětřesení a proti teroristickému útoku. Pokud aktivisté chtějí
pro své požadavky podporu od veřejnosti, měli by je řádně zdůvodnit, např. kolikrát, kdy
naposled a v jaké intenzitě bylo na Jižní Moravě zemětřesení. Nebo: zatím není znám žádný
útok teroristů na jadernou elektrárnu. Chybí zdůvodnění, proč právě Jižní Morava je pro
(islámské? jiné?) teroristy atraktivnější než jiné části světa a proč se očekává, že si pro své
první zviditelnění tohoto druhu vyberou právě Dukovany a ne nějakou elektrárnu třeba
v blízkosti New Yorku, Londýna nebo Paříže. To by pak opravňovalo ke zvýšení
bezpečnostních opatření Dukovan (a analogicky také Temelína) nad rámec běžně požadovaný
mezinárodními organizacemi.
A co nás čeká v nejbližším období? Ve druhém pololetí letošního roku má být vydáno
stanovisko o vlivu dostavby JE Temelín na životní prostředí (EIA) a nejpozději do konce roku
2013 má být ukončeno výběrové řízení na dodavatele dalších dvou bloků. Zatím jsou tři
zájemci: americký Westinghouse, francouzská Areva a česko-ruské konsorcium Škoda JS,
Gidropress a Atomstrojexport. Ve výhledu je i dostavba pátého bloku v Dukovanech.
Přístup k jaderné energetice v ostatní Evropě a zvláště v Německu
Konkrétní údaje uvádí tab. 1 a loňský článek. Zbývá připomenout, že největší rozvoj jaderné
energetiky se odehrával v letech, která se prakticky překrývala s léty studené války. Bylo
známo, že za Uralem se nachází 28000 sovětských tanků (podle jiných údajů až 55000)
připravených převálcovat Evropu. Tomu a eventuálnímu jadernému ohrožení se čelilo
zvýšeným zálohováním energetických kapacit a jejich plošném rozptýlení v podobě málo
koncentrovaných jednotek. V nejvíce ohroženém západním Německu mělo 16 elektráren po
jednom reaktorovém bloku, v pěti případech dva a v jednom 3 bloky. Výjimkou je Greifswald
Nord – sever, kde již název napovídá, že jde o elektrárnu v býv. NDR, kde platila jiná
pravidla. Shoda s Bohunicemi a Dukovany je nejen v oblasti technické – instalovány reaktory
VVER 440, ale i historii vzniku. V letech 1973 – 1974 byly uvedeny do provozu dva bloky
sovětské výroby a v letech 1977 – 1979 – 1989 další tři ze Škody Plzeň včetně navazujících
elektrárenských komplexů a dalšího příslušenství. Všechny bloky této elektrárny však byly
odstaveny současně v r. 1990. Za záminku postačil určitý nesoulad s požadavky nějaké
německé normy či provozních předpisů – kdyby šlo o závažnou věc, musely by být odstaveny
i Bohunice, Dukovany, maďarský Pakš a větší počet reaktorů tohoto typu v bývalém SSSR.
Opak je pravdou, o čemž svědčí i vysoké evropské hodnocení Dukovan. Dne 15. 5. 2011 bylo
zveřejněno stanovisko jednoho německého veřejného činitele, že Greifswald byl odstaven ,,z
politických důvodů“. Některé vlivné kruhy zřejmě neunesly, že největší, nejekonomičtější a
bezkonkurenčně nejbezpečnější německá jaderná elektrárna pochází z menší části ze SSSR a
z větší části ze socialistického Československa. Přitom jiné, rizikovější, zůstaly dále
v provozu. Kdyby Greifswald nebyl odstaven, mohl být soupeřem Dukovan o prvenství mezi
evropskými jadernými elektrárnami.
Ve stanovisku německých expertů, uveřejněném 17.5.2011, tedy dva měsíce po Fukušimě, se
uvádí, že ,,německé jaderné elektrárny mají bezpečnostní mezery, ale přesto není třeba je
vypínat“. Například čtyři nejstarší provozované jaderné elektrárny nejsou odolné proti pádu
letadla. V téže době kancléřka Merkelová hovořila o uzavírání všech jaderných elektráren
16
během nejbližších deseti let. Jenomže vývoj v Německu k bezjadernosti není zase až tak
úplně jednoznačný. Připomeňme si, že táž kancléřka Merkelová, podle zpráv ze dne
19.10.2010 byla zastánkyní prodloužení životnosti německých jaderných elektráren o 15-20
let a obrat v jejím smýšlení o 180 stupňů nastal až po Fukušimě! Proti zamýšlenému uzavření
jaderných elektráren protestoval ihned např. starosta obce Neckarwestheim, kde po
prodloužení měla být elektrárna odstavena až za 7 let a dřívějším odstavením by obec přišla o
velkou část svých příjmů. Dle zpráv z 28.5.2011 Němci nevěří, že Merkelová to s uzavřením
jaderných elektráren myslí vážně a konaly se i demonstrace za jejich zachování. Zpráva
z 11.7. uvádí, že německý prezident oddaluje podpis zákona proti jádru atd.
Rozpory napovídají, že hodně záleží na společensko-politické atmosféře. Krásně to nedávno
vyjádřila předsedkyně Státního úřadu pro jadernou bezpečnost (SÚJB) Dana Drábová:
,,Nebude-li veřejnost jaderným zdrojům důvěřovat a akceptovat je, dlouhodobě nepřežijí, i
kdyby byly technicky naprosto bezchybné a ekonomicky snášely zlatá vejce“. Jako poslední
termín postupné německé likvidace jádra se zpravidla uvádí rok 2022, ale vyskytlo se také
datum 2036. Koncem pololetí 2011 oficiálně ohlásily ukončení éry jádra také vlády
Švýcarska a Itálie. Premiér Nečas se k tomu vyjádřil, že to povede ke zvýšení ceny elektrické
energie až o 30 %, čemuž ale lze čelit další dostavbou Temelína.
V období největších protitemelínských štvanic před schválením dostavby českou vládou
formuloval své stanovisko také známý novinář Jan Petránek. Uvedl mimo jiné: ,,Ve světě je
v provozu 562 jaderných reaktorů, ale hysterie se vytváří pouze okolo Temelína“. Mezitím
čas pokročil, reaktorů je méně, ale jejich úhrnný výkon podstatně stoupl. A další vývoj
situace? Jeden příklad za všechny: 19.7.2010 uveřejnil denní tisk následující zprávu:
Christiane Brunnerová, mluvčí rakouské strany Zelených, vznáší opětné námitky proti
Temelínu a vyžaduje jeho likvidaci. Ministr Karel Schwarzenberg reaguje na její vystoupení
takto: ,,Je naprostý nesmysl tvrdit, že Temelín je hromada šrotu. Je zvláštní, že se nikdo
nevzrušuje kvůli bavorským atomovým elektrárnám, i když ty jsou mnohem starší a leží po
větru“.
Čím je tedy Temelín tak nepříjemný? V prvé řadě má smůlu, že je blízko Rakouska. A za
druhé: leží uprostřed Evropy a je z něho ,,všude blízko“, což znevýhodňuje ostatní
energetické konkurenty. Například je známo, že Pobaltské státy – Litva – Estonsko –
Lotyšsko stále bojují za větší energetickou nezávislost na Rusku. A kdyby se jim nedostávalo
energie z vlastních zdrojů, bude snazší přivést ji z Temelína než třeba z Francie.
V případě likvidace jaderné energetiky v Německu a při rozpačitém přístupu Polska a
zejména Itálie zbývá v Evropě hlavně Francie a Česká republika, které bude možno považovat
za energeticky dobře zabezpečené a schopné i určitého exportu. Ve Francii byla zatím
poslední jaderná elektrárna uvedena do provozu v r. 1993 a další, srovnatelná s Temelínem, je
ve výstavbě od r. 2007 s plánovaným uvedením do provozu v r. 2014, ale se skutečným spíše
v r. 2016.
V Evropě zcela výjimečný je přístup Itálie k jaderné energetice a energetice vůbec. Itálie je co
rozlohy (více než 300 tisíc km2), sice menší než Francie (asi 544 tisíc km2), ale počet obyvatel
(více než 57 milionů) je o něco větší než ve Francii (asi 54 mil.). Jenomže: zatímco Francie
má 22 jaderných elektráren s 58 reaktory a jádro pokrývá téměř 80 % produkce elektrické
energie, v Itálii byly 4 jaderné elektrárny, každá po jednom bloku, uvedeny postupně do
provozu v letech 1963 až 1978 a uzavřeny v letech 1987 – 1990, zřejmě jako důsledek havárie
v Černobylu (1986). Stavba jedné velké elektrárny, srovnatelné s Temelínem (2 bloky PWR o
výkonu 1100 MW) byla zastavena. S výstavbou dalších se nepočítá. To dále prohloubí
17
tradiční energetickou nesoběstačnost Itálie, což má svůj logický důsledek – nejdražší
elektrickou energii v Evropě.
Obdobný vývoj situace můžeme vysledovat i v Polsku: (313 tisíc km2 – necelých 40 mil.
obyvatel). O výstavbě jaderné elektrárny v lokalitě Žarnowiec se uvažovalo již počátkem
osmdesátých let a měly to být takové polské Jaslovské Bohunice nebo Dukovany, dodané
z největší části plzeňskou Škodovku (4 x VVER 440, realizace 1986 – 1988). Jenomže po
černobylské havárii bylo od záměru odstoupeno a již učiněné objednávky technologických
zařízení zrušeny. Podle informací z dubna loňského roku se má o výstavbě jaderné elektrárny
v této lokalitě rozhodnout v lidovém referendu. Podle průzkumů veřejného mínění je 50 nebo
54 % obyvatel pro, 35 nebo 38 % proti. Pokud výsledek bude ANO, uvedení do provozu se
předpokládá v r. 2020.
Míra závislosti státu na dodávkách různých forem energie ze zahraničí se vyjadřuje pojmem
Energetická bezpečnost. Česká republika má v tomto ohledu zcela zvláštní postavení. Jako
jediná malá země v Evropě i na světě je schopná vlastními silami bez účasti zahraničních
partnerů vyrobit veškeré komponenty a postavit jadernou elektrárnu. A protože máme a ještě
mnoho let budeme mít i svůj vlastní uran, nemáme se vskutku čeho obávat. Ale o tom snad až
příště.
Západní Evropou cestuje vyhořelé palivo
Existují tři možnosti, jak naložit s vyhořelým palivem jaderných elektráren. První je uložení
do vhodných trvalých úložišť, druhou je přepracování a třetí je dočasné uložení do
meziskladů, tzv. vyčkávací strategie. Přepracování je velmi efektivní z pohledu dalšího
využití paliva při současném podstatném zmenšení objemu, ale je velice nákladné a proto se
zatím aplikovalo spíše ojediněle, ale podíl přepracovaného paliva neustále vzrůstá.
V současnosti je to v Evropě již asi jedna čtvrtina a celosvětově asi 10 %. Pro zajímavost:
v USA se zatím nepřepracovává, ale už se na tom pracuje. Palivo z Belgie, Švýcarska a
Nizozemí (a kupodivu také část paliva ze SRN) se přepracovává ve Francii.
V České republice, stejně jako ve většině ostatních států, se zatím aplikuje třetí způsob –
dočasné uložení do meziskladů. Vyhořelé palivo se nejdříve na dobu asi 10 let uloží do
bazénů použitého paliva a poté ve skladovacích kontejnerech do meziskladu vyhořelého
paliva na dobu až 60 let. Tam palivo postupně ,,zraje“ – vychládá a ztrácí část radioaktivity.
V současné době se z několika vytypovaných lokalit vybírá ta nejvhodnější pro vybudování
definitivního úložiště vysoce aktivních odpadů. Zprovoznění se předpokládá v r. 2065. Tam
by vyhořelé palivo mohlo být uloženo ,,na věky věků!“ Bez ohrožení životního prostředí
radioaktivitou. Ale nebude, protože mezitím se zdokonalí a propracují metody jeho dalšího
využití jako druhotného paliva v reaktorech IV. generace a vyšších (Dukovany a Temelín jsou
II. generace), v nichž odevzdají ještě více energie než při prvním použití v reaktorech I. a II.
generace a dále se tím sníží jejich zbytková radioaktivita.
Původní ,,socialistická“ koncepce naší jaderné energetiky předpokládala, že vyhořelé palivo
posléze skončí v Sovětském Svazu, kde z něho bude vytěženo především plutonium pro
jaderné zbraně. Proto i mezisklady v areálech Dukovan a Temelína byly dimenzovány na
množství paliva jen na 40 resp. 30 let provozu. Před listopadem 1989 bylo z Jaslovských
Bohunic palivo do SSSR skutečně odváženo a uvolněné kapacity částečně využívány pro
palivo z Dukovan. To ale dnes už neplatí, smlouva o odběru vyhořelého paliva byla ruskou
stranou vypovězena. Každopádně je třeba počítat s tím, že také toto palivo bude cestovat.
A jak to zatím vypadá v evropské praxi?
18
O patřičný rozruch se starají hlavně ekologičtí aktivisté. Tak např. 5.11.2010 je uveřejněna
zpráva, že se očekávají protesty proti tomu, že z Francie do Německa přijede vlak s
,,jaderným odpadem“. Šlo o 11 kontejnerů se 123 tunami paliva. Zdá se nelogické, proč by
francouzské palivo mělo zatěžovat německé území. 6.11. vychází najevo, že tento transport je
již dvanáctý, ten první se uskutečnil už před 37 lety, a není to palivo francouzské, ale
německé, které bylo ve Francii na přepracování. Aktivisté bránili převozu sypáním štěrku a
kamení na trať a způsobili mnohahodinové zpoždění. Také zapálili jeden policejní automobil.
17.2. 2011 se uskutečnil transport 350 tun ,,odpadu“ uvnitř Německa – z Karlsruhe do Ruhny
v Bavorsku. Protože šlo o přemístění z provizorního nedostatečně zabezpečeného meziskladu
do nového, perfektního, všestranně vybaveného, způsobili aktivisté jenom čtyřhodinové
zpoždění (logičtější by snad bylo, kdyby se převoz snažili urychlit).
26.11.2011 překračuje francouzské hranice další transport do Gorlebenu v Meklenbursku.
4000 demonstrujících sypalo štěrk a kácelo stromy a lehalo si na koleje, ze kterých je policie
musela odnášet. Způsobili zdržení vlaku nejméně o 12 hodin. A pro zvýšení bezpečnosti
životního prostředí SRN pro jistotu ještě zapálili 6 policejních aut.
28.11. vychází najevo, že jízdě tohoto vlaku bylo bráněno už ve Francii. 190 km dlouhou
trasu na německé hranice projížděl transport 109 hodin!
Co k tomu dodat?
Za současného stavu jsou a čím dále více budou jaderné elektrárny tak zabezpečeny, že je
zcela vyloučena havárie na způsob Černobylu nebo Fukušimy. Jakákoli eventuální příhoda se
odehraje uvnitř ochranné obálky reaktoru a primárních okruhů bez jakéhokoli vlivu na životní
prostředí.
Přesto existuje reálné nebezpečí úniku radioaktivity, pokud by zelení aktivisté svými
iniciativami způsobili vykolejení a havárii vlaku s takovým následným poškozením
kontejnerů, při kterém by došlo ke ztrátě jejich těsnosti a obnažení vyhořelého paliva.
Black out po česku aneb cizí vítr v naší elektrizační soustavě
Potom, co se stát vypořádal s nadměrnými zisky provozovatelů solárních elektráren, nastal
v oblasti obnovitelných zdrojů relativní klid. Ne, že by se vůbec nic nedělo, stále se někde řeší
povolit – nepovolit větrné elektrárny nebo bioplynové stanice, ale celkem nic mimořádného.
Pravidelní čtenáři tohoto časopisu vědí již od r. 2008, co je a jak funguje Česká elektrizační
přenosová soustava (ČEPS). Byla uveřejněna mapka přenosových vedení velmi vysokého
napětí (VVN) včetně návaznosti na okolní státy a popsány a kvantifikovány formy pohybu
elektrické energie – export, import, tranzit a event. výměna. O rok později jsme informovali o
novém pojmenování jevu hrozícího rozpadu sítě v důsledku přetížení – Black Out a rozebrali
situaci v kapitole nazvané Cizí vítr v naší elektrizační soustavě.
Pokud se od té doby něco změnilo, pak jen to, že dnes je celý problém daleko naléhavější
vzhledem k bouřlivému rozvoji větrné energie v Německu, k němuž se navíc přičítají i efekty
z tehdy ještě málo, ale dnes velice rozvinuté fotovoltaiky – solárních elektráren. S hrdostí je
možno konstatovat, že naše Přenosová vždy obstála, i když to někdy bylo na doraz.
Jeden z posledních Black Outů byl také jedním z největších. Zprávy ze 14.1.2012 uvádějí, že
trval 22 dní, nadprodukce energie resp. výkonu OZE v Německu dosáhla více než
čtyřnásobku obvyklého výkonu, konkrétně 8500 MW. Z toho 3000 MW musela přenést
ČEPS, převážně do Rakouska a jihovýchodní Evropy. Za normálních okolností je to okolo
1000 MW. Instalovaný výkon německých větrných a solárních elektráren by měl letos
19
dosáhnout hodnoty asi 55000 MW – to je přibližně čtyřnásobek veškeré elektrárenské
kapacity ČEZu (asi 14500 MW), takže intenzita Black Outů dále poroste.
Již před několika lety bylo prezentováno řešení, a sice kabelové vedení o stejnosměrném
napětí 800000V ze severu na jih Německa, ale zatím nejsou zprávy o tom, že by se k jeho
výstavbě přikročilo. Proč také, když ČEPS to zvládne. Polsko uvažuje o ochraně svých sítí
pomocí speciálních transformátorů, které by v místech přechodů hranic upravovaly napěťové
poměry tak, aby se tok energie zmenšil a případně se dal regulovat. Předseda české vlády
Nečas se vyjádřil, že České republika zatím nebude přetoky německé energie omezovat.
Podle informace z poloviny ledna t.r. se uvažuje o tom, že dosud bezplatný přenos energie
přes naše území by se měl zpoplatnit.
Zdá se, že pozitivní obrat byl zaznamenán při návštěvě kancléřky Merkelové v Praze 3.
dubna. Z jejího jednání s premiérem Nečasem mj. vyplynulo, že Německo urychlí výstavbu
přenosových sítí. Podle denního tisku prohlásila: ,,Těší mě, že Češi nestojí o odříznutí
soustavy, ale o jednu společnou síť“. Nás zase těší, že Němci už konečně začnou řešit svoji
situaci sami a ne jako dosud na úkor České republiky a Polska.
Rozbor dřívější situace, kdy jsme byli součástí propojených sítí socialistických států a nyní –
součást jednotné Evropské sítě (UCTE) a rozdíly a důsledky z toho plynoucí jsou dostatečně
probrány v již zmíněných článcích z let 2008 – 2009.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
20
PÁZRAL, E.: Co zajímavého přinesl uplynulý rok – Obnovitelné zdroje energie –
Elektroinstalatér č. 4/2008, str. 32-34
PÁZRAL, E.: Rok uplynul, zápas pokračuje - Obnovitelné zdroje energie – samostatná
příloha čas. Elektroinstalatér č. 3/2009, str. 2-5
PÁZRAL, E.: Mezi obnovitelnými zdroji energie dominují sluneční elektrárny –
samostatná příloha čas. Elektroinstalatér č. 3/2010, str. 7-10
PÁZRAL, E.: Tragédie ve Fukušimě a její důsledky aneb je možno nahradit jadernou
energii obnovitelnými zdroji? – samostatná příloha čas. Elektroinstalatér č. 3/2011, str.
2-4
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
5
KOMBINOVANÉ SOLÁRNÍ SYSTÉMY A JEJICH ŘÍZENÍ
V RODINNÝCH DOMECH
Ing. František Mikšík a Ing. Josef Kotlík, CSc.
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, Purkyňova 464/118, 612 00 Brno.
[email protected], [email protected].
Abstrakt
Spojení termického solárního systému s fotovoltaickým solárním systémem se zdá být jako
vhodnou kombinací pro ekologické získávání sluneční energie. Vysoká efektivita termického
solárního systému posouvá využití fotovoltaických článků do nových hodnot využitelnosti
této technologie.
Úvod
Zvyšování životní úrovně je cílem takřka všech států po celém světě. Se zvyšováním životní
úrovně se však zvyšují i lidské potřeby. To s sebou ovšem nese vyšší energetické náklady na
jejich uspokojení. Zvyšuje se tak spotřeba tepelné a především elektrické energie. Trend
poslední doby ukazuje, jak spotřeba elektrické energie rok od roku stoupá společně s její
cenou. V těchto podmínkách se pak daří prosazovat na trhu výrobkům, které dokážou snížit
finanční náklady na energie v domácnosti.
Jedněmi z výrobků, kterým se dlouhodobě daří prosazovat, jsou termické solární systémy.
Jejich princip spočívá v přímém předávání tepelné energie ze slunce látce, kterou chceme
ohřát. Většinou se tyto systémy používají na ohřev teplé užitkové vody a v případě větších
instalovaných ploch je lze využít i na přitápění. Avšak ani tento systém, který pracuje
především s tepelnou energií ze slunce, se neobejde bez elektrické energie, potřebné pro řízení
systému a čerpání ohřívaného média přes solární panely - kolektory.
Elektrická energie potřebná pro chod solárního systému je většinou brána od lokálního
distributora za smluvenou cenu. Tím však rostou náklady na provoz solárního systému, jehož
účelem je snížit finanční náklady na spotřebu energií v domácnosti. Jedním z možných řešení
jak získat elektrickou energii je z alternativního domácího zdroje.
Kombinovaný solární systém
Pod pojmem kombinovaný solární systém budeme v rámci tohoto článku rozumět kombinaci
termického solárního systému a fotovoltaických solárních článků. Způsobů kombinace těchto
dvou systémů je několik, ovšem nejdříve je nutné si blíže jednotlivé systémy přiblížit.
21
Solární kolektor
Princip termického solárního systému je velice jednoduchý. Na obrázku 1 je znázorněno
nejčastěji používané zapojení dvou okruhového solárního sytému. První okruh je plněn
nemrznoucím médiem, které je po ohřátí v solárním kolektoru přivedeno pomocí oběhového
čerpadla do bojleru.
Jednou z mála nevýhod termického solárního systému je nutnost přímého slunečního svitu.
Malá oblačnost tak může zapříčinit výrazné snížení rychlosti ohřevu média v solárním
kolektoru. Při správném nastavení termického solárního systému lze však jejich pomocí snížit
náklady v rodinném domě na ohřev teplé užitkové vody o 60 – 70%.
Fotovoltaický panel
Fotovoltaický(FV) panel je zařízení, jehož účelem je přeměňovat pomocí fotovoltaických
článků energii fotonů vyzářených sluncem na elektrickou energii. Na současném trhu je
nepřeberné množství různých typů fotovoltaických panelů. Liší se svou velikostí, použitými
technologiemi, výkonem atd.
Výhodou FV článků je, že jsou schopny, na rozdíl od solárních kolektorů, dodávat elektrickou
energii i bez přímého slunečního svitu. Mají však jednu velkou nevýhodu a tou je nízká
efektivita. Efektivita u komerčně dodávaných FV panelů se i přes velkou snahu výrobců
pohybuje na hranici 0,09. Je proto nutné mít na paměti, že pro dosažení dostatečného výkonu
je potřeba instalovat poměrně velké plochy těchto panelů. Výrobci většinou uvádějí, že pro
výkon 1kW je potřeba instalovaná plocha 8m2[1].
Pokud tedy uvažujeme instalaci těchto panelů na střechu rodinného domu, což je nejčastější
řešení, může být obtížné dosáhnout takového výkonu, který by pokryl celkovou spotřebu
elektrické energie domácnosti. I když je obtížné tímto způsobem uživit kompletní požadavky
na elektrickou energii v domácnosti, je tento systém vhodným pomocným prvkem.
Možné kombinace termického solárního systému a fotovoltaických panelů
Termický solární systém a FV panely lze kombinovat ve třech různých provedeních.
1.
2.
3.
Termický solární systém a fotovoltaický systém s dodávkami do sítě
Termický solární systém a fotovoltaický systém pro domácí spotřebu
Termický solární systém a fotovoltaický panel jako pomocný prvek
První provedení je nejnáročnější na instalovanou plochu. Je zde počítáno s plným pokrytím
domácí spotřeby elektrické a tepelné energie a přebytky elektrické energie jsou dodávány do
sítě. Toto provedení je také nejnáročnější na pořizovací náklady a instalaci. Při instalaci na již
stojící rodinný dům musíme počítat se zásahem do elektroinstalace domu a nákupu
komponent (střídač napětí), které dovolí dodávat bezpečně elektrickou energii do rozvodné
sítě.
Druhé provedení počítá pouze s domácí spotřebou elektrické energie a plným pokrytím
požadavků na elektrickou energii termického solárního systému. Lze jej řešit několika
způsoby. FV systém je instalován jako primární zdroj elektrické energie a ze sítě je dodávána
elektrická energie pouze v případě nedostatku energie z panelů. Další možností je mít
oddělené systémy, tedy dvojí elektroinstalaci. Toto zapojení se však v praxi kvůli složitějšímu
zapojení příliš nepoužívá. Ačkoliv ve druhém případě odpadá komplikace napojení na
veřejnou elektrickou síť, i v tomto případě je třeba osadit poměrně velkou plochu FV panely a
pořídit komponenty pro úpravu napětí, abychom mohli s elektřinou zacházet jak jsme zvyklí.
22
Avšak nejzajímavější kombinace z hlediska náročnosti na pořizovací náklady a instalaci je
poslední možnost.
Termický solární systém a fotovoltaický panel jako pomocný prvek
I když vlastníme rodinný dům, ne vždy máme tu možnost nechat si nainstalovat větší plochu
fotovoltaických panelů pro domácí spotřebu popřípadě pro prodej do rozvodné sítě. Faktorů,
které nám to nemusí dovolit je hned celá řada:
Nedostatek volného místa na střeše
Nedostatek financí na hrazení pořizovacích nákladů FV systému
Zamítnutí odkupu elektrické energie
Příliš nákladné zapojení do rozvodné sítě
Složité zapojení domácího rozvodu elektrické energie
Averze vůči fotovoltaickým elektrárnám
V případě, že chceme využívat energii ze slunce formou termického solárního systému a pro
osazení větší plochy fotovoltaickými články nám brání některé z výše uvedených faktorů je
malý fotovoltaický panel vhodnou alternativou jak zvýšit efektivitu systému.
10
1
8
2
6
12
7
3
10
5
9
11
10
4
Obr. 1.: Schéma jednoduchého dvou okruhového solárního systému s řídící jednotkou
napájenou solárním panelem. 1-solární panel, 2-řídící jednotka, 3-nádoba na přípravu
TUV(bojler), 4-přívod studené vody, 5-výstup pro spotřebu, 6-oběhové čerpadlo, 7-regulátor
nabíjení s 12V výstupem pro spotřebiče, 8-FV panel, 9-akumulátor, 10-teplotní čidla, 11spirálový výměník, 12-expanzní nádoba.
V následujícím příkladu si předvedeme, jakým způsobem lze skombinovat TSS s malou
fotovoltaickou elektrárnou. Pro potřeby příkladu je uvažován rodinný dům geograficky
umístěný v České republice na 49 rovnoběžce. Spotřeba teplé užitkové vody v domě je určena
na 82 l/os. [2] pro čtyřčlennou domácnost celkem 328 l/den TUV. Podle [3] dojdeme
k výsledku nákladů na elektrickou energii pro pohon oběhového čerpadla pro TSS na 132
kWh. Pro výpočet odběru řídící jednotky použijeme hodnoty získané ze standardní řídící
23
jednotky SP-24 od výrobce Sipalite, která je běžně dostupná na našem trhu. Výrobce u této
jednotky udává okamžitou spotřebu 3W [4], což za rok činí 26 kWh. Dohromady tedy
v našem případě spotřebujeme na provoz termického solárního systému přes 150kWh
elektrické energie. Hodnoty platí pro případ nejjednoduššího zapojení, jak je znázorněno na
obr. 1 s použitím jednoho oběhového čerpadla o výkonu 40W a jedné řídící jednotky.
Instalovanou plochu solárních kolektorů pro naše potřeby nemusíme brát v potaz.
Abychom elektricky uživili tento systém, potřebujeme FV panel o dostatečném výkonu. Na
trhu je v současné době nepřeberné množství různých panelů o různých výkonech. Jako
ideální by se zdálo použít panel, jehož výstupní výkon je roven součtu příkonů oběhového
čerpadla a řídící jednotky. Ve skutečnosti můžeme ale použít panel o něco slabší. Abychom
totiž dosáhli co nejvyšší efektivity, je vhodné mít přídavný akumulátor. Akumulátor nám
bude ukládat elektřinu v době, kdy nebude dostatečný přímý sluneční svit pro ohřátí
teplonosného média pro kontinuální přenos tepelné energie a TSS nebude pracovat. FV
systém bude ale částečně pracovat i za těchto podmínek a nevyužitou elektrickou energii bude
skladovat. Pomocí akumulátoru tak můžeme snížit požadavky na výkon FV panelu, jelikož
nám v době špičkového odběru pomůže se zátěží. Snížení požadovaného výkonu FV panelu
závisí na celkovém dimenzování systému a kapacitě akumulátoru, ale předpokládá se, že
můžeme použít panel s polovičním výkonem než je součet všech odběrů v systému. V našem
případě bychom použili panel o výkonu 30W a akumulátor o kapacitě 33Ah. Pokud ještě
připočteme cenu za řídící jednotku FV systému, celkové náklady na pořízení tohoto systému
dosáhnou ceny okolo 4500,- [5]. Návratnost takovéhoto systému by pak mohla být 6-7 let
v závislosti na růstu cen elektrické energie. Pokud přirovnáme návratnost systému ke
standardně instalovaným TSS, jež se pohybuje okolo 15 let [6] zjistíme, že při instalaci obou
systému zároveň můžeme o malé procento zkrátit celkovou dobu návratnosti investice.
Zmiňované procento není ale příliš velké, jelikož pořizovací náklady TSS se pohybují
v řádech desetitisíc.
Takto navržený systém má však i další výhody. V případě odstávky elektrické energie se
nemusíme obávat poškození solárního systému z důvodů stagnace, jelikož takto postavený
systém není na dodávkách závislý. Systém lze samozřejmě rozšířit a můžeme jej použít na
celkovou vodohospodářskou stavbu rodinného domu, při zapojení na oběhová čerpadla
topení, čerpadlo pitné vody atd.
Přidání malé FV elektrárny do již hotového systému je velice jednoduché. Na obrázku 1 je
graficky znázorněno propojení FV systému (7,8,9) s řídící jednotkou 2. Pro přímé použití
tohoto systému je ovšem nutné použít komponenty, které pracují se stejnosměrným napětím.
V současné chvíli jsou již na trhu dostupná homologovaná oběhová čerpadla, která lze bez
problémů využít. Ve většině případů se jedná o čerpadla s elektronicky komutovaným
motorem[7], která mají minimální náběhový proud a jsou vhodná právě pro použití
v kombinaci s FV panelem. Podobně jsou na tom i řídcí jednotky, jejichž elektronika
standardně pracuje na stejnosměrný proud.
Stand-alone kombinovaný systém
Název „Stand-alone“ se vyskytuje ve spojení s FV systémy poměrně běžně a označují se takto
tzv. ostrovní systémy, tedy elektricky soběstačné komplexy bez napojení na rozvodnou síť.
V našem případě se jedná o zcela samostatný termický solární systém, jehož součástí je již
zabudovaný FV článek. Tento systém je vhodný především na chaty a malé obytné budovy
bez možnosti dodávek elektrické energie z rozvodné sítě. Předností toho systému je jeho
24
kompaktnost a minimální nároky na instalaci a obsluhu. V současné chvíli takovýto systém
však žádný výrobce neposkytuje.
Řízení kombinovaných solárních systémů v rodinných domech
Pro efektivní využití solární energie je nutné mít kvalitní řídicí jednotku. Moderní termické
solární systémy jsou řízeny speciálními řídícími jednotkami k tomu určenými. Na trhu
existuje již poměrně velké množství výrobců, kteří se navzájem předhánějí v kvalitě a
možnostech svých řídících jednotek.
Na obrázku 1 jsou přerušovanými čarami znázorněny základní datové a elektrické linky mezi
řídící jednotkou a jednotlivými komponentami termického solárního systému. Aby řídící
jednotka mohla správně a efektivně pracovat je nutno zajistit dostatek vstupních dat pro
vyhodnocení. V našem případě dostává řídící jednotka informace o teplotách ze solárního
kolektoru a zásobníku na TUV. Z těchto hodnot dokáže řídící jednotka určit jestli je nutné
zapnout čerpadlo a přesunout zahřáté médium z kolektorů do zásobníku. Tato situace se
ovšem týká pouze nejjednoduššího zapojení. V rodinných je totiž běžné postupné rozšiřování
a propojování jednotlivých tepelných systémů. Na to je potřeba při pořizování řídící jednotky
také myslet, jelikož malé řídící jednotky mají omezený počet datových a logických vstupů a
výstupů. Zajímavé a v praxi velmi používané jsou kvalitnější řídící jednotky s přístupem přes
http, kdy je možné sledovat či ovládat systém přes internet. Tyto řídící jednotky mají také
možnosti rozšířeného nastavení funkcí systémů a dovolují uživateli jednoduše zkoušet různá
nastavení pro zvýšení efektivity celého systému. V konečném důsledku je možné pořídit řídící
jednotky schopné organizovat veškeré nároky na tepelnou energii v domě od ohřívání bazénu
po nastavení teploty v ložnici.
Po připojení FV systému se pro uživatele nic nemění. FV systém má vlastní řízení
zodpovědné za nabíjení a vybíjení akumulátoru a distribuci elektrické energie. Jediným
problémem však zůstává řídící jednotka. Tuzemský trh má pouze omezené možnosti týkající
se řídích jednotek na stejnosměrné napětí. Především se jedná o drahé systémy dodávané na
míru, nebo velmi jednoduché řídící jednotky na baterie, které jsou pro většinu uživatelů
nepřijatelné. Jedním z možných řešení přestavět si řídící jednotku na stejnosměrný zdroj sám,
čemuž většinou vnitřní konstrukce většiny řídících jednotek vyhovuje. Popřípadě se obrátit na
dodavatelskou firmu, která tuto přestavbu může zprostředkovat.
Zkratky a Jednotky
l – litr
os. – osoba
TUV – teplá užitkový voda
FV – fotovoltaický
TSS – termický solární systém
Literatura
[1]
[2]
Solarenvi a.s. [online]. 2012, last revision 1st of January 2012 [cit. 20. 4 2012].
Dostupné z: <http://www.solarenvi.cz>
ČSN 06 0320: 2006. Tepelné soustavy v budovách - Příprava teplé vody - Navrhování a
projektování. Praha: Český normalizační institut, 2006. 20 s.
25
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
26
Doc. Ing. Matuška T., Ph.D.: Program pro bilancování solární soustavy pro přípravu
teplé vody, včetně tepelných ztrát rozvodů a zásobníku solární soustavy, last revision
22nd
of
September
2010.
Dostupné
z:<
http://www.fsid.cvut.cz/~matustom/PROVOZ_SK.xls>
Šimoník, Z.: Sun Pi s.r.o., Řídící jednotka SP-24 [online]. 2012, last revision 15th of
February 2012 [cit. 22. 4. 2012]. Dostupné z: <http://www.sunpi.cz/products/ridicijednotka-sp-24/>
Prokop, L.: Elektřina ze slunce, E-shop [online] 2011, last revision 1st January 2011
[cit. 22. 4. 2012]. Dostupné z : <http://www.solfoton.eu/>
[Gonda, J.: Energie bydlení, Vše o solárních kolektorech [online] 2009. Last revision
7th
of
August
2009
[cit.
26.
4.
2012].
Dostupné
z:
<http://www.energiebydleni.cz/energie/solarni-energie/30-vse-o-solarnich-kolektorech>
[Prokop, L.: Solární oběhové čerpadlo HS5 [online] 2011, last revision 1st January 2011
[cit. 22. 4. 2012]. Dostupné z : <http://www.solfoton.eu/products/solarni-cerpadlohs15/>
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
7
ZAŘÍZENÍ PRO DETEKCI DEFEKTŮ POMOCÍ
FOTOLUMINISCENCE
Vaněk Jiří, Baura Tomáš, Veselý Aleš
Ústav elektrotechnologie, Ústav elektrotechnologie, FEKT VUT v Brně, Technická 10, 61600
Brno, e-mail: [email protected]
Abstrakt
Tento článek pojednává o možnostech detekce defektů v materiálu a ve struktuře solárních
článků pomocí fotoluminiscence vybuzené fokusovaným laserovým paprskem a detekovaný
CCD kamerou nebo fotonásobičem. Běžně používaná fotoluminiscenční metoda je celkem
často využívána pro detekci materiálových defektů v používaných substrátech. K tomu je ale
potřeba výkonná InGaAs kamera a kvalitní monochromatický zdroj světla. Navrhované
metody tyto požadavky obcházejí použitím Si-CCD kamery nebo fotonásobiče s optickými
filtry a zvýšením budící intenzity záření fokusací.
Úvod
Luminiscence je spontánní (samovolné) záření obvykle pevných nebo kapalných látek, které
vzniká jako přebytek elektromagnetického záření tělesa, nad úrovní jeho rovnovážného
elektromagnetického záření v dané spektrální oblasti při dané teplotě, což je popsáno
Planckovým vyzařovacím zákonem. Látky, u nichž nastává luminiscence, se označují jako
luminofory. Z pohledu kvantové mechaniky se jedná o zářivou rekombinaci, při které se
nadbytečná energie elektronu při přeskoku z energeticky výše položeného pásu do níže uvolní
v podobě fotonu, který tuto látku uvolní a my jej můžeme detekovat. Jedná se o obrácený jev
k excitaci elektronu z níže energeticky položeného pásu do výše pomocí dopadajícího fotonu,
který je využívám ke generaci volných nosičů v polovodičových solárních článcích. Protože
tyto jevy jsou si v některých případech inverzní (generačně-rekombinační jevy), lze již
z teoretického hlediska uvažovat, že ve struktuře, ve které dochází k zářivé rekombinaci
s vysokou účinností, bude i s vysokou účinností docházet k absorbování fotonu a ke generaci
volných nosičů náboje, což je požadovaný fotovoltaický jev. Aby mohlo dojít k zářivé
rekombinaci, musí prvně dojít k excitaci elektronů do vyšších energetických hladin
(vodivostního elektronového pásu v polovodičovém substrátu). K tomu může dojít absorpcí
energie fotonu s energií vyšší než je šířka zakázaného pásu (fotoluminiscence), elektrickým
polem (elektroluminiscence), injekcí volných nosičů do materiálu (proudová
elektroluminiscence) a dalším mechanismy, které již ale z hlediska detekce defektů struktury
fotovoltaických článků nejsou vhodné (chemoluminiscence, katodoluminiscence,
termoluminiscence, triboluminiscence atd.). Proudová elektroluminiscence je v současné době
jednou s nejvíce používaných metod pro detekci defektů solárních článků, ale tako metoda
vyžaduje již kompletně dokončenou struktury solárního článku (lze i použít pro analýzu
panelů), a nelze ji použít pro diagnostiku při výrobních mezikrocích. Mezi metody, které lze
27
využít pro diagnostiku stavu materiálu během výrobního procesu se řadí metoda využívající
detekce fotoluminiscenčního záření.
Fotoluminiscenční skener
Námi vyvíjená fotoluminiscenční metoda dokáže detekovat prostorové změny v substrátu a ve
struktuře solárních článků, jakou jsou rozložení dislokací [9] nebo změna difúzní délky
volných nosičů náboje [10] pomocí skenování povrchu fokusovaným laserovým paprskem a
detekcí generovaného fotoluminiscenčního záření. Skenování je na druhou stranu velice
časově náročné a porovnatelné s metodou LBIC (Light Beam Induced Current), která před
zavedením elektroluminiscenčních metod byla nejvíce používanou metodou pro diagnostiku
struktur již hotových solárních článků. Tato metoda se již ve výrobních procesech díky své
časové náročnosti vůbec nepoužívá, ale stále má své důležité místo ve vývoji nových struktur
solárních článků, protože poskytuje i další informace, které v některých případech nelze
z elektroluminiscenční analýzy získat. Hlavní výhoda při použití ve fotoluminiscenci je
fokusace laserového svazku na intenzitu několika sluncí, což je intenzita, která generuje
dostatečný počet elektron-děr párů s dostatečnou pravděpodobností zářivé rekombinace
detekovatelné i křemíkovým CCD čipem. Proto si při této metodě vystačíme i s Si-CCD
kamerou na lze obejít požadavek na InGaAs kameru.
Popis metody
Obr. 1: (a) Princip luminiscence: Homogenní budící osvětlení testovaného solárního článku
je zajištěno laserem s vlnovou délkou od 790 nm do 940 nm (kratší vlnová delka než
mezipásová luminiscence). Různé typy čipů použitých kamer umožňuje detekci různých
vlnových rozsahů. (b) Spektrální rozsah fotonové emise z křemíkového solárního článku. [1]
28
Skenování fokusovaným laserovým paprskem a detekce CCD kamerou
Mapování pomocí kamery je založeno na detekci luminiscenčního světla generovaného
dopadajícím fokusovaným laserovým paprskem vysoce citlivou CCD kamerou. Sken celého
solárního článku získáme pohybem solárního článku na pohyblivé podložce při pevně
fixované kameře nebo pohybujícím se laserového paprsku.
CCD
kamera
Laserový
zdroj
IR propustný
filtr
Testovaný
fotovoltaický
článek
Obr. 2: Využití CCD kamery
Pro zabránění detekování budícího laserového světla musí být použit vysoce jakostní filtr
nepropouštějící vlnové délky budícího záření do vstupu CCD kamery.
Detekce luminiscenčního záření je provedena celoplošně prostřednictvím specializované CCD
kamery. Ta je staticky upevněna ve stojanu nad X - Y zapisovačem tak, aby pojezd s
laserovou diodou v jakémkoliv místě nezastiňoval emitované luminiscenční záření.
Jako detektor odezvy luminiscenčního záření metody fotoluminiscence byla zvolena
specializovaná chlazená kamera G2-3200 s 3,2MPx CCD čipem KAF-3200ME od firmy
KODAK. Tato kamera se vyznačuje nízkým tepelným šumem a nastavitelnou dobou
uzávěrky na libovolně dlouhou dobu. Nízký tepelný šum a možnost dlouhé expoziční doby
jsou zajištěny efektivním dvoustupňovým chlazením s Peltierovými články, které udržují čip
hluboce zmrazený až 45 °C pod okolní teplotou. Luminiscenční světlo bylo buzeno laserovým
paprskem polovodičového červeného LASERu 650 nm 5 mW fokusovaného na plochu
0,3 mm2. Intenzita dopadajícího záření je 16 kW.m-2 (16 sluncí)
Obr. 3: Fotoluminiscence detekovaná CCD kamerou
29
Skenování fokusovaným laserovým paprskem a detekce pomocí fotonásobiče
Druhá vyvíjená metoda je založena na detekci luminiscenčního světa pomocí detektoru světla
na principu fotonásobiče. Sken celého solárního článku získáme pohybem solárního článku na
pohyblivé podložce při pevně fixovaného fotonásobiče nebo pohybujícím se laserového
paprsku a optického vlákna přivádějící signál do fotonásobiče. Pro zabránění detekování
budícího laserového světla musí být použit vysoce jakostní filtr nepropouštějící vlnové délky
budícího záření do vstupu detektoru..
Fotonásobičový
trubicový
detektor
Laserový
zdroj
IR propustný
filtr
Testovaný
fotovoltaický
článek
Obr. 4: Využití fotonásobičového trubickového detektoru.
Pro detekci fotoluminiscenčního záření byl použit detektor Hamamatsu R2228 s IR
propustným filtrem Hoya 720 nm. Luminiscenční světlo je buzeno laserovým paprskem
polovodičového červeného LASERu 650 nm 5 mW fokusovaného na plochu 0.3 mm2.
Intenzita dopadajícího záření je 16 kW.m-2 (16 sluncí)
Obr. 5: Fotoluminiscence
fononásobičového detektoru
detekovaná
pomocí
skenujícího
budícího
záření
a
Závěr
Uvedené navržené metody se staly východiskem k navržení efektivní konstrukce
fotoluminiscenčního detektoru a slouží k analýze materiálu a struktury křemíkových
30
fotovoltaiczých článků. Nevýhoda obou navržených metod je časová náročnost, která
neumožňuje jejich nasazení v technologických procesech.
Poděkování
Tato práce byla vytvořena za podpory projektu CVVOZE CZ.1.05/2.1.00/01.0014 a grantem
FEKT-S-11-7.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
Trupke, T. and Bardos, R. A., Proceedings of the 31st IEEE Photovoltaic Specialists
Conference, Orlando, FL, (2005)
Cousins , P. J., Neuhaus, D. H. and Cotter, J. E., J. Appl. Phys. 95, 1854 (2004)
Bail, M. , Schulz, M., and Brendel, R., Appl. Phys. Lett. 82, 757 (2003)
Bardos, R. A., Trupke, T., Schubert, M. C. and Roth, T., Appl. Phys. Lett. 88, 053504
(2006)
Sinton, R. A., Cuevas, A. and Stuckings, M. Proceedings of the 25th IEEE Photovoltaic
Specialists Conference, Washington, (1996)
Trupke, T. and Bardos, R. A., Proceedings of the 15th Crystalline Silicon Workshop,
Vail, CO, August( 2005)
Trupke, T., Bardos, R. A., Abbott, M. D. and Cotter, J. E., Appl. Phys. Lett. 87, 093503
(2005)
Ostapenko, S., Tarasov, I. ,Kalejs, J. P., Haessler, C. and Reisner, E. U., Semicond. Sci.
Technol. 15, 840 (2000)
Daub, E., Klopp, P., Kugler, S. and Würfel, P., Proceedings of the 12th EPVSC,
Amsterdam, Netherlands, (1994)
Bail, M., Kentsch, J., Brendel, R., and Schulz, M., Proceedings of the 28th IEEE
Photovoltaic Specialists Conference, Anchorage, Alaska, (2000)
Riepe, S., Isenberg , J., Ballif, C. Glunz, S. W. and Warta, W., Proceedings of the 17th
EPVSC, Munich, Germany, (2001)
Schubert, M. C., Isenberg, J. and Warta, W. , J. Appl. Phys. 94, 4139 (2003)
Pohl, P., Schmidt, J., Bothe, K. and Brendel, R., Appl. Phys. Lett. 87, 142104 (2005)
Schubert, M. C., Isenberg, J., Rein, S., Bermejo, S., Glunz, S. W. and Warta, W.,
Proceedings of the 20th EPVSC, Barcelona, Spain, (2005)
Bail, M., Kentsch, J., Brendel R. and Schulz, M., Proceedings of the 28th IEEE
Photovoltaic Specialists Conference, p. 99 (2000)
31
8
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
LUMINISCENČNÍ SPEKTROSKOPIE FOTOVOLTAICKÝCH
ČLÁNKŮ
Radek Stojan1, Jiří Vaněk1, Lucie Šimonová1, Aleš Veselý1, Ondřej Frantík2
Vysoké učení technické v Brně, Ústav elektrotechnologie, 616 00 Brno, Česká republika,
email: [email protected]
2
Solartec s.r.o., Rožnov p. R., Czech Republic
1
Abstrakt
V dnešní době existuje mnoho diagnostických metod solárních článků, rozlišujících rozsáhlé
defekty krystalické mřížky jako např. dislokace, hranice zrnitosti či velké precipitáty.
Zejména uvedené typy defektů jsou typické pro levnější polovodičový materiál, jímž bývá
polykrystalický křemík. Charakterizaci defektů na základě různé intenzity emitovaného záření
využívají luminiscenční metody. Je důležité si uvědomit, že pokud mluvíme o
luminiscenčním záření, stále hovoříme o elektromagnetickém vlnění.
Luminiscenční záření je tedy charakterizováno stejně jako elektromagnetické vlnění a to:
intenzitou, spektrem, koherencí, dobou trvání a polarizací. Tento článek poskytuje náhled na
nové potenciální možnosti využití charakteristických vlastností luminiscenčního záření při
detekci defektů solárních článků.
Úvod
Podle způsobu vybuzení luminiscenčního záření z křemíkových solárních článků, hovoříme o
metodách elektroluminiscence a fotoluminiscence.
Elektroluminiscence je založena na principu vybuzení luminiscenčního záření v solárním
článku přiloženým elektrickým polem. Zářivá mezipásmová rekombinace solárního článku,
zapojeného v propustném směru. Za určitých podmínek můžeme říci, že výsledný fotonový
proudu přímo souvisí s lokálním rozdělením kvazi Fermiho hladin EFn-EFp a vychází ze
vztahu
w
w
U rad dz
EL
0
w
Bpn _ dz
0
ni2 B exp
0
E Fn
E Fp
k BT
dz
kde w je tloušťka článku. Měření probíhá při pokojové teplotě a světelná emise je snímána
komerčně vyráběnou nízko-šumovou CCD kamerou. Výstupní snímky jsou pak ukazují místa
s nižší či vyšší proudovou hustotou, a jsou ve stupních šedi.
Za první zmínku o této metodě můžeme považovat zprávu pana T. Fuyuki, který metodu
použil pro investigativní určování délky minoritních nosičů náboje a pro analýzu kvality
pasivace zadních stran solárních článků.
32
Při fotoluminiscenci je světelná emise vyvolaná energií dopadajícího elektromagnetického
záření. Tento jev se řídí dle Stokesova pravidla (někdy též nazýváno Stokesův posun.).
Stokesovo pravidlo říká, že vybuzené záření má delší vlnovou délku, než budící. Jedná se
tedy o záření s menší energií, než záření budící. Metoda fotoluminiscence je rychlá a
bezkontaktní metoda.
U obou uvedených metod diagnostikovaný článek vykazuje slabé záření – luminiscenci
s maximem v infračervené oblasti. Záření emitované křemíkovým článkem má vlnovou délku
přibližně 950 – 1250 nm. Jak je vidět na obrázku 1., maximum emitovaného záření se
pohybuje kolem 1150 nm[4].
Obr. 1: Luminiscence křemíku s vyznačeným maximem 1150 nm
Charakteristické vlastnosti luminiscence
Jak již bylo řečeno, emitované záření solárního článku má vlnový charakter a dá se tedy
popsat charakteristickými vlastnostmi:
intenzitou (počet fotonů procházejících v daném směru jednotkovou plochou za
jednotku času)
spektrem (spektrální hustotou fotonového toku na jednotkový interval vlnových délek
nebo frekvencí)
koherencí (dána vztahy mezi fázemi světelných vln)
dobou trvání (je dána vnitřní dobou života excitovaného stavu, z něhož dochází
k emisi)
polarizací (směr kmitání elektrického vektoru elektromagnetické vlny)
Matthew P. Peloso ve své práci uvádí a popisuje jev, kdy emitované záření polykrystalického
křemíku při elektroluminiscenci vykazuje lineární polarizaci na čárových poruchách krystalu dislokacích. Při dokazování této závislosti u polykrystalického solárního článku byla tradiční
metoda elektroluminiscence rozšířena o použití lineárního polarizačního analyzátoru [2].
Na obrázku 2 můžeme vidět grafickou analýzu vybraných poruch polykrystalu označených
písmeny A, B, C, D (tyto defekty jsou vůči zvolené orientaci na diagnostikovaném článku
v polohách cca 0°, 30°, 50° a 95° ±5°). Grafická interpretace stupně polarizace (p) vyplývá ze
vztahu:
33
kde x, y jsou souřadnice plochy solárního článku a I je intenzita luminiscenčního záření
v daném bodě. Stupeň polarizace je vyjádřen jako zlomek polarizované složky světla
s ohledem na celkový výkon. Stupeň polarizace se využívá k popisu části elektromagnetické
vlny, jež je polarizovaná. Pokud nastane situace dokonale polarizované vlny, stupeň
polarizace je roven jedné (100%). Naopak, pokud bychom měli nepolarizovanou vlnu, pak
stupeň polarizace je roven nule (0%). Obecně tedy platí, že vlny částečně polarizovány musí
mít stupeň polarizace v rozmezí 0 až 1. V případě níže uvedených dislokací se jedná o
částečnou polarizaci [1].
Obr. 2: Stupeň polarizace čárové poruchy (vlevo). Intenzita luminiscence v závislosti na úhlu
natočení polarizačního analyzátoru (vpravo) [2]
Potenciální možnosti charakterizace defektů
Polarizované světlo lze získat různými způsoby jako např. odrazem, kdy dochází k částečné
polarizaci (až tedy na výjimky - Brewsterův úhel) a tedy k tomu, že jeden směr vektorů E
převažuje. Dalším způsobem může být lom světla. Při lomu světla se jedná vždy o polarizaci
neúplnou. Otázkou stále zůstává, jakým konkrétním mechanismem k polarizaci na defektu
solárního článku dochází.
Za úvahu však také stojí možný vliv pasivační vrstvy na charakter vlnění. Pasivační a také
reflexní vrstva solárního článku svými optickými vlastnostmi zvyšuje účinnost solárního
článku. Při diagnostice pomocí některé z luminiscenčních metod však může hypoteticky dojít
k interakci buzeného emitovaného záření s pasivační vrstvou.
Zatím byla zmíněna pouze lineární polarizace. Neprozkoumanou oblastí zůstává identifikace
defektů na základě eliptické (respektive kruhové) polarizace.
Při prvních zkušebních měřeních, ovšem monokrystalických solárních článků (viz. obrázek 3)
se selektivním emitorem, nebyl žádný polarizační efekt za použití kruhového analyzátoru
pozorován. Měření však bylo omezeno spektrální citlivostí CCD kamery (cca 300–1100 nm).
34
Obr. 3: Elektroluminiscence monokrystalu
Závěr
Poptávka po kvalitních solárních článcích využívaných v nejrůznějších aplikacích je stále
vysoká. S tím také souvisí potřeba co nejlepších výkonnostních parametrů vyráběných článků.
Účinnost solárních článků je závislá na různých faktorech. Jedním z aspektů výkonnosti je
množství defektů v ploše solárního článku. K tomu, abychom vyráběli solární články s co
nejvyšší účinností, je třeba rychle a správně diagnostikovat defekty, jejich původ atd.
Nové způsoby či směry v detekci defektů jsou tedy prioritními záležitostmi pro optimalizaci
výroby solárních článků s co nejnižší defektivitou. Detekce defektů na základě
charakteristické vlastnosti elektromagnetického vlnění jako např. polarizace, může být jedním
z inovativních kroků v této široké oblasti.
Poděkování
Výzkum byl uskutečněn za podpory projektu Materiály a technologie pro elektrotechniku FEKT-S-11-7.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
KLIGER, David S.; LEWIS, James W.; RANDALL, Cora Einterez. Polarized Light in
Optics and Spectroscopy . United States of America : ACADEMIC PRESS, INC., 1990.
304 s. ISBN 0-12-414975-8.
Matthew P. Peloso; Bram Hoex; and Armin G. Aberle; Polarization analysis of
luminescence for the characterization of silicon wafer solar cells. Appl. Phys. Lett. 98,
171914 (2011); doi:10.1063/1.3584857 (3 pages)
PELANT, I., VALENTA, J. Luminiscenční spektroskopie, I. Objemové krystalické
polovodiče. Praha: Nakladatelství Academia, 2006. 327 stran. ISBN 80-200-1447-0.
TRUE, Bruce. Photoluminescence and Electroluminescence for Silicon Solar Cell
Inspection [online]. Niederlassungen Deutschland : 2010 [cit. 2010-01-14]. Laser 2000,
35
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
9
BEZKONTAKTNÍ MĚŘENÍ SOLÁRNÍCH PANELŮ
S VYUŽITÍM TERMOVIZE
Pavel Tošer, Petr Bača, Jiří Neoral
Ústav Elektrotechnologie, VUT Brno Fakulta Elektrotechniky a komunikačních technologií,
602 00 Brno, Česká republika, e-mail: [email protected]
Abstrakt
Předložený článek pojednává především o způsobech měření solárních panelů pomocí
termovizní techniky. Jsou zde diskutovány předpoklady pro správné vyhodnocení snímku
z termokamery tzv. termogramu jak z teoretického hlediska tak praktického.
Úvod
Pro bezkontaktní měření povrchových teplot velmi efektivním způsobem je v naprosté většině
případů využívána termovizní kamera. Pokud se zaměříme na obor využití, dojdeme k závěru,
že její služby se využívají ve velké škále odvětví jako elektrotechnice, elektroenergetice,
stavebnictví atd. Tato technologie umožňuje získat kvalitativní i kvantitativní informace za
účelem porozumění problematiky tepelných procesů.
Teoretický přehled
Nejprve je nutné pro správné pochopení definovat pojem termovize. S její pomocí lze
v určitém úhlu a z určité vzdálenosti snímat hodnotu emitovaného tepelného záření o vlnové
délce dané vlastnostmi zařízení. Dále je pak tepelný tok vizualizován do barevného spektra.
Klíčovým parametrem je emisivita povrchu, která souvisí právě s množstvím tepelného záření
emitovaného tělesem. Dalšími neméně důležitými vlastnostmi je především úhel snímání,
snímaná vlnová délka a také na teplotě povrchu materiálu zařízení apod.
Emisivita – souvisí s vlastností materiálu emitovat tepelné záření. U dlouhovlnných
termovizních systémů (5-12μm) není příliš velký rozdíl mezi jednotlivými materiály (malý
rozdíl mezi světlou a tmavou barvou). Naopak u snímání krátkovlnnými termovizemi (1-2μm)
je vliv na nastavení emisivity podstatně větší. Příkladem může být situace měření na materiálu
podobném hliníku, který má emisivitu 0,1, pokud bude však na přístroji nastavena hodnota
s rozdílná a to pouze o 0,02 dostáváme nepřesnost 20%. Proto je kladen důraz na co
nejpřesnější nastavení tohoto parametru vysoce ovlivňujícího celé měření.
Vlnová délka – tento parametr je velmi důležitý neboť emisivita má směrovost tj. emisivita
závisí na úhlu vyzařování a je pod každým úhlem jiná. Obecně však platí fakt, že emisivita je
přibližně konstantní v úhlu do 60° od kolmice, u většiny materiálů do 45°. Pokud je měření
prováděno pod větším úhlem emisivita už výrazně klesá a měřené těleso má zdánlivě nižší
povrchovou teplotu. Termografie začíná pracovat s vlnovým pásmem infračerveného záření.
36
Jeho hranice začíná tam, kde končí viditelné pásmo a končí, kde začínají vlnové délky
mikrovlnné.
Termovizní měření také vyžaduje znalosti v oblasti fyziky. Mezi základní zákony potřebné
pro pochopení termovizních měření patří Planckův vyzařovací zákon, Wienův posunovací
zákon, Stefan-Boltzmannův zákon a ještě 1. 2 . Kirchhoffův zákon.
kde Wλ je spektrální hustota zářivého toku černých objektů do poloprostoru, T je teplota
objektu v K, lambda je vlnová délka, h je Planckova konstanta, c je rychlost světla, k je
Steffan-Boltzmannova konstanta. Vyčíslením vztahu pro různé vlnové dílky dostaneme graf
na Obr.1.
Obr. 1: Vyzařování absolutně černého tělesa pro různé teploty T.
Wienův zákon popisuje, že s rostoucí teplotou zářiče se posouvá maximální hodnota
spektrální hustoty zářivého toku Wλ ke kratším vlnovým délkám.
Teorie praktického měření
V praxi nejsme schopni vyloučit různé okolní vlivy jako vliv záření okolních objektů a záření
odražené z povrchu měřeného objektu. Dále je pro měření nutné vzít v úvahu vliv
atmosférických podmínek, protože záření po cestě mezi objektem zeslabují a navíc produkují
vlastní záření. Pro výpočty je většinou nutné zadat některý z parametrů jako:
Emisivita měřeného objektu
Relativní vlhkost prostředí
Teplota atmosféry
Vzdálenost kamery od měřeného objektu
Efektivní teplota okolí, nebo odražená okolní teplota
37
Obr. 2: Termogram solárního panelu s tzv. hot-spoty.
Vyhodnocení termogramu
Na termogramu budou jasně zřetelná místa, která jsou teplejší než ostatní. V závislosti na
tvaru a umístění, mohou tyto horká místa a prostory ukazovat různé typy závad. Například
pokud bude celý modul teplejší, může se jednat o chybu v propojení. Pokud jsou vidět pouze
určitá místa s vyšší teplotou tzv. hot-spoty, může se jednat o zkrat, nebo o vadnou bypass
diodu. Tyto diody jsou používány za účelem ochrany jednotlivých článků před tepelným
zničením a značném poklesu výkonu. Stíny nebo trhliny v článku se také projeví jako horká
místa. Cenné informace také poskytuje měření z přední ale i zadní strany článku.
Modelová situace
Na Obr.3a) v levé části je zobrazen příklad termogramu s jedním horkým místem
nespecifikovaného typu. Po převodu z 2D do 3D formátu Obr.3b) je jasně zřetelný jeden
teplotní „peak“. Jako další pro uživatele nevhodné jsou na 3D termogramu vidět i další
teplotní špičky. Pro jejich filtraci byl použit Gaussovský filtr v prostředí Matlabu (Obr.4a). Po
aplikaci filtru je vidět zřetelné zjemnění povrchu. Toto však ještě není ideální, proto byl navíc
použit další filtr (medián). Výsledný termogram je pak zbaven teplotních špiček a lze pouze
analyzovat konkrétní defektní místo (Obr.4b). Termogram může být dále upraven změnou
sytosti barev atd.
Obr. 3: Termogram s defektním místem a) 2D zobrazení b) 3D zobrazení.
38
Obr. 4: Termogram s defektním místem a) 3D zobrazení - Gaussovský filtr b) 3D zobrazení –
Gaussovský + medián filtr.
Závěr
Termografická kontrola fotovoltaických systémů umožňuje rychlou lokalizaci případné
závady na úrovni jednotlivých článků nebo celého modulu. Lze snadno odhalit i případné
špatné elektrické spojení jednotlivých částí systému za provozu, což je obrovskou výhodou.
Výhody tohoto typu měření jsou nesporné a nalézají uplatnění nejen v kategorii
elektrotechniky.
Poděkování
Tato práce byla podporovaná specifickým vysokoškolským výzkumem na VUT v Brně č.
FEKT–S–11–7 a projektem FRVŠ 2333/2012.
Literatura
[1]
[2]
W. Minkina, S. Dudzik, Infrared Thermography-Errors and Uncertainties. 2009, Wiley,
ISBN:978-0470747186.
FLIR, Měření pomocí termokamery [online]. [cit. 2012-04-25]. Dostupné z
<http://www.flir.com>.
39
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
10
VLIV OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ NA LUMINISCENČNÍ
DIAGNOSTICKÉ METODY SOLÁRNÍCH ČLÁNKŮ
Veselý A.
Ústav elektrotechnologie, Vysoké učení technické v Brně, Technická 10, 616 00,
e-mail: [email protected]
Abstrakt
Tento článek si klade za cíl seznámit s aktuální diagnostickou metodou elektroluminiscence:
Důraz v tomto článku bude kladen na schopnost detekce a diagnostiky výsledků v závislosti
na okolní teplotě, potažmo na teplotě vzorku.
Úvod
Luminiscence
Luminiscencí pevných látek rozumíme přebytek elektromagnetického (světelného) záření,
které látka vysílá, nad zářením rovnovážným popsaným Plancovým vyzařovacím zákonem.
Přitom ještě musí platit, že toto záření má dobu dohasínání podstatně delší, nežli je perioda
světelných oscilací (10-14–10-15 s). Z této definice vyplívá, že z termodynamického hlediska je
luminiscence nerovnovážným zářením. To znamená, že látce je zapotřebí dodat jistým
způsobem energii (nadbytečnou oproti té, kterou si těleso recipročně vyměňuje se svým
okolím pomocí rovnovážného elektromagnetického záření). Tato energie se v látce přemění
na světelné luminiscenční záření. Nazývá se excitační nebo budící energií a podle způsobu,
jakým je dodávána, bývá zvykem klasifikovat luminiscenční děje takto:
Fotoluminiscence – je buzena světlem o vlnové délce ex, která je obvykle kratší nežli
lumiscenční emisní vlnová délka em. Relace ex ≤ em se nazývá Stokesův zákon.
Elektroluminiscence – vzniká v důsledku přiložení elektrického pole a průchodu
elektrického proudu.
Elektroluminiscence
Měření vychází z reciproční funkce solárního článku, v němž po připojení na zdroj napětí a
proudu, dochází k zářivé rekombinaci elektronů a děr, a tím ke světelné emisi. Záření je
snímáno pomocí nízkošumové CCD kamery. Defekty na solárních článcích nevyzařují buď
žádné světlo a nebo září slaběji a jsou tedy na snímcích snadno pozorovatelné. Tuto metodu
lze použít jak na samotné solární články, tak na celé fotovoltaické panely.
Výsledky této diagnostické metody jsou, dle teorie, závislé především na teplotě okolí,
případně na teplotě samotného měřeného vzorku. Tento článek si proto klade za cíl
prezentovat míru tohoto vlivu na výsledky měření.
40
Experiment
Inovace pracoviště
Aby bylo možné proměřit teplotní závislosti defektů solárních článků, bylo nutné inovovat
stávající pracoviště. Budeme používat nízkošumovou CCD kameru G2-3200, která je
připojena k počítači pomocí USB portu a komunikuje pomocí komunikačního programu
SIMS, který je dodávaný ke kameře. Solární článek bude připojen k laboratornímu zdroji
stejnosměrného napětí pomocí kontaktního pole. Jako zadní kontakt bude použita bronzová
deska s rozměry 30x30x1 cm, která bude zároveň sloužit pro rovnoměrné rozložení teploty.
Pro ohřev a chlazení solárního článku bude využito Peltierových článků, tyto Peltierovy
články budou připevněny pomocí montážních spon na spodní straně bronzové desky. Aby
bylo možné regulovat teplotu těchto článků, byl sestaven regulátor napětí. Odvod tepla z
Peltierových článků nám zajistí okruh vodního chlazení. Vše bude uzavřeno ve světlotěsné
komoře, aby okolní světlo neovlivňovalo výsledky měření.
Obr. 1: Blokové schéma měřicího pracoviště
Na obrázcích Obr. 2 – Obr. 5 je pomocí metody elektroluminiscence změřen tentýž solární
článek při různých teplotách. Z těchto obrázků je patrné snížení kontrastu defektů solárního
článků v závislosti na stoupající teplotě. Výsledky proto jasně naznačují, že při zvyšujících se
teplotách vzorku v době měření dochází ke snížení schopnosti detekovat a diagnostikovat
vady solárních článků.
41
Obr. 2: (vlevo) Vzorek A, I = 2,5 A, U = 1,3V, t = 26°C
Obr. 3: (vpravo) Vzorek A, I = 2,5 A, U = 1,3V, t = 40°C
Obr. 4: (vlevo) Vzorek A, I = 2,5 A, U = 1,2V, t = 60°C
Obr. 5: (vpravo) Vzorek A, I = 2,5 A, U = 1,3V, = 75°C
Závěr
Pro elektroluminiscenční diagnostickou metodu solárních článků je jedním z nejdůležitějším
parametrem výstupního obrazu jeho kontrast. Čím větší bude kontrast mezi bezdefektní
oblasti a oblasti s defektem, tím je možné jednoznačněji identifikovat jak samotný defekt tak i
typ tohoto defektu. Z předchozích obrázků je patrné, že rozdíl v kontrastu mezi běžnou
teplotou v místnosti a 75 °C je dost značný. Při takto vysokých teplotách už nejsme téměř
schopní určit, jestli se skutečně jedná o defekt a případně určit jeho typ.
42
Poděkování
Tento výzkum byl uskutečněn za podpory OPVK a specifického výzkumu VUT
FEKT-S-11-7.
Literatura
[1]
[2]
Fuyuki T., Kondo H., Yamazaki T., Takahashi Y. and Uraoka Y.: Photographic
surveying of minority carrier diffusion length in polycrystalline silicon solar cells by
electroluminescence, Applied Physics Letters 86, 262108 (2005)
KOUTNÝ, M. Vliv teplotních závislostí luminiscence solárních článků. Brno: Vysoké
učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2010. 52
s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jan Dolenský
43
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
11
FOTOVOLTAICKÝ SYSTÉM PŘEDÁVAJÍCÍ VÝKON DO
ODPOROVÉ ZÁTĚŽE
Wolf P., Kuřík O., Benda V.
ČVUT Praha, Fakulta elektrotechnická, Kat. elektrotechnologie, e-mail:[email protected],
[email protected], [email protected]
Abstrakt
Příspěvek se zabývá systémem využívajícím fotovoltaické (FV) panely pro tepelné účely
(ohřev) pomocí odporové zátěže. Vzhledem k výrazným poklesům ceny sériově vyráběných
fotovoltaických panelů v posledních letech začíná být systém využívající fotovoltaické panely
pro tepelný ohřev zajímavý nejen z technického ale i ekonomického pohledu. Systém může
být koncipován jako velice jednoduchý, kdy jsou FV panely připojeny přímo k odporové
zátěži, nebo kdy je využito regulátoru zajišťujícího sledování bodu maximálního výkonu, tzv.
MPP tracking. Oba tyto systémy jsou porovnány z hlediska účinnosti v osvitových
podmínkách v ČR.
Úvod
V současné době se velkoobchodní ceny FV panelů pohybují často pod hranicí 1$/Wp,
fotovoltaické systémy začínají být výhodné pro řadu aplikací i bez garantované podpory
různých státních programů pro rozvoj obnovitelných zdrojů.
Za těchto podmínek může být fotovoltaika postupně využita např. i v domácnostech pro
přípravu teplé užitkové vody, což bylo doposud oblastí, kde se využívalo termických
kolektorů (tj. přímého ohřevu teplonosného media dopadající sluneční energií). Oba tyto
systémy (termický i fotovoltaický) mají své přednosti i nevýhody. Jelikož je využití
fotovoltaiky pro tepelné účely relativně novou a málo známou záležitostí, je příspěvek
věnován právě jim.
Mezi výhody fotovoltaického systému patří:
výrazně jednodušší instalace a rozvod energie
rozvod energie až ke spotřebiči (bojleru) s nízkými ztrátami
vyšší účinnost v zimních měsících kdy je nedostatek energie (vliv teploty)
nízké provozní náklady, spolehlivost
Nevýhodou může být potřeba výrazně větší plochy (cca. 3 násobné) pro instalaci FV panelů
oproti termickým kolektorům při uvažování stejné celoroční energetické výtěžnosti reálného
systému.
44
Obr. 1: Princip termického a fotovoltaického ohřevu vody
Uvažovaný FV systém se skládá ze sério-paralelně propojených FV panelů, kabeláže,
vstupního rozvaděče s odjištěním a přepěťovými ochranami a topné spirály v bojleru
obsahujícím tepelnou ochranu a speciálně upravený termostat pro spínání stejnosměrného
proudu.
Funkce regulátoru bodu maximálního výkonu (MPP)
Přímé propojení mezi FV panely a odporovou zátěží vytváří jednoduchý systém, nicméně při
použití se potýkáme s problémem impedančního přizpůsobení generátoru (FV panelů) a
spotřebiče (odporové zátěže). Provozní podmínky FV panelů se neustále mění a bez využití
regulátoru, který zajistí maximální předání energie z panelů do zátěže, systém dosahuje
výrazně nižší účinnosti. Nejvíce výrazný vliv na provozní parametry FV panelů má aktuální
intenzita záření, dále pak teplota samotných článků. Obr. 2 ukazuje typický průběh V-A
charakteristiky FV generátoru (3x FV panel v sérii) a konstantní odporové zátěže (R=25Ω) u
systému navrženého pro optimální provoz při intenzitě záření 800W/m2. Je patrné, že při
jiných intenzitách je ztráta vlivem provozu mimo bod MPP výrazná, obr. 3.
45
Obr. 2: V-A charakteristika FV generátoru a odporové zátěže (přímka)
Obr. 3: Výkon FV panelů v bodě MPP v závislosti na intenzitě záření (1). Využitelný výkon
při odporové zátěži R = 40Ω (2), R = 25Ω (3), R = 20Ω (4).
Návrh systému z hlediska celoročního energetického zisku
Pokud FV systém neobsahuje sledovač bodu MPP, je obvykle třeba provést návrh komponent
z hlediska maximalizace energie během celého roku. Pro osvitové podmínky ČR uvažujme
rozdělení energie dopadajícího záření na rovinu FV panelů (sklon 35°, jih) z hlediska jeho
intenzity dle obr. 4, [1].
46
Obr. 4: Rozdělení energie dopadajícího záření z hlediska intenzity
Ze statistického rozdělení intenzity záření dle obr. 5 lze určit celoroční účinnost systému,
resp. ztrátu vlivem odchylky od bodu MPP při přímém připojení FV panelů a odporové
zátěže.
Celoroční účinnost (%)
100,0
80,0
73
76
77
75
71
68
63
60,0
40,0
61
54
34
20,0
0,0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
2
Intenzita, na kterou je systém optimalizován (W/m )
Obr. 5: Celoroční účinnost systému s ohledem na intenzitu, při které systém pracuje ideálně
(v bodě MPP)
Výsledky simulace na obr. 5 ukazují, že pro maximální roční energetický zisk je v osvitových
podmínkách ČR hodné zvolit odporovou zátěž a FV panely tak, aby systém pracoval ideálně
při 600W/m2. Nicméně pokud navrhneme systém pro optimální provoz při 400−800W/m2,
není stále ztráta ročně získané energie významná. Maximálně však lze získat ze systému
s odporovou zátěží 77% energie v porovnání se systémem se sledováním bodu MPP.
V reálném provozu lze očekávat vyšší celoroční pokles účinnosti vlivem odchylky od bodu
MPP, jelikož se uplatňuje i vliv teploty. Ten není v simulacích zohledněn, neboť závisí na
konkrétném provedení instalace a okolních podmínkách chlazení. Vliv vyšší teploty při
vyšších intenzitách by měl za následek snižování účinnosti systému (jednak vlivem poklesu
účinnosti FV panelů a jednak větší odchylkou od bodu MPP vlivem nižšího napětí FV
panelů).
47
Simulovaný průběh výkonu FV systému s ideálním regulátorem a bez regulátoru během dne
s jasnou oblohou a při proměnlivém počasí ukazuje obr. 6 a obr. 7. Simulace vychází
z typických parametrů náhradního diodového modelu pro FV články. Opět není uvažován
vliv teploty. Během slunečného dne s průběhem dle obr. 6 vyrobí systém s ideálním MPP
regulátorem 5,9kWh/kWp energie, bez regulátoru 5,1kWh/kWp. Během dne s průběhem dle
obr. 7 vyrobí systém s ideálním MPP regulátorem 2,0kWh/kWp energie, bez regulátoru
0,8kWh/kWp.
Nejvyšší zvýšení účinnosti pomocí sledovače bodu MPP je dle simulací během dní
s proměnlivým počasím, nebo s dlouhodobě nízkou intenzitou záření.
500
Výkon (W)
400
300
Pmpp
Pbojler
200
100
17:20
16:20
15:20
14:20
13:20
12:20
11:20
10:20
9:20
8:20
7:20
6:20
0
čas
Obr. 6: Simulace průběhu výkonu se sledovačem bodu MPP (Pmpp) a bez sledovače
(Pbojler) během slunečného dne (neuvažován vliv teploty)
400
Výkon (W)
300
Pmpp
200
Pbojler
100
18:20
17:20
16:20
15:20
14:20
13:20
12:20
11:20
10:20
9:20
8:20
7:20
6:20
0
čas
Obr. 7: Simulace průběhu výkonu se sledovačem bodu MPP (Pmpp) a bez sledovače
(Pbojler) během dne s proměnlivým počasím (neuvažován vliv teploty)
Provoz v bodě MPP lze zajistit různými způsoby. Jedná se o regulaci na straně FV panelů
(přepínání jejich sério-paralelního řazení), na straně topného odporu (změna hodnoty
vnitřního odporu) či pomocí regulátoru mezi FV panely a topným odporem. První dvě
varianty jsou diskrétní, tj. poskytují obvykle pouze několik kombinací provozu, umožňují
48
tedy pouze částečné přiblížení k provozu v bodě MPP. Využití mechanických stykačů není
z hlediska frekvence přepínání příliš vhodné, zapojení pomocí řady polovodičových
přepínačů není vhodné z hlediska jejich ceny a potřeby mnoha kusů se sériovým řazením.
Jako výhodné se jeví využití regulátoru (např. DC/DC měniče), který zajistí sledování bodu
MPP pomocí změny výstupního napětí. Zátěž se jeví jako „měkký spotřebič“, napětí na zátěži
je totiž přímo úměrné proudu a je tedy velmi proměnlivé. To je základní rozdíl oproti
regulátorům pro nabíjení akumulátorů nebo střídačům pro FV elektrárny, kdy se napětí
výstupní pohybuje kolem dané hodnoty systémového napětí (napětí akumulátoru či sítě).
S výhodou však lze využít toho, že výstupní napětí není třeba z hlediska vlastní funkčnosti
tepelného ohřevu filtrovat, výstupem mohou být pulzy, či jakýkoliv nespecifikovaný průběh
za předpokladu vysoké účinnosti regulátoru a provozu v bodě MPP. Pro provoz v bodě MPP
musí platit
VMPP I MPP
2
VOUT
R
1
,
(1)
E
kde VMPP a IMPP značí napětí a proud FV panelů v bodě MPP, VOUT výstupní efektivní napětí
regulátoru, R odpor zátěže a ηE elektrickou účinnost regulátoru.
Z rov. (1) lze určit výstupní napětí regulátoru
VOUT
VMPP I MPP R
E
(2)
Účinnost η uvažovaného FV systému využívajícího regulátor je obdobná jako v případě FV
elektrárny, přičemž musíme uvažovat konkrétní účinnost jednotlivých prvků systému.
FV
KAB
E
MPP
TOP
, (3)
kde koeficienty na pravé straně rovnice představují účinnost FV panelů, kabelových
výkonových rozvodů, elektrickou konverzní účinnost regulátoru, účinnost danou přesností
určení bodu MPP a účinnost topného tělesa.
K návrhu systému a odhadu jeho energetických zisků v jednotlivých měsících můžeme využít
běžně používané softwarové prostředky pro návrh FV elektráren (např. PV-GIS, PVSyst,
Homer, RETScreen).
49
Provedení regulátorů
Regulátor pro využití v systému s FV panely a odporovou zátěží označený SW Control Box
vyvinula a nabízí např. firma Sunnywatt CZ, s.r.o., obr. 8. Zařízení je schopno pracovat ve
vstupním rozsahu napětí 120−300V a proudu max. 12A. Použitý typ DC/DC měniče je ve
snižujícím zapojení, je tedy nutné systém navrhnout tak, aby vstupní napětí z FV panelů vždy
bylo dostatečně vysoké pro provoz s určitou odporovou zátěží. Tuto podmínku však není
problém v praktickém použití splnit (sériové řazení panelů, nízká hodnota odporové zátěže).
Současně se vyšším napětím zjednoduší kabelové rozvody a zvýší účinnost přenosu energie.
Regulátor je napájen pouze ze vstupu FV panelů, není tedy třeba externí zdroj pro napájení
řídící jednotky. Regulátor je bezobslužný, pro elektrické připojení slouží standardně
používané konektory (Multi-Contact MC4) na vstupu i výstupu a jedna zemnící šroubová
svorka. Provozní stav je indikován LED diodami na čelní straně (stand-by, 25%, 50%, 75%,
100%), v případě potřeby přesného sledování provozu je třeba využít např. stejnosměrného
elektroměru. Výrobek má certifikaci CE a je chráněn průmyslovým vzorem.
Obr. 8: Regulátor SW Control Box 1.0
Literatura
[1]
[2]
[3]
50
K. Staněk: Fotovoltaika pro budovy, ČVUT-FSV, 2012.
Z. Machacek, V. Benda, R. Barinka: Electrical parameters of C-SI photovoltaic cells in
dependence on temperature and irradiance, Proceedings of the International Scientific
Conference FMNS-2007. ISBN: 978-954-680-537-9
A. Luque, S. Hegedus: Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley.
2003. ISBN: 0-471-49196-9
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
12
150 LET OLOVĚNÝCH AKUMULÁTORŮ
Karel Micka
Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského, Dolejškova 3, 182 23 Praha 8, [email protected]
Abstrakt
Jsou objasněny okolnosti, za jakých vznikal nejrozšířenější chemický zdroj elektrické energie,
olověný akumulátor. Jsou zmíněny technologické pokroky, které přinesly široké možnosti
praktického využití tohoto zdroje.
Úvod
Vynálezce olověného akumulátoru, Raymond Louis Gaston Planté, se narodil 22.dubna 1834
v rodině zámožných rodičů v departementu Basses-Pyréneés v jihozápadní Francii. Jeho
mladší bratr Leopold (1832) byl úspěšným právníkem, starší bratr Francis (1839) se proslavil
jako vynikající klavírista. Gaston jevil mnohostranné nadání (pro kreslení, přírodní vědy,
matematiku, fyziku a řadu cizích jazyků). Studoval v Paříži na Sorbonně a byl mu (1855)
udělen titul magistra přírodních věd . V době svých studií se zajímal o paleontologii a obrátil
na sebe pozornost svým objevem zkameněliny prehistorického nelétavého ptáka v jílovitém
depozitu v kamenolomu u Meudonu poblíž Paříže. Objev kodifikovala francouzská akademie
věd (1855) pod názvem Gastornis Parisiensis a jeho stáří bylo odhadnuto na 55 milionů let.
Podobný nález byl později (1870) učiněn v Americe.
Pro svou známou zručnost byl Planté pozván, aby demonstroval elektrické experimenty
s Ruhmkorffovým přístrojem před císařem Napoleonem III. a jeho manželkou v paláci
Tuileries (1858). Šlo vlastně o transformátor, jehož primární cívka s malým počtem závitů,
napájená zdrojem stejnosměrného napětí přes přerušovač s blokovým kondensátorem, byla
vsunuta do sekundární cívky s velkým počtem závitů. pro získání vysokého napětí. Zařízení
mohlo dávat jiskry až mnoho centimetrů dlouhé, a je pravděpodobné, že Planté měl
k dispozici i svíticí Geisslerovy trubice a další zajímavé rekvisity. Podle poznámek v jeho
notýsku se však zdá, že setkání s císařem v něm nevyvolalo příliš velký dojem. Koncem
tohoto roku se rozhodl opustit místo asistenta v laboratoři vyšší průmyslové školy a zařídit si
vlastní výzkumnou laboratoř ve svém bytě ve staré pařížské čtvrti Le Marais.
Životní úkol – elektrochemie
V roce 1859 vynalezl Gaston Planté svůj tzv. „sekundární článek“, složený z dvojice
spirálově svinutých olověných desek, oddělených gumovými plátky, v nádobce se zředěnou
kyselinou sírovou. Desky nabíjel asi 24 hodin ze dvou Bunsenových nebo tří Danielových
článků. Opakovaným „formačním“ procesem nabíjení a vybíjení se kladná deska pokrývala
v nabitém stavu povlakem oxidu olovičitého a záporná v nabitém stavu povlakem porésního
olova. Již v březnu 1860 představil Gaston Planté svůj pamětihodný objev – olověnou baterii
51
– francouzské akademii věd. Podle principu, který vypracoval v předešlém roce, šlo o devět
článků ve dřevěné přihrádce, spojených paralelně a dávajících podle jeho mínění pozoruhodně
silné proudy.
Je ovšem vhodné poznamenat, že Planté neobjevil princip kyselé olověné baterie. Tento
systém studovali již Carl Wilhelm Siemens (1852) a Wilhelm Josef Sandsteden (1854), avšak
nedovedli své články k plnému rozpracování. Nicméně, Planté si zasluhuje být považován za
„otce olověného akumulátoru“, neboť ukázal, jak využít jevy pozorované Siemensem a
Sinstedenem k výrobě užitečného zařízení pro uskladnění elektrické energie.
Autor zkoušel různé konstrukce článků za různých podmínek, např. ve zkratu, při
rovnoměrném nebo přerušovaném nabíjení. Výsledky svých prvních výzkumů publikoval
v Comptes Rendus de l’Académie des Sciences a v některých periodikách. V pozdějších letech
vymýšlel praktické aplikace jako elektrické zvonky, důlní lampy, signalisační zařízení,
elektrické brzdy pro parní vlaky, apod. Jeho živelný zájem o elektřinu však sahal dále. Po
roce 1880 ho zaujaly přírodní jevy jako bouře a kulové blesky, polární záře, nebo cyklony.
Zajímaly ho zvláště rozdíly mezi statickou („přírodní“) elektřinou a „dynamickou“ elektřinou
z baterií. Za tím účelem sestrojil zvláštní tzv.„rheostatický“ přístroj s rotujícím komutátorem,
který generoval několikacentimetrové jiskry (Compt. Rend. 1877, Oct. 29). Podobné aparáty
s dvěma protiběžnými ebonitovými disky a dvěma leydenskými lahvemi se prodávaly pro
potřeby fysikální školní výuky v Německu a jinde ještě před druhou světovou válkou pod
názvem „Wimshurstova indukční elektrika“. Plantého pokusy s velkou skupinou slídových
kondensátorů, nabíjených z olověné baterie a spínaných jednou paralelně a podruhé seriově
ukázaly, že rozdíl mezi statickou a dynamickou elektřinou záleží pouze na velikosti napětí,
které při jeho pokusech dosáhlo údajně až 200.000 V. Své výsledky popsal v knize
„Phénomènes Électriques de l’Atmosphère“ (1888).
První olověné baterie byly nabíjeny užitím Bunsenových článků o napětí 1,8 – 1,9 V, kde
kladná elektroda byl uhlík v koncentrované kyselině dusičné a záporná, oddělená diafragmou,
zinek v 10% kyselině sírové. (Někdy se používalo Danielových článků Cu|CuSO4||MgSO4|Zn
o napětí 1,1 V.) Na bezpečnost a zdraví při práci se tenkrát příliš nehledělo. Průlom do této
neutěšené situace nastal kolem roku 1870 vynálezem Grammova dynama, které začala
vyrábět belgická firma Breguet. Stejná firma začala následně vyrábět i Plantého akumulátory.
Nyní se výzkumníci zmocnili Plantého systému olovo – kyselina. Francouzský inženýr
Camille Alphonse Faure pokryl obě strany olověných desek vrstvou minia, které se po
dvoudenním nabíjení změnilo na PbO2 na kladné desce a na houbovité olovo na záporné.
Našel se i výrobce. V zápětí se objevily perforované, poněkud tenčí desky, pokryté pastou
z houbovitého olova s lepší adhesí. Dále bylo měkké olovo v kolektorech nahrazeno slitinou
olova s antimonem, což se stalo dominantní technologií. Tato slitina je totiž nejen pevnější
než čisté olovo, ale dá se také lépe odlévat, jak dobře věděli tiskaři. Další pracovníci (E.
Volckmar, J.W. Swan et al.) navrhli olověné mřížky jako výhodnější variantu perforovaných
desek. Desky s rozvinutým žebrovitým povrchem patentoval C.F. Brush již roku 1881, což
byly vlastně předchůdci pozdějších Plantého olověných desek, které jsou dosud ještě
používány. Ve stejné době vynalezl S.C. Currie trubkové elektrody. Nové patenty jen pršely,
neboť výzkumníci ucítili svou příležitost.
Koncem 19. století se v Belgii objevil elektrický automobil doutníkového tvaru, který
s olověnou baterií 80 článků vyvinul rychlost 109 km/h. Ve Francii a ve Španělsku se konaly
pokusy s elektricky poháněnými ponorkami, a to nejprve s alkalickými, poté s kyselými
olověnými akumulátory. Posléze Morseův elektrický telegraf a telefonní společnosti v USA si
vynucovaly používání baterií v průmyslovém měřítku. Planté dokonce dodal osvětlovací
52
zařízení pro císařský palác ve Vídni. V Paříži byly instalovány baterie a dynama pro jejich
nabíjení pro elektrickou osvětlovací síť již v roce 1882.
Průmyslové využití Plantého baterie a zařízení pro získání vysokého napětí mu přinášelo stálý
zdroj příjmů. Ze svých příjmů si však ponechával jen tolik, kolik potřeboval na živobytí. Byl
potěšen, když jiní měli zisk z jeho vynálezů. Někteří členové francouzské Akademie věd
navrhovali jeho zvolení, neměl však zájem a chtěl raději pracovat ve své laboratoři. Planté
dostával vyznamenání od různých vědeckých společností. Např. v roce 1881 mu byla udělena
cena 10 tisíc franků, kterou však daroval „Humanitární společnosti přátel vědy“, aby podpořil
nemajetné badatele. V témže roce mu bylo uděleno nejvyšší francouzské vyznamenání „Rytíř
čestné legie“. Jeho sponzor napsal francouzskému ministru financí: „Nevěřím, že přeháním,
když stvrzuji, že pan Planté je jedním z největších vynálezců naší doby“. V roce 1882 dostal
zlatou Ampérovu medaili od Společnosti pro podporu národního průmyslu. Významný
francouzský chemik Jean-Baptiste Dumas řekl: „Jsem šťasten, že vám mohu dát tuto medaili
s obrázkem Ampéra a jsem jist, že v budoucnu ji naši následovníci budou udělovat s Vaším
obrázkem“. Avšak Planté považoval tuto medaili za neproduktivní kapitál, takže ji prodal a
výtěžek dal chudým.
Velké pracovní vypětí mělo od roku 1885 za následek zhoršování jeho nervového stavu. Jeho
zrak silně slábl při práci s oslňujícími elektrickými výboji, takže se začal učit slepeckému
Braillovu písmu. Konec se však blížil. 21. května byl stižen mozkovou mrtvicí na své zahradě
v Bellevue sous Meudon. Planté měl však již připravenou závěť. Většinu svého jmění odkázal
vědeckým institucím a jeho dům v Bellevue byl přeměněn na útulek pro chudé vědce.
Francouzská akademie věd dostala nadační fond, umožňující udílet peněžité ceny na poli
elektřiny. Jednu z prvních Plantého cen obdržel Pierre Curie.
Obr. 1: Portrét Gastona Planté s jeho podpisem. Podle [1].
Vzájemné soutěžení mezi deskovými elektrodami vyvinutými jednak Plantém a jednak
Faurem bylo dosti živé až do první dekády 20. století. Pastované elektrody se osvědčily pro
svou lepší výkonnost v mnoha aplikacích. Nicméně, Plantého desky se stále vyrábějí, i když
v mnohem menším počtu. Bylo by však chybou domnívat se, že výzkumné práce jsou již
prakticky uzavřeny, i když o úspěch olověných akumulátorů se zasloužili nespočetní
výzkumníci a inženýři. Doposud jsme se zabývali pouze historií tohoto vynálezu [1, 2], v
dalším se však zmíníme o některých problémech, které nastaly v jeho dalšímu vývoji [3, 4].
Jev, který byl předmětem výzkumu již dávno, bylo poměrně nízké využití aktivního materiálu
pastovaných, hlavně positivních elektrod. Příčiny se hledaly v různých krystalografických
modifikacích, nebo v metodě jeho přípravy, či dokonce v různém obsahu vodíku v krystalové
mřížce oxidu olovičitého. Jak však zjistil již P.T. Moseley metodou neutronové difrakce [3],
53
tato technika nevykazuje stopy uspořádaných vodíkových atomů v krystalové mřížce ani u
alfa ani u beta modifikace PbO2. V některých vzorcích byla však nalezena malá kvanta
pravděpodobně naadsorbované vody. Přitom obě modifikace jsou elektroaktivní bez ohledu
na metodu přípravy. Sluší poznamenat, že k podobným výsledkům týkajícím se
elektroaktivity obou modifikací došli již mnohem dříve Kiseleva a Kabanov [4].
Jakmile se zájem výzkumu soustředil na hluboké vybíjení nízkoúdržbových baterií v
souvislosti s elektrickými vozidly, objevil se problém, který se stal známý jako předčasná
ztráta kapacity (premature capacity loss, PCL) [5]. Ta měla dvě formy; první byla označena
PCL1 a spočívala ve vzniku izolačního filmu v mezifází mezi kladným aktivním materiálem a
mřížkou. Moseleyova skupina tedy navrhla laserovou rastrovací metodu na sledování
distribuce α-PbO v korosní vrstvě. Ukázalo se, že předpoklad přítomnosti filmu PbO byl
správný. V té době již bylo v USA založeno výzkumné konzorcium ALABC, které zahájilo
výzkum tohoto a podobných problémů. Netrvalo dlouho a řešení bylo objeveno v podobě
olověných mřížek s přídavkem cínu a se sníženým obsahem antimonu. Cín totiž jednak
zpomaluje korozi olova a jednak zlepšuje elektrickou vodivost korozního filmu.
Jev, označený jako PCL2, záležel ve zdánlivě nepatrných objemových změnách aktivní
hmoty při hlubokém nabíjení a vybíjení. Po mnoha cyklech nabití-vybití se objemové změny
kumulovaly a tak se postupně zhoršoval nejen kontakt mezi mřížkou a aktivní hmotou, ale
hlavně vodivost kladné hmoty a její soudržnost. Nakonec mohlo dojít i k rozpadu aktivní
hmoty. Tuto obtíž lze snadno odstranit zajištěním určitého mechanického přítlaku na
elektrody, což ovšem poněkud zvyšuje nároky na výrobu. Trubkové elektrody tímto efektem
nejsou zatíženy.
Konečně aplikace v hybridních elektrických vozidlech vyžaduje baterie schopné práce i v
přechodovém stavu částečného nabití při velkém počtu malých cyklů, čímž se vyvolává jev
označenýjako PCL3, totiž postupná sulfatace negativních desek. Řešení tohoto problému,
který si vyžádal nasazení řady výzkumných týmů, spočívá v podstatě v přídavku zvýšeného
množství uhlíku vhodné kvality do aktivní hmoty [6]. Nejúspěšnějším příkladem tohoto řešení
je tzv. Ultrabaterie [3], ve které přídavek uhlíku je zahrnut ve formě prodloužení záporných
elektrod, takže má funkci kapacitoru. Ostatní díly baterie jsou konvenční. Posléze byl
zkonstruován pokusný hybridní automobil Honda Civic, který obsahoval dvanáct modulů v
baterii o napětí 144 V. Vozidlo ujelo bez závad více než sto tisíc mil bez potřeby regenerace
kapacity baterií [3]. Zdá se tedy, že nakonec budou mít výrobci elektromobilů na vybranou
mezi třemi alternativami: olovem, niklem a lithiem.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
54
P. KURZWEIL.: Gaston Planté and his invention of the lead-acid battery – The genesis
of the first practical rechargeable battery. J. Power Sources 195 (2010) 4424 – 4434.
P.T. MOSELEY, D.A.J. RAND.: In celebration of the sesquicentennial of the lead-acid
battery. J. Power Sources 195 (2010) 4423.
P.T. MOSELEY.: Gaston Planté Medal acceptance speech. J. Power Sources 191
(2009) 7 – 8. .
I.G. KISELEVA, B.N. KABANOV: Formation and the electrochemical properties of
crystalline modifications of lead dioxide. (Orig. rusky.) Dokl. Akad. Nauk SSSR 122
(1958) 1042.
D.A.J. RAND, P.T.MOSELEY, J. GARCHE, C.D. PARKER: Valve-Regulated LeadAcid Batteries, Elsevier, Amsterdam, 2004.
P.T. Moseley: J. Power Sources 191 (2009) 134.
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
13
VLIV Ti4O7 NA CHOVÁNÍ NAM OLOVĚNÉHO
AKUMULÁTORU
Karel Tonar, Pavel Tošer, Petr Bača
1
Ústav Elektrotechnologie, VUT Brno Fakulta Elektrotechniky a komunikačních technologií,
602 00 Brno, Česká republika, e-mail: [email protected]
Abstrakt
Olověné akumulátory hybridních vozidel (HEV) pracují ve stavu částečného nabití (PSoC).
Záporné elektrody akumulátorů trpí nízkou schopností příjmu elektrického náboje. Jejich
životnost je závislá na rychlosti vývoje síranu olovnatého PbSO4 na záporných elektrodách.
Příměsemi některých forem uhlíku a TiO2 do aktivních hmot a případným dodatečným
přítlakem na elektrodový systém můžeme zvýšit schopnost příjmu náboje a snížit sulfataci
záporných elektrod. Na trhu se objevuje moderní materiál EBONEX (Ti4O7), který kombinuje
vlastnosti obou zmíněných příměsí a mohl by být vhodný i jako aditivum do záporné aktivní
hmoty (NAM) olověného akumulátoru [2], [3].
Úvod
Byla studována sada experimentálních článků olověných akumulátorů s kolektorem s
nespojitým systémem rovnoběžných žeber. Záporná aktivní hmota elektrod obsahovala
expandéry a dodatečné přísady ebonexu – elektricky vodivý keramický prášek.
Experiment
Bylo sestaveno osm experimentálních elektrod s rovnoběžným systémem planparalelní žeber.
Tyto byly napastovány zápornou aktivní hmotou dle jedinečné receptury. Rozměry elektrod
byly 55mm x 20mm x 7mm. Aktivní hmota dopovaná příměsemi Ebonexu o koncentracích
0,15%, 0,46%, 0,78%, 1,4%, 2,65% a 5,15%. Každá elektroda byla spolu se dvěma
pozitivními a AGM separátory sestavena do elektrochemického článku a umístěna do měřící
nádoby, která umožňuje provoz v hermetickém stavu. Potenciály byly měřeny proti referenční
kadmiové elektrodě. Články byly pro účely formace zaplaveny roztokem kyseliny sírové o
hustotě 1,28 g.cm3. Dále bylo provedeno 14 kondiciovacích cyklů. Následně pak byla
kyselina z nádob odsáta a články byly zatíženy PSoC měřením v hermetickém stavu.
Formace
Formační proces se skládal ze 17 cyklů, každý cyklus tvoří nabíjení proudem 0,2 A po dobu 4
hodin a dobou stání po dobu 2 hodin. Celá formace tedy trvala 102 hodin. Elektrody obdržely
pětinásobek požadované kapacity.
55
Obr. 1: Grafy průběhů formací jednotlivých elektrod s aditivem Ti407
Průběhy napětí na článcích s jednotlivými příměsemi jsou na Obr. 1. Je patrné, že elektrody
dosáhly při formačním procesu různých konečných napětí na druhém nabíjecím stupni. Vše je
zobrazeno na Obr.2. Data uvedená v grafu jsou odečtena v čase 106 hodin. Elektroda
s příměsí 0,46% Ti4O7 dosáhla nejvyšších hodnot (2,82 V), zatímco elektroda s příměsí
2,65% Ti4O7 dosáhla nejnižšího napětí (2,62 V). V grafu je zobrazen i průběh získaný
v našem již provedeném experimentu [14].
Obr. 2: Závislost napětí na konci formace v porovnání s průběhy pro CR2996
Oproti elektrodám s uhlíkem je však konečné napětí v úrovních příměsí uhlíku s nejdelší
životností při cyklování (0,8 – 1,2%) vyšší o asi 0,06 V [1].
56
Grafy na Obr. 3. ukazují, že proformování NAM nastává pro jednotlivé elektrody v různých
časech. Mez, při které je aktivní hmota považována za proformovanou je na hranici přechodu
z prvního na druhý nabíjecí stupeň, tedy 2,6 V. Formace elektrody s příměsí 0,46% ebonexu
proběhla nejrychleji (30 hod.). Nejpomalejší formační proces byl zaznamenán na elektrodě
s nejvyšším obsahem ebonexu (48 hod.). Již dříve provedený experiment [1] je k porovnání
vyobrazen ve stejném grafu a vykazuje při stejném obsahu příměsí nižší čas formace. Tvar
průběhu pro uhlík a ebonex je téměř totožný, pokud nebudeme uvažovat elektrodu s nejnižší
příměsí ebonexu, která vykazuje výrazně vyšších hodnot. Ebonex však dosáhl celkově
vyšších časů formací u všech zkoumaných elektrod a jednotlivé extrémy v průběhu jsou
výraznější.
Obr. 3: Závislost času přechodu na 2. nabíjecí stupeň s průběhy pro CR2996
DOD – kondiciovací cykly
Po formaci bylo na elektrodách provedeno 14 kondiciovacích (doformovávacích) cyklů.
V jednom cyklu byly elektrody vybity konstantním proudem 0,7 A na napětí 1,6 V a poté
nabyty stejným proudem s napěťovým omezením na 2,45 V. Jeden cyklus byl proveden vždy
v délce jednoho dne viz Obr. 4. Mezi sedmým a osmým cyklem došlo k výpadku proudu.
Toto se projevilo anomálií ve všech průbězích při t = 142 hod. a při osmých změřených
hodnotách kapacit.
Pokud se na průběhy napětí podíváme detailněji zjistíme, že pokud byly elektrody zatíženy
vybíjecím proudem 0,7 A, ihned jejich napětí pokleslo na určitou hodnotu počátečního
vybíjecího napětí (viz Obr. 5.). Tato hodnota nebyla pro všechny zkoumané elektrody stejná.
Vysvětlení je možné hledat v různé velikosti vnitřních odporů elektrod, které však nebyly při
doformovávacích cyklech měřeny. Hodnota počátečního vybíjecího napětí elektrody s příměsí
0,46% ebonexu byla nejvyšší. Nejnižší hodnotu vykazovala elektroda s 5,15 % ebonexu.
V rozmezí těchto dvou hodnot byly rozloženy všechny napětí ostatních elektrod s příměsemi
ebonexu. Čím nižší bylo počáteční vybíjecí napětí, tím byl i rychlejší a strmější následující
pokles. Bude dále zajímavé porovnat rychlost vybíjení jednotlivých elektrod při DOD
cyklování s jejich životností při PSoC cyklování. Jakmile napětí při vybíjení pokleslo pod
úroveň 1,6 V, byly články ihned zatíženy nabíjecím proudem 0,7 A. Tato skoková změna u
57
žádných z elektrod nezapříčinila vznik špičky napětí, jak bylo pozorováno v experimentu
s uhlíky [1]. Doba nabíjení byla pro jednotlivě elektrody různě dlouhá, avšak nezávislá na
době a rychlosti vybíjení stejných elektrod. Nebyla také nalezena žádná souvislost mezi
dobou nabíjení a množstvím příměsi.
Obr. 4: Průběhy napětí a potenciálů při DOD cyklování
Obr. 5: Detail průběhů napětí a potenciálů při DOD cyklování
Z průběhů na Obr. 5. je patrné, že vzrůst potenciálu při vybíjení byl nezávislý na koncentraci
dotovaného uhlíku. Potenciál na začátku nabíjení okamžitě spadl, avšak ne do záporných
hodnot. Potenciály u všech elektrod při nabíjení dále nepatrně klesaly. Na konci nabíjení byly
všechny potenciály na téměř stejné hodnotě u všech elektrod. Téměř skokový vzrůst
potenciálu elektrod s příměsemi 0,46%, 0,78% a 5,15% byl pravděpodobně zapříčiněn
58
nedostatečným kontaktem kadmiové měřící elektrody s elektrolytem. Důkazem bylo
zhoršování těchto parametrů se vzrůstajícím počtem DOD cyklů.
Obr. 6: Průběhy kapacit elektrod mezi jednotlivými DOD cykly.
Vždy na konci každého cyklu byly změřeny kapacity elektrod. Dle všech měření měly
kapacity mírně klesající trend viz Obr. 6. Z elektrod obsahujících ebonexovou příměs dosáhla
nejvyšších kapacit ta s obsahem příměsi 0,78%. Naopak nejnižší kapacity byly naměřené na
elektrodě s obsahem 0,15% ebonexu.
Poděkování
Tato práce byla podporovaná specifickým vysokoškolským výzkumem na VUT v Brně
č. FEKT–S–11–7.
Literatura
BAČA, P., MICKA, K., KŘIVÍK, P., TONAR, K., TOŠER, P., Study of the influence
of carbon on the negative lead-acid battery electrodes, Journal of Power Sources 196
(2011) 3988 – 3992.
[2] PAVLOV, D., ROGACHEV, T., NIKOLOV, P., PETKOVA, G., Mechanism of action
of electrochemically active carbons on the processes that take place at the negative
plates of lead-acid batteries, Journal of Power Sources 191 (2009) 58.
[3] RAND, D.,MOSELEY, P., GARCHE, J., PARKER, C.:Valve – Regulated Lead – Acid
Batteries, Elsevier B.V., Amsterdam, 2004, ISBN 0-444-50746-9
[1]
59
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
14
PULZNÍ NABÍJENÍ OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU
*P.Abraham, P. Bača
Ústav elektrotechnologie, Vysoké učení technické v Brně, Technická 10, 616 00,
e-mail: *[email protected]
Abstrakt
Tento článek pojednává o pulzním nabíjení, shrnuje jeho výhody. Též ukazuje výsledky
prvního experimentu provedeného s užitím programu vytvořeného na platformě Agilent
v programovacím jazyce Agilent VEE Pro. Pulzní režim byl testován, jako způsob jak
„oživit“ článek, který nebyl před experimentem cca půl roku užíván a byl skladován ve
vybitém stavu.
Úvod
Algoritmy pulzního nabíjení mohou být aplikovány na formaci akumulátorů, při nabíjení a
vybíjení. Typické algoritmy ukazuje obr. č. 1. Všimněte si, že po nabíjecím pulzu může
následovat stání, nebo vybíjecí pulz. O vybíjecích pulzech se soudí, že působí pozitivně tak,
že eliminují povrchové náboje na elektrodách, což může vést ke snížení intenzity plynování.
Zatím nebylo jednoznačně prokázáno, zda je to vskutku pravda. Zjevné výhody spočívají ve
zvýšeném odvodu tepla a tak lze použít relativně velké proudy (dokonce i ke konci formace či
nabíjení). Další výhodou je snížené plynování díky snižující se velikosti náboje předaného
během jednoho pulzu, neboť oblasti plynování je dosaženo později (jak je vidět na obrázku,
jednotlivé pulzy se buď postupně snižují, nebo zkracují). Navzdory tomu, že se touto
problematikou zabývalo mnoho společností, použití v praxi není příliš běžné[1].
.
Obr. 1: Typický průběh pulzního nabíjení (proudové pulzy) [1]
60
Nové nabíjecí přístroje řízené mikroprocesorem, navíc dovedou „vycítit“, v jakém stavu se
akumulátor nachází – teplotu, napětí, nabíjecí proud atd. A jsou schopny měnit nabíjecí
proudy během nabíjení. Problémem jsou usměrňovače, neboť většina z nich produkuje
nedokonale usměrněný proud a střídavá složka způsobuje zahřívání akumulátoru. To by mělo
být minimalizováno, zejména ke konci nabíjení, kdy akumulátor plynuje a má tendenci se
zahřívat[2].
Předpokládané výhody pulzního nabíjení
Očekávané výhody aplikace některé z metod pulzního nabíjení oproti konvenčním nabíjecím
metodám jsou:
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Zvětšená účinnost nabíjení. Snížená doba nabíjení baterie.
Redukce generace plynu a ztráty vody
Zvýšená čistota baterie (snížená přítomnost aerosolu kyseliny sírové ve vzduchu uvnitř
baterie během a po nabíjení s plynováním)
Snížení rychlosti koroze kladné elektrody, na které běžně dochází během nabíjení k
přebíjení, což povede ke zvýšení životnosti baterie
Účinnější procedura formace baterií při výrobě
Obnova článků zasažených předchozí nevratnou sulfatací elektrod[3]
Experiment
Na platformě Agilent v programovacím jazyce Agilent VEE Pro byl vytvořen software
umožňující pulzní nabíjení pulzy o konstantní (v průběhu cyklování se nemění) amplitudě a
střídě libovolné velikosti. První testování tohoto programu proběhlo na olověném
akumulátoru, který před samotným experimentem nebyl používán více než půl roku.
Obr. 2: Ukázka pulzů aplikovaných na olověný článek
61
Obr. 3: Průběh kapacity
V textu [3] je uvedeno: „Zdá se, že po aplikaci pulzního nabíjení na článek přetrvávají kladné
účinky i po tom, co se aplikují opět konvenční nabíjecí režimy. Takže, aby se dalo vyjádřit
zlepšení pulzním nabíjením, je nejdřív třeba aplikovat konvenční nabíjení, před použitím
pulzního testovacího programu.“ Tuto premisu jsme se pokusili ověřit.
Na obrázku č.3 je vidět průběh celého experimentu. Začíná standardním konvenčním
cyklováním (100%DOD). Po té bylo aplikováno pulzní nabíjení, poté se přešlo opět na
konvenční cyklování. Konvenční cyklování sestávalo z vybíjení konstantním proudem o
velikosti 0,4A do konečného napětí 1,6V a nabíjení proudem stejné velikosti s napěťovým
omezením na 2,45V. Jeden konvenční cyklus trval 24 hodin. Pulzní nabíjení sestávalo ze
stejného vybíjení jako v konvenčním režimu, ale nabíjení bylo dle obr. 2 s konstantním
proudem 0,4A.
Z obrázku je patrná změna směrnice nárůstu kapacity před a po aplikaci pulzního nabíjení.
Aplikací pulzního cyklu došlo ke zvýšení kapacity zasulfatovaného experimentálního článku
o 100% a kapacita následně dále rostla i při přechodu na konvenční cyklování. Lze tedy říci,
že aplikace pulzního cyklování má na zasulfatované elektrody pozitivní vliv a vede
k regeneraci takto postiženého olověného akumulátoru.
Poděkování
Tato práce byla podporovaná grantem EU project CZ.1.05/2.1.00/01.0014 a specifického
vysokoškolského výzkumu VUT č. FEKT–S–11–7.
Literatura
[1]
[2]
[3]
62
M. Weighall, B. Nelson: A Guide To VRLA Battery Formation Techniques
D.Linden, T. B. Reddy:3. ed. Handbook of batteries, ISBN 0-07-135978-8
M. James, J. Grummett, M. Rowan, J. Newman, Application of pulse charging
techniques to submarine lead-acid batteries, Journal of Power Sources 2.4.2005
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
15
STUDIUM TEPELNÝCH ZMĚN V ČLÁNKU OLOVĚNÉHO
AKUMULÁTORU II
P. Křivík
Ústav elektrotechnologie, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT v Brně,
Technická 10, 616 00 Brno, ČR, e-mail: [email protected]
Úvod
Příspěvek navazuje na teoretický rozbor problematiky tepelných jevů v olověném
akumulátoru během vybíjení a nabíjení, uvedený v předchozím příspěvku [1]. Byla provedena
praktická měření teplotních změn v pokusném článku, který byl opatřen teplotními
odporovými senzory Pt100, v různých režimech vybíjení a nabíjení. Změny teploty
v jednotlivých částech článku odrážejí tepelné změny vznikající vlivem elektrochemických
reakcí, ohmických a polarizačních ztrát a ztrát tepla kontaktem s okolním prostředím.
Experiment
Problematikou tepelných změn v článku olověného akumulátoru se zabývalo několik autorů
[1-3], ovšem pouze v teoretické rovině. Proto bylo nutno tyto teoretické výpočty doplnit
praktickými měřeními s teplotními čidly umístěnými přímo v pokusném článku olověného
akumulátoru. Teplotní čidla Pt100 jsou chráněna epoxidovou pryskyřicí proti účinkům
kyseliny sírové. Čidel je celkem šest a jsou umístěna v oblastech elektrolytu poblíž kladné
elektrody (1 mm od aktivní hmoty z vnější strany elektrody, od elektrody oddělené AGM
separátorem), elektrolytu poblíž záporné elektrody, mezi kladnou a zápornou elektrodou
(oddělené od elektrod AGM separátorem), v oblasti kladné aktivní hmoty (zevnitř), záporné
aktivní hmoty a mimo vlastní článek (snímání teploty okolí). Pokusný článek s teplotními
čidly byl po naformování podroben několika experimentům zkoumajícím teplotní změny
během vybíjení, nabíjení i stání.
V prvním experimentu byl článek vybíjen proudem 0,4 A do napětí 1,6 V, poté byl nabíjen
stejným proudem 0,4 A s napěťovým omezením 2,45 V. V tomto experimentu byl z článku
vysát elektrolyt, pouze malé množství elektrolytu zůstalo nasáklé v separátoru a aktivních
hmotách elektrod. Výsledné závislosti napětí a teplot v jednotlivých částech článku jsou na
obr. 1.
Teplotní průběhy jednotlivých částí článku se od sebe příliš neliší, neboť ve vnitřním
prostředí článku dochází vlivem velké tepelné vodivosti jednotlivých částí článku (jak
elektrod, tak elektrolytu) k rychlému vyrovnávání teplot. V průběhu vybíjení dochází
k nárůstu teploty na všech čidlech umístěných v článku vlivem Jouleova tepla. To závisí na
vnitřním odporu, velikosti vybíjecího proudu a na délce vybíjení. Jouleovo teplo převažuje
nad jevy ochlazování, což je ochlazování od okolního prostředí a vlivem záporného
63
reverzibilního tepla celkové endotermické vybíjecí reakce. V průběhu vybíjení dále roste
vnitřní odpor díky vytváření síranu olovnatého v aktivních hmotách a tím pádem roste i
Jouleovo teplo, které přispívá k oteplování článku.
J [°C]
U [V], I [A]
3
33
32.5
2.5
32
2
31.5
1.5
31
30.5
1
30
0.5
29.5
0
29
0
5
10
U
I
tellyt+
15
tzap
tklad
20
tellyt-
tokoli
25
t[h]
Obr. 1: Závislost napětí a teplot v jednotlivých částech článku při vybíjení a nabíjení článku
konstantním proudem I = 0,4 A s napěťovým omezením 2,45 V.
Na konci vybíjení a na začátku nabíjení čidlo teploty kladné elektrody vykazuje pokles
hodnot naměřených teplot v porovnání s čidly umístěnými v jiných částech článku. To je
způsobeno vytvořením vrstvy síranu olovnatého tvořícího se během vybíjení mezi čidlem a
kladnou aktivní hmotou tvořenou oxidem olovičitým. Tato vrstva síranu olovnatého tepelně
izoluje čidlo, protože síran olovnatý je dobrý elektrický i tepelný izolant. Na začátku nabíjecí
periody dochází ke zpětnému rozpouštění síranů v aktivní hmotě a hodnota teploty naměřené
čidle v aktivní hmotě kladné elektrody se přibližuje k teplotám naměřeným na ostatních
čidlech. Během nabíjení pak klesá teplota na všech čidlech, což souvisí jednak s poklesem
vnitřního odporu, jednak s poklesem nabíjecího proudu. Tím klesají ztráty Jouleovým teplem
a převažuje ochlazování od okolí, zejména vedením stěnami nádoby a proudovými přívody.
Toto ochlazování také převyšuje kladné reverzibilní teplo celkové exotermické nabíjecí
reakce, které se snižujícím se proudem také klesá. Navíc polarizační odpor, který se uplatňuje
při nabíjení, je omezen maximálním napětím 2,45 V, čímž se omezí i plynování článku.
Většina nabíjecího proudu se tak zužitkuje na nabíjecí reakci.
Na konci nabíjení byl článek podroben krátkodobému (cca 20 minut) vybíjení a nabíjení
proudem 0,4 A a byly sledovány opět změny teplot jednotlivých částí článku. Je vidět, že
v případě, že je článek nabitý, tak při nabíjení roste jeho teplota mnohem rychleji než při
vybíjení. To souvisí s mnohem větší hodnotou polarizačního odporu článku během nabíjení,
který výrazně přispívá k Jouleovým ztrátám oproti vnitřnímu odporu článku, který přispívá
k Jouleovým ztrátám při vybíjení. K tomu ještě částečně přispívá podíl tepla reverzibilní
elektrochemické reakce uvolněného (při nabíjení) nebo spotřebovaného (při vybíjení).
V následném stání se článek ochlazuje od okolního prostředí. Ochlazování probíhá zejména
vedením přes stěnu nádoby, dále také přívodními proudovými vodiči, v menší míře
prouděním okolního vzduchu a radiací.
64
Nárůst teploty okolí od cca 20. hodiny byl způsoben slunečním zářením, které dopadalo
přímo na teplotní čidlo a zkreslovalo tím skutečnou hodnotu teploty okolního vzduchu.
Ve druhém experimentu byl článek vybíjen proudem 0,2 A do napětí 1,6 V, poté byl nabíjen
stejným proudem 0,2 A bez napěťového omezení. V tomto experimentu byl z článku také
vysát elektrolyt a pouze malé množství elektrolytu zůstalo nasáklé v separátoru a aktivních
hmotách elektrod. Výsledné závislosti napětí a teplot v jednotlivých částech článku jsou na
obr. 2.
J [°C]
U [V]
36
2.9
34
2.7
2.5
32
2.3
30
2.1
28
1.9
26
1.7
1.5
24
0
10
20
30
40
50
60
70
80
t[h]
U
tellyt+
tzap
tklad
tokoli
tellyt-
Obr. 2: Závislost napětí a teplot v jednotlivých částech článku při vybíjení a nabíjení článku
konstantním proudem I = 0,2 A bez napěťového omezení.
Teplotní průběhy při vybíjení a na počátku nabíjení kopírují teplotní průběhy v předchozím
experimentu. V další části nabíjení s růstem napětí pak dochází k prudkému nárůstu teploty
vlivem nárůstu polarizačního odporu (plynování článku se začíná uplatňovat na úkor nabíjecí
reakce). V závěru nabíjení pak vlivem nárůstu teploty okolí (zvýšená okolní teplota snižuje
rychlost ochlazování a zrychluje odpar vody v elektrolytu) a nasycení AGM separátoru plyny
vznikajícími při elektrolýze vody došlo k nastartování kyslíkového a vodíkového cyklu. To
dále prudce zvýšilo teplotu článku. V dalších cyklech už k nastartování kyslíkového a
vodíkového cyklu nedošlo vlivem nízké teploty okolí a tím i zvýšené rychlosti ochlazování
článku a snížené rychlosti odparu vody v elektrolytu. V následujících vy bíjeních došlo
k prudkému poklesu teploty v článku. Tento pokles pokračoval i na začátku nabíjení a souvisí
se zvýšenou rychlostí ochlazování vlivem vysokého rozdílu teploty článku a okolí. Toto
ochlazování převyšuje oteplování článku ztráty Jouleovým teplem.
Na obr. 3 je uvedena závislost napětí, potenciálů a vnitřního odporu článku. Na konci prvního
nabíjení v důsledku kyslíkového a vodíkového cyklu se k sobě potenciály obou elektrod
přibližují a to zapříčiňuje i pokles celkového napětí článku, jelikož potenciál záporné
elektrody roste v důsledku kyslíkového cyklu a potenciál kladné elektrody klesá v důsledku
vodíkového cyklu. Z průběhů vnitřního odporu je zřejmé, že při vybíjení dochází k prudkému
nárůstu vnitřního odporu, průběh je exponenciální, hodnota vnitřního odporu na konci
vybíjení je cca dvojnásobná v porovnání se začátkem vybíjení. To souvisí s vytvářením síranu
olovnatého během vybíjení na obou elektrodách. Na počátku nabíjení prudce klesá vnitřní
odpor, což souvisí s rozpouštěním síranu olovnatého na obou elektrodách a po překročení
65
plynovacího napětí dochází k mírnému nárůstu vnitřního odporu, který je zřejmě způsoben
plyny, které se hromadí v AGM separátoru při elektrolýze vody.
U [V], E+ [V], E- [V]
R [W ]
3
1.4
2.5
1.2
2
1.5
1
1
0.8
0.5
0
0.6
-0.5
0.4
-1
-1.5
0.2
0
10
20
30
U
40
E+
50
E-
60
Rv
70
80
t[h]
Obr. 3: Závislost napětí, potenciálů a vnitřního odporu článku při vybíjení a nabíjení článku
konstantním proudem I = 0,2 A bez napěťového omezení.
Závěr
Teoretické výpočty tepelných změn v článku olověného akumulátoru byly potvrzeny
praktickým měřeními na pokusném článku. Optimální se jeví úprava nabíjecího režimu, místo
nabíjení konstantním proudem je lépe použít nabíjení s napěťovým omezením blízko
plynovacího napětí (2,45 V), což omezí nejen plynování článku, ale i nebezpečný nárůst
teploty. Při nabíjení konstantním proudem může za nepříznivých podmínek (zvýšené teploty
okolí a dlouhého přebíjení) dojít k nastartování kyslíkového a vodíkového cyklu, což dále
zvyšuje teplotu článku a může vést až ke kolapsu článku (thermal runaway).
Poděkování
Tato práce byla podporovaná specifickým vysokoškolským výzkumem na VUT v Brně č.
FEKT–S–11–7 a EU projektem CZ.1.05/2.1.00/01.0014.
Literatura
[1]
[2]
[3]
66
P. Křivík, Studium tepelných změn v článku olověného akumulátoru, sborník 32.
nekonvenční zdroje elektrické energie 2011, s. 87-90, Hrotovice, ISBN: 978-80-0202323-4
D.Berndt, Valve regulated lead-acid batteries, Journal of Power Sources 100 (2001), s.
29-46, ISSN 0378-7753
H. A. Kiehne, Battery Technology Handbook, second edition, 2003, ISBN: 0-82474249-4
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
16
SYSTÉM PRO MĚŘENÍ, PREDIKCI A ÚSPORY ENERGIE V
DOMÁCNOSTECH
Jaroslav Šembera, Ivo Veselý, František Zezulka, Ondřej Sajdl
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektroniky a komunikačních technologií, Centrum
výzkumu a využití obnovitelných zdrojů energie, Kolejní 4, 61200 Brno
[email protected],
[email protected],
[email protected],
[email protected]
Abstrakt
Výroba, přenos a úspory elektrické energie jsou v poslední době velmi diskutovaným
tématem. Již v současné době je tento obor zasažen rozmachem obnovitelných zdrojů energie
a v blízké době lze očekávat mnoho dalších změn. Nejdiskutovanějším tématem jsou rozličné
„smart“ technologie, ať už se jedná o lokální „smart home“, nebo o globálnější „smart grid“.
S množstvím zapojených obnovitelných zdrojů a nedostatkem úložišť energie budou lidé více
motivováni využívat energii v době, kdy je dostupná. V současné době probíhá tato motivace
rozdílnými cenami dvou tarifních pásem, takzvaného vysokého a nízkého tarifu ceny
elektrické energie, jehož řízení má na starosti systém HDO. Je možné, že dojde k rozdělení do
více tarifních pásem a bude docházet k ještě větší motivaci řízení provozu spotřebičů na
základě výroby elektrické energie. V takovém případě bude důležité vyvinout systém, který
bude odběratelům umožňovat sledovat aktuální stav a řídit svojí spotřebu, ať už manuálně
úpravou svých návyků, nebo automatickým řízením spotřebičů.
Úvod
Systém pro měření, predikci a úsporu energie v domácnosti (dále jen SMPSE) je koncipován
tak, aby jeho nasazení vyžadovalo co nejmenší zásahy do stávajících instalací. Ruku v ruce
s tím jde i nízká cena zprovoznění systému. Snahou je využít co nejvíce technologií, které
jsou již součástí běžného života, a tím minimalizovat rozsah systému. SMPSE je stavěn
modulárně tak, aby mohl být průběžně upravován a rozšiřován o další funkcionality. Blokové
schéma základního systému lze vidět na obrázku 1.
Komunikace jednotlivých bloků je řešena pomocí bezdrátové sítě Wifi. Takovouto sítí je dnes
již vybavena většina domácností, u kterých lze s nasazením SMPSE počítat. Inspirací pro toto
řešení můžeme označit například využití sítě ethernet v průmyslu. Masově využívané prvky
mají nižší náklady na vývoj a výrobu, proto se díky své nízké ceně stávají atraktivní i v jiných
oblastech, než pro které byly prvotně určeny. Některé bloky, pro které je to polohově
výhodné, mohou být spojeny do jednoho většího bloku vybaveného jediným Wifi rozhraním.
Tímto dosáhneme snížení ceny a energetické náročnosti těchto bloků. Jednotlivé bloky jsou
vybaveny vlastní pamětí tak, aby mohly být schopny určitý čas pracovat bez přístupu do sítě.
67
O shromažďování a přístup k datům se ale stará server umístěný v síti. Kde je to vhodné,
může být tento server pouze softwarem nainstalovaným na PC v síti. Nevýhodou tohoto
řešení je, že tento počítač musí být zapínán minimálně v intervalu, který odpovídá periodě
zaplnění pamětí jednotlivých bloků. Další nevýhodou je přístup k datům z jiných zařízení
pouze v době, kdy je tento počítač v provozu. Výhodnějším řešením je využití datového
serveru s využitím nízkopříkonového počítače. Na trhu je mnoho zařízení schopných
spravovat databázi vybavených například operačním systémem linux a ethernetovým
rozhraním. Data jsou standardně ukládána na SD kartu, nebo flash paměť.
Stávající počítačová síť
LAN / WiFi
SMW
Vodoměr
SM1
Elektroměrový
rozvaděč
(hlavní jistič)
Bytový
rozvaděč
SM3
SMG
Plynoměr
SM2
Spotřebič
Zásuvkové okruhy
Světelné okruhy
Obr. 1: blokové schéma SMPSE
Vzhledem k tomu, že by informace o spotřebě energií mohly být nápomocny pro kriminální
činnost či jinak zneužity, je důležité, aby byla data dostatečně zabezpečena. Nemluvě o
možnosti ovládání některých spotřebičů. Zde se můžeme opřít o základní zabezpečení v síti
Wifi, nebo ho ještě zdokonalit kódováním dat. Nabízí se také možnost povolit přístup pouze
v rámci vnitřní sítě, bohužel za cenu komfortu sledování a ovládání spotřeby například
z dovolené či zaměstnání.
SMPSE je schopen získávat data z internetu. Tato schopnost přidává systému mnoho
zajímavých funkcionalit. Například může systém sám aktualizovat ceny energií pro výpočty
nákladů, sledovat aktuální tarif pro danou přípojku. Může ale také reagovat na předpovědi
počasí pro danou oblast a například v předstihu zasáhnout do regulace topného systému
v závislosti na vývoji počasí.
Modul SM1
Základní měření spotřeby elektrické energie pro domácnost či objekt obstarává elektroměr.
Moderní elektroměry jsou již vybaveny IR rozhraním, impulsním LED výstupem nebo
dokonce rozhraním některé z průmyslových sběrnic. Jedním z hlavních požadavků na SMPSE
je ovšem co nejsnazší instalace s co nejnižšími náklady. Z tohoto důvodu je tento základní
68
modul navržen tak, aby mohl být zapojen na standardní přípojku za elektroměr. Tato část
vedení je již v majetku odběratele, vyhneme se tedy, při dodržení všech předpisů, potřeby
zásahu distributora.
Obrázek 2 ukazuje blokové zapojení modulu SM1. Na pracovních vodičích jsou zapojeny
senzory potřebné pro měření příkonů. Současně je z tohoto přívodu modul napájen. V rámci
tohoto modulu je také nejvhodnější umístění datového a WEB serveru, který zajišťuje
shromažďování a poskytování naměřených hodnot.
SM1
WEB & Data
server
Zpracování dat
Úložiště dat
Elektrická
přípojka
Senzory
Domácí
elektrická
síť
Obr. 2: Blokové schéma modulu SM1
Přenos dat z tohoto modulu je, jako v celém systému, prováděn Wifi sítí, ale může být
s routerem spojen i kabelem. Ve vhodných případech by mohl být přenos dat provozován i po
silovém vedení.
Data naměřená modulem SM1 obsahují informace o kompletním odběru elektrické energie ze
sítě. Podrobnou analýzou těchto dat lze identifikovat chování jednotlivých spotřebičů, aniž
bychom měřili přímo daný spotřebič samostatně.
Modul SM2
Vyžadujeme-li měření konkrétního spotřebiče, je vhodné použít modul SM2. Je navržen jako
průchozí zásuvkový blok.
SM2
Wifi
a zpracování
dat
Senzor a
spínač
Spotřebič
Obr. 3: Blokové schéma modulu SM2
Jeho instalace je tedy nenáročná a nevyžaduje žádné odborné znalosti. Blokové schéma tohoto
modulu lze vidět na obrázku 3.
Tento modul může také sloužit pro ovládání spotřebiče. Bohužel dnes je mnoho spotřebičů
vybaveno digitálním ovládáním a pouhé připojení do sítě nestačí ke spuštění přístroje. Nové
moderní přístroje budou již vybavovány rozhraním pro jejich řízení, například podle normy
ČSN_EN_50523-1. Můžeme pouze doufat v dohodu mezi všemi výrobci o standartu, který
bude využíván pro komunikaci se všemi spotřebiči.
Data jsou mezi modulem a sítí opět přenášena Wifi sítí, ale je možné přenos navrhnout i po
silovém vedení. Modul musí být vybaven pamětí, která bude schopna uchovat naměřená data
69
použitou dobu tak, aby nedošlo ke ztrátě, například při výpadku síťové komunikace či
serveru.
Další moduly
SMPSE je systém vhodný i pro měření odběrů dalších energií a surovin, jako jsou například
dodávky plynu nebo vody. Vodoměry jsou standardně vybaveny optickým odečítacím
zařízením, na které lze zapojit reflexní snímač. Impulsy ze senzoru udávají informaci o
spotřebovaných jednotkách média. Některá měřící zařízení jsou přímo vybavena impulsním
výstupem.
Závěr
SMPSE je otevřený systém a může být doplněn o další moduly. Rozsah je omezen pouze
rozsahem Wifi sítě. Tuto síť také nemůžeme rozhodně považovat za spolehlivou, a proto není
systém vhodný k měření čí řízení v časově kritických oblastech.
Většina modulů je určena pro měření spotřeby elektrické energie, proto zde nedochází
k problému získání napájení pro měření a přenos dat. Některé moduly ale nepracují
s měřením elektrické energie, ale například s měřením kapalného media. V takových
případech by bylo vhodné využít power harvesting technologie. Například malá turbínka by
byla schopna napájet impulsní senzor vodoměru.
Poděkování
Tato publikace vznikla za podpory grantu Czech Science Foundation under the project
102/09/H081 “SYNERGY - Mobile Sensoric Systems and Network“ a European Regional
Development Fund under project No. CZ.1.05/2.1.00/01.0014.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
70
Energetický regulační úřad, Roční zpráva o provozu ES ČR 20011,
http://www.eru.cz/user_data/files/tiskove%20zpravy/V%C3%BDsledky%20provozu%2
0ES%20%C4%8CR%20za%2011_2011.pdf, Poslední aktualizace 9. 1. 2012
Veselý, I.; Šembera, J. (2011). Kogenerační jednotky v síti Smart grid. In Proceedings
of the 5th Annual Conference of Výsledky výzkumu, vývoje a inovací pro obnovitelné
zdroje. Kouty nad Desnou ČSN_EN_50523-1 Czech Republic, April, 2011, ISBN97880-85990-18-8, CEMC (Ed.), Praha 10
Národní norma, ČSN EN 50523-1, 2010
http://www.esmig.eu - European Smart Metering Industry Group, Smart Metering for
Europe, Accessed on: 2011-07-16
Švéda, M.; Beneš, P.; Vrba, R.; Zezulka, F. (2005). Industrial sensor network, In:
Handbook of Sensor Networks. editors: M. Ilyas, I. Mahgoub, pp. 251 - 276, CRC
Press, ISBN 0-8493-1968-4, London
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
17
MONITOROVÁNÍ PROVOZU VÝROBEN OBNOVITELNÝCH
ZDROJŮ ENERGIE
Jaroslav Pospíšil, Petr Pospíšil, Pavel Tureček
PROTECTION & Consulting, s.r.o., Olomoucká 7/9, 656 66 Brrno,
[email protected]
e-mail:
Abstrakt
Obnovitelné zdroje energie / OZE / připojené do DS v posledních letech se liší technickou
úrovní jednotlivých komponentů. Zvýšení spolehlivosti jejich výroby lze dosáhnout instalací
monitorovacích systémů, které plynule sledují činnost všech jejich částí, například u
fotovoltaické výrobny / FVE / - panelů, střídačů, elektrické části na straně vn, nn , tak i vlastní
spotřeby.
V článku jsou uvedeny i základní vlastnosti monitorovacích systémů pro OZE, jako příklad
pak komplexní systém PSC / Protection Solar Control /, který je především vhodný pro FVE.
Úvod
Během roku 2011 v rámci celé ČR vznikly zásadní poměry pro posouzení vlivu
obnovitelných zdrojů / současně FVE a VTE / na provoz naší elektrizační soustavy například
dne 10.4.2011 a „ideální“ klimatické podmínky - velmi nízká oblačnost a současně dostatečně
příznivé větrné podmínky. Výkonové poměry v naší elektrizační soustavě / ES / právě
z tohoto dne, kdy byla navíc neděle a tedy současně minimální odběr, by mohly sloužit po
vyhodnocení v dispečincích EONu, ČEZu a ČEPSu za relevantní pro posouzení vlivu
obnovitelných zdrojů, především fotovoltaických na provoz ES .
Spolehlivost výroby fotovoltaických systémů
V [1] je provedeno stručné shrnutí problematiky připojování FVE do sítí nn a vn za poslední 3
roky, kdy na úroveň technického řešení FVE má významný vliv i projekt elektrické části ,
vlastní realizace / druh panelů a typ střídačů /. Zvýšení provozní spolehlivosti FVE lze docílit
instalací monitorovacího systému s možností dálkového řízení, sledováním a měřením všech
provozních stavů, funkcí automatiky znovu zapínání jističů na straně nn.
Zvýšení spolehlivosti výroby z OZE lze dosáhnout instalací monitorovacího systému, který
plynule sleduje činnost všech jejich částí, například u FVE - panelů, střídačů, elektrické části
na straně vn, nn , tak i vlastní spotřeby.
Jako monitorovací systém OZE, speciálně pro FVE, lze použít například komplexní systém
Protection Solar Control / PSC /.
71
Monitorování provozních stavů výrobny OZE, systém PSC [ 2 ]
Základní charakteristikou monitorovacích systémů, například systému PSC, je plynulé
sledování činnosti fotovoltaické výrobny / FVE /, všech jejich částí – panelů, střídačů,
elektrické části na straně vn, nn i vlastní spotřeby. Archivuje do databází v reálném čase
provozní stavy FVE a měřené veličiny.
Přehledové schéma výrobny OZE – fotovoltaického systému / FVE / s instalovaným výkonem
2 MW – z pohledu monitorování provozních stavů je na obr. 1.
Obr. 1: přehledové schéma fotovoltaického systému 2 MW
Vlastní hardwarové řešení systému PSC je pomocí rozvodnice s ozn. MX1 [ 4 ].
Monitoring provozních stavů FVE - elektrické části na vedení vn
Indikaci provozního napětí vn v rozváděči vn v přívodním poli lze pomocí činnosti
napěťových ochran, případně indikátoru napětí.
Jsou možné provozní výpadky :
a)
b)
porucha na straně distribuční soustavy / DS /, je obvykle krátkodobého charakteru,
spojená s funkcí „opětného zapínání“ / OZ / na vedení vn,
plánovaná odstávka na straně DS i dlouhodobějšího trvání,
PSC ihned informuje provozovatele pomocí zpráv SMS nebo e-mailu o vzniklém výpadku.
Monitoring provozních stavů – vn rozváděč – rozpadové místo
U vn rozváděče systém PSC indikuje :
stav hlavního vypínače / odpínače ozn. QM / vypnuto nebo zapnuto /, stav vývodového
odpojovače QV a uzemňovače QU,
s ohledem na selektivní nastavení působení elektrických ochran, které monitorují vedení
vn; vedení vn se automaticky vypne v případě následujících poruch – podpětí, nadpětí,
podfrekvence, nadfrekvence; v případě poruchy el. ochran systém PSC identifikuje
příslušnou ochranu.
poruchu usměrňovače / ve stejnosměrném rozváděči RU1 /,
72
podpětí baterie / záložní zdroj 110 V DC / se signalizuje při hodnotě napětí 90 % Un,
k vypnutí baterie dochází při 80 % Un,
Monitoring provozních stavů – nn rozváděče
U nn rozváděčů systém PSC indikuje :
stav hlavních jističů v rozváděčích nn; hlavní jističe nn představují rozpadové místo na
straně nn a za nimi jsou instalovány podružné rozváděče nn s pojistkami na jednotlivé
kabelové vývody do skříní typu RIS,
působení elektrických ochran na straně nn / kombinovaná napěťovo-frekvenční
s ochrannými funkcemi U<, U>, F<, F> se selektivním nastavením a nadproudové a
zkratové spouště hlavního jističe,
ruční nebo automatické zapnutí hlavního jističe v jednotlivých rozváděčích nn.
Monitoring provozních stavů – řízení činného a jalového výkonu
U povelů správce sítě systém PSC indikuje :
možnost přechodného omezení výroby činného výkonu v následujících stupních - 0%,
30 %, 60 %, 100 % instalovaného výkonu; řídící systém PSC reaguje na povely správce
sítě u výroben FVE se střídači typu SMA pomocí Power reduce boxů / PRB /, kdy
dochází k omezení výroby přímo u střídačů.
pro FVE se požaduje řízení jalového výkonu z dispečinku v následujících stupních – cos
fi = 0,95 ind. cos fi = 0,97 ind, cos fi = 1, cos fi = 0,97 kap. a cos fi = 0,95 kap. ;
analogicky jako u činného výkonu systém PSC reaguje na povely správce sítě a pomocí
PRB.
Pro realizaci nových přístupů, které splňují technické požadavky z oblasti regulace
činného výkonu, regulace napětí a jalového výkonu, chodu OZE při různém napětí a
frekvenci, dodržení standardů jakosti elektrické energie je zapotřebí instalovat v OZE
rozvodnici dispečerského měření AXY, podle literatury [ 3 ].
Monitoring měřených veličin nn – analyzátor sítě
Systém PSC měří následující elektrické veličiny - soubor elektrických veličin nn rozváděčů,
napětí, proudy v jednotlivých fázích, činný a jalový výkon, účiník, pomocí analyzátorů sítě
s vysokou přesností; měření napětí a proudů s přesností ± 0,1 %, výkony, nesymetrii
s přesností ± 0,2 %, frekvenci s přesností ± 0,01 Hz.
Monitoring elektrické práce / elektroměr / FVE
Systém PSC měří skutečně vyrobenou elektrickou energii v kWh / okamžitou, denní,
celkovou / dodanou do DS, pomocí čtyřkvadrantového elektroměru. Vlastní elektroměr je
umístěn v rozvodnici obchodního měření RP1.
Monitoring střídačů FVE
Systém PSC měří okamžité hodnoty napětí a proudů jak na straně DC tak AC, velikosti
činného výkonu, frekvence, teplotu, velikosti napětí v optimální pracovním bodě MPP,
sleduje provozní stavy jednotlivých střídačů SMA , které poskytují Webboxy od SMA.
73
Vedle elektrických veličin měřených na stejnosměrné straně jsou významné elektrické
veličiny na střídavé straně , například účiník , výkon Pac / kW / a vyrobená celková elektrická
práce / kWh /.
Automatika znovu-zapnutí hlavních jističů QF na straně nn
Po vypnutí hlavního jističe QF v rozváděči nn se sleduje obnovení napětí na straně nn .
V případě jeho obnovení se resetují / vrátí / kontakty napěťovo-frekvenční ochrany do polohy
před vypnutím a připraví znovu-zapínací obvod k sepnutí jističů QF.
Závěr
Zvýšení spolehlivosti výroby z OZE lze dosáhnout instalací monitorovacího systému který :
plynule sleduje činnost všech jejich částí, například u fotovoltaické výrobny / FVE / panelů, střídačů, elektrické části na straně vn, nn a vlastní spotřeby,
umožňuje dálkového řízení, splňující technické požadavky z oblasti regulace činného
výkonu, regulace napětí a jalového výkonu, dodržení standardů jakosti elektrické
energie,
funkcí automatiky znovu-zapínání jističů na straně nn.
Jako monitorovací systém OZE, speciálně pro FVE, lze použít například komplexní systém
Protection Solar Control / PSC /.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
74
Pospíšil J., Tureček P., Effenberger T., Málek R. : Provozní zkušenosti fotovoltaických
výroben v sítích nn a vn, In. konference ČK CIRED, 2010
Kolektiv pracovníků fy Protection & Consulting, s.r.o. - Monitorovací a diagnostický
systém PSC, Brno, 2010
Hotárek M.: Požadavky připojování zdrojů do distribučních sítí E.ON Česká republika,
dokument E.ON, 10/2010
MX1 – skříň monitorovacího systému PSC, katalog fy Protection & Consulting, s.r.o.,
Brno, 2010
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
19
INTELIGENTNÍ SÍTĚ V RÁMCI STAND-ALONE SYSTÉMŮ
S VODÍKOVÝM HOSPODÁŘSTVÍM
Michal Morte
Katedra elektroenergetiky, FEL ČVUT Praha, Technicka 2, 166 27 Praha, tel: +420 224 353
949, email: [email protected]
Abstrakt
Článek nastiňuje ve třech stupních filosofii vytváření automatické inteligentní sítě (Smart
Grids) v regionálním stand-alone systému.
Základem konceptu je logická analýza
přirozeného jazyka, která je na základní úrovni určena syntaxí použitého jazyka (hardwarově
protokol TCP/IP, matematicky fuzzy množiny a genetické algoritmy), na střední úrovni
sémantikou (modelování a reprezentace prvků vodíkového hospodářství), a na nejvyšší úrovni
pragmatikou (interakce systému a operátora).
Úvod
Když se na počátku dvacátého století filosofie začala ohlížet po nových polích působnosti,
neboť ty staré jí věda od sedmnáctého století přetvořila ke svému obrazu, význačným
předělem se stal tzv. obrat k jazyku charakterizující analytickou filosofii, směr snažící se
pomocí formální logiky a argumentace vyjasnit filosofický diskurz. To však vyžaduje
přijmout prvotní předpoklad o možnosti logické struktury přirozeného jazyka vyjádřený
v sedmi základních větách Wittgensteinova Tractus logicus-philosophicus, které se dají
sumarizovat takto (dle [1]):
Svět je celek faktů, jenž určuje, co fakticky je a co fakticky není. Fakt je existence stavu věcí
(situací). Stav věcí je spojení předmětů (věcí). Věta je obrazem a modelem skutečnosti, je
pravdivostním funkcí elementárních vět. Logickým obrazem faktu je myšlenka (smysluplná
věta).
Dalším důležitým předpokladem obratu k jazyku je Carnapovo vymezení triády pragmatikasémantika-syntax. Zatímco pragmatické zkoumání propozice odkazuje k mluvčímu a jeho
postojům, sémantické se věnuje zkoumání jednotlivých výrazů a jejich designátů, a syntax
zkoumá vztahy (logické) mezi jednotlivými výrazy.
Nechme filosofům jejich zkoumání přirozeného jazyka a podívejme se, jak tento sto let starý
koncept logického pozitivizmu může být použit při budování Smart Grids neboli inteligentní
sítě regionálního stand-alone systému. Na začátku je potřeba nastínit požadavky, které
vytvoření takového systému v ČR přináší. Vzhledem k tomu, že odběrateli nebudou velké
průmyslové závody, nemocnice a další životně důležité provozy (ty musí být připojeny na
klasickou síť s několika centralizovanými zdroji), ale rozsáhlá skupina domácností, úřadů, a
malých podniků, můžeme pro takovou síť stanovit tyto základní body:
Vysoká automatizace systému, která od uživatelů nebude vyžadovat speciální znalosti
75
Vysoká bezpečnost, omezující možné úrazy na minimum
Schopnost pracovat bez zásahu a relativně bezpečně i v extrémních situacích (přírodní
katastrofy, záměrné poškození sítě)
Být rychle schopna přeorientovat se z grid-off na grid-on (připojení k distribuční síti) a
naopak
Být jednoduše řízena operátory z ústředí s minimem výjezdů
Předpokládejme, že v portfoliu daného regionálního energetického mixu budou zastoupeny
všechny druhy OZE, přičemž jedním z pilířů bude vodíkové hospodářství, což znamená, že
síť postavená na principech Smart Grids musí dodávat informace nejen o odběru energie, ale
též o stavu palivového článku. Centralizovaná výroba vodíku by pak mohla být realizována
v atomové elektrárně s reaktorem IV. generace (high-temeperature reactor).
Syntax
Telekomunikační sítě
Principy Smart Grids nemají, co se týče komunikace zatím dané žádné standardy, ale
předpokládá se využití protokolu TCP/IP a technologie Ethernet [2], neboť jsou již díky
využití v IT technologiích propracované a spolehlivé a jsou podporovány výrobci po celém
světě. Zatímco však informační sítě se přizpůsobují člověku jako koncovému zákazníkovi, v
průmyslových sítích komunikují mezi sebou především jednotlivé prvky soustavy a operátor
v SCADA (Supervisity Control and Data Acquitance) neboli v dispečerském centru řízení je
brán jako jeden z regulačních prvků. Pro celkové stand-alone uspořádání platí klasická
topologie obohacená o HAN (Home Area Network), který odpovídá inteligentní budově
s OZE technologiemi. Stand-alone komunitu může charakterizovat LAN (Local Area
Network), region obsahující více propojených stand-alone systémů a páteřní „grid –on“ síť
pro významné průmyslové podniky, nemocnice či vojenské objekty je popsán jako MAN
(Metropolitan Area Network), a konečně páteřní celorepubliková síť napájená
centralizovanými zdroji tvoří WAN (Wide Area Network). Podrobné modely pak mohou
pojmout i PAN (Personal Area Network) neboli určité pracovní místo (například uzel sítě).
Jazyk komunikace
Ač systém může být založen na predikátové logice prvního řádu, nejvhodnější se jeví využití
fuzzy množin [3]. Nechť X je klasická množina a μA: X→<0,1> nechť je zobrazení. Fuzzy
množinou pak budeme nazývat uspořádanou dvojici A = (X, μA), kde X je univerzum
množiny A, μA je charakteristická funkce množiny A. Interpretace pro daný prvek x
μA(x) = 0, pak prvek x do množiny A nepatří
μA(x) = 1, pak prvek x do množiny patří
μA(x) náleží (0,1), pak nelze s jistotou určit, zda prvek x patří do A, přičemž velikost μA(x) je
vyjádřením stupně míry příslušnosti prvku x k množině A
Nasazení fuzzy logiky má tyto výhody
systém má při běžném provozu více možností, jak vyhodnocovat důležitost požadavků od
jednotlivých koncových prvků, takže nedochází ve špičkách k zahlcení, a to se projeví taky
v úsporách při dimenzování hardwarové složky
systém dokáže rychle rozpoznávat nestandardní chování a předcházet možným krizovým
stavům
76
pokud přesto dojde k takovému stavu, systém dává operátorovi více možností jak efektivně
zasáhnout
Dalším zdokonalením systému může být adaptace procesu učení (genetické algoritmy).
Vhodné volné či nastavitelné parametry jsou nastavovány v průběhu řešení problému tak, aby
odchylka mezi požadovaným a skutečným výstupem byla minimální, a aby algoritmus
transformující v čase vstupy na výstupy měnil transformační funkci tak, aby výstupy
odpovídaly požadovanému tvaru.
Sémantika
Zatímco v lingvistice sémantika analyzuje vztah mezi výrazy a jejich designáty, v naší
koncepci se zabývá reprezentací jednotlivých prvků celého systému založeného na
vodíkovém hospodářství a jejich vyjádřením v komunikaci inteligentní sítě, tj. jaké veličiny a
charakteristiky je potřeba na daném prvku měřit a zasílat do SCADA. Tvůrce sítě musí
optimalizovat tok dat tak, aby linky nebyly zahlceny nepotřebnými daty, ale na druhou stranu
musí zajistit, aby v případě krizové situace operátorovi nechybělo nic podstatného. Bohužel
nástin převedení těchto prvků do matematické reprezentace systému „Smart Grids“ a „Standalone“ jde za možnosti tohoto článku.
Vybrané prvky vodíkového hospodářství
Palivové články (FC)
Předpokládá se širší využití vysokoteplotních SO (Solid Oxide) FC, zatímco nízkoteplotní
PEM (Proton Exchange Membráne) FC by měly být opuštěny jako nevýkonné. Vzhledem
k malým zkušenostem s vysokoteplotními FC v terciárním sektoru (domácnosti, úřady,
služby, manufaktury) je ovšem velmi pravděpodobné, že první vlna obchodního využití FC
bude využívat praxí vyzkoušené a v daném sektoru levné PEMFC.
Baterie (Akumulace energie)
Přes mnohaleté výzkumy, co se týče vysokoteplotních akumulátorů (NaS – Sodík-Síra,
NaNiCl – Sodík – Chlorid nikelnatý), jsou olověné akumulátory s kyselým elektrolytem
pořád tou nejlevnější a nejspolehlivější variantou. Pro jejich využití se nemusí vytvářet další
nová síť servisu a základní manipulaci zvládá i běžný uživatel. To platí i pro další rozšířené
typy se zásaditým elektrolytem: Nikl-kadmiové a Nikl-metal-hydridové. Lithium-Ion
akumulátory pak budou v budoucnu nahrazeny typy Lithium-Polymer bez jedovatého
kobaltu. Velkým akumulačním objemům vyhovují „Flow“ baterie (ZnBr, Vanadium Redox
(redukce-oxidace)), které se mohou též využít pro „Peak demand management“, tedy pro
zvládnutí nečekaných zátěží systému.
Obnovitelné zdroje energie
Jejich kombinace ve stand-alone systému se liší dle specifických přírodních podmínek daného
regionu a dle velikosti sítě.
Výroba vodíku v atomových elektrárnách
Vysokoteplotní (parní) elektrolýza (600 – 1000°C ) vyžaduje na vstupu páru a vodík. Z plynu
je na anodě oddělen iont kyslíku, který prochází membránou. Z elektrolyzéru vystupuje směs
obohacená a vodík je pak z páry oddělen v kondenzační jednotce. Při termochemickém
štěpení vody je voda rozdělena na kyslík a vodík pomocí série chemických reakcí (např.
77
siřičito-jódový cyklus), které jsou iniciované teplem nebo v případě hybridních cyklů teplem
a elektrickou energií.
Pragmatika
Mozek člověka si lze představit jako počítač, což využívá jedna větev filosofie mysli –
kognitivní věda. Ač nemůžeme její závěry hodnotit přísně vědecky, neboť jde o určitou hru se
smysly nikdy ne přesně vymezených pojmů (i když postavenou na přísně logickém systému),
lze tyto filosofické myšlenkové experimenty využít při tvorbě myšlenkových modelů pro
určité pracovní zaměření. Řešit rychle a přehledně určitou stresovou situaci, která ohrožuje
majetky či životy tisíců lidí vyžaduje dlouhý a intenzivní předchozí trénink. Platí však, stejně
jako v přípravě jídel, že i sebelepší recept potřebuje dobrého kuchaře, a tak i sebelepší
„kuchařská kniha“ pro případ nouze je k ničemu, když operátor není schopen zvládat mentální
zátěž, tj. není schopen vyhodnocovat mezi přicházejícími informacemi ty důležité,
interpretovat je a rozhodnout dle nich v co nejkratším časovém intervalu. Shrnuto,
myšlenkový model se vytváří pomocí [4]
Odborné výuky
Tréninku
Zkušenosti
Na operátora v krizové situaci ovšem doléhají též pasivní chyby způsobené nedokonalostí
systému, ve kterém se pohybuje – a to jak na technické úrovni (plná automatizace systému,
která neumožní operátorovi rychlý zásah), tak na společenské (zákony, vyhlášky, politická a
ekonomická rozhodnutí), a pokud se tyto chyby akumulují v krátkém časovém intervalu,
může dojít až ke kolapsu celé sítě.
Závěr
Kvalitní a dobře pracující regionální stand-alone systém není již záležitostí jednoho oboru, ale
potkává se v něm silnoproudá elektrotechnika s kybernetikou a matematikou, a pro řešení
krizových stavů je mnohdy nutné zapojit poznatky humanitních věd. Firma budoucnosti bude
muset pro komplexní řešení problému sestavit kvalitní tým, který dokáže řešit celý komplex
problémů vznikajících při obyčejném provozu či krizových stavech.
Poděkování
Děkuji Ing. Ivanu Petruželovi, CSc. za poskytnutí cenných poznatků obsažených v jeho
habilitačních
přednáškách.
Článek
je
podpořen
studentským
grantem
SGS12/068/OHK3/1T/13.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
78
VALENTA, Lubomír. Problémy analytické filosofie. Olomouc: Nakladatelství
Olomouc, 2003. ISBN 80-7182-150-0.
TLUSTÝ, Josef a kol. Návrh a rozvoj elektroenergetických sítí. Praha: ČVUT, 2011.
ISBN 978-80-01-04939-6.
POKORNÝ, Miroslav. Umělá inteligence v modelování a řízení. Praha: BEN, 1996.
ISBN 80-901984-4-9.
PETRUŽELA, Ivan. Význam myšlenkových modelů pro řízení elektroenergetických
soustav. Praha: ČVUT, 2009. ISBN 978-80-01-04495-7.
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
20
AKUMULAČNÉ PRVKY V ENERGETICKÝCH SYSTÉMOCH
Zdeněk Dostál
Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Inštitút Aurela Stodolu v Liptovskom
Mikuláši, Ul. kpt. J. Nálepku 1390, 031 01 Liptovský Mikuláš, Slovensko, e-mail:
[email protected]
Abstrakt
Činnosť energetických systémov bez výpadkov, najme systémov pre ostrovné systémy bez
možnosti napojenia na rozvodnú sieť (Grid off), sú závislé na zásobníkoch energie. Najskôr je
v článku ukázaných niekoľko príkladov zásobníkov biologických, technických alebo
spoločenských funkčných celkoch. Pre obnoviteľné systémy energie, určené pre ostrovné
systémy bez možnosti pripojenia do rozvodnej siete, sú tiež kľúčovo dôležité zásobníky
energie.
Analyzovaný bol elektrický akumulátor, ako krátkodobý zásobník energie pre fotovoltaický
energetický systém. Akumulátor je z hľadiska prevádzky citlivý na podmienky prevádzky ako
je teplota, prípadné otrasy, cyklus prevádzky, druh prevádzky, čo priamo limituje jeho
životnosť.
V závere sú analyzované možné prístupy k návrhu zostavy akumulátorov pre konkrétnu
aplikáciu ostrovného systému s obnoviteľným zdrojom elektrickej energie. V poslednom roku
je zabezpečenie energií pre chod ekonomiky a života obyvateľov vo všetkých štátoch, je stále
založený na spotrebe prevažne fosílnych palív. Vzhľadom ku politickej nestabilnosti
a konfliktom v Afrike a na Strednom východe dochádza stále k rastu cien týchto komodít na
svetovom trhu. Tento rast sa okamžite premieta do vývoja cien vo všetkých štátoch sveta.
Súčasne spoločnosť na celom svete postihli dôsledky katastrofy jadrovej elektrárne
v dôsledku zemetrasení a vlny tsunami v Japonsku.
Pokračujúce používanie fosílnych zdrojov energie spôsobuje ďalšie zmeny životného
prostredia v miere, v ktorej sú používané. Alternatívou takýmto zdrojom sú obnoviteľné
zdroje energie (OZE). Za obnoviteľné zdroje energie sú označené také zdroje energie, ktoré
nie sú založené na fosílnej podstate. Sú založené na využití takých zdrojov energie, ktoré sú
dostupné a priamo alebo nepriamo závislé na slnečnom žiarení [13, 14, 15, 20].
Ide o priame využívanie slnečného žiarenia pomocou solárnych článkov, koncentračných
článkov, solárnych kolektorov, ako aj nepriame využívanie slnečného žiarenia cez biomasu,
geotermálne zdroje, vodné zdroje, tepelné čerpadlá, veterné elektrárne, využitie morskej
energie ap. [1, 8, 9, 11, 12, 13, 14, 19, 21, 22]. Okrem zariadení získavania požadovaných
foriem energií musia byť používané zariadenia na úpravu, transformáciu a krátkodobé
a dlhodobé ukladanie energie [2, 3, 4, 6, 7].
79
Definícia zásobníkov
Termínom zásobník môžeme označiť prvok alebo zariadenie, ktoré umožňuje uložiť určité
množstvo hmoty alebo energie. Forma hmoty alebo energie je špecifická podľa toho, o akom
procese uvažujeme.
Funkciu zásobníka môže byť celkom nenápadná, na prvý pohľad nepovšimnutá. Preto sa
môže javiť, že zásobník nie je prítomný. Pri tom je málo procesov, ktoré nemajú zásobník
energie. Príkladom bezzásobníkového procesu môže byť napríklad proces výroby svetla na
žiarovke, tlejivke, LED dióde a pod. Tento bezzásobníkový proces prebieha tak, že vstupuje
elektrická energia na tento elektrotechnický prvok, ktorý bude vyrábať svetlo a teplo. Výroba
tepla a svetla bude prebiehať len po dobu dodávky elektrickej energie. Prechodové javy
neuvažujeme, pretože oneskorenie nábehu tohto procesu je vykompenzované dosvitom. Musí
platiť zákon zachovania energie. [3, 4, 5, 10].
Rovnako aj pre všetky systémy, ktoré obsahujú zásobník, musí platiť zákon zachovania
energie. Všetky zásobníky v týchto systémoch ukladajú hmotu alebo energiu, ktorá je
dodávaná predchádzajúcim prvkom systému. Uloženú hmotu alebo energiu odovzdávajú
nasledujúcemu prvku systému, ktorý je definovaným spôsobom využíva.
Zásobníky v rôznorodých systémoch
Je potrebné si uvedomiť, že takmer všetky systémy v prírode obsahujú zásobníky.
Príkladom z biológie môže byť hociktorý živočích. Všimnime si medveďa. Celé leto sa kŕmi
a vytvára si tukové zásoby na zimu. Toto obdobie môžeme definovať ako veľká výroba
energie formou prijímanej potravy. Časť energie medveď spotrebuje na pohyb, ale zvyšok
energie uloží do tukovej zásoby na tele, čo je ten zásobník. V zimnom období síce spí, ale po
toto obdobie uloženú energiu v tuku spotrebováva na funkciu orgánov počas spánku.
Evidentne musí byť príjem energie taký, aby vytvoril dostatočné zásoby na dobu zimného
spánku. Zásobník tak vyrovnáva tok prijímanej energie počas leta a vydávanej energie na
spotrebu počas zimy. V prípade nedostatku energie, uloženej v tukových zásobách, hrozí
medveďovi koniec života, to je smrť.
Iný príklad môže byť automobil. Na čerpacej stanici behom niekoľkých minút naplní svoju
nádrž palivom, čiže nadobudne množstvo energie. Potom pri jazde pomaly spaľuje palivo,
spotrebováva energiu. Ak je odstavené na parkovisku, spotreba energie je prerušená. Palivová
nádrž vyrovnáva tok príjmu a tok odberu energie formou načerpania a spaľovania paliva. Ak
je energia v nádrži vyčerpaná, došlo palivo, auto sa zákonite zastaví.
Výrobný podnik realizuje proces výroby, ktorý umožní vyrábať tovar alebo energiu
v definovaných cykloch. Spotreba alebo odber tohto tovaru či energie je ale určený iným
cyklom, inými pravidlami. Potom vyrobená produkcia je odložená do skladu. Z tohto skladu
je odvážaný tovar či energia do skladu predajne.
Každá predajňa má vždy sklady. Výrobca dodá množstvo svojich výrobkov, čo je príjem
materiálu a predavači ponúkajú zákazníkom tento tovar. Tovar sa môže rýchlo alebo pomaly
míňať, po čas noci je obchod zavretý, predaj neprebieha.
V tomto prípade opäť obidva sklady plnia funkciu vyrovnania toku výroby a spotreby tovaru
či energie.
Rodinné hospodárstvo funguje tak, že zo zarobených peňazí si rodinní príslušníci vytvárajú
zásobu, uloženú na osobnom účte, za ktorú po čase nakúpia potrebný tovar alebo službu.
Tovarom môže byť automobil, postavený dom, vykonané zemné práce a podobne. V tomto
80
prípade osobný účet je tým zásobníkom, ktorý umožní zladiť tok vstupujúcich
a vystupujúcich finančných prostriedkov.
Je potrebné poukázať aj na iné formy toku financií v takomto prípade. Ak do uvedeného
procesu vstúpi faktor pôžičky, je možné uskutočniť nákup tovary skôr, ako je našetrené
dostatočné množstvo finančných prostriedkov. Šetrenie finančných prostriedkov pokračuje do
doby splatenia požičanej čiastky finančných prostriedkov. Avšak každá finančná pôžička je
požičaná za niekoľkopercentný úrok. To znamená, že rodina musí našetriť a splatiť aj úroky
za pôžičku. Takto má pôžička niekoľko aspektov, nevýhodných pre rodinu. Ako prvé
znamená pôžička predraženie nákupu tovaru. Ak rýchly nákup neprinesie zreteľné zvýšenie
príjmu finančných prostriedkov, jednoznačne sa neoplatí. Súčasne je tu aj nemalé riziko, že ak
nebude pôžička splatená a j s úrokmi, rodina sa dostane do existenčných problémov.
Tlak na rodinu v zmysle zobrať si pôžičku je v súčasnosti stupňované reklamami rôzneho
druhu. Podstata reklám je v neúplných informáciách a klamstve o výhodnosti takýchto
pôžičiek.
Výroba potravín v svojej prirodzenej a ekologickej forme je už od ranných čias ľudstva. Ak
sú vypestované rastlinné potraviny, začne okamžite ich uskladnenie, prípadne konzervácia. Sú
tak vytvorené zásobníky obilia, kukurice, zemiakov, ovocia, zeleniny. Po krátkom čase sú
vypestované produkty konzervované ako konzervy, zaváraniny, sirupy. Chované živočíšne
potraviny sú spracovávané v inom cyklu. Priebežne sú porážané a mäso dodávané do
obchodov, časť produkcie je konzervovaná mrazením alebo výrobou konzerv a údenín.
Zásobníkom týchto produktov sú obilné silá, sklady konzervovaných potravín, chov zvierat za
účelom zabezpečenia potravín. Existencia týchto zásobníkov umožňuje potraviny priebežne
na celý rok pre obyvateľov. Nebudeme rozoberať výhody a nevýhody tohto systému, má tento
ale jednu slabinu. Je veľmi neužiteľný zásahom politikov a podnikateľov, ktorí za účelom
osobného zisku sú ochotní vyrabovať celospoločenské zásobníky.
Z oblasti potravín je možné si predstaviť iný príklad, kde mraznička bude v pozícii zásobníka
potravín. Raz do roka, počas sezóny, je možné do mrazničky ukladať zeleninu a ovocie.
Mraznička je tak plnená jednorázovo, raz do roka, v čas sezóny zberu ovocia alebo zeleniny.
Po zvyšnú časť roka je ovocie a zelenina postupne po častiach odoberaná a spotrebovávaná.
Postupnosť odoberania je daná požiadavkami užívateľa, to znamená že je celkom
nepravidelná a náhodná. Ak bude do mrazničky doplnené malé množstvo ovocia a zeleniny,
nepostačí na celý zvyšok roka do nasledujúcej sezóny zberu novej úrody. Ak bude odber
postupovať intenzívne, tiež obsah nevystačí na celý zvyšok roku. Ak bude doplnené viac
úrody, ako sa počas roka odoberie, pri nasledujúcej úrode bude v mrazničke ešte zvyšok
predchádzajúcej úrody. Takýto prístup má výhodu v tom, že prípadná nasledovná úroda môže
byť slabšia a potom zvyšok z minulého roka pomôže vykryť bežnú spotrebu na ďalší rok.
Voľba veľkosti mrazničky je teda veľmi komplikovaná úloha, závislá na charakteru plnenia
a tiež na charakteru odberu.
Každý fyzikálny, biologický alebo spoločenský systém si vytvára zásobníky na zabezpečenie
svojej činnosti v čase zníženého prísunu materiálu alebo energie, alebo na realizáciu
krátkodobých a intenzívnych výdajov materiálu alebo energie. Ak takýto systém používa
určitý proces, napríklad spaľovanie paliva, tento proces funguje len pri dostatku paliva,
v opačnom prípade je jeho funkcia ukončená. Na zabezpečenie tohto procesu pri je potrebné
vytvoriť zásobník, ktorý eliminuje výpadky v dodávkach materiálu (paliva) [5, 16, 17, 18].
81
Zásobníky v energetických systémoch
Rovnako ako systémy, používajúce rôzne materiály, fungujú aj energetické systémy.
Vodná elektráreň potrebuje na svoju činnosť dostatok vody. Preto je pri výstavbe elektrárne
stavaný aj zásobník vody, zvyčajne v podobe vodného diela, to je priehrady. Priehrada zadrží
množstvo vody, ktoré môže vodná elektráreň využívať. Voda do vodného diela priteká
riekami a potokmi. Prítok je limitovaný ročným obdobím a tiež aktuálnou meteorologickou
situáciou. Odber vody je daný dobou činnosti energetických blokov hydroelektrárne.
Vodné dialo tak umožňuje vyrovnávať pomer medzi časovým priebehom prítokov vody
a časovým priebehom odberu vody pri činnosti energetických blokov hydroelektrárne.
Vodohospodári musia zabezpečiť efektívne plnenie vodného diela vodou tak, že budú
minimalizovať bránenie prítokov vody. Súčasne ale, ak je veľký prítok vody, pri nadmerných
meteorologických zrážkach, potom môže preplnené vodné dielo púšťať vodu prepadom bez
úžitku.
Prečerpávacia vodná elektráreň je typ vodnej elektrárne, vybudovanej na vykrývanie
špičkovej spotreby v rozvodnej energetickej sieti. Elektráreň si vytvára zásobník energie
v množstve vody v hornej nádrži. Vodu tu načerpajú turbíny bloku vodnej elektrárne v čase
prebytku elektrickej energii v rozvodnej energetickej sieti, čo je spravidla v nočných
hodinách. Energiu z vody v hornej nádrži využívajú na pohon turbín bloku vodnej elektrárne
v čase špičkového odberu elektrickej energii v rozvodnej energetickej sieti, čo je spravidla
v doobedňajších hodinách a čiastočne v poobedňajších denných hodinách. V prípade
vyprázdnenia hornej nádrže je vyprázdnený zásobník, elektráreň prestane fungovať, zastaví
sa.
Vodná elektráreň na morský príliv majú výhodu v tom, že vody majú vždy dostatok.
Periodicky sa mení príliv a odliv, to definuje cyklus činnosti elektrárne. More je dostatočný
zásobník vody a vplyv mesiaca bude na najbližšie storočia takmer bez zmeny.
Vodná elektráreň na silu vĺn sú závislé na meteorologickej situácii. Ak je silný vietor a sú
veľké vlny, potom je výroba efektívna. Elektráreň musí odolať prípadným tajfúnom.
V prípade kľudného počasia je elektráreň mimo prevádzku. Zásobník energie je
v meteorologických procesoch, ktoré spôsobujú vlny na mori. Avšak v tomto prípade nie je
v ľudských silách pôsobenie tohto zásobníka nasmerovať v prospech elektrárne. Preto
lokalizácia takéhoto typu elektrárne je výhodná len v oblastiach so stabilnou veternou
situáciou.
Tepelná elektráreň zakladá svoju činnosť na spaľovaní uhlia, ropy, zemného plynu, čím sa
získa teplo na ohrev vody, výrobu pary a pohon parnej turbíny. Vzhľadom k efektívnosti
činnosti tepelnej elektrárne je potrebné, aby chod elektrárne bol nepretržitý. Zásobníkom
energie je sklad uhlia, nádrže s ropou či zemným plynom. V prípade výpadku dodávky palív
v dôsledku rôznych komplikácií musí zásobník tento výpadok vykryť. Ak sa zásobník
vyprázdni, je činnosť elektrárne ukončená, bloky elektrárne sa zastavia.
Existujú na svete projekty koncentračných tepelných elektrární, kedy je koncentrované
slnečné žiarenie využívané na ohrev vody, výrobu pary na pohon parnej turbíny
a elektrického generátora. Tento systém vyžaduje natáčanie systému na slnko. Lokalizácia
systému si výhradne vyžaduje vybrať vhodné a najmä stabilné meteorologické podmienky.
Príkladom sú lokalizácie v Nevadskej púšti v Severnej Amerike.
82
Tieto systémy nemusia vyrábať len elektrickú energiu, ale sú schopné vyrábať
vysokopotenciálne teplo, ktoré je schopné taviť materiály. Systémy nemajú zásobníky
energie, čiže v prípade nevhodných meteorologických podmienok sú odstavené z činnosti.
Jadrová elektráreň je v podstate tepelná elektráreň, kde zdrojom tepla je štepný proces
jadrového paliva. Zásobníkom energie je dostatok pripravených palivových tyčí v sklade na
nasadenie do reaktora. Prázdny sklad znamená ukončení činnosti elektrárne po vyhorení
paliva v nasadených palivových tyčiach. Efektívna činnosť elektrárne je tiež v prípade
nepretržitej prevádzky blokov jadrovej elektrárne.
Zásobníky v OZE
V poslednom období vznikli elektrárne na biomasu. Ide v podstate o tepelnú elektráreň, ktorá
získava potrebné teplo zo spaľovanej biomasy, čo je bioplyn, drevná štiepka, sušina
biologického pôvodu a podobne. Zásobníkom energie je zasa skládka alebo zásobníky
biopaliva. Elektráreň je tiež efektívna v nepretržitej prevádzke [8, 12, 21].
Aj keď veterné mlyny sú zariadenia známe už viacero rokov, veterná elektráreň vznikla až
v posledných desaťročiach. Vznik veternej elektrárne je spojený s dostupnosťou vhodných
technológií. Činnosť veternej elektrárne je závislá na veterných podmienkach. Zásobník
energie je taktiež v meteorologických podmienkach, ktoré sú neovládateľné človekom.
Z tohto dôvodu je lokalizácia veterných elektrární závislá na vhodných veterných
podmienkach. Najvýhodnejšie sú stabilné podmienky, ktoré sú zvyčajne na morskom pobreží,
kde sa vyskytujú pravidelné vetry, ako je napríklad mistrál [11, 22].
Fotovoltaické elektrárne sú závislé na meteorologických podmienkach, najmä na priamom
slnečnom žiarení. Viac či menej vhodné podmienky sú na povrchu celej zemegule. Sústava
fotovoltaických panelov vyrába elektrickú energiu, ktorú veľké elektrárne po úprave dodávajú
do rozvodnej energetickej siete. Nakoľko tieto elektrárne sú bez zásobníkov elektrickej
energie, výkyvy medzi výrobou a odberom tejto energie nie sú žiadnym spôsobom vykrývané
[1, 5, 9, 13, 16, 17, 21].
Niektoré varianty týchto fotovoltaických elektrární sú konštruované ako otočné, čím sa zvýši
efektívnosť výroby elektrickej energie a vyrobí sa jej aj viacej. Otočný systém vyžaduje
zložitejšiu mechanickú konštrukciu, ktorá zvyšuje počiatočné náklady na výstavbu.
Ďalší variant technológií fotovoltaických elektrární sú konštruované ako koncentračné
systémy. Sú to otočné systémy so zvýšenými nárokmi na presnosť natočenia na slnko. Tento
otočný systém je ešte náročnejší ako u otočných fotovoltaických elektrární.
Základným spôsobom získavania tepelnej energie je solárny kvapalinový alebo vzduchový
systém. Tento funguje na princípe premeny slnečného žiarenia na teplo. Slnečné žiarenie,
najmä v infračervenom pásme, dopadá na solárny kolektor, ktorý sa ohrieva a získané teplo je
pomocou kvapaliny alebo vzduchu prenášané na priamu spotrebu alebo do tepelného
akumulačného výmenníku. Nevýhodou tohto systému je potreba globálneho slnečného
žiarenia, najmä priameho. Počas noci systém teplo nezískava. Ďalšou nevýhodou je závislosť
na ročnom období a s tým spojenými sprievodnými afektami, ako je vplyvy snehovej
pokrývky, námrazy ap.
Zásobníkom energie je tepelný akumulačný výmenník v primárnom okruhu solárnej sústavy.
Ak je systém aplikovaný pre veľké prevádzky, musí byť akumulačný výmenník riešený
špecifickým spôsobom, alebo zložený z viacerých tepelný akumulačný výmenníkov. Pre
83
menšie aplikácie, napríklad pre ostrovné systémy, je možné použiť jediný tepelný
akumulačný výmenník, vyrábaný v potrebnej veľkosti.
Špecifický spôsob získavania tepelnej energie je geotermálny systém. Principiálne je
geotermálny systém podobný solárnemu systému. Získava nízkopotenciálne, ale aj
vysokopotenciálne teplo podobne ako solárny systém, lenže zdroj tepla nie je globálne
slnečné žiarenie, ale teplo v hlbinách zemskej kôry. Výhodou tohto systému je nezávislosť na
slnečnom žiarení, pracuje cez deň aj v noci a celoročne.
Zásobníkom tepelnej energie sú tiež akumulačný výmenník riešený špecifickým spôsobom,
alebo zložený z viacerých tepelný akumulačný výmenníkov, podľa veľkosti geotermálneho
systému.
Ostrovné systémy s OZE
Pre ostrovnú prevádzku sú zdroje elektrickej energie na báze fotovoltaických článkov
konštruované s elektrickým akumulátorom vo funkcii elektrochemického zásobníku.
Fotovoltaické články vyrábajú elektrickú energiu po čas priaznivých slnečných podmienok,
čo je cez deň a podľa meteorologickej situácie. Vyrobená energia sa alebo priamo
spotrebováva na prevádzku elektrických spotrebičov, alebo je uložená a na spotreby v dobe,
kedy nie je možné energiu vyrábať na fotovoltaických článkoch [5].
U ostrovných systémov je už dnes možné využívať malé veterné generátory, ktoré namiesto
fotovoltických článkov vyrábajú elektrickú energiu na okamžitú spotrebu a do
elektrochemických akumulátorov. Veterný systém je tiež priamo závislý na meteorologickej
situácii, čiže ak nefúka vietor, nevyrába sa elektrická energia. Avšak výroba elektrickej
energie nemusí skončiť so západom slnka, môže pokračovať aj počas veternej noci. [5, 11,
22].
Pre ostrovné systémy môžu byť využité aj systémy spaľovania biomasy. Pri upresnení ide
o výrobu nízkopotenciálneho tepla spaľovaním drevnej štiepky, drevných peliet. Vyrábané
teplo síce nepostačuje na pohon parného generátora, avšak sa dá využiť v jeho
nízkopotenciálnej rovine na vykurovanie domov. Zásobníkom energie je uskladnené
množstvo paliva. Výhodou tohto systému je, že príprava paliva cez rok môže byť pomerne
málo energeticky náročná, nakoľko pripravené drevo môže schnúť celom samostatne, avšak
potrebná doba je minimálne jeden rok. Ďalšou výhodou je, že tento spôsob výroby tepla je
možné využiť v čase jeho nedostatku, to je zimnom období.
Nie celkom typickým ekologickým zdrojom energie je tepelné čerpadlo. Tento systém
získava nízkopotenciálne teplo z okolitého prostredia tak, že prostredie ochladzuje a získané
teplo sústredí do výmenníka pre ďalšie použitie. Na svoju činnosť ale potrebuje elektrickú
energiu. Pomer medzi získanou tepelnou energiou a spotrebovanou elektrickou energiou je
orientačne 3:1. Tepelná energia je dostupnejšia v letných mesiacoch, v zimných je efektívnosť
tepelného čerpadla nižšia.
Zásobníkom energie je tepelný akumulačný výmenník na výstupe tepelného čerpadla.
Niekedy je vhodné zaradiť do systému prípravy elektrickej energie aj iný ako
elektrochemický zásobník – akumulátorová batéria, čiže zásobník stlačeného vzduchu.
Princíp využitia tohto zásobníku energie je v tom, že kompresor tlačí vzduch do zásobníku
v čase dostatočnej výroby elektrickej energie. Stlačený vzduch je možné používať súbežne s
činnosťou kompresora, ale umožňuje využiť stlačený vzduch aj v zvyšnom čase, podľa
84
potreby. Ak je tento zásobník zvolený dostatočne veľký, užívateľ bude mať k dispozícii
stlačený vzduch až do ďalšieho doplňovania vzduchu, prípadne s istou rezervou.
Značne je diskutovaný najvyššie ekologický spôsob ukladania energie do vodíkového
hospodárstva. Ak získavame elektrickú energiu z fotovoltického systému, môžeme pomocou
elektrolyzéra získavať z vody oddelené zložky vodík a kyslík. Ak tieto vyrobené plyny
uložíme do vysokotlakových fliaš, prípadne iným spôsobom, môžeme ich uložiť do skladu.
Spätné získavanie elektrickej energie je veľmi jednoduché. V palivovom článku prebehne
spätná reakcia vodíku a kyslíku ako bola v elektrolyzéri. Získanú elektrickú energiu môžeme
využiť v stacionárnych zariadeniach, ale aj v mobilných [4, 6].
Musíme vyzdvihnúť čisto ekologický cyklus tohto riešenia zásobovania energie. Čistá voda sa
s pomocou elektrickej energie rozloží na vodík a kyslík, čo sú ekologické materiály. Pri
spätnej reakcii kyslíku a vodíku dostaneme opäť čistú vodu. A cyklus sa môže opakovať.
Je potrebné konštatovať, že prípadná porucha na zariadení môže mať katastrofické dôsledky,
nakoľko vodík s kyslíkom môže vytvoriť výbušnú zmes. Toto je ale výzva do budúcnosti pre
konštruktérov.
Elektrochemický akumulátor ako zásobník elektrickej energie
Pri výrobe elektrickej energie pomocou fotovoltaických článkov je najvýhodnejšie uchovávať
časť elektrickej energie vo vyrovnávacích elektrochemických zásobníkoch, čo predstavujú
akumulátorové batérie.
Akumulátorové batérie sú značne komplikované elektrochemické zariadenie, u ktorého
užívateľa nebudú zaujímať všetky vysoko odborné problematiky. Užívateľa budú zaujímať
len parametre, ktoré hovoria koľko elektrickej energie a akým spôsobom je možné v nich
uložiť a akým spôsobom sa energia zasa dá odobrať a využiť.
V praxi sa najčastejšie používajú akumulátory olovené. Štartovacie akumulátory sú vyvinuté
pre použitie k benzínovým alebo naftovým motorom ako zásobník elektrické energie na
štartovanie a zabezpečenie elektrickej výbavy riadenia prevádzky motora. Pre potreby
systémov OZE sú vyvíjané iné typy akumulátorov. Tieto sú určené priamo pre použitie
v systémoch OZE, avšak je možné použiť aj trakčné, staničné akumulátory, v krajnom
prípade aj štartovacie. Okrem olovených je možné použiť aj iný typ akumulátorov, čiže
alkalické, gélové, VRLA a ďalšie. Najmä alkalické akumulátory majú čiastočne iné
prevádzkové vlastnosti, je potrebné sa s nimi v prípade použitia oboznámiť [2, 3, 7].
Niektoré charakteristiky elektrochemických olovených akumulátorov
Najčastejšie sa využíva základná zostava 12V olovenej akumulátorovej batérie v zostave 6
článkov. Každý článok sa vyznačuje pri hlbokom vybití napätím 1,8V a plnom nabití 2,8V.
Celá akumulátorová batéria sa vyznačuje pri hlbokom vybití napätím 10,8V a plnom nabití
16,8V [3, 2, 7].
Pre reálnu prevádzku akumulátorov je hodnota plného nabitia 15 až 16,5V. Nakoľko batéria
plynuje, je potrebné batériu neprebíjať, hrozí jej poškodenie.
Stav úplného vybitia signalizuje aj hustota elektrolytu 1,12g/cm3 a plného nabitia je hustota
elektrolytu 1,28g/cm3.
85
V niektorých aplikáciách sa môžu používať 6V akumulátorové batérie, zložené z 3 článkov.
Táto batéria sa vyznačuje pri hlbokom vybití napätím 5,4V a plnom nabití 8,4V. Jej vlastnosti
sú analogické 12V batérii [2, 7].
Vplyv teploty na kapacitu oloveného akumulátora
Ak budú používané akumulátory v mobilných zariadeniach, je možné, že budú vystavené
vplyvu zmien teploty. Potom bude kapacita klesať s klesajúcou teplotou podľa závislosti na
obrázku 1 [2, 7].
Závislosť kapacity akumulátora na teplote
30
Teplota /°C/
20
10
0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-10
-20
-30
Kapacita /% /
Obr. 1: Závislosť kapacity akumulátora na teplote
S klesajúcou teplotou hrozí aj zamrznutie akumulátora. Nabitá batéria s hustotou elektrolytu
1,28g/cm3 znesie teploty až –50°C, hlboko vybitá batéria s hustotou elektrolytu 1,12g/cm3
mrzne už pri –10°C.
Avšak v prípade, že akumulátory budú použité v stacionárnom zariadení, dá sa predpokladať,
Nabíjanie olovených akumulátorov
Výrobca každého typu akumulátora udáva aj optimálne spôsoby ich nabíjania. Napríklad
firma Varta odporúča nabíjanie olovených akumulátorov prúdom I2 = 0,12.C až do
plynovanie, čo je pre 12V akumulátor napätie asi 14,4V. Potom pokračovať prúdom I1 =
0,06.C do plného nabitia, čiže po napätie 16,8V. Nabíjať je možné aj iným prúdom I3 = 0,1.C
alebo menším až do plného nabitia, to je po napätie 16,8V. Kapacita C je hodnota, udávaná
výrobcom na štítku typu batérie v ampérhodinách (Ah) [2, 7].
86
Platí, že nabíjanie nižším prúdom je pre akumulátor šetrnejšia, menej skracuje jeho životnosť,
avšak potrebuje dlhšiu dobu na nabitie. V tabuľke 1 je uvedený príklad nabíjacích prúdov
vybraných typov olovených akumulátorov.
Tab. 1: Príklad nabíjacích prúdov vybraných typov olovených akumulátorov
Kapacita
Nabíjacie prúdy
oloveného
akumulátora I1 = 0,06.C I2 = 0,12.C I3 = 0,1.C
C
[Ah]
[A]
[A]
[A]
40
2,4
4,8
4
45
2,7
5,4
4,5
55
3,3
6,6
5,5
100
6
12
10
120
7,2
14,4
12
230
13,8
17,6
23
Doba na
plné nabitie
pre prúd I3
T
[hod]
10 - 12,5
10 - 12,5
10 - 12,5
10 - 12,5
10 - 12,5
10 - 12,5
Udržiavací
prúd
IU = (0,0002-0,001).C
[mA]
8 – 40
9 – 45
11 – 55
20 – 100
24 – 120
46 – 230
Profesionálne nabíjačky by mali tieto odporúčané parametre nabíjania spĺňať. Preto sú
vyrábané nabíjačky s charakteristikou U, to je s konštantným nabíjacím napätím
a s charakteristikou I, to je s konštantným nabíjacím prúdom. Amatérske nabíjačky je
potrebné skonštruovať na menší prúd, ako je stanovený. Je potrebné priebežne kontrolovať
napätie na svorkách akumulátora, aby nedošlo k prebíjaniu, avšak nabíjanie trvá dlhšie.
Problematické sú regulátory, použité v automobiloch, prípadne v zostavách OZE. Tieto
profesionálne vyrábané zariadenia však v reáli nie celkom dosť presne dodržiavajú nastavené
limity, preto môžu akumulátory byť nabíjané nie vždy do stavu plného nabitia.
V prípade končiacej životnosti akumulátora niektorý výrobca odporúča nabíjať akumulátor
nesymetrickým striedavým prúdom s pomerom vybíjania a nabíjania 1:5 alebo 1:10. Vybíjací
prúd má depolarizačné účinky na elektródach, čo zvyšuje účinnosť nabíjania. Takýmto
spôsobom je možné niekedy „oživiť“ akumulátor, ktorý nemá vyčerpanú aktívny hmotu
elektród [2, 7].
Životnosť olovených akumulátorov
Pre užívateľa olovených akumulátorov je veľmi dôležitým parametrom ich životnosť. Je
potrebné si uvedomiť, akým spôsobom budú tieto akumulátory prevádzkované [2, 7].
Akumulátor v prevádzke trakčnej, to je na pohon elektrických vozíkov, ide o cyklické
striedanie stavu plného nabitia a plného vybitia. Akumulátor vo vozíku bude plne nabitý
a vozík bude behať, pokiaľ nebude akumulátor hlboko vybitý. Potom bude opäť nabíjaný.
V takomto režime akumulátor udáva počet nabíjacích cyklov, ktoré by mal akumulátor
vydržať, pokiaľ bude prevádzkovaný normálnym spôsobom, čiže pokiaľ nebude mechanicky
poškodený alebo vystavovaný nízkym alebo vysokým teplotám. Ak bude aj zvyšná
požadovaná starostlivosť dodržaná, čiže pravidelné dolievanie destilovanej vody, čistota ap.,
akumulátor môže vydržať aj viac nabíjacích cyklov. Toto je ale individuálne, nakoľko to
závisí aj od kvality výroby každého kusu akumulátora.
Akumulátor v trakčnej prevádzke môže byť dobíjaný tiež častejšie, skôr ako dosiahne
hlbokého vybitia. Čiže vozíky sú ráno plne nabité a po celodennej prevádzke, rôzne vybité, sú
87
cez noc opäť dobité do plne nabitého času. Tento cyklus bude mať iný priaznivý vplyv na
životnosť akumulátora, nakoľko väčšinou predchádza stavu hlbokého vybitia. Podľa stupňa
vybíjania a teploty je možné prevádzku akumulátorov deliť na:
ľahká - s vybíjaním do 60% a teplotou do +30°C,
normálna
- s vybíjaním do 80% a teplotou okolo +30°C,
ťažká - s vybíjaním do 80% a teplotou nad +30°C.
Akumulátor v staničnej prevádzke alebo v aplikácii v systémoch OZE. Táto aplikácia sa
vyznačuje iným režimom nabíjania a vybíjania. Zvyčajne je nabíjanie realizované pravidelne,
prípadne nepretržite. Nabíjací prúd je limitovaný alebo nabíjačkou alebo fotovoltickými
článkami, ktoré ale nemusia tento prúd dodávať konštantný. Sústava by ale mala byť
navrhnutá tak, aby špičkový prúd nepresiahol stanovený nabíjací prúd akumulátora. Ak je
akumulátor plne nabitý, môže byť nepretržite dobíjaný udržiavacím prúdom. Udržiavací prúd
v plne nabitom stave akumulátora má za úlohu len kompenzovať samovybíjanie akumulátora.
Hodnota udržiavacieho prúdu je výrobcom stanovená IU = (0,0002 ÷ 0,001).C, pri čom C je
hodnota kapacity akumulátora, tabuľka 1. Vybíjanie ale je celkom nepravidelné, závisí od
prípadných výpadkov dodávky elektrickej energie z rozvodnej siete a časového intervalu
tohto výpadku. V takom prípade môže dôjsť k vybíjaniu len a na niekoľko percent, ale pri
dlhšom výpadku môže ísť o vybitia až k hlbokému vybitiu, čiže aj na 100%. Potom tento
akumulátorový systém môže tiež vypadnúť.
Výrobca udáva životnosť prevádzky trakčného oloveného akumulátora v cyklickom režime
pomocou počtu cyklov, viď. tabuľka 2. Životnosť batérií je uvedená za predpokladu vybíjania
maximálne na 60% [2, 7].
Tab. 2: Príklad životnosti vybraných typov trakčných olovených akumulátorov
Typ
GEL 06160
GEL 12050
GEL 12070
GEL 12090
GEL 12100
GEL 12110
GEL 12160
PzS 12056
PzS 12077
PzS 12103
PzS 12113
PzS 06173
PzS 06175
Napätie
U
[V]
6
12
12
12
12
12
12
12
12
12
12
6
6
Životnosť
Kapacita
C5
[Ah]
160
50
70
90
100
110
160
56
77
103
113
173
175
C20
[Ah]
200
64
88
113
125
138
200
[cyklov]
800
800
800
800
800
800
800
1 000
1 000
1 000
1 000
1 000
1 000
Firmou Hawker sú vyrábané staničné olovené akumulátory, ktoré majú pomerne rozdielnu
životnosť, viď. tabuľka 3 [2, 7].
88
Tab. 3: Príklad životnosti vybraných typov staničných olovených akumulátorov
Typ
Kapacita
pri 20°C
C10
[Ah]
200 ÷ 12 000
200 ÷ 3 000
18 ÷ 2 000
21 ÷ 288
22 ÷ 500
24 ÷ 550
540 ÷ 2 100
19 ÷ 1 689
12 ÷ 40
7,3 ÷ 347
2,5 ÷ 25
1,2 ÷ 40
OPzS
OPzV
Vb
VbV
HI, FTR
RG
HPW / HPWA
POWERSAFE
GENESIS
SBS
CYCLON
PHOEBUS
Životnosť
Doba
vybíjania
[roky]
15
15
15
12
10 ÷ 12
6÷8
5÷6
10 ÷ 12
8 ÷ 10
12 ÷ 15
10
5
30min ÷ 10hod
30min ÷ 10hod
10min ÷ 10hod
10min ÷ 10hod
10min ÷ 8hod
5min ÷ 8hod
1min ÷ 30min
10min ÷ 8hod
5min ÷ 3hod
1min ÷ 10hod
1min ÷ 8hod
5min ÷ 24hod
Priestory s akumulátormi musia byť vetrané okrem iného aj pre to, aby zvyšovanie teploty
neznižovalo životnosť akumulátorov. Súčasne by mali byť chránené proti poklesu teplôt, v
mraze sa znižuje kapacita. Optimálne je dobré dodržiavať teplotu na rovni +10 až +20°C. Pre
staničné akumulátory je možné vyjadriť závislosť životnosti na teplote grafom na obrázku 2
[2, 7].
Vplyv teploty na životnosť staničného
akumulátora
55
Minimálne
50
Maximálne
Teplota /°C/
45
40
35
30
25
20
15
10
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Roky
Obr. 2: Vplyv teploty na životnosť staničného akumulátora
89
Je potrebné špecifikovať aj dôvody, ktoré značne skracujú dobu životnosti akumulátorov [2,
7] :
Použitie elektrolytu a vody neodpovedajúcej čistoty.
Trvalé zaťažovanie veľkými nabíjacími a vybíjacími prúdmi.
Prebíjanie a hlboké vybíjanie.
Vysoká prevádzková teplota.
Veľká hustota elektrolytu.
Pokles hladiny elektrolytu pod horní rámy elektród.
Prevádzka v prostredí so škodlivými plynmi a parami.
Mechanické namáhanie – nárazy, otrasy, vibrácie.
Príznaky konca životnosti akumulátora
Podľa náročnosti prevádzky akumulátorov sa za koniec ich životnosti považuje napríklad
pokles kapacity C pod stanovenú úroveň kapacity plne nabitého akumulátora CN:
U staničných akumulátorov pod 80% CN.
U ostatných akumulátorov 70 až 50% CN.
U štartovacích akumulátorov sa tiež prejavuje zníženie štartovacej spoľahlivosti [2, 7].
Návrh zostavy akumulátorov pre konkrétnu aplikáciu
K návrhu zostavy akumulátorov pre konkrétnu aplikáciu je možné pristupovať z viacerých
pozícií. Ak je známy charakter zdroja elektrickej energie, musí zostava akumulátorov
vyrobenú energiu uložiť a postúpiť ju na spotrebiče. Iný prístup je daný súborom spotrebičov
a charakterom spotreby elektrickej energie. Zostava akumulátorov musí uloženú elektrickú
energiu postúpiť na spotrebiče. Ďalší prístup musí zohľadniť výdaj elektrickej energie po
určitý čas, kedy je výpadok výroby elektrickej energie. Pri návrhu je potrebné riešiť aj prístup
príjmu alebo výdaja špičkovej hodnoty elektrického prúdu. Prístup k návrhu zostavy
akumulátorov je ovplyvnený konkrétnou riešenou situáciou, prípadne požiadavkami
užívateľa.
Veľmi dôležité je stanoviť podmienky činnosti zostavy akumulátorov v konkrétnej aplikácii,
ako ľahkú, normálnu alebo ťažkú. Tieto podmienky určujú aj mieru rezervy a priamo
ovplyvňujú životnosť použitých akumulátorov.
Z toho vyplýva, že návrh zostavy akumulátorov pre konkrétnu aplikáciu je značne zložitá
úloha. Ak výrobca ponúka okrem komponentov na riešenie zostavy OZE aj niektoré zostavy
pre užívateľa, redukoval požiadavky spotrebiteľa a technické vlastnosti prvkov zostavy.
Vznikla tak zostava, zvyčajne označená obchodným označením a vyjadruje niektoré svoje
parametre užívateľovi. Táto možnosť je výhodná na riešenie iba niektorých požiadaviek
užívateľov. Avšak ak má byť zostava optimalizovaná na konkrétny a reálny prípad, je
potrebné tieto požiadavky definovať a návrh podľa toho realizovať.
V drvivom množstve prípadov sa pre nákup zostavy OZE rozhoduje užívateľ, ktorý nemusí
byť v tejto problematike zorientovaný. Výrobca je schopný radiť zákazníkovi, avšak
u obchodných organizácií je dostupnosť fundovanej rady otázna, pretože obchodník má iný
záujem ako je záujem užívateľa či dobré meno výrobcu. Obchodník má záujem predovšetkým
len predať, či už je zákazník neskôr viac alebo menej spokojný.
90
Využiteľné množstvo elektrickej energie v akumulátore
Riešenie otázky dostupného množstva elektrickej energie v akumulátore ovplyvňuje veľa
faktorov. Približný výpočet si môžeme urobiť na vybraných príkladoch akumulátorov:
štartovací 44Ah a staničný alebo trakčný 100Ah.
Budeme predpokladať deklarované napätie akumulátora v oboch prípadoch 12V, rozsah
nominálneho svorkového napätia od stavu hlbokého vybitia po stav plného nabitia 10,8 až
16,8V. Pre potreby výpočtov si vypočítame z tohto intervalu stredné napätie (10,8+16,8)/2 =
13V.
Bežný pracovný prúd je obmedzený pripojeným spotrebičom. Preto jeho hodnota sa môže
meniť od nuly po maximálnu, budeme uvažovať hodnotu pri zapnutí bežnej skupiny
spotrebičov. Táto hodnota je orientačná.
Špičkový prúd je zvyčajne krátkodobá hodnota. U štartovacích akumulátorov ide
o štartovanie motora. Najmä v zimných podmienkach štartovací prúd raste na hodnotu až
500A, niekedy aj viac. Súčasne pri nízkej teplote klesá kapacita akumulátora a taký štart ho
veľmi namáha [2, 7]. U trakčných akumulátorov musí byť špičkový prúd značne menší,
nakoľko by sa akumulátor rýchlo vybil.
Využiteľnú energiu, uloženú v akumulátoru môžeme vypočítať pre jeden cyklus
z deklarovanej menovitej hodnoty kapacity v ampérhodinách (Ah):
W
U .I .t
13 .44 .1 572
[Wh]
(1)
kde U je stredná hodnota svorkového napätia, I je prúd, určený z kapacity akumulátora pre 1
hodinu, t je doba odberu energie 1 hodina.
Pre druh prevádzky akumulátra určíme množstvo využiteľnej energie a tiež množstvo energie,
ktorá v akumulátoru ostala, ktorú by bolo možné vybrať, avšak akumulátor by bol hlboko
vybitý. Čím je ľahší druh prevádzky akumulátora, tým sa menej skracuje životnosť
akumulátora [2, 7]. Túto energiu je možné vybrať len v kritických situáciách. Preto sa s ňou
pre normálnu prevádzku nepočíta.
V tabuľke 4 sú uvedené hodnoty výpočtu uloženej využiteľnej energie pre zvolené typy
akumulátorov.
91
Tab. 4: Príklad využiteľnej elektrickej energie v akumulátoroch
Štartovací 44Ah
Staničný 100Ah
Životnosť
Deklarované svorkové napätie
12 V
12 V
Nominálny rozsah svorkového
10,8 ÷ 16,8 V
10,8 ÷ 16,8 V
napätia
Stredné svorkové napätie
13 V
13 V
Bežný pracovný prúd
10 A
10 A
Špičkový prúd
500 A
100 A
Energia v plne nabitom
572 Wh
1300 Wh
akumulátore (W)
Ľahká prevádzka - vybitie do 343,2 Wh
780 Wh
60%, teplota do +30°C
Rezerva do hlbokého vybitia
228,8 Wh
520 Wh
Normálna prevádzka - vybitie 457,6 Wh
1040 Wh
do 80%, teplota okolo +30°C
Rezerva do hlbokého vybitia
114,4 Wh
260 Wh
Ťažká prevádzka - vybitie do 457,6 Wh
1040 Wh
80%, teplota nad +30°C
Rezerva do hlbokého vybitia
114,4 Wh
260 Wh
9 ÷ 11 rokov
6 ÷ 8 rokov
3,5 ÷ 4,5 rokov
Ak je uvedené množstvo využiteľnej energie pre konkrétnu aplikáciu malé, je možné
kombinovať akumulátory paralelne prípadne sériovo, čím je prevádzka systému na vyššom
napätí ako 12V, prípadne väčších prúdoch. Rozhodujúce ale je to, že sa tak zvyšuje množstvo
využiteľnej energie. V takom prípade už môže byť toto množstvo zaujímavé a dostatočné,
viď. tabuľka 5.
Tab. 5: Množstvo energie vo viacakumulátorových zostavách
Akumulátor 12V,
100A, 100Ah, 1hod
ks
1
2
2
4
10
10
20
Kombinácia
akumulátorov
1
Paralelná
Sériová
Sérioparalelná
2+2
Sérioparalelná
2+2+2+2+2
Sériová
Sériová
Napätie stredné 13V
Prúd za 1hod
Energia
U
13 V
13 V
26 V
26 V
I
100 A
200 A
100 A
200 A
W
1 300 Wh
2 600 Wh
2 600 Wh
5 200 Wh
26 V
500 A
13 000 Wh
130 V
260 V
100 A
100 A
13 000 Wh
26 000 Wh
Výhody paralelných kombinácií akumulátor je malé prevádzkové napätie, avšak značné
prevádzkové prúdy. Z technického hľadiska si toto vyžaduje dostatočne väčšie prierezy
vodičov na prenos týchto prúdov, aby sa vodiče nahriali. Nepríjemný je ohrev spojov
v dôsledku veľkých prúdov cez aj malé prechodové odpory.
Naopak pri sériovej kombinácii akumulátorov je vyššie prevádzkové napätie, ktoré môže byť
aj nebezpečné pri nižších prúdoch. Z technického hľadiska to znamená prenos výkonu
s menšími prúdmi, avšak pri napätiach, ktoré môžu byť pre montérov nebezpečné.
92
Niektorá zo sérioparalelných kombinácií ale pri vyššom napätí, to je 24V, 36V, 48V, alebo
blízkom napätí sa prenáša výkon pri vyšších prúdoch, ktoré ale často nemusia prekročiť
hodnotu 100A.
Optimálny režim prevádzky oloveného akumulátora v zostave OZE
Po zvážení všetkých charakteristík oloveného akumulátora je potrebné definovať parametre
jeho prevádzky. Parametre prevádzky zostavy OZE by mali odpovedať definovaným
podmienkam činnosti akumulátora.
Nakoľko je výroba elektrickej energie závislá na meteorologických podmienkach a spotreba
elektrickej energie na potrebách užívateľov, je možné definovať, že obe činnosti majú
strochastický charakter. Akumulátor, ako krátkodobý zásobník energie, musí tuto energiu
prijímať a odovzdávať. Ak sa bude príjem a výdaj elektrickej energie nachádzať
v stanovených limitoch, nebude sa neprimerane znižovať životnosti akumulátorov.
Stochastický charakter výroby elektrickej energie ale môže spôsobiť nedodržanie
definovaných limitov, potom akumulátor ponúka určité množstvo rezervnej energie. Stav
čerpania rezervnej energie by mal nastávať veľmi sporadicky, nakoľko sa pri ňom rýchlejšie
skracuje životnosť akumulátora.
Budem predpokladať použitie staničného akumulátora 100Ah s deklarovaným svorkovým
napätím 12V. To znamená, že rozsah nominálneho napätia od stavu hlbokého vybitia do stavu
plného nabitia je 10,8 až 16,8V [2, 3, 5, 6, 7].
Budeme predpokladať stredné svorkové napätie 13V, bežný prevádzkový prúd vybíjania do
10A a špičkový vybíjací prúd do 100A. To dáva uloženú energiu pre prípadnú spotrebu
1300Wh, viď tabuľka 6.
Tab. 6: Príklad použitia akumulátora v zostave OZE
Staničný 100Ah
Životnosť
Deklarované svorkové napätie
12 V
Nominálny rozsah svorkového napätia
10,8 ÷ 16,8 V
Pracovný rozsah svorkového napätia
10,8 ÷ 14,7 V
v zostave OZE
Stredné svorkové napätie
13 V
Bežný pracovný prúd
10 A
Špičkový prúd
100 A
Energia v plne nabitom akumulátore (W)
1300 Wh
Teplota prevádzky (T)
10 ÷ 30 °C
Mechanické otrasy
stacionárna prevádzka
Ľahká prevádzka - vybitie do 70%, teplota
390 Wh
do +30°C
Rezerva do hlbokého vybitia
910 Wh
Nabíjací prúd I2 = 0,12.C
12 A
Nabíjací prúd I3 = 0,1.C
10 A
Udržiavací prúd IU = (0,0002 ÷ 0,001).C
20 – 100 mA
Doba nabíjania prúdom I2 = 0,12.C
32,5 hod
Doba nabíjania prúdom I3 = 0,1.C
39 hod
9 ÷ 11 rokov
93
Pre stacionárnu prevádzku, kedy budú akumulátory uložené v miestnosti domu, predpokladá
sa, že budú mať po čas celého roku teplotu v intervale 10 až 30°C a mechanické otrasy
nebudú, ide o stacionárnu prevádzku. Pokles teploty síce môže spôsobiť pokles kapacity až ku
80%, avšak stále dobíjanie zabezpečí stále doplňovanie energie.
V zostave OZE budeme predpokladať interval prevádzkového napätia 10,8 ÷ 14,7 V.
Pre 1ks akumulátora tak bude k dispozícii 390Wh elektrickej energie, ktorú treba priebežne
dopĺňať. Pre použitie zostavy viacerých akumulátorov bude k dispozícii niekoľkonásobok
tohto množstva energie. Súčasne je potrebné si všimnúť, že každý akumulátor bude ponúkať
910Wh rezervnej energie pre prípad nepriaznivej meteorologickej situácie na výrobu
elektrickej energie.
Z hľadiska nabíjania je z viacerých režimov nabíjania zrejme optimálny taký, ktorý umožní
nabíjať akumulátor vždy, ak budú priaznivé meteorologické podmienky prúdom,
obmedzeným na maximálnu hodnotu I2 = 0,12.C až do plynovania, čo je napätie asi 14,7V.
Ďalej potom pokračovať nabíjanie hodnotou udržiavacieho prúdu IU = (0,0002 ÷ 0,001).C,
tabuľka 1 [2, 3, 5, 6, 7].
Je možné tiež nabíjať aj prúdom I3 = 0,1.C alebo menším až do napätia plynovania 14,7V.
Táto možnosť je pre systémy OZE nevýhodná, nakoľko trvá dlhšie. Vzhľadom ku
stochastickému charakteru meteorologickej situácie je potrebné čo najskôr akumulátory nabiť,
nakoľko sa nedá zabezpečiť potrebnú dobu nabíjania, z 32,5 na 39 hod.
Ak by bol dodržaný tento ľahký režim prevádzky akumulátora, je možné rátať s životnosťou 9
÷ 11 rokov. V prípade častejších kritických situácií a využívaní rezervnej energie sa bude
životnosť posúvať k dolnej hranici, prípadne aj pod ňu.
Charakter prevádzky ovplyvňuje životnosť akumulátorov, čo určuje aj náklady na
akumulátory. Ak by sa prevádzka sťažila, skorší nákup novej sady akumulátorov znamená
zvýšenie nákladov nad predpokladaný limit.
Záver
Štartovacie, trakčné aj staničné akumulátory sú zvyčajne počas prevádzky priebežne dobíjané.
Ich vybíjanie až na úroveň hlbokého vybitia je málo časté, zvyčajne v prípadoch poruchových
stavoch v napájaní zariadenia.
Akumulátory pre aplikácie v zostavách OZE sú tiež priebežne dobíjané, avšak sú časti dňa,
kedy nedochádza k dobíjaniu, nakoľko zdroje elektrickej energie nie sú funkčné, keď nesvieti
slnko. Je to cez noc, ale aj cez deň s nepriaznivou meteorologickou situáciou.
Cez všetky komplikácie optimálnej prevádzky akumulátorov je možné konštatovať, že
akumulátory ako krátkodobé zásobníky elektrickej energie sú celkom nepostrádateľné
v zostave OZE ostrovného systému.
Dôležité je, že 12V akumulátory svojim počtom zabezpečia potrebné množstvo využiteľnej
energie. Možnosť vytvárať ich kombinácie dovoľuje vytvoriť zostavu, vhodnú na obmedzenie
napätia a prúdov na optimálnu úroveň. Eliminujú sa tak problémy s prevádzkou vyššieho
napätia prípadne veľkých prúdov.
Poďakovanie
Táto práca bola podporovaná projektom VaV operačného programu, Centrum excelentnosti
výkonových elektronických systémov a materiálov pre ich komponenty, kód výzvy
94
2008/2.1/01-SORO, ITMS 26220120003 a Centrum excelentnosti výkonových
elektronických systémov a materiálov pre ich komponenty II., ITMS 26220120046. Projekt je
spolufinancovaný zo zdrojov ES.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
ALTUS, J. – OTČENÁŠOVÁ, A.: Možnosti pripojenia fotovoltaických elektrární do
elektrizačnej sústavy SR. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER
2010, Liptovský Ján 7.-8. 10. 2010, s. 208-220. ISBN 978-80-554-0242-0
ARENDÁŠ, M. – RUČKA, M.: Nabíječky a nabíjení. BEN, Praha 1999. ISBN 8086056-61-9
BAČA, P.: Současné možnosti akumulace elektrické energie ve fotovoltaických
aplikacích. In 2. Česká fotovoltaická konferencia. Brno: RE AGENCY, 2006. s. 11-12.
BAČA, P.: Akumulace elektrické energie z OZE do vodíku. In.: Zborník konferencie
„Alternatívne zdroje energie“ ALER 2010, Liptovský Ján 7.-8. 10. 2010, s. 9-16. ISBN
978-80-554-0242-0
BAČA, P.: Ostrovní systémy: Problematika akumulace elektrické energie z FV do
olověného akumulátoru. In.: Zborník konferencie „30. Nekonvenční zdroje elektrické
energie“, Býkovice, 9. – 11. 9. 2009, s. 70 – 72. ISBN 978-80-02-02164-3
BAČA, P.: Přehled možností akumulace elektrické energie z OZE. In.: Zborník
konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7. 10. 2011, s.
135-140. ISBN 978-80-554-0427-1
CENEK, M. a kol.: Akumulátory od principu k praxi. FCC PUBLIC s.r.o., Praha 2003.
ISBN 80-86534-03-0
HORBAJ, P. - TAUŠ, P. - DZURILA, P.: Analýza energetického potenciálu biomasy v
SR a možnosti jej využitia. In: Možnosti financovania ekoenergetických projektov v
podmienkach SR a EÚ : Podbanské, 5.-7. jún 2006 : Zborník z celoštátnej odbornej
konferencie. Košice : Dom techniky ZSVTS, 2006. s. 124-129.
HUŽVÁR, J. – JANDAČKA, J.: Kombinovaná výroba elektrickej energie a tepla
využitím dvojtaktného parného motora. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje
energie“ ALER 2010, Liptovský Ján 7.-8. 10. 2010, s. 147-152. ISBN 978-80-5540242-0
KOŠČOVÁ, M. – EXNAR, Z.: Adaptívne riadenie ostrovného systému. In.: Zborník
konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7. 10. 2011, s.
181-187. ISBN 978-80-554-0427-1
KUDELAS, D. – RYBÁR, R. – CEHLÁR, M.: Energia vetra – prírodné, technické
a ekonomické podmienky jej využitia. Monografia. Edičné stredisko Fakulty BERG,
TU v Košiciach, 2009. ISBN 987-80-553-0169-3
MIKOLAJ, D. - TAUŠ, P.: Produkcia tepelnej energie pri spaľovaní bioplynu v
kogeneračnej jednotke. In: Casovia Therm 2007 : Racionálna výroba, doprava a
spotreba tepla - dôležitý faktor pri tvorbe koncepcií zásobovania teplom obcí : Zborník
z odbornej konferencie : Košice, 13.-14. Februára 2007. Košice : Dom techniky, 2007.
s. 70-74.
RYBÁR, R. – TAUŠ, P. – CEHLÁR, M.: Solárna energia a heliotechnika. Monografia.
Edičné stredisko Fakulty BERG, TU v Košiciach, 2009.
RYBÁR, R. – KUDELAS, D. – HORODNÍKOVÁ, J. – BEER, M.: Posúdenie možnosti
uplatnenia štruktúr na báze kovových pien v konštrukcii absorbéra solárneho kolektora.
In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7.
10. 2011, s. 18-25. ISBN 978-80-554-0427-1
95
[15] STOJAN, R. – BOBALÍK, L. – VANĚK, J. – DOLENSKÝ, J. – VESELÝ, A.: Využití
pyranometru při měření intenzity sluneční energie. In.: Zborník konferencie
„Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7. 10. 2011, s. 153-157.
ISBN 978-80-554-0427-1
[16] TAUŠ, P. – HOVORKA, I. – KRISTÓFOVÁ, D. – TOMČEJOVÁ, J.: Zhodnotenie
energetického potenciálu bytových domov v Košiciach ich zateplením. In.: Zborník
konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7. 10. 2011, s.
31-38. ISBN 978-80-554-0427-1
[17] TAUŠ, P. a kol.: Potenciál obnoviteľných zdrojov energie na Slovensku z hľadiska
výroby elektrickej energie. In.: AT & P Journal. Roč. 12, č. 3 (2005), s. 52-55. Internet:
<http://www.atpjournal.sk/casopisy/atp_05/pdf/atp-2005-03-52.pdf> ISSN 1335-2237.
[18] TKÁČ, J.: Globálne energeticko ekologické problémy a možnosti ich riešenia
využívaním obnoviteľných zdrojov energie. Zborník odborného seminára ALER2007,
3. ročník, Liptovský Mikuláš, 11. – 12. 10. 2007, s. 107 – 113.
[19] TKÁČ, J.: Plastové solárne absorbéry. Zborník odborného seminára ALER2007, 3.
ročník, Liptovský Mikuláš, 11. – 12. 10. 2007, s. 114 – 121.
[20] TKÁČ, J.: Meranie intenzity slnečného žiarenia s využitím prostredia LabWiev. In.:
Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7. 10.
2011, s. 117-126. ISBN 978-80-554-0427-1
[21] TKÁČ, J.: Malá kogeneračná jednotka. In.: Zborník konferencie „Alternatívne zdroje
energie“ ALER 2010, Liptovský Ján 7.-8. 10. 2010, s. 30-35. ISBN 978-80-554-0242-0
[22] TKÁČ, J. – RUSNÁK, P.: Modely veterných elektrární s vertikálnou osou. In.: Zborník
konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2010, Liptovský Ján 7.-8. 10. 2010, s.
25-29. ISBN 978-80-554-0242-0
96
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
21
NETRADIČNÍ METODA SKLADOVÁNÍ ENERGIE
POUŽITELNÁ V PRAXI
Lukáš Radil1), František Bernáth3)
Technická 3058/10, 616 00 Brno, tel.: 5411492851), 5411492302),
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
Abstrakt
V současné době je velice často zmiňován fakt, že akumulace především elektrické energie je
potřebné uskutečňovat pouze v bateriích různých typů. Realita je však bohatá na další
zařízení, která jsou více či méně sofistikovaná. Přehled několika moderních typů je uveden
v tomto článku.
Úvod
Skutečným problémem při dlouhodobém provozu, nejen v ostrovním režimu, je z hlediska
elektřiny z nestandardních zdrojů nepokrývání aktuální nabídky po poptávce elektřiny.
Smyslem výzkumu je nabídnout trhu co možná nejefektivnější způsob akumulace elektrické
energie. Existuje celá řada sofistikovaných metod a postupů, jak uchovat el. energii. Z těch
základních jmenujme:
Baterie kyselé
Baterie hydroxidové
Baterie lithné
Mechanické způsoby skladování elektřiny
U prvních třech metod jsou v současné době známé fyzikálně-chemické postupy. Nicméně u
posledně jmenované je vývoj nadále podporován. Zejména v důsledku akumulace velkých
objemů elektrické energie.
Tento článek se proto bude snažit přiblížit čtenářům další ze způsobů akumulace energie
prostřednictvím mechanicko-technologického postupu.
Základní mechanická akumulace elektrické energie je prostřednictvím potenciálové energie
v přečerpávacích vodních elektrárnách. Naopak tlaková energie se využívá u již známého
systému CAES – Compressed Air Energy Storage a jeho vylepšené metodě AA-CAES –
Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage. Nicméně v poslední době se na trhu
snaží prosadit další zajímavá technologie.
Akumulace prostřednictvím tekutého vzduchu
Tuto technologii vyvinula firma Highview power storage.
97
Přívod vzduchu
Studený plyn
Zkapalnění
Elektrická energie
Kompresor
Separace
Expanze
Vysoce kvalitní
zásobník chladu
Vzduch vystupující o
teplotě okolí
Tekutý
vzduch
Studený vzduch je
vyfukován do kryoenergetického systému
Zásobníky
Kryogenické čerpadlo
Zásobník
tekutého
vzduchu
Výparník
Kryogenický
vzduch
Výroba
energie
Turbína
GS
Elektrická energie
Tepelný výměník
Generátor
Teplo odpadní
nebo okolní
Obr. 1: Blokové schéma zařízení využívající zkapalněného vzduchu. Podle[1] upraveno
autorem
Systém na obrázku je rozdělen do tří systémů:
Zkapalnění
Uchování média v tekutém stavu
Zpětná konverze energie na elektrickou energii
Zkapalnění
Systém pracuje tak, že pomocí elektrické energie pohání kompresor, který stlačuje nasávaný
plyn. Teplo je odváděno do zásobníku. Následně přes expandér je médium zkapalněno a
uskladněno ve velmi dobře izolované nádrži při atmosférickém tlaku.
Uchování energie
Uchování je prováděno v dobře izolovaných nádržích, odtud je také možné převážet tekutý
vzduch pro potřeby dalšího využití.
Kapalný vzduch je uložen v nádrži při nízkém tlaku, který slouží jako zásobník. Obecně zde
platí, že materiály, které jsou použity splňují limity i pro zásobníky tekutých LNG, dusíku,
kyslíku a jiných technických plynů.
Výrobce dokonce uvádí, že jedna nádrž o objemu 2000 tun odpovídá asi 200 MWh.
98
Zpětná konverze
Pokud je potřeba dodávky elektřiny do sítě, je tekutý vzduch hnán za pomocí kryogenního
čerpadla do výparníku. Odtud přebírá teplo z procesu nebo okolí. Následný plyn je hnán na
expanzní turbínu. Výfukem je odváděn pouze chladný vzduch. Celý systém vlastně připomíná
klasický Rankin-Clausiův systém. Jen s tím rozdílem, že zde se pohybujeme ve velmi
nízkých teplotách (-196°C).
Částečně můžeme výfuk použít k tak zvané recyklaci, která nám umožní zvýšit účinnost
celého systému zkapalnění. Tím pádem se sníží náklady na zkapalňovací proces.
Cena celého zařízení (opět podle [1]) shrnuje tabulka 1. Velice zajímavý je počet cyklů při
80% DOD. Účinnost zařízení je poněkud nižší.
Tab. 1: Přehled nákladů na akumulaci energie prostřednictvím kryo technologie[1]
Technologie
Investiční
náklady ($/kW)
Investiční
náklady
($/kWh)
Životnost při
80% DOD –
počet cyklů
Účinnost (%)
Kryo Energy
Systém
~1.100
~110
>13.000
50-70+
Hlavní devízou celého zařízení, ale spatřujeme jinde. A to efektní využití odpadního tepla o
nízkopotenciální teplotě. Řada procesů v energetice končí s výstupní teplotou do 150°C.
Nasazení jednotek na principu ORC (Organický Ranckinův cyklu) s nízkou vroucími
kapalinami má velmi omezený rozsah využití.
Závěr
Tato metoda proto spojuje řadu výhodných řešení. Pakliže by se právě využila možnost
zpracovávat odpadní teplo, zejména z například z biomasy nebo odpadní teplo z řady
teplárenských provozů, byla by tato technologie ideálním přispěvatelem k omezení spotřeby
primárních zdrojů energie.
Poděkování
Tento článek obsahuje výsledky ze specifického výzkumného projektu Vysokého učení
technického v Brně, číslo: FEKT-S-11-19/1446.
Literatura
[1]
Higview Power Storage: Cryo Energy System - Technology. Dostupné z <
http://www.highview-power.com/wordpress/?page_id=5>, datu citace: 10.4.2012
99
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
22
VANADOVÉ REDOXNÍ BATERIE
David Pléha
Ústav elektrotechnologie, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT v Brně,
Technická 10, 616 00 Brno, ČR, e-mail: [email protected]
Abstrakt
Úsilí o akumulaci elektrické energie vytvořené fotovoltaickými, a větrými elektrárnami stále
stoupá a jednou z možností je použití právě vanadových redoxních baterií. Samotná
technologie uchovávání energie činí tuto skupinu zajímavou pro mnohá výzkumná centra
a absence nebezpečných kovů činí tento systém jedním z nejvíce ekologických systémů
založených na technologii elektrochemických akumulátorů.
Úvod
Vanadové redoxní baterie byly jako první použity na australské University of New South
Wales (UNSW) v roce 1986. Společnost Australian Pinnacle Vanadium Redox Batteries
odkoupila základní patenty v roce 1998 a poskytla na ně licenci společnostem Sumitomo
Electric Industries (SEI) a VRB Power Systems.
Vanadové redoxní baterie (VRB) jsou postaveny na vanadovém redoxním palivovém článku.
Oproti konvenčním akumulátorům, kde je celá energie uvnitř článku, je energie vanadových
akumulátorů uložena chemicky v elektrolytech umístěných v nádržích. VRB se skládá ze
dvou samostatných nádrží s elektrolytem, které obsahují aktivní vanadovou sůl v různých
oxidačních stavech (pozitivní: V(IV)/V(V) redoxní pár, negativní V(II)/V(III) redoxní pár) a
koncentrovanou kyselinu sírovou. Elektrolyty jsou průběžně čerpány z oddělených nádrží a
proudí přes články, zatímco elektrický proud přichází nebo se vrací zpět do nádrží
s elektrolytem. Články obsahují iontoměničovou membránu (PEM), na které dochází u
jednoho z elektrolytů k elektrochemické oxidaci a druhý elektrolyt je zde elektrochemicky
redukován. Membrána zároveň zabraňuje promíchání těchto dvou elektrolytů. Články jsou
zapojeny do série a jsou umístěny v zásobnících.
Rozhodující chemické reakce probíhají na uhlíkových FELT (plsť) elektrodách. Vzniklé
reakce nemění fyzikálně ani chemicky vlastnosti elektrod, a proto je umožněn velký počet
nabíjecích a vybíjecích cyklů bez významného snížení kapacity akumulátoru (některé zdroje
uvádí přes 10 000 cyklů). Napětí akumulátoru je v rozmezí 1,2 – 1,6 V a čistá účinnost tohoto
systému může dosahovat až 85%. Stejně jako u ostatních akumulátorů s tokem iontů, jsou na
sobě hodnoty elektrického a energetického výkonu VRB nezávislé.
100
Obr. 1: Koncept vanadové redoxní baterie
Během nabíjení a vybíjení dochází v elektrolytu ke změnám oxidace vanadu. Změny jsou
popsány v těchto chemických reakcích:
Záporná elektroda:
Kladná elektroda:
Celkově:
V3+ + e- ↔ V2+
VO2+ + H2O ↔ VO2+ + 2H+ + eV2++ VO2++ 2H+ ↔ V3++ VO2+ + H2O
E0 = 1,0 V
E0 = -0,26 V
E0 = 1,26 V
Standartní potenciál článku je tedy E0 = 1,26 V při koncentracích 1 mol/l a teplotě 25 °C.
Protože se elektrolyty vrací do stejného stavu jako na konci každého nabíjení/vybíjení, je
možno je používat neomezeně. Záleží však na jejich čistotě. Navýšení energetické hodnoty
článku je možné zvýšením koncentrace vanadových solí v elektrolytech. U zvyšování
koncentrace je důležité kontrolovat přesycení a teplotu, protože tyto dva aspekty razantně
ovlivňují degradaci elektrolytu a s tím spojenou účinnost celého systému.
Vanadové redoxní baterie je možné zařadit do kategorie potenciálních technologií pro
uskladnění energie z obnovitelných zdrojů elektrické energie.
Poděkování
Tato práce byla podporovaná
CZ.1.05/2.1.00/01.0014.
grantem
č.
FEKT-S-11-7
a projektem
CVVOZE
Literatura
[1]
[2]
Rahman, F. and M. Skyllas-Kazacos, Vanadium redox battery: Positive half-cell
electrolyte studies. Journal of Power Sources, 2009. 189(2): p. 1212-1219.
Skyllas-Kazacos, M. (2009). SECONDARY BATTERIES - FLOW SYSTEMS |
Vanadium Redox-Flow Batteries, in Encyclopedia of Electrochemical Power Sources.
Amsterdam, Elsevier: 444-453.
101
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
24
PALIVOVÉ ČLÁNKY VÝVOJ A SOUČASNÝ STAV
Jiří Šubarda
Ústav Elektrotechnologie, Fakulta Elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT
v Brně, Technická 10, 616 00 Brno, e-mail: [email protected]
Abstrakt
V tomto článku je nastíněn vývoj palivových článků od jejich počátku až do současnosti.
Jsou zmíněny programy komercionalizace palivových článků v USA, Japonsku a Evropě.
Dále jsou zmíněny instituce v ČR zabývající se problematikou palivových článků.
Úvod
Palivové články jsou považovány za jeden z nejčistších zdrojů elektrické energie a mohou být
v budoucnu nasazeny jako náhrada stávajících technologií určených k výrobě elektrické
energie z fosilních paliv. Jako odpadní produkt v palivových článcích vzniká voda a v případě
že je jako palivo užito fosilních paliv, vzniká dále jako odpadní produkt i oxid uhličitý.
Zásadní výhodou této technologie je to, že palivové články přeměňují energii paliva přímo na
elektrický proud, přičemž doba jejich provozu je teoreticky neomezená. Během jejich provozu
se palivové články nijak mechanicky neopotřebovávají a tím je minimalizována i jejich
údržba. Jedním z jejich nedostatků je pomalá doba odezvy na změnu zátěže, a proto se hodí
zejména ke stacionárnímu použití či aplikacím, kde je vyžadován kontinuální proud.
V případě nárazových odběrů je možným řešením připojit paralelně k palivovému článku
superkapacitory či baterie.
I přes více než 150 let vývoje je základní idea palivových článků zachována. Základen
každého článku je anoda, na kterou je přiváděno palivo, dále katoda na níž je přiváděno
okysličovadlo a elektrolyt. Funkcí elektrolytu je zajistit oddělení katody od anody, zajistit
průchod iontů a zabránit průchodu elektronů. Elektrony jsou vedeny vnějším obvodem
a konají práci. K zajištění startu chemických reakcí je dále součástí katalyzátor, který nemusí
být pro všechny články stejný. Dříve používané katalyzátory na bázi platiny jsou dnes hojně
nahrazovány levnějšími materiály pro snížení ceny palivových článků. V současné době je
zejména cílem zainteresovaných institucí zajistit komercionalizaci palivových článků zejména
snížením pořizovacích cen palivových článků, snížením nákladů na údržbu, a také snahou
o snížení nákladů na výrobu a distribuci paliva [1].
Historie palivových článků
Palivové články mají poměrně dlouhou historii, přičemž prošli přes více než 150 let dlouhým
vývojem, jejich intenzivní rozvoj však nastal až ve druhé polovině dvacátého století. První
palivový článek byl vytvořen roku 1839, jehož autorem byl sir William Robert Grove. Napětí
tohoto článku činilo kolem 1 V, kvůli materiálové náročnosti nebylo možné tento palivový
článek použít v průmyslu. Základem tohoto článku byly platinové elektrody, umístěné do
elektrolytu tvořeného kyselinou sírovou [1, 2, 3].
102
Termín ,,palivový článek“ byl poprvé použit až v roce 1889, kdy Ludwig Mond a Charles
Langer provedli mnoho experimentů a pokusili se vytvořit funkční článek pracující se
vzduchem a svítiplynem. Napětí tohoto článku bylo přibližně 0,73 V. Experimenty
s palivovými články v tuto dobu prováděli další dva týmy, které tvořil Charles Wright a C.
Thompson. Druhý tým, který tvořili francouzští vědci Louis Paul Cailleteton a Louis Joseph
Colardeau, taktéž došli k podobným závěrům jako výše zmínění vědci [1, 3].
V roce 1893 Friedrich Wilhelm Ostwald experimentálně vymezil úlohu mnoha komponent
palivového článku a teoreticky nastínil, jak palivový článek funguje. Následně v roce 1889
Švýcarský vědec Emil Baur se svými studenty a v raných letech kolem roku 1900 sovětský
vědec O. K. Davtyan svými experimenty přispěly k položení základů vysokoteplotních
palivových článků [3].
Zájem o technologii palivových článků začal vzrůstat zejména po letech 1930. Kdy v roce
1932 Dr. Francis Bacon sestrojil první úspěšné zařízení s palivovým článkem. Tento kyslíkovodíkový článek tvořily niklové elektrody, elektrolytem bylo KOH. V odbodbí třicátých let
dvacátého století začaly být dále rozvíjeny základy vysokoteplotních palivových článků
SOFC (palivové články s pevnými oxidy) a MCFC (palivové články s roztavenými
uhličitany), které položily E. Baur a O. K. Davtyan. Tyto palivové články byly vyvíjeny téměř
souběžně. Výzkum SOFC palivových článků následně akceleroval v Ústředním technickém
institutu v Hágu (Belgie) a GE v městě Schenectady ve státě NEw York. MCFC palivové
články byly dále studovány ve vývojovém centru (MERDC) a následně ve firmě Texas
Instruments [3].
Avšak průlom v technologii palivových článků nastal díky vesmírnému výzkumu Národního
úřadu pro letectví a kosmonautiku (NASA) v šedesátých a sedmdesátých letech 20. století.
Kdy v 60. letech 20 století Thomas Grubb a Leonard Niedrach ve firmě GE vynalezli PEM
palivové články. V tomto období byly ve společnosti Pratt & Whitney na základě patentu F.
T. Bacona vyrobeny alkalické palivové články AFC pro vesmírné moduly Gemini a Apollo.
Tímto popudem došlo k prohloubení zájmu o palivové články a k jejich intenzivnějšímu
rozvoji v nejrůznějších zemích, univerzitách, laboratořích, a také v průmyslu [1, 3].
V 60. letech začala společnost Du Pont rozvíjet membránu pro palivové články pod názvem
Nafion®, zájem o membránové palivové články začal narůstat zejména v polovině 80. let 20
století. Kdy došlo k prudkému nárůstu množství automobilů ve velkých městech.
Membránové palivové články představovaly možnost, jak vyvinou automobil s nulovými
emisemi. Zájem o membránové palivové články vedl k vývoji metanolových palivových
článků. Po letech 1990 začal krom PEMFC a DMFC palivových článků narůstat zájem o
články MCFC a SOFC. Mezi lety 2003 – 2005 pak byly značně testovány elektrárny s SOFC
a MCFC palivovými články [4].
Současný stav palivových článků
V současné době existuje devět základních typů palivových článků, jde se o systémy, které
jsou již do jisté míry značně prostudovány, ale i nadále probíhá jejich vývoj. Jedná se
o následující typy palivových článků [3]:
Palivové články s iontově vodivou membránou (PEMFC)
Alkalické palivové články (AFC)
Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC)
Palivové články s pevnými oxidy (SOFC)
Palivové články s roztavenými uhličitany (MCFC)
103
Metanolové palivové články (DMFC)
Zinko-vzduchové palivové články
Palivové články na bázi protonově vodivé keramiky
Biologické palivové články
Dále je rozvíjeno mnoho dalších typů palivových článků, jako jsou například přímé etanolové
palivové články, palivové články s kyselinou fosforečnou, regenerativní palivové články,
mikrobiální palivové články, enzymatické palivové články a další. [3]
Co se týče rozvoje technologie palivových článků jsou v současné době na vrcholu USA
spolu s Japonskem. Evropa mírně zaostává ve vývoji palivových článků, ale svými
rámcovými programy přispívá k podpoře jejich vývoje.
Lepší komercionalizaci palivových článků by mělo zejména pomoci rozšíření vodíkových
čerpacích stanic a snížení cen palivových článků. V Tab. 1 je uveden počet vodíkových
čerpacích stanic ve vybraných zemích, kterých je i přes očekávanou komercionalizaci stále
nedostatek.
Tab. 1: Počet vodíkových čerpacích stanic ve vybraných zemích [5].
Země
USA
Rakouzsko
Austrálie
Belgie
Kanada
Čína
Dánsko
Francie
Německo
Řecko
Indie
Počet čerpacích
stanic
Země
60
1
1
2
9
6
9
2
20
1
1
Itálie
Japonsko
Lucembursko
Nizozemí
Portugalsko
Jižní Korea
Španělsko
Švédsko
UK
Norsko
ČR
Počet čerpacích
stanic
6
18
1
1
2
2
3
3
1
10
1
Proto, aby byly komercionalizovány palivové články, jsou v mnoha zemích zpracované studie
a programy pro zavádění palivových článků a vodíkové ekonomiky. V USA se jedná
o program nazvaný Hydrogen, Fuel cells, and Infrastructure Technologies program, který běží
pod Ministerstvem energetiky (DOE). Pro tento program má být klíčový rok 2015, kdy bude
rozhodováno o tom, které technologie budou komercionalizovány v blízké době a na které
bude vynaložen dodatečný výzkum. Americká vláda hodlá vytvořit infrastrukturu pro výrobu
palivových článků a distribuci vodíku, jejíž realizace je projektována na začátek roku 2025.
V Japonsku je v současné době propracovaný program pod názvem New Hydrogen Project
(NEP), který si klade za cíl představení vozidel napájených palivovými články, vybudování
čerpacích stanic a elektráren. Tento projekt má být realizován do roku 2020.
V Evropě vznikl tzv. Šestý rámcový program Evropské komise. Jedná se o program, který si
klade za dlouhodobý cíl snížení cen systémů s palivovými články na 50€/kWinst pro silniční
dopravu a na 300 €/kWinst pro stacionární aplikace s vysokou životností. V rámci tohoto
programy by se měl výzkum soustředit na snížení cen palivových článků a jejich systémů pro
zásobování budov, silniční dopravu a decentralizovanou výrobu elektřiny. Přičemž
v návaznosti na vývoj pokročilých materiálů pro nízkoteplotní i vysokoteplotní palivové
články. A dále na řešení technologie výroby, transportu a skladování vodíku (je třeba se
104
zaměřit na čistou a cenově výhodnější výrobu vodíku, na vodíkovou infrastrukturu zahrnující
jeho dopravu, rozvod a skladování) [2].
V České republice v současné době existuje Česká vodíková technologická platforma, jejímž
cílem je podpora vodíkových technologií. Její zaměření je zejména na aplikace v dopravě,
energetice a spotřební elektronice. V rámci této platformy byly realizovány např. vodíkový
autobus TriHyBus, , vodíková loď v Hamburku (oba ÚJV Řež a.s.), vysokoteplotní palivové
články s tavenými uhličitany jako záložní zdroj energie pro oceánské lodě (VŠCHT Praha),
spalovací motory na vodík (ČVUT, TU Liberec) a mnohé další. Mezi členy této platformy
patří následující organizace - České vysoké učení technické - fakulta strojní, Mega a.s., ÚJV
Řež a.s., Vysoká škola chemicko-technologická, Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i.,
Linde Gas a.s., UNITED HYDROGEN, a.s., Výzkumný a zkušební ústav Plzeň s.r.o.,
Technická univerzita v Liberci, Centrum výzkumu Řež s.r.o. a MemBrain s.r.o. . Dále se
v České republice věnují výzkumu palivových článků na následujících vysokých školách: FEI
VŠB-TUO v Ostravě, dále FEKT VUT v Brně a FEL ZČU v Plzni. Výzkum vysokoteplotních
palivových článků probíhá v rámci Středoevropského technologického institutu (CEITEC).[6]
Co se budoucí komercionalizace týče, lze za jedny z nejperspektivnějších palivových článků
v současné době považovat palivové články PEMFC (předpoklad použití pro mobilní
aplikace), kde nejblíže komerčnímu nasazení je firma Balad Power systeme Inc., značných
pokroků je vykazováno i u palivových článků vyvíjených ve Fraunhoferově institutu
v Německu. Mezi další značně perspektivní palivové články patří SOFC palivovové články
(předpoklad použití pro stacionární aplikace). Nejblíže komercionalizaci SOFC palivových
článků je v současné době firma Siemens Wenstinghouse, dále firma Sulzer Hexis AG
spolupracující s firmou Tokio Gas, McDermot Technology Inc., Technology management
Inc. (TMI) a ZTEK Corporation.
Závěr
Současný vývoj palivových článků neustále pokračuje a je snahou docílit takových
palivových článků s co nejnižšími náklady na pořízení, provoz a údržbu. Tento vývoj vede
k použití nových technologií výroby a snaze nahrazovat drahé kovy (např. katalyzátory
na bázi platiny) a nákladné materiály v palivovém článku za matriály odpovídajících
vlastností, jejichž cena je o poznání nižší.
Poděkování
Tato práce byla podporovaná grantem č. FEKT-S-11-7.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
HORÁK, B., SZELIGA, Z., KOPŘIVA, M.; Studie instalace vysokoteplotního
palivového článku, Ostrava: FEI VŠB – TUO, 2005, 121 s.
Porš, Z.; Palivové články, ÚVJ Řež, 2002, 77 s.
Spiegel, C; Designing and Building Fuel Cells, McGraw-Hill, 2007, první vydání,
ISBN: 0071489770 / 9780071489775, 434 s.
Bagotsky, V. S.; Fuel cells problems and solutions, John Wiley & Sons, 2009, první
vydání, ISBN: 9780470232897, 320 s
Seznam vodíkových čerpacích stanic /online 2.5.2012/ dostupný na www:
http://www.fuelcells.org/info/charts/h2fuelingstations.pdf
Česká vodíková technologická platforma /online 2.5.2012/ dostupná na www:
http://www.hytep.cz/?loc=member&id=29
105
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
25
PVA MEMBRÁNY PRO PEMFC PALIVOVÉ ČLÁNKY
Miroslav Kunovjánek, Michal Musil, Jiří Šubarda
Ústav Elektrotechnologie, Fakulta Elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT
v Brně, Technická 10, 616 00 Brno, e-mail: [email protected]
Abstrakt
V tomto článku jsou zmíněny PEMFC palivové články, dále je popsán způsob výroby PVA
membrán a měření jejich vodivosti. Dále měření základních charakteristik palivového článku
(volt-ampérových a výkonových charakteristik) při užití PVA membrán v palivovém článku.
Úvod
S ubývajícím množstvím fosilních paliv a se zvyšujícím se množstvím skleníkových plynů,
stále narůstá zájem o alternativní zdroje energie. Palivové články se jeví jako velice vhodný
zdroj elektrické energie. Jejich podstatná výhoda spočívá zejména v tom, že je
elektrochemická energie paliva a okysličovadla transformována přímo na energii elektrickou.
Mezi další výhody patří možnost jejich použití bez ohledu na závislosti na klimatických
podmínkách, tak jak je tomu u jiných alternativních zdrojů elektrické energie. Při vhodně
zvoleném palivovém článku není jeho provoz nijak ovlivněn klimatickými podmínkami. Jako
odpadní produkt vzniká voda a u některých typů palivových článků také oxid uhličitý.
Přičemž množství CO2 je oproti zdrojům elektrické energie spalujícím fosilní paliva rapidně
nižší [1][2].
V součastné době existuje mnoho typů palivových článků, přičemž nejvíce rozvíjeny jsou
následující typy: alkalické palivové články AFC, palivové články s iontově vodivou
membránou PEMFC, metanolové palivové články DMFC, palivové články s roztavenými
uhličitany MCFC, palivové články s pevnými oxidy SOFC, palivové články s kyselinou
fosforečnou PAFC. Jako jedny z nejperspektivnějších palivových článků se jeví PEMFC
palivové články, jejich význam je zejména v jejich nasazení k pohonu vozidel.
Palivové články s iontově vodivou membránou (PEMFC) patří do kategorie nízkoteplotních
palivových článků. Jejich pracovní teplota se pohybuje v rozmezí 50 - 100 °C, přičemž
teoretická účinnost je okolo 50 - 60 %. Jako vhodné palivo je možné použít H2, CH3OH, CH4.
Základem těchto článků je iontové vodivá membrána, která funguje jako elektrolyt. Dále
membrána funguje k oddělení přiváděných plynů a zároveň i jako možný nosič katalyzátoru
[3]. PEMFC palivové články mohou být buď kyselého či alkalického typu, v závislosti na
použitém elektrolytu. Probíhající chemické reakce jsou závislé na pH elektrolytu, dílčí
chemické reakce pro oba typy elektrolytu jsou uvedeny níže[2].
106
Pro případ alkalického elektrolytu probíhají reakce:
Katoda:
Anoda:
Souhrnná rovnice:
O2 + 2H2O + 4e- → 4OHH2 + 2OH- → 2H2O + 2e2H2 + O2 → 2H2O
E0 = 0,401V
E0 = -0,828V
E0 = 1,229V
Pro kyselý elektrolyt lze psát rovnice:
Katoda:
Anoda:
Souhrnná rovnice:
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
H2 → 2H+ + 2e2H2 + O2 → 2H2O
E0 = 1.229V
E0 = 0V
E0 = 1,229V
V případě užití elektrolytu kyselého typu je možné jako katalyzátor použít pouze katalyzátory
na bázi Pt, jejichž cena zvyšuje koncovou cenu palivového článku. Avšak pokud je použito
alkalického elektrolytu je možné použití jak katalyzátorů na bázi Pt, tak i neplatinových
katalyzátorů jako jsou Rayneův Nikl a MnOx.
V současné době je jako jeden z nejvhodnějších elektrolytů použita iontové vodivá membrána
kyselého typu od společnosti Du Pont pod označením Nafion®. Cena této membrány je velmi
vysoká, z důvodu, že její výroba není jednoduchá a celý výrobní proces je patentován. A to
vede k dalšímu zvyšování celkové ceny palivového článku. Z tohoto důvodu je cílem použití
membrán alkalického typu s neplatinovým katalyzátorem, čímž by došlo ke snížení ceny
PEMFC palivových článků. Příkladem alkalických membrán mohou být membrány Fumasep
FAS, Fumasep FAB vyráběné společností Fumapem. V současnosti vyráběné membrány
alkalického typu však nedosahují nijak valných výsledků. Proto je předmětem zájmu mnoha
vědců vyvinout takovou membránu, která by měla odpovídající vlastnosti pro použití v tomto
typu palivového článku [4] [2].
Požadavky na membrány pro PEMFC palivové články jsou následující [5]:
Vysoká iontová vodivost
Chemická a mechanická stabilita
Nízká elektronová vodivost
Snadná vyrobitelnost
Snadná dostupnost
Nízká cena
Jako vhodné membrány alkalického typu je možné použít membrány na bázi
polyvinylalkoholu (PVA). Polyvinylalkohol je bílá práškovitá látka, která má krystalický
charakter. Tento materiál je vynikající díky své vysoké pevnosti v tahu, flexibilitě, vysoké
termální a chemické stabilitě, rozpustnosti ve vodě a schopnosti tvořit film[6].
Veškeré požadavky kladené na membrány pro PEMFC palivové články PVA membrány zcela
splňují. V experimentální části je uveden postup výroby PVA membrán, včetně měření jejich
vodivosti a volt-ampérových a výkonových charakteristik při jejich použití v palivovém
článku.
Experiment
Testované PVA membrány byly vytvořeny dvěma způsoby metodou přímého chemického
síťování a metodou síťování pomocí UV záření.
Postup přímého chemického síťování je následující:
107
PVA (Mowiol 15-99) byl rozmíchán v horké vodě o teplotě 95 °C. Poté, po ochlazení na
pokojovou teplotu, bylo do roztoku přidáno malé množství síťovacího činidla, v našem
případě 5 % glutaraldehydu. Jako katalyzátor reakce sloužila kyselina sírová. Výsledná směs
pro vzorek 3B byla nalita na Petriho misku a ponechána 24 hodin síťovat při pokojové
teplotě. Poté byla vložena do sušárny na dalších 24 hodin pro úplné vytvrzení. Následně byly
veškeré vzorky kondiciovány v 5,6 mol KOH. Během kondiciování membrána zbobtná a
stává se plastičtější. Teprve membrána ve zbobtnalém stavu umožňuje volný pohyb iontů
difúzním mechanismem, čímž je dosaženo její vodivosti [6].
Postup síťování pomocí UV záření je následující:
PVA (Mowiol 15-99) byl modifikován pomocí glycidylmethakrylátu. Následně byl
rozmíchán v horké vodě (75 °C) na koncentraci 10 hm%. Poté bylo do směsi přidáno malé
množství síťovacího činidla Irgacure 2959, rozmíchaného v etylalkoholu. Směs pro výrobu
vzorku 4B byla nalita na Petriho misku a ponechána 24 hodin v sušárně při 50 °C na vysušení.
Poté byla vložena na 15 minut na sesíťovaní do UV komory. Vzorek 2B byl vyroben
obdobným způsobem, ale byl síťován v mokrém stavu a vysušen v peci až po síťování.
U vzorku 1B byla míchána směs PVA (Mowiol 15-99) s 10 % KOH v poměru 60:40. Do
směsi bylo přimícháno Glycerolu. Výsledná směs byla nalita na Petriho misku a ponechána
24 hodin při pokojové teplotě. Poté byla směs vysušena v sušárně při teplotě 50 °C.
Následně byla u membrán proměřena jejich vodivost. Pro měření vodivosti membrán byla
využita čtyř-elektrodová cela, viz Obr. 1, která byla pro tyto účely navržena a zkonstruována.
Cela se skládala ze dvou platinových elektrod a dvou referentních elektrod Hg/HgO.
Membrána byla vkládána doprostřed cely [6].
Obr. 1 – Cela pro měření vodivosti membrán [6]
Měrná vodivost membrány je možné vypočítat dle vztahu [6]:
[S.cm-1]
kde
108
l – je tloušťka membrány [cm]
S – je měřená plocha membrány (2,01 cm2)
l – je tloušťka membrány [cm]
Výsledky měření vodivosti PVA membrán jsou uvedeny v tabulce 1.
Tab 1: Výsledky měření vodivosti PVA membrán
2
-1
Č. vz.
l [cm]
Napětí - RE [mV]
Proud [A]
R [Ω]
S [cm ]
γ [mS.cm ]
3B
0,0263
79,84
0,1
0,7984
2,14
29,16
4B
0,0332
53,76
0,1
0,5376
2,14
88,85
2B
0,1312
57,16
0,1
0,5716
2,14
315,05
1B
0,0911
36,38
0,1
0,3638
2,14
650,92
Následně byly jednotlivé vzorky PVA membrán proměřeny v palivovém článku Quintech.
Jako elektrod bylo použito uhlíkového papíru s Pt katalyzátorem, který je komerčně dodáván
od společnosti ElectroChem pod označením EC-20-10-7 Pt. K měření sloužila elektronická
zátěž Fuel cell monitor 2.0 od firmy H-tec.
Jednotlivé membrány byly rozřezány na rozměry 3 x 3 cm, přičemž na každou stranu na střed
membrány byly přiloženy elektrody o rozměrech 2 x 2 cm. Takto vzniklé MEA struktury
(Membrane electrode assembly) byly vloženy do palivového článku. Následně bylo
provedeno měření volt-ampérových a výkonových charakteristik palivového článku.
Zjištěné hodnoty napětí naprázdno U0 a proudu nakrátko Imax jednotlivých membrán pro různé
pracovní teploty jsou uvedeny v Tab. 2. Následně byly z naměřených hodnot odečteny
hodnoty maximálního výkonu. Tyto hodnoty včetně hodnot proudů, odpovídajících
maximálnímu výkonu membrány při různých pracovních teplotách, jsou uvedeny v Tab. 3.
Tab. 2: Zjištěné hodnoty U0 a Imax pro jednotlivé membrány
Pracovní teplota
Označení
membrány
Nafion 115
PVA 1B
PVA 2B
PVA 3B
PVA 4B
teplota
okolí
U0
Imax
[V] [mA]
0,894 192
0,876 196
0,906 42
0,884 86
30 °C
U0
[V]
0,895
0,88
0,906
0,882
40 °C
50°C
Imax
U0
Imax
[mA] [V] [mA]
0,8 113
230 0,9 293
217 0,884 290
39 0,917 47
100 0,902 123
U0
[V]
0,84
0,902
0,893
0,934
0,911
Imax
[mA]
191
393
369
54
118
60 °C
U0
[V]
0,999
0,902
0,895
0,935
0,918
Imax
[mA]
151
519
463
53
88
70 °C
U0
[V]
0,999
0,903
0,892
0,932
0,916
Imax
[mA]
169
613
533
29
89
80 °C
U0
[V]
0,903
0,884
0,92
0,924
Imax
[mA]
105
570
18
113
Tab. 3 : Zjištěné hodnoty maximálního výkonu a jim odpovídajíc hodnoty proudu
Pracovní teplota
Označení
mebrány
Nafion 115
PVA 1B
PVA 2B
PVA 3B
PVA 4B
teplota
okolí
30 °C
I
Pmax
I
Pmax
[mA] [mW] [mA] [mW]
109
42
126
53
116
44
129
53
24
12
29
12
33
13
59
22
40 °C
I
Pmax
[mA] [mW]
102 46,5
186
69
198
74
36
16
81
36
50°C
60 °C
I
Pmax
I
Pmax
[mA] [mW] [mA] [mW]
181 76,75 138 61,2
232 100 352 142
234 101 336 131
42
21
43
22
114
46
79
40
70 °C
80 °C
I
Pmax
I
Pmax
[mA] [mW] [mA] [mW]
157 67,92
390 172 600 270
367 157 393 179
28
18
18
12
86
44
126
57
Rovnovážné napětí palivového článku bylo u měřených PVA membrán nižší než u palivového
článku s membránou Nafion 115. Z naměřených výsledků je patrné, že nejlepších výsledků
bylo dosaženo u PVA membrány označené 1B, kdy výkon a výstupní proud palivového
109
článku byly lepší než při užití komerční membrány Nafion 115. Průběhy volt-ampérové
charakteristiky pro palivový článek, ve kterém byla užita membrána 1B jsou uvedeny na Obr.
2 a průběhy výkonové charakteristiky viz Obr. 3.
Pro měřené membrány je třeba zajistit potřebné zvlhčení. V okamžiku, kdy dojde k jejich
vysušení, klesá vodivost membrán. V případě, že dojde k jejich opětovnému zvlhčení, začne
výkon palivového článku opět narůstat. Tento jev bylo možné pozorovat při měření
membrány PVA 4B, která při překročení 50 °C začala ztrácet na výkonu. Následně však při
teplotách 70 °C a 80 °C její výkon začal vzrůstat.
1000
teplota okolí
30 °C
40 °C
50 °C
60 °C
70 °C
80 °C
U [mV]
800
600
400
200
0
0
200
400
600
800
1000
I [mA]
Obr. 2: Volt-ampérových charakteristika palivového článku při užití PVA membrány 1B
300
250
P [mW]
200
150
teplota okolí
30 °C
40 °C
50 °C
60 °C
70 °C
80 °C
100
50
0
0
200
400
600
800
I [mA]
Obr. 3: Výkonová charakteristika palivového článku při užití PVA membrány 1B
110
Závěr:
PVA membrány měřené v tomto článku se zdají být slibné pro použití v PEMFC palivových
článcích. Jako nejvhodnější se jeví membrány PVA 1B a PVA 2B, u kterých bylo dosaženo
nejvyšší vodivosti. Pro jejich zajištění jejich dobré vodivosti je třeba zajistit jejich vhodné
zvlhčení, či zajistit, aby nedocházelo k jejich vysychání. Velkou měrou se na vodivosti PVA
membrán podílí i jejich tloušťka nejlepší vodivosti a následně i výkonu palivového článku
bylo dosaženo při užití silnějších membrán.
Poděkování
Tato práce byla podporovaná grantem č. FEKT-S-11-7 a projektem CVVOZE č.
CZ.1.05/2.1.00/01.0014
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
ŠUBARDA, J.; NOVÁK, V.; PLÉHA, D. Katalyzátor na bázi MnOx pro palivové
články a studium jeho vlastností metodou křemenných mikrovah (EQCM). Elektrorevue
- Internetový časopis (http://www.elektrorevue.cz), 2012, roč. 2012, č. 12, s. 12- 1 (12-4
s.)ISSN: 1213- 1539.
NOVÁK, V.; Katalyzátory na bázi MnOx pro palivové články, habilitační práce; Brno:
FEKT VUT, 2008, 76 s.
HORÁK, B., SZELIGA, Z., KOPŘIVA, M.; Studie instalace vysokoteplotního
palivového článku, Ostrava: FEI VŠB – TUO, 2005, 121 s.
CHLADIL, L.; KUNOVJÁNEK, M.; MUSIL, M. STABLE PVA MEMBRANES FOR
ALKALINE FUEL CELLS. In Advanced Batteries Accumulators and Fuel Cells 12th
ABAF Proceeding of the ABAF- 12 Meeting. Brno: Brno University of Technology,
2011. s. 42-46. ISBN: 978-80-214-4357- 0.
Spiegel, C; Designing and Building Fuel Cells, McGraw-Hill, 2007, první vydání,
ISBN: 0071489770 / 9780071489775, 434 s.
KUNOVJÁNEK, M.; MUSIL, M. Metodika posuzování kvality přípravy PVA
membrán. In 32. Nekonvenční zdroje elektrické energie. Hrotovice: Tribun EU s.r.o.,
2011. s. 72-74. ISBN: 978-80-02-02323- 4.
111
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
26
VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY
Josef Máca
Vysoké Učení Technické v Brně, e-mail: [email protected]
Abstrakt
V době kdy se stále více bere ohled na životní prostředí je potřeba nalézat i tzv. zelené zdroje
elektrické energie. Vedle fotovoltaických panelů, které zažily velký rozmach v posledních
letech, je další možností využití větrné energie. Vývojem v konstrukci a uspořádání se
podařilo odstranit většinu problémů a neblahých vlivů hlavně na populaci žijící v těsné
blízkosti větrných elektráren. Tento článek se pokusí stručně odůvodnit využití větru a uvést
přehled nejčastějších větrných turbín.
Úvod
Pro relativně stabilní teplotu na naší planetě je důležitá energetická bilance mezi přijatou a
spotřebovanou energií. Hlavní zdroj energie této planety je Slunce, jen velmi malou měrou
přispívá geotermální energie jak je vidět na obrázku 1. Proč právě větrná energie? Dvě
procenta z celkového vstupu jsou přeměněna na vítr a to 3600 TW což je přibližně 1500 krát
více, než byla světová spotřeba elektrické energie v roce 2010[1,2].
Obr. 1: Energetická bilance Země[1]
Typy větrných elektráren
Sila větru byla využívána už v dávných dobách hlavně pro pohon plachetnic. Velké využití
měli větrem poháněné mlýny v Persii, ze které se poté rozšířily po celém islamistickém území
a Číny. V Evropě se větrné mlýny objevily až v jedenáctém století a o dvě desetiletí později
se staly důležitým nástrojem hlavně v Holandsku. K rozvoji západní Ameriky velkou měrou
přispěly větrem poháněné vodní pumpy, mlýny a pily. Nástupem parních motorů bylo
využívání větru značně omezeno.
První významná větrná turbína, postavena speciálně pro výrobu elektrické energie, byla
vyrobena Charlesem Brush v Clevlandu, Ohaio. Elektrárna pracovala 12 let od roku 1888 do
roku 1900 a dodávala elektřinu pro jeho panské sídlo[1].
112
Větrné turbíny s pastí
U těchto turbín je vítr nucen proudit v daném směru a je jednoduše směřován na povrch tak
jako u plachetnic. Je samozřejmé, že se povrch, na který vítr dopadá, nemůže pohybovat
rychleji než samotný vítr. Stará Perská turbína byla turbína s pastí kde k vertikální ose byly
připevněny horizontální ramena a poblíž krajů ramen byla postavena svislá stěna, diky které
byl vítr směřován na lopatky turbíny. Šikmá stěna nutila vítr působit pouze na jednu stranu
turbíny a vytvářela tak moment síly obrázek 2a[1]. Nejznámější moderní a také nejjednodušší
turbína tohoto typu je tzv. Savoniova turbína obrázek 2b. K rotaci dochází tak že vypouklá
strana nabízí menší plochu pro zachycení větru než vydutá strana. Pro větší účinnost okraje
lopatek směřují až za střed rotace a tím umožňují průtok media na zadní stranu. Savoniovy
turbíny bývají použity jako senzory v anemometrech nebo jako startéry pro turbíny se svislou
osou[1,3].
Obr. 2: a) konstrukce Perské turbíny - pohled z vrchu, b) konstrukce Savoniovy turbíny
Vztlakové větrné turbíny
U vztlakových zařízení, vítr generuje sílu kolmou na svůj směr. Nejznámější jsou větrné
turbíny s horizontální osou (obrázek 3a), bývají v provedení s trychtýřem pro nasměrování
větru (hlavně menší elektrárny s nižšími výkony) nebo bez (velké elektrárny s vysokými
výkony). U těchto turbín se list rotoru může pohybovat mnohem rychleji než samotný vítr,
který na něj působí. Všimněme si, že vrtule pohánějící hřídel, která dodává energii je vysoko
nad zemí. Toto si vyžaduje dva typy řešení: buď je generátor elektřiny umístěn na vrcholu
stožáru za vrtulí, nebo je síla, pomocí dlouhé tyče s příslušnými ozubenými koly, přenesena
ke generátoru, který je umístěn na zemi. První řešení vyžaduje mohutnější stožár a
upřednostňuje se, protože přenos mechanické síly na velké vzdálenosti je složitý a nákladný.
Instalace generátoru na vrchol stožáru ale zvyšuje hmotnost celé části, která se musí otáčet při
změně směru větru. Některé větrné turbíny mají vrtule ve směru po proudu nebo proti proudu
vzduchu. Bylo zjištěno, že umístění proti proudu vzduchu snižuje hlučnost celého zařízení.
Svislé uspořádání turbíny neumožnuje jenom umístění generátoru na zem ale není třeba
systém natáčet pokaždé při změně větru – jedná se o vztlakové turbíny se svislou osou. Na
obrázeku 3c je znázorněna větrná turbína zvaná Gyromill, turbína by byla schopna vyrobit až
120 kW, nebyla však nikdy komercializována. Hlavní nevýhoda je odstředivá síla, která
způsobuje permanentní stres na listy turbíny. Elegantní cesta jak odstranit tento stres je
vytvarovat listy do křivky rotujícího lana upevněného na vrcholku a spodku rotující hřídele.
113
Turbíny s listy ve tvaru křivky „troposkin“ poprvé navrhl francouzský inženýr Derrieus, podle
něhož se tyto turbíny nazývají (obrázek 3b)[1,4].
Obr. 3: a) větrná elektrárna s horizontální osou, b) větrná elektrárna Derrieus, c) větrná
elektrárna Giromill
Větrné turbíny pracující na Magnusově jevu
V dostatečné vzdálenosti od rotující tyče není proud vzduchu narušen; tedy se pohybuje
rychlostí větru. Jakmile se ale dostane do kontaktu s tyčí, vzduch se po jedné straně pohybuje
v opačném směru, než je směr větru, drsnost povrchu tyče způsobuje tření, které strhává
vzduch ve směru své rotace. Rychlost tohoto vzduchu je stejná jako rychlost tyče a vznikne
gradient rychlosti. Na opačné straně tyč urychluje vzduch, po směru své rotace. Vzduch poté
proudí rychleji, než je rychlost větru. Podle Bernoulliova zákona vyšší rychlost vzduchu na
jedné straně způsobí pokles tlaku než pomalejší vzduch na protější straně a vzniká síla
působící na tyč. Vznik této síly, výsledek aerodynamické reakce na rotující předmět, se
v , kde je úhlová rychlost tyče a v je
nazývá Magnusův jev obrázek 4a. Síla je úměrná
rychlost větru. Magnusův jev kromě jiného způsobuje i zakřivení letu míčku v baseballu.
Zařízení na Magnusově jevu byly navrženy pro nízké rychlosti větru, pracují od rychlosti 3
m∙s-1 při průměrné rychlostí větru 6 m∙s-1 je výstupní výkon 20 kW a turbína pracuje
s účinností větší než 50% obrázek 4b[1,5,6].
114
Obr. 4: a) Magnusův jev, b) koncept větrné turbíny pracující na Magnusově jevu
Poděkování
Tato práce byla podporovaná projektem FRVŠ 2227/2012/G1 Měřící pracoviště pro
zkoumání charakteristik energie větru a jeho aplikace do výuky a specifickým výzkumem
FEKT-S-11-7 Materiály a technologie pro elektrotechniku.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Da Rosa Aldo V. Fundamentals of Renewable Energy Processes, 2nd Edition. Elsevier
2009, 818 stran, ISBN: 978-0-12-374639-9.
International
Energy
Statistics
[online]
URL:<http://www.eia.gov/cfapps/ipdbproject/IEDIndex3.cfm?tid=2&pid=2&aid=2>
[cit. 2012-4-22].
Akwa J. V., Vielmo H. A., Petry A. P., A review on the performance of Savonius wind
turbines, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 3054– 3064.
Ohya Y., Karasudani T., Sakurai A., Abe K., Inoue M. Development of a shrouded
wind turbine with a flanged diffuser, Journal of Wind Engineering and Industrial
Aerodynamics 96 (2008) 524–539
Mecaro [online] URL:< http://www.mecaro.jp/eng/> [cit. 2012-4-29].
Drábková S. a kolektiv, Mechanika tekutin, Vysoká škola báňská – Technická
univerzita Ostrava. Učební text 260 stran.
115
27
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
APLIKACE CAE SYSTÉMŮ PŘI NÁVRHU CHLAZENÍ
KONCENTRÁTOROVÝCH SOLÁRNÍCH PANELŮ
Petr Vyroubal, Jiří Maxa, Marek Solčanský, Jiří Vaněk
Ústav elektrotechnologie, FEKT VUT v Brně,
[email protected], [email protected].
Technická
10,
61600
Brno,
Abstrakt
CAx systémy poskytují komplexní softwarové řešení pro návrh, vývoj, výrobu a management
produktu (Product Lifecycle Management - PLM) od jeho vzniku až po skončení jeho
životnosti. Jejich pracovní prostředí využívá systémy pro podporu technické dokumentace
(CAD), systémy pokrývající oblast NC obrábění (CAM) a obecně systémy pro podporu
inženýrských prací (CAE), společně pak tvoří Product Data Management (PDM).
Návrh a optimalizace chladícího zařízení pro odvod tepla koncentrátorových solárních článků
je realizován pomocí těchto systémů, což přináší nesporné výhody. Výrobek je otestován na
svoji funkčnost a je podroben analýzám proudění tekutiny a přestupu tepla, aniž by bylo nutné
vůbec zahájit jeho výrobu a pomocí experimentálního testování tento systém ladit.
Úvod
Fotovoltaické koncentrátory jsou systémy používající čočky nebo zrcadla ke koncentrování
slunečních paprsků na fotovoltaický článek. Díky tomu můžeme menší velikosti
fotovoltaického článku dosáhnout požadovaného výkonu odpovídající velkoplošným panelům
a také díky energeticky výhodnějšímu pracovnímu bodu koncentrátorového systému nepatrně
zvýšit celkovou účinnost energetické přeměny. Díky tomuto lze v solárních systémech využít
i výkonnějších fotovoltaických článků, které by byly bez použití koncentrátoru příliš drahé v
poměru ke generovanému výkonu. Bohužel koncentrování slunečního záření přináší ale i
nevýhody spojené s větším zahříváním. Světelné záření je přeměněno na elektrickou energii
pouze z části, zbývající větší část se přemění na tepelnou energii. Pokud není toto teplo
pomocí přídavných chladících komponent odváděno, dochází k poklesu účinnosti energetické
přeměny a při překročení mezní teploty může dojít u systémů s velkou koncentrací až k
totálnímu celkovému zničení.
Koncentrátorové solární systémy
Koncentrátorové systémy používají stejné materiály pro výrobu článků jako tradiční
fotovoltaické panely. Jedná se tedy o články z krystalického křemíku, tzv. první generace
(účinnost přeměny 16 až 19 %, speciální struktury až 24 %), GaAs články, tzv. druhé
generace (účinnost obecně pod 10%), tenkovrstvé články či články s více PN přechody, tzv.
třetí generace (zatím ve stádiu vývoje). Konstrukce systémů je rozmanitá a proto se nároky
kladené na články značně liší. Malé koncentrace umožňují použít buď standartních panelů či
116
vhodně uložených standartních článků, u koncentrací v řádu desítek či stovek sluncí však již
nejsou takovéto články vhodné. Používají se proto články navrhnuté speciálně pro tyto
aplikace. Nároky na koncentrátorové články jsou vyšší, než na ty standartní. Jedná se
především o zvýšené teplotní namáhání a velké proudové hustoty v článku dané osvitem o
několik řádů vyšším než bez koncentrace.
Vliv teploty na články
Standartní články určené pro aplikace bez koncentrace je přesto možné použít. Jejich účinnost
je přibližně o 10% vyšší (při koncentraci 10 sluncí). Při vyšší koncentraci však výrazně
narůstají odporové ztráty. Účinnost článku se tedy bude zvyšovat pouze do určité hodnoty
koncentrace, po jejím dosažení bude účinnost opět klesat. Také výrazně poroste teplotní
namáhání a proudy článkem. Z tohoto důvodu je jejich použití omezené a při vyšších
koncentracích je vhodné použití speciálních článků.
Tyto články pak dělíme na články s nízkou koncentrací (2 až 100 sluncí), články se střední
koncentrací (100 až 300 sluncí) a články s vysokou koncentrací (300 nebo více sluncí).
Obr. 1: Vliv teploty na výkon FV článku a model navržené cely pro chlazení
koncentrátorového FV článku
Analýza pomocí systému SolidWorks FloSimulation
Analyzovaný chlazený model vycházel z koncepce tvaru funkčního modelu vyrobeného a
zkoumaného na Ústavu elektrotechnologie FEKT VUT Brno.
Analyzovány byly prozatím 4 varianty pro zjištění vlivu charakteristických změn v koncepci:
Základní verze – jednoduchý tvar funkčního modelu.
Poloviční průtok chladícího media na základní verzi pro zjištění vlivu změny velikosti
průtoku chladícího média.
Náběžná hrana a zaoblené rohy pro zjištění vlivu změny aerodynamiky tvaru.
Přívod media 16-ti otvory, zaoblené rohy pro zjištění vlivu změny charakteru přítoku a
odtoku chladícího média.
Okrajové podmínky:
Vstup chladícího média:
Výstup chladícího média:
Horní povrch skleněné desky:
Objemový tok: 0,00005 m3/s, teplota 20,05 oC
Výtok do atmosféry – Statický tlak: 101325 Pa
Surface Heat Generation Rate: 15000 W/m2.
117
Výsledky testovaných verzí – dosažená maximální teplota na solárním panelu
Z analýz je možné vytěžit několik poznatků, které budou základem pro další vývoj.
Verze
Maximální dosažená teplota
[°C]
Základní verze
25
Poloviční průtok chladícího media na původní verzi
28
Náběžná hrana a zaoblené rohy
25,7
Přívod media 16ti otvory, zaoblené rohy
24,2
Základní verze má nevýhodu tvorby vírů způsobené kolmou plochou proti vstupnímu otvoru.
Jak je patrné z obr. 2, toto zavíření má tendenci způsobovat lokální přehřátí panelu.
Obr. 2: Základní verze s průběhem teploty v ose modelu
Největší vliv na maximální teplotu na fotovoltaickém článku má snížený průtok chladícího
media, který sice ve výsledku není tolik výrazný, ale dle grafického zobrazení na obr. 3 je
patrné, že již v blízkém okolí článku teplota media silně stoupá.
Obr. 3: Verze s polovičním průtokem media s průběhem teploty v ose modelu
Konstrukce náběžné hrany odstraňuje problém, který je u základní verze se zavířením a
hrozbou lokálního přehřátí, jinak na ostatní průběh chlazení nemá dále výraznější vliv.
118
Obr. 4: Verze s náběžnou hranou a zaoblenými rohy s průběhem teploty v ose modelu
Konstrukce se 16-ti otvory prokázala vyrovnané proudění po celém chlazeném profilu, ale
vzhledem k charakteru má tato varianta sklony k pomalejšímu odvodu tepla, další analýza by
patrně prokázala, že by nebylo možné snížit objem průtoku.
Obr. 5: Verze s přívodem media 16-ti otvory s průběhem teploty v ose modelu
Závěr
Uvedené první analýzy se staly východiskem k navržení efektivní konstrukce funkčního
modelu směřujícímu k minimalizaci vzdálenosti článku od horní skleněné desky a
minimalizaci průtoku chladícího media k dosažení jak efektivnosti, tak i ekonomičnosti
provozu.
Poděkování
Tato práce byla vytvořena za podpory projektu CVVOZE CZ.1.05/2.1.00/01.0014 a grantem
FEKT-S-11-7.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
Vaněk, J., Stojan, R. Concentrator Photovoltaic Systems. In Proceeding of the ABAF12 Meeting. Brno, CZ: ABAF, 2011. s. 159-164. ISBN: 978-80-214-4357- 0.
http://cleantechnica.com/2011/04/19/solar-junction-breaks-concentrated-solar-worldrecord-with-43-5-efficiency/
Markvart, T., Castañer, L.: Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation, 2005,
Elsevier Ltd., Velká Británie
Luque, A., Andreev, M.: Concentrator photovoltaics, 2007, Springer-Verlag Berlin
Heidelberg, Německo
119
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
28
VYUŽITIE NETRADIČNÝCH MATERIÁLOV PRE SOLÁRNE
VZDUCHOVÉ APLIKÁCIE
Peter Tauš1), Ivan Hovorka1)
1)
Technická univerzita v Košiciach, Fakulta baníctva, ekológie, riadenia a geotechnológií,
ÚPaM, Pracovisko obnoviteľných zdrojov energie, Park Komenského 19, 042 00 Košice ,
e mail: [email protected], [email protected]
Summary:
Príspevok sa zaoberá výsledkami analýz prebiehajúceho výskumu a vývoja nízkonákladového
solárneho vzduchového kolektora tvoreného z recyklovaných plastov.
Key words:
solárny vzduchový kolektor, energia, kolektor, obnoviteľné zdroje energie, vykurovanie,
teplovzdušné vykurovanie.
Úvod
Zariadenia slúžiace na výrobu čistej energie zo slnečného žiarenia priaznivo vplývajúce na
znižovanie znečisťovania životného prostredia nie sú žiadnou novinkou. Potvrdzuje to
i využívanie solárnych kolektorov pracujúcich na princípe ohrevu vzduchu, kedy už koncom
20. storočia bol v USA zaregistrovaný prvý patent solárneho vzduchového ohrievača. So
vzduchovým teplonosným médiom pracujúce slnečné kolektory, predstavujú finančne
efektívny spôsob zníženia spotreby energie používanej na ohrev čerstvého vzduchu, resp.
môžu poskytnúť užitočné množstvo tepla do priestorov, ktoré nemajú pasívne solárne zisky.
V záujme zlepšovania kvality ovzdušia interiéru sa zvyšuje množstvo privádzaného čerstvého
vzduchu a s tým sa dá eliminovať súvisiace zvýšenie spotreby energie na vykurovanie v
chladnejších obdobiach i oblastiach.
V ostatnom čase stúpa spolu s konkurenciou producentov na trhu i záujem o vzduchové
kolektory v západnej Európe, čím je množstvo firiem nútených, aby zdokonaľovali
a zlepšovali solárne systémy a predávali ich za dostupné ceny konečným spotrebiteľom,
pretože tí hľadajú spoľahlivé riešenie ako ušetriť čo najväčšie množstvo finančných
prostriedkov priamo úmerne so znižovaním spotreby energií a ako získať čistú energiu zo
slnečného žiarenia pri zabezpečení rýchlej návratnostivstupnej investície.
V súčasnosti na fakulte Baníctva, ekológie, riadenia a geotechnológií Technickej Univerzity
v Košiciach prebieha výskum a vývoj predmetnej technológie. Prototypy nízkonákladových
vzduchových kolektorov vyrobené na báze recyklovaného plastu s možnosťou modulovej
inštalácie sú zhotovované v Centre obnoviteľných zdrojov energie v rámci projektu Centrum
výskumu účinnosti integrácie kombinovaných systémov obnoviteľných zdrojov energií s
120
kódom ITMS: 26220220064, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho
rozvoja.
Cieľom riešeného projektu je navrhnúť spoľahlivý prototyp vzduchového kolektora, ktorý
pozostáva z recyklovaného materiálu, v našom prípade 100 % recyklovaného polypropylénu
PPRE, spĺňa podmienky modulárnosti prototypu, jeho nízkonákladovej výroby,
maximalizácie výkonu a bezobslužnej prevádzky.
Prierez výskumom solárních vzduchových
Tvarom i čiastočne konštrukciou môžeme vzduchové kolektory prirovnávať ku kvapalinovým
kolektorom. Princíp získavania, resp. preberania tepla je pri riešenej technológii taktiež
obdobné, pretože je odoberané z absorbéra, avšak k prenosu tepla do média nedochádza v
jeho vnútri ale na povrchu. Kvapalinové a vzduchové kolektory pracujú s dvoma odlišnými
médiami s rozdielnymi fyzikálnymi vlastnosťami, ktoré ovplyvňujú ich celkové
technologické prevedenie.
Vzhľadom na nízku špecifickú tepelnú kapacitu vzduchu si vzduchové kolektorové systémy
vyžadujú pre prenos tepla veľké objemové prietoky a z toho vyplývajúce i veľké priemery
vzduchovodných potrubí. Čo sa pri veľkých – halových inštaláciách, ktoré sú napojené na
vzduchotechnický systém, v podstatnej miere prejaví v navýšení vstupných investícií. Taktiež
vzniká problém pri akumulácii energie vzduchu kvôli jeho nízkej hustote energie, pričom je
možná len prostredníctvom akumulácie v inom médiu, napr. v štrku, betóne alebo vode.
Avšak vzduch sa ohrieva rýchlejšie ako voda, tým solárne vzduchové kolektory majú aj pri
nízkej intenzite dopadajúceho žiarenia schopnosť ohriať vzduch na teplotu postačujúcu k
teplovzdušnému vykurovaniu, resp. vetraniu alebo k predhrevu vzduchu k teplovzdušnému
vykurovaniu. Pri väčších inštaláciách podmienený rekuperáciou môže takýto spôsob
vykurovania zlepšiť hygienické podmienky v interiéri, ktoré sú zabezpečené kontrolou kvality
privádzaného vzduchu. [1]
Projekt je rozdelený vzhľadom na časovú i materiálovú náročnosť do niekoľkých etáp.
V prvej etape boli stanovené konštrukčné parametre jednotlivých variantov vzduchových
kolektorov tvorených dvoma základnými konštrukciami bez perforácie absorbéra, a to
netransparentným kolektorom a kolektorom s transparentným krytom, kde pre zabezpečenie
priehľadnosti krytu sme zvolili ako jediný nerecyklovaný materiál z celej konštrukcie
plexisklo. Všetky návrhy sú podložené 3D vizualizáciou i technickými výkresmi, na obrázku
4 je možné vidieť konkrétny variant s rozmermi 100x50x3 centimetre v 3D zobrazení návrhu.
Obr. 1: Vizualizácia transparentného kolektora
121
V ďalších fázach budú konštruované kolektory s totožnými rozmermi, avšak s perforáciou
absorbéra pre zvýšenie prietoku vzduchu i kolektora s dvojitou vzduchovou medzerou s
transparentným i netransparentným krytom, pričom všetky prototypy budú napojené na
vzduchotechnickú jednotku.
Prívod ohriateho vzduchu z kolektorov bude pomocou pozinkovaných rúr a izolovaných flexi
hadíc kruhového prierezu s priemerom 200 a 250 milimetrov privádzaný do centrály
vzduchotechniky. Pre náš systém nastavená riadiaca jednotka umožňuje pracovať v dvoch
okruhoch, kde prvý vháňa teplý vzduch do interiéru dielní a druhý slúži iba na meranie
skúmaných veličín, keďže v letných mesiacoch môže byť teplota z kolektorov privádzaného
vzduchu značne vysoká, čiže nevyužiteľná a teda vzduch je bez využitia vypúšťaný cez
vyúsťovaciu rúru do exteriéru.
Na základe podrobných analýz získaných dát skúmaných kolektorov pomocou čidiel
pripojených do meracej centrály zaznamenávajúcej prevádzkové parametre spolupracujúcej
so vzduchotechnickou jednotkou, v súčasnosti inštalovanou, budú sumarizované výsledky
slúžiť ako základňa pre optimalizáciu konštrukčných parametrov finálnych prototypov
predurčujúcich čo najlepšie dosiahnutie stanoveného cieľa výskumu, teda optimalizáciu
premeny slnečného žiarenia na teplo vzduchu s jeho rýchlosťou prúdenia naprieč kolektorom
pri dodržaní jeho modulárnosti a nízkonákladovosti. [1]
V súčasnosti sa projekt nachádza v závere prvej etapy, kedy po kompletizovaní kolektorov
prebieha ich testovanie a zaznamenávanie dosiahnutých výsledkov. Na obrázku 3 je
zobrazený finálny kolektor s transparentným krytom, ktorého konštruovanie spočívalo
v zváraní jednotlivých polypropylénových komponentov a mechanickom prichytení plexiskla
ku konštrukcii skrutkami.
Obr. 2: Finálny prototyp S-LUX TK
Prvotné merania (Obr. 3) prebiehali počas slnečného dňa s teplotou 8,9°C pomocou
termovíznej kamery Flir T335 a bezdotykovým teplomerom Testo AG 845 s teplotnou
sondou, pričom hlavnými meranými veličinami bola teplota krytu kolektora a teplota
ohrievaného vzduchu prúdiaceho vzduchovou medzerou, ktoré následne umožňovali odvodiť
ich celkovú závislosť.
122
Obr. 3: Priebeh meraní prevádzkových parametrov
Na základe hodnôt získavaných počas 15 minútových intervaloch meraní sme zistili, že kryt
oslneného solárneho kolektora s netransparentným krytom dosiahol teplotné navýšenie až
o 32,2°C, teda z 8,9°C až na 41,1°C. Pri spracovávaní hodnôt meraní priehľadného krytu sme
zaznamenali zvýšenú teplotu len o 8,4°C, ktorá dosiahla 17,3°C. Nami predpokladaná lepšia
účinnosť transparentných kolektorov sa prejavila pri teplote vzduchu prúdiaceho vzduchovou
medzerou, kde sa teplota zvýšila o 23,3°C, teda teplota vzduchu dosiahla 32,2°C. Pri
netransparentnom generátore sme namerali teplotu 22,6°C. Pre lepšiu názornosť je priebeh
teplôt zobrazený v nasledujúcich tabuľkách..
Tab. 1: Sumárne hodnoty merania krytu Tab. 2: Sumárne hodnoty merania teploty
kolektora
vzduchu
Do grafov implementované hodnoty ilustrujú názornosť charakteru zvyšujúcej sa teploty.
Môžeme konštatovať, že najväčší – skokový nárast teplôt nastal v prvých minútach meraní.
123
Kryt netransparentného kolektora sa ohrial za jednu minútu o 12,9°C, resp. vzduchová
medzera transparentného kolektora o 9°C. Následne dosiahol nárast teploty okrem záveru
relatívne konštantný priebeh. Avšak akékoľvek chvíľkové zatienenie kolektorovej plochy sa
vo väčšej miere prejavuje u generátorov bez transparentného krytu.
Obr. 4: Priebeh teplôt meraných na kryte kolektora
Obr. 5: Priebeh teplôt prúdiaceho vzduchu vzduchovou medzerou
Z uvedených hodnôt je zrejmé, že kolektor s priehľadným krytom je za rovnakých
prevádzkových podmienok účinnejší, teda energeticky využiteľnejší. Namerané údaje
dokazujú jeho väčšie tepelné zisky využiteľné pri teplovzdušnom vykurovaní.
Závislosť teploty krytu kolektora s teplotou vzduchu prúdiaceho transparentným kolektorom
(Obr. 6) nie je významná, nakoľko vplyv na ohrev má absorbér, ktorého teplota je len o niečo
menšia ako teplota krytu netransparentného generátora. Keďže teplota vzduchu dosiahla
32,2°C, teplotný rozdiel medzi meranými veličinami je 14,9 °C. Naopak, kryt nepriehľadného
kolektora ohriaty až na 41,1°C priamoúmerne zvyšuje teplotu vzduchu (Obr. 7) .
124
Obr. 6: Závislosť teplôt pri transparentnom kolektore
Obr. 7: Závislosť teplôt pri netransparentnom kolektore
Záver
Môžeme konštatovať, že v súčasnej energeticky náročnej spoločnosti môže aj takýto zdroj
„zelenej energie“ prispieť k znižovaniu spotreby energie vyrobenej z tradičných, teda
fosílnych palív. Vzduchové solárne kolektory môžeme vzhľadom na relatívne finančnú i
technologickú nenáročnosť považovať ako alternatívu ku kvapalinovým systémom. Je
pravdou, že teplovzdušné vykurovanie pomocou solárnych vzduchových kolektorov nemôže
zabezpečiť v našich podmienkach samostatné vykurovanie počas celého roka, avšak aj takýto
doplnkový zdroj tepla je schopný zabezpečiť značnú úsporu finančných prostriedkov.
Doterajšie výsledky meraní nám ukazujú, že kolektory s transparentným krytom sú účinnejšie
i bezpečnejšie, pretože kryt netransparentného kolektora môže dosiahnuť počas horúcich
letných dní teplotu prevyšujúcu 80°C. Správanie sa plastov počas extrémnych teplôt bude
predmetom dlhodobého pozorovania predmetných kolektorov.
125
Poďakovanie
„Tento príspevok vznikol vďaka podpore v rámci operačného programu Výskum a vývoj pre
projekt: Centrum výskumu účinnosti integrácie kombinovaných systémov obnoviteľných
zdrojov energií, s kódom ITMS: 26220220064, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho
fondu regionálneho rozvoja.“
„Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku/Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ.“
Použitá literatúra
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
126
TAUŠ, P – HOVORKA, I. – KRISTÓFOVÁ, D.: Analýza prevádzkových parametrov
prototypov slnečných vzduchových kolektorov na báze recyklovaných plastov. In:
Techcon. roč. 7, 2012, č. 2.
ÁLLÓ, Š.: Vzduchové kolektory domov [online]. [cit. 2011-10-20]. Dostupné na
internete:< http://www.windpower.sk/?a=article&id=376>.
FILLEUX, V. – GUTTERMANN, A.: Solární teplovzdušní vytápění. Ostrava: HEL,
2006. 176 str. ISBN 80-86167-28-3.
DOSTÁL, Z. – BOBEK, M. – ŽUPA, J. – HEREC, I.: Merač slnečného žiarenia
s článkom SMA1. Zborník konferencie „28. Netradičné zdroje elektrickej energie“,
Veselí nad Lužnicí, 11. – 13. 9. 2007, str. 36 – 44. ISBN 978-80-02-01961-9
Azariová, K. – Horbaj, P. – Jasminská, N.: Zníženie energetickej náročnosti budov, In:
EKO - ekologie a společnost. Vol. 21, no. 3 (2010), p. 27-28. - ISSN 1210-4728
Kostúr, K. – Laciak, M. – Truchlý, M.: Systémy nepriameho merania, 1. vyd - Košice :
Reprocentrum, - 2005. - 173 s. - ISBN 80-8073-273-6.
Jandačka, J. – Papučík, Š. – Kapjor, A. – Nosek, R.: Kombinované zdroje tepla; ibd
journal 1/2011, str. 33-34, ISSN 1338-3337
TKÁČ, J.: Meranie intenzity slnečného žiarenia s využitím prostredia LabWiev. In.:
Zborník konferencie „Alternatívne zdroje energie“ ALER 2011, Liptovský Ján 6.-7. 10.
2011, s. 117-126. ISBN 978-80-554-0427-1
Pilát P. – Patsch, M. – Malcho, M.: Solar heat utilization for adsorption cooling
device, In: Experimental fluid mechanics 2011: proceedings of the international
conference: November 22.-25, 2011, Jičín, Czech Republic. - Liberec: Technical
University, 2011. - ISBN 978-80-7372-784-0. - S. 919-922.
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
29
NÁVRH VETERNEJ AKUMULAČNEJ LAMPY
Dušan Kudelas a Martina Urbanová
doc. Ing. Dušan Kudelas, ÚPaM, Fakulta BERG TU Košice, Park Komenského 19, Košice,
e-mail: [email protected]
Ing. Martina Urbanová, ÚPaM, Fakulta BERG TU Košice, Park Komenského 19, Košice,
e-mail: [email protected]
Abstrakt
Cieľom je načrtnúť možnosť využívania veternej energie pre potreby verejného osvetlenia s
využitím Savoniusovho rotora. Osobitne je riešený návrh cestnej lampy verejného osvetlenia,
ktorý obsahuje popis jej jednotlivých častí ako aj schematický nákres.
Úvod
Verejné osvetlenie je nielen súčasťou koloritu každého mesta alebo obce, ale je aj
neodmysliteľnou súčasťou dopravného systému. Značnou časťou sa podieľa na výdavkoch
samospráv. S rastom cien za spotrebovanú elektrickú energiu osvetľovacou sústavou rastie
i požiadavka sebestačnosti v jej získavaní. V súčasnosti prebieha v rámci celého územia
Slovenska rekonštrukcia verejného osvetlenia, ktoré sa upravuje podľa implementovanej
európskej normy. Existuje viacero typov pouličných lámp, ktoré na svoju činnosť využívajú
obnoviteľné zdroje energie. Náš návrh predstavuje lampa verejného osvetlenia s veterným
agregátom – Savoniusovým rotorom.
Konštrukcia pouličnej lampy
Vo všeobecnosti je osvetľovacia sústava tvorená súborom prvkov a technických prostriedkov
na zabezpečenie správneho osvetlenia ako napríklad svetelné zdroje, svietidlá, stožiare
s elektrovýzbrojou, elektrické vedenia, rozvádzače a pod. [1].
Verejné osvetlenie na Slovensku je tvorené viacerými druhmi osvetľovacích stožiarov pričom
najpoužívanejšie sú betónové a oceľové. Svietidlá sa na tieto typy umiestňujú pomocou
výložníka, ramienka s rôznymi uhlami alebo priamo [1]. Základné rozmerové parametre
stožiarov sú vyznačené na Obr. 1.
127
Obr. 1: Základné rozmerové parametre stožiara [1].
Ako svetelné zdroje sa v súčasnosti používajú žiarivky, žiarovky, výbojky, kompaktné
žiarivky, LED diódy a ďalšie druhy.
Savoniusov rotor
Savoniusov rotor patrí medzi zariadenia s vertikálnou osou otáčania - VAWT. Listy rotorov
s vertikálnou osou otáčania sú dlhé, zaoblené a na oboch koncoch pripevnené. Ich hlavnou
prednosťou oproti zariadeniam s horizontálnou osou otáčania, je že nie potrebný systém
natáčania na zachytenie prúdenia vetra v rôznych smeroch.
Savoniusov rotor je pomalobežný veterný stroj. Je typom vertikálno-axiálnej veternej turbíny.
Využíva rozdiel tlakov pri prúdení vzduchu na vypuklú a dutú polkruhovú lopatku, ktoré pri
pohľade z hora majú tvar písmena „S“, Obr. 2 [2].
Obr. 2: Tlakový princíp činnosti Savoniusovho rotora [3].
128
Účinnosť tohto zariadenia sa pohybuje iba na úrovni η = 0,2, je však konštrukčne jednoduchý
s dobrými rozbehovými vlastnosťami už pri malých rýchlostiach vetra a vyznačuje sa veľkým
záberovým momentom [2]. Výhody a nevýhody použitia tohto typu rotora sú stručne
charakterizované v Tab. 1.
Tab. 1: Výhody a nevýhody Savoniusovho rotora
výhody
nevýhody
nezávislosť na smere vetra
mohutný vzhľad
finančná nenáročnosť použitých materiálov vysoká hmotnosť
priame predávanie sily na hriadeľ
malá rýchlobežnosť
využitie širokého spektra rýchlostí vetra
nízky súčiniteľ využívanej energie
možnosť spojiť viacero rotorov
nedostatok literatúry
vysoká odolnosť pri búrkach
Prameň: Savoniův rotor - návod na stavbu
V súčasnosti sú rozšírené konštrukcie s dvoma alebo troma krídlami, pri vyššom počte totiž
dochádza k poklesu účinnosti. Lopatky sú polkruhovo zahnuté a osadené v strede do
protismeru. Smer otáčania môže byť tak do pravej ako aj ľavej strany. Počet otáčok rotora
závisí od jeho priemeru, zaťaženia a rýchlosti vetra. Schematický nákres jednotlivých častí je
zobrazený na Obr. 3.
Obr. 3: Nákres častí Savoniusovho rotora [4].
Konštrukcia veternej akumulačnej lampy
Nami navrhovaná cestná lampa s veterným agregátom pozostáva z oceľového stožiara
s výškou 8 m a dĺžkou výložníka 1,5 m, ako je to vidieť na Obr. 4.
129
Obr. 4: Schematický nákres lampy verejného osvetlenia s veterným agregátom.
Plocha rotora predstavuje 4 m2. Je nevyhnutné aby lopatky boli vyrobené z ľahkého
materiálu, preto sa navrhuje ich zostrojenie z plastov s prímesou skleneného vlákna.
Červenou farbou je označené napojenie svietidla, ktoré zabezpečuje prívod striedavého prúdu
do svetelného zdroja. Ide o externý zdroj prívodu energie, pretože je spojený s centrálnou
sieťou rozvodu elektrickej energie. Modrá farba znázorňuje prívod jednosmerného prúdu z
akumulátora do svetelného zdroja získaného prostredníctvom Savoniusovho rotora. Žltou
farbou je označené uloženie ozubeného prevodu, dynama, prvku so spínacou funkciou a
batérie.
Rotor je upevnený prostredníctvom klietkového priestorového hriadeľa ktorý prenáša točivý
moment na prevodovku. Prevodovka s ozubenými kolesami slúži na premenu vstupného
točivého momentu na rotačný pohyb. Umožňuje nám nastaviť viacero prevodových stupňov.
Prenáša energiu na dynamo, ktoré premieňa mechanickú energiu získanú z rotora na
elektrickú energiu čím vytvára jednosmerný prúd. Kvôli zabezpečeniu nepretržitej činnosti v
čase prevádzky lampy je potrebné zabezpečiť prepínanie medzi akumulátorom a rozvodnou
sieťou, ktoré zabezpečí prvok so spínacou funkciu. Tento prvok po vybití akumulátora,
automaticky napojí svetelný zdroj na sieť rozvádzajúcu elektrickú energiu. Batéria sa nabíja
priebežne počas 24 hodín. Konečný vzhľad takejto lampy v 3D môžeme vidieť na Obr. 5.
130
Obr. 5: Pohľad na veternú akumulačnú lampu v 3D.
Výkon rotora
Účinnosť Savoniusovho rotora je na úrovni 20 %. Pri určovaní celkového výkonu zariadenia,
sme s ohľadom na tento fakt vychádzali zo vzťahu:
1
*cp * S * *u 3
2
Ps - výkon Savoniusovho rotora [W]
Ps
u 3 - horizontálna zložka rýchlosti vetra [u.m-1]
- hustota vzduchu [kg.m-3]
S - plocha rotora [m2]
c p - výkonový súčiniteľ [-]
Výkon zariadenia bude dosahovať hodnoty uvedené v Tab. 2. Rýchlosť vetra je v tabuľke
v intervale 0,5 m/s.
131
Tab. 2: Výkon vetra prechádzajúceho plochou Savoniusovho rotora 4 m2
V
m/s
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
V
m/s
6,5
7
7,5
8
8,5
9
9,5
10
10,5
11
11,5
12
P
W
0,06
0,49
1,65
3,92
7,66
13,23
21,01
31,36
44,65
61,25
81,52
105,84
P
W
134,57
168,07
206,72
250,88
300,92
357,21
420,11
490,00
567,24
652,19
745,23
846,72
P [W]
.
Pre lepšiu názornosť sú tieto údaje premietnuté do grafu, ktorý ukazuje teoretické 100 %
zachytenie energie vetra a 20 % zachytenie energie rotorom Obr.6.
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5
u [m/s]
výkon Savoniusovho rotora
výkon pri 100% využití energie
Obr. 6: Porovnanie 100% výkonu a výkonu Savoniusovho rotora s plocha 4 m2
Záver
Na to aby sa pokryla celková potrebná doba svietenia, by bol potrebný rotor podstatne väčších
rozmerov, použitie dvojstupňového rotora, alebo použitie kombinácie Savoniusovho a
Darrieusovho rotora. Savoniusov rotor teda nepokryje celkovú potrebu elektrickej energie a
svietidlo musí byť stále napojené na elektrickú sieť a to najmä v zimných mesiacoch. Avšak v
jarných mesiacoch je spotreba energie dodávanej sieťou minimálna. Znížená spotreba
elektrickej energie je spôsobená samotnými požiadavkami siete verejného osvetlenia, keďže
v tomto období dochádza k skracovaniu času počas, ktorého je v prevádzke.
Poďakovanie
Tato práce bola podporovaná grantom VUKONZE
132
Literatúra
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
Verejné
osvetlenie
[online].
2005.[cit.
2012-04-26].
Dostupné
z:
http://www.verejneosvetlenie.sk/master/ Goinggreendiy.com [online]. 2009 [cit. 201004-01].
How
To
Build
A
Solar
Panel.
Dostupné
z
WWW:
<http://goinggreendiy.com/wind-turbine-informatio/>.
KUDELAS, Dušan; RYBÁR, Radim; CEHLÁR, Michal. Energia vetra : prírodné,
technické a ekonomické podmienky jej využitia. Vyd. 1. Košice : Edičné stredisko
Fakulty BERG, 2009. 215 s. ISBN 978-80-553-0169-3.
Goinggreendiy.com [online]. 2009 [cit. 2010-04-01]. How To Build A Solar Panel.
Dostupné z WWW: <http://goinggreendiy.com/wind-turbine-informatio/>.
Temadictos.com [online]. 2008-12-11 [cit. 2011-04-26]. TEMEDICTOS beta. Dostupné
z WWW: <http://www.temadictos.com/481396358-ejemplo-de-rotor-savonius-congenerador-incorporado>.
SCHULZ, Heinz. Savoniův rotor - návod na stavbu. Ostrava : HEL, 2005. 80 s. ISBN
808-616-72-67.
URBANOVÁ, Martina.: Návrh využitia veternej akumulačnej lampy. Bakalárska práca.
Košice. Technická univerzita v Košiciach, FBERG, 2008- 58s.
133
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
30
NI-ZN AKUMULÁTORY
Jiří Tichý, Petr Dvořák
Ústav elektrotechnologie FEKT VUT v Brně, e-mail: [email protected]
Abstrakt
Příspěvek je zaměřen na shrnutí dosavadních poznatků o Ni-Zn akumulátorech, možnostech
jejich použití, jejich základních výhodách a nevýhodách. Dále se věnuje některým možným
cílům budoucího výzkumu zaměřeného na tento typ akumulátorů a problémům které
je potřeba vyřešit.
Úvod
Přestože patenty popisující základní princip Ni-Zn akumulátoru pochází z let 1899-1901, NiZn akumulátory nejsou prozatím příliš používaným typem akumulátorů. Teoreticky přinášejí
výhodu vyššího jmenovitého napětí než rozšířené Ni-Cd a Ni-MH akumulátory, nižší cenu a
hmotnost, díky čemuž by se mohly stát nejrozšířenějším typem alkalického akumulátoru,
nicméně v praxi jejich použití brání problémy značně zkracující jejich životnost.
Ni-Zn akumulátory jsou alkalickými akumulátory s vodným elektrolytem, stejně jako Ni-Cd,
nebo Ni-MH akumulátory. Hustota energie Ni-Zn akumulátorů se pohybuje mezi 70 až 110
Wh/kg a jejich teoretické napětí naprázdno je 1,73V. Tyto akumulátory jsou na rozdíl od
Lithiových akumulátorů poměrně tolerantní k přebíjení i hlubokému vybíjení a není u nich tak
vysoké riziko požáru.
Obr. 1: Cylindrický Ni-Zn článek [1]
134
Princip Ni-Zn akumulátoru
Zjednodušené základní chemické reakce jsou velice podobné reakcím v Ni-Cd akumulátoru,
pouze kadmium je nahrazeno zinkem. Elektrolytem je vodný roztok KOH.
Reakce na záporné elektrodě při vybíjení:
Zn + 2OH−
→
Zn(OH)2 + 2e-
Zn(OH)2 + 2OH–
→
ZnO2−2 + 2H2O
(2)
ZnO2–2 + H2O
→
ZnO + 2OH−
(3)
E0 = - 1,24 V (1)
Reakce na kladné elektrodě při vybíjení:
2NiOOH + 2H2O + 2e− → 2Ni(OH)2 + 2OH–
E0 = 0,49 V (4)
Celková reakce:
2NiOOH + 2H2O + Zn → Zn(OH)2 + 2Ni(OH)2
(5)
Problémy se zinkovou elektrodou
Výhodou zinku je jeho nízká cena, nízká toxicita a nízký redoxní potenciál.
Naopak velkou nevýhodou je, že produkty a meziprodukty vzniklé při vybíjení (hlavně
hydroxid a oxid zinečnatý) jsou rozpustné v elektrolytu (KOH), z čehož plynou následující
problémy:
1)
2)
3)
4)
Tvorba zinkových dendritů – při nabíjení se částice zinku usazují na nerovnostech
povrchu, neprobíhá jejich rovnoměrné ukládání na povrchu elektrody. Dendrity mohou
prorůst skrz separátor a způsobit zkrat mezi elektrodami.
Změna tvaru zinkové elektrody – při nabíjení se částice neusazují na jejich původní
umístění, vzniká většinou „hruškovitý“ tvar.
Shlukování zinku – hmota elektrody nanesená tak, aby měla co největší povrch se při
nabíjení shlukuje do méně výhodných uskupení.
Koroze zinku – nastává zejména za přítomnosti železa nebo kobaltu. [1, 3]
Tyto problémy způsobují relativně krátkou životnost Ni-Zn akumulátorů, cca do 200 cyklů do
poklesu kapacity na 80% jmenovité hodnoty.
V některých zdrojích je uváděna životnost vyšší, nicméně většinou je to pro vyšší pokles
kapacity (například na 60% jmenovité kapacity).
135
Obr. 2: Pokles kapacity Ni-Zn akumulátorů s počtem cyklů, jednotlivé články – vyšší
životnost, sada – nižší životnost [1]
Dalším problémem pro spotřebitele je i odlišný způsob nabíjení – používá se metoda CCCV,
namísto metody DeltaPeak obvyklé u Ni-Cd a Ni-MH akumulátorů. Při stejných rozměrech a
zaměnitelnosti těchto článků je třeba uživatele na tuto skutečnost důrazně upozornit.
Obr. 3: Průběh nabíjení Ni-Zn akumulátoru PowerGenix [2]
Možná řešení problémů
Modifikace hmoty záporné elektrody – sloučeniny zinku a vápníku nebo zinku a barya,
přídavek hydroxidu vápenatého, olova (dobré výsledky, ale nevhodné pro svou toxicitu), cínu,
kobaltu a dalších příměsí zabraňujících rozpouštění hmoty Zn elektrody v elektrolytu [3].
Modifikace elektrolytu – přídavek hydroxidu lithného, saturace oxidem zinečnatým, případně
přídavky organických kyselin a sloučenin.
Použití vhodných separátorů – většinou se používají alespoň dvě vrstvy separátoru – silnější
materiál s velkou nasákavostí a dobrou propustností pro zadržení elektrolytu a další vrstva,
která je tenká, ale zabraňuje průniku částic a prorůstání dendritů. Na separátor jsou kladeny
protichůdné požadavky – na jednu stranu musí umožňovat dobrou vodivost a tím nízký
136
vnitřní odpor akumulátoru, na druhou stranu nesmí dovolit průchod částic a prorůstání
dendritů. [1]
Režimy nabíjení – možné řešení problémů s nárůstem dendritů by mohly představovat
nabíjecí režimy s přerušovaným nabíjecím proudem, případně s krátkými vybíjecími pulzy.
Závěr
Ni-Zn akumulátory by se mohly stát levným a přitom výkonným a k životnímu prostředí
šetrným elektrochemickým zdrojem energie. Jejich většímu rozšíření nicméně brání jejich
nízká životnost ve smyslu nízkého počtu cyklů, způsobená negativními vlastnostmi záporné
elektrody.
V současné době probíhá na Ústavu elektrotechnologie FEKT VUT v Brně výzkum zaměřený
na zlepšení vlastností a zejména prodloužení životnosti Ni-Zn akumulátorů.
Poděkování
Tato práce vznikla v rámci řešení operačního programu EU CVVOZE
(CZ.1.05/2.1.00/01.0014) a specifického vysokoškolského výzkumu na VUT v Brně č.
FEKT-S-11-7
Literatura
[1]
[2]
[3]
J. PHILLIPS, S. MOHANTA,: Nickel-zinc batteries, LINDEN´S HANDBOOK OF
BATTERIES (2011)
PowerGenix NiZn AA Data Sheet [on-line], [cit. 3.4.2012] dostupné z www:
http://www.powergenix.com/files/powergenix/docs/pgx_nizn_aa_datasheet.pdf
JINDRA, Jiří. Sealed Ni-Zn cells, 1996-1998. Journal of power sources. 2000, č 88, s.
202-205
137
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
33
PERSPEKTIVNÍ MATERIÁLY PRO NEGATIVNÍ
ELEKTRODY LITHNO-IONTOVÝCH ČLÁNKŮ
Jiří Libich, Ondřej Čech, Marie Sedlaříková, Jiří Vondrák
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav
elektrotechnologie, Technická 10, 616 00 Brno, e-mail: [email protected].
Abstrakt
Následující práce představuje stručný úvod do aktuálních vývojových trendů v oblasti
elektrodových hmot pro Lithno-iontové články. Na poli aktivních elektrodových materiálů se
již dlouho spekuluje o možném substituentu za komerčně úspěšný uhlík aplikovaný v různých
formách. Z hlediska reálného masivního komerčního využití není tento výběr vůbec snadný,
při výběru musí být respektovány základní hlediska jako dostupnost, cena, proces výroby,
které musí následovat po ověření funkčnosti materiálu a jeho parametrů.
Úvod
Pří vývoji baterií jsou v prvé řadě respektovány aplikační požadavky trhu zahrnující
především vysokou hodnotu poměru jednotky energie na jednotku hmotnosti baterie spolu
s dostupností materiálů nutných pro velkoobjemovou výrobu. U současných typů komerčně
rozšířených Lithium-iontových baterií je záporná elektroda – anoda založena na bázi uhlíku.
Uhlík tvoří grafitové vrstvy hexagonálně uspořádaných atomů uhlíku. Jednotlivé atomy
uhlíku jsou od sebe vzdáleny 0,142 nm a tvoří vlastně jednu obrovskou rovinnou molekulu,
ve které jsou k sobě atomy vázány silnými kovalentními vazbami. Jednotlivé, 0,335 nm
vzdálené, „grafenové“ vrstvy jsou k sobě vázány mnohem slabšími silami, které jsou
srovnatelné s Van der Waalsovými. Toto uspořádání je důvodem velmi značné anizotropie
vlastností grafitu, která se týká nejen mechanických vlastností, ale také například tepelné a
elektrické vodivosti. Šesterečná soustava se skladem vrstev A‖B viz Obr. 1. Při ideálním
uspořádání připadá jeden atom lithia na šest atomů uhlíku, což znamená teoretickou měrnou
kapacitu 372 mAh/g.
Z grafitových materiálů se nejčastěji používá přírodní grafit především kvůli vysoké ceně
syntetického grafitu a jeho bezproblémové dostupnosti.
Grafitové materiály mají ovšem teoretickou kapacitu, která je z pohledu dnešních požadavků
na akumulátory energie nedostatečná, mají také další negativní vlastnosti jako je SEI vrstva
nutná pro požadovanou funkci elektrody která ovšem ubírá kapacitu akumulátoru. Jako
vhodná alternativa se nabízí křemík (Si) který je jakožto prvek dobře komerčně dostupný a je
dnes prakticky jedinou masově používanou základní komponentou při tvorbě integrovaných
obvodů. Jeho roční celosvětová produkce se pohybuje v rozmezí (1,3 až 1,5) miliónu tun.
Přestože má křemík oproti uhlíku větší relativní atomovou hmotnost Si: Ar = 28 (C: Ar = 12)
což souvisí s nižším poměrem měrné energie (em vztažené na hmotnost akumulátoru tj.
138
Wh/kg) na jednotku hmotnosti akumulátoru, disponuje křemík teoretickou kapacitou až 4200
mAh/g což více než desítinásobek teoretické kapacity grafitu. Tato hodnota převyšuje
hmotnostní nevýhody křemíku.
Obr. 1: Grafitové vrstvy a jejich periodicky se opakující uspořádání. [1], [2]
Princip funkce křemíku jako negativní elektrody v Lithno-iontovém článku
Monokrystal křemíku je situován do plošně centrované kubické mřížky (všechny atomy se
nacházejí v tetraedrické koordinaci) se symetrií Fd3m (jedna z 230 možných uspořádání
vycházejících ze 7 krystalografických struktur). Strana krychle obsahující v rozích atomy
křemíku je dlouhá 5,43 Å neboli 0,543 nm, viz Obr. 2.
Při vývoji křemíkových anod bylo zjištěno, že křemík se při elektrochemickém nabíjení
(lithiací) za pokojové teploty stává amorfní látkou (nemá pevnou krystalovou strukturu v
rámci krystalových zrn). Tedy na rozdíl od grafitu nepracuje na principu interkalace, ale lithné
atomy zabudovává do své struktury a mění tak parametry své krystalové mříže. Pokusy
probíhaly na sestaveném poločlánku Li/LixSi.
Obr. 2: Monokrystal křemíku (Si). [2]
139
Je možné vytvořit celou řadu fází, jejich tvorba je ovšem podmíněna teplotou a tlakem
v tabulce 1 níže vidíme jejich stručný přehled spolu s její krystalografickou strukturou.
Tab. 1: Fáze a jejich složení zkoumané pomocí DFT(Density Functional Theory). [2]
fáze
LiSi
Li12Si7
Li7Si3
Li13Si4
Li15Si4
Li21Si5
Li22Si5
x v LixSi
1
1,71
2,33
3,25
3,75
4,20
4,40
krystalografická soustava
čtverečná
kosočtverečná
klencová/trigonální
kosočtverečná
krychlová
krychlová
krychlová
Pro Lithium-iontové články má význam především fáze Li15Si4 tato fáze vzniká
elektrochemickou lithiací za pokojové teploty a je stabilní až do 250 °C.
Pokud je křemík plně lithiován za pokojové teploty dostáváme stabilní ne-stechiometrickou
fázi Li15Si4 (grafit má LiC6). Při vytváření Li-Si fáze jsou lithné atomy dárci elektroniků pro
Si atomy a některé se redukují na lithné anionty pro zachování stability a vznikají tak rovné
kruhové a ′Y′ struktury jak je vidět na Obr. 3.
Obr. 3: Struktury vznikající v Li15Si4 fázi. [3]
Výroba křemíkové záporné elektrody (anody) pro Lithium-iontový článek
Mezi nejpodstatnějším vlastnosti z hlediska funkčnosti křemíku v Lithium-iontových článcích
je kromě jeho vlastnosti vázat lithné atomy jeho roztažnost. Křemík po nasycení lithnými
atomy velmi výrazně expanduje, tj. zvětšuje svůj objem v řádech stovek procent, uvádí se 300
% až 400 %. Tato vlastnost je z pohledu Lithium iontových článků nežádoucí, jelikož
v takovém případě dochází k porušení vazeb křemíku a jeho rozlomení což má za následek
velký vnitřní odpor, ztrátu kapacity a v případě kompletní Lithno-iontové baterie její zničení.
Tento nedostatek se vyřešil výrobou křemíkových nanovláken.
Výroba křemíkových nanovláken je možná mnoha způsoby, jedno z možných technický
dobře zvládnutých je výroba za pomoci elektrochemického leptání monokrystalu křemíku.
Tento proces je ve stručnosti znázorněn na Obr. 4.
140
Obr. 4: Postup výroby křemíkových nanovláken elektrochemickým leptáním. [3]
Na Obr. 4 je naznačen zjednodušený schématický výrobní postup pro jednotlivé výrobní kroky.
První krok je ukázán z pohledu shora (a), kruhy tvořené celou čarou jsou póry vytvořené leptáním
ze standardního pole makropórů a tečkované kruhy ukazují efekt následného chemického
přeleptání které vede k nanovláknům ukázaným na v části (b) opět shora. Třetí krok (c) je nutný k
tomu, aby celé zařízení fungovalo, jelikož v této výrobní metodě jsou nanovlákna přímo na
křemíku došlo by k navázání lithia do tohoto křemíku a k poškození, vrstva mědi funguje jako
bariéra.[3]
Výše popsaný způsob je pouze jeden z mnoha, který předchází výrobě dutých nanovláken pomocí
sofistikovanější postupů.
Poděkování
Tato práce byla podporována specifickým výzkumem FEKT-S-11-7 Materiály a technologie
pro elektrotechniku spolu s projektem GAČR P102/10/2091.
Literatura
[1]
[2]
[3]
HRAZDÍRA, M. Materiály na bázi uhlíku a jejich využití. Brno: Vysoké učení
technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2010.
V.L. Chevrier, J.W. Zwanziger, J.R. Dahn, First principles study of Li–Si crystalline
phases: Charge transfer, electronic structure, and lattice vibrations, Journal of Alloys
and Compounds, Volume 496, Issues 1–2, 30 April 2010, Pages 25-36.
M. Leisner, A. Cojocaru, E. Ossei-Wusu, J. Carstensen, H. Föll, New Applications of
Electrochemically Produced Porous Semiconductors and Nanowire Arrays, Nanoscale
Research Letters, Volume 5, Issues 9, 01 September 2010, Pages 1502-1506.
141
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
34
PROGRESIVNÍ KATODOVÉ MATERIÁLY PRO LITHNOIONTOVÉ AKUMULÁTORY
Ondřej Čech
Vysoké učení technické v Brně , Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, Ústav
Elektrotechnologie
Korespondenční e-mail: [email protected]
Abstrakt
Článek se zabývá vlastnostmi a využitím síry jako konverzního materiálu pro katody lithnoiontových akumulátorů. Přes jistá úskalí je síra velmi prespektivní materiál, hlavně díky velmi
vysoké teoretické kapacitě intrinzického materiálu a také díky vysoké měrné energii. Bude
zde popsán principiální rozdíl mezi interkalačními a konverzními elektrodovými materiály,
jejich výhody a nevýhody. Dále bude představen koncept sírové katody a možnosti jejího
zlepšení.
Úvod
Lithno-iontové baterie jsou v dnešní době přítomny snad v každém odvětví lidské činnosti,
protože jsou neodmyslitelnou součástí již naprosto běžných a samozřejmých zařízení, jako
jsou notebooky nebo mobilní telefony. Tyto baterie jsou limitovány především kapacitou a
rychlostí, kterou lze baterie nabíjet a vybíjet. Tyto dva aspekty jsou předmětem výzkumu
velkého množství vědeckých týmů a ještě stále se objevují nové principy, na kterých mohou
být tyto baterie založeny a které mohou využívat.
Interkalační a konverzní materiály
V podstatě všechny komerčně vyráběné li-ion baterie dnešní doby používájí jako aktivní
hmotu různé tzv. interkalační materiály. Ty mohou do své struktury reverzibilně včleňovat
ionty lithia, aniž by se změnila jejich krystalografická struktura. Díky tomu je tento proces
provázen jen minimální změnou objemu. Interkalační materiály pro katody li-ion akumulátorů
jsou omezeny poměrně malým množstvím lithia, které je možné včlenit do struktury látky.
Tím je omezena také kapacita (LiFePO4 165mAh/g, LiCoO2 274 mAh/g, Li4Ti5O12 296
mAh/g).
Naproti tomu konverzní materiály mění svou krystalografickou fázovou strukturu, vzniká
látka s jiným typem nebo jinými rozměry krystalové buňky. Toto je obvykle doprovázeno
velkými objemovými změnami, ale tyto materiály mají zároveň několikanásobně větší
teoretickou kapacitu (Síra 1672mAh/g, Křemík 4200 mAh/g). Rozdíl mezi interkalačními a
konverzními materiály je ilustrován na Chyba! Nenalezen zdroj odkazů..
142
Obr. 1: Ilustrace rozdílu ve struktuře interkalačních a konverzních materiálů během
cyklování [1]
Síra jako katoda pro li-ion akumulátory
Síra je jedna z energeticky nejperspektivnějších materiálů zkoumaných v rámci vývoje li-ion
baterií. Vyskytuje se ve velkém množství molekulových struktur. Základní strukturou síry je
orthorhombická-α forma jako osmiatomová cyklická molekula. Forma α přechází na
jednoklonnou β formu při teplotě 94.4°C ještě před dosažením bodu tání mezi 112°C a
119.6°C. Z roztavené síry je také možné získat další formu síry s jednoklonnou molekulovou
mřížkou, tzv. γ-síru. Tato má větší hustotu, ale rozkládá se při pokojové teplotě. α, β a γ jsou
tři dosud nejlépe charakterizované fáze molekuly síry. Síra má vnitřní vodivost odpovídající
izolantu (5 x 10-30 S·cm-1 při 25°C) se dvěma typy nosičů náboje. Elektrony mají pohyblivost
10-4 cm2V-1s-1 a díry s pohyblivostí cca 10 cm2V-1s-1. Úpravou podmínek je ovšem možné
získat síru s naprosto odlišnými elektrickými vlastnostmi, například při tlaku 90 GPa a
pokojové teplotě přechází síra na fázi s kovovou vodivostí, při teplotě 15K a tlaku 550Gpa
přechází dokonce na fázi se supravodivými vlastnostmi.
Síra má teoretickou kapacitu 1672 mAh/g a právě nízké měrné hmotnosti síry je teoretická
specifická výkonová kapacita 2600 Wh/kg. Hlavní elektrochemický proces, který probíhá na
sírové katodě popisuje rovnice výsledného produktu
16Li + S8 ↔ 8 Li2S
Li2S je nicméně formován postupným přechodem mezi dalšími polysulfidy s obecným
zápisem Li2Sx (1 ≤ x ≤8), přičemž některé z nich jsou silně rozpustné v roztoku elektrolytu.
Toto rozpouštění vede ke ztrátě hmoty aktivního materiálu, což ve výsledku vede k rychlému
poklesu kapacity během cyklování. Tyto rozpustné polysulfidy mohou navíc migrovat
elektrolytem a reagovat s kovovým lithiem na anodě a vytvářet tak vrstvu nerozpustných
produktů, které pasivují lithiovou anodu a tím dále zhoršovat vlastnosti celé baterie. [2]
Anionty S2- jsou navíc velmi silnou zásadou a mohou tak reagovat s karbonáty používanými
jako elektrolyty, problémem bývá také změna morfologie nejčastějších kompozitních elektrod
uhlík/síra, kdy se tyto dvě složky separují a radikálně tak narůstá odpor elektrod a klesá
kontakt aktivního materiálu s kolektorovým nosičem. To způsobuje problémy se životností a
s proudovou zatížitelností baterie. Všechny tyto problémy přispívaly k tomu, že byla síra po
dlouhou dobu považována za materiál neperspektivní. V posledních několika letech byly
143
ovšem publikovány různé přístupy, jakými se dají negativní aspekty použití těchto elektrod do
značné míry potlačit.[2]
Obr. 2: Proces lithiace elementární síry
Metody vylepšení vlastnosti sírových elektrod
a) Fixování síry do porézní struktury uhlíkových materiálů
Fixace do pórů uhlíkových mikrokuliček
Příprava tohoto materiálu obvykle probíhá tak, že je síra společně s uhlíkovým materiálem
určeným pro její znehybnění a oddělení od elektrolytu zahřáta nad teplotu tavení v inertní
atmosféře. Tímto způsobem proběhne nasátí a zafixování do pórů, přebytek je následně
odpařen. Poprvé byla tato metoda publikována v roce 2009 zde [5], viz obr.3
Obr. 3: (a)-(b) čistá uhlíková nanovlákna, (c)-(d): uhlíková nanovlákna naplněná sírou [8]
144
Obr. 4: Uhlíková mikrokulička s póry naplněnými sírou[2]
Fixování do pórů jednostěnných uhlíkových nanovláken chemickou depozicí
Na obr. 4 je znázorněn kompozit, kde byla pomocí chemického deponování byla z roztoku
sulfidu sodného síra vpravena do pórů uvnitř uhlíkových nanotrubic. Tím došlo k zabránění
rozpouštění a kontaktu elektrolytu přímo se sírou.[8]
b) Použití polymerního elektrolytu místo kapalného
Použití polymerního elektrolytu rapidně snižuje rozpouštění polysulfátů vzniklých při
nabíjení síry a hlavně zabraňuje jejich migraci elektrolytem k anodě. Tyto elektrolyty bývají
nejčastěji založeny na polyethylene oxidu (PEO)[3; 4], polyacrylonitrilu(PAN) [7],
polymethymethacrylatu (PMMA)[7], Polyvinylidenefluoride-hexafluoropropylenu (PVDFHFP)[6]
c) Potahování síry vodivými polymery
Poražením elementární síry vodivým polymerem je dostiženo mechanické fixace
elektrodvého aktivního materiálu, zamezení jeho kontaktu s elektrolytem a tím i podlačení
rozpouštění polysulfidů v elektrolytu. V podstatě výhradními vodivými polymery jsou v této
oblasti polyanilin a především polypyrol. V případě polypyrolu se často jedná o trubicová
vlákna naplněná zevnitř na podobném principu, jako pracuje plnění uhlíkových nanovláken.
Nejprogresivnější metodou je v tomto ohledu tzv. koaxiální elektrospinning, který umožňuje
tažení nanovláken se strukturou core-shell současně v jednom kroku pomocí dvojstěnné
spinovací jehly [9].
Obr. 5: Koaxiální elektrospinning [9]
145
Poděkování
Tato práce vznikla za podpory Centra pro výzkum a využití obnovitelných zdrojů energie
CZ.1.05/2.1.00/01.0014 a grantu FEKT-S-11-7.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
146
AMATUCCI, G.G. AND PEREIRA, N. Fluoride based electrode materials for
advanced energy storage devices. Journal of Fluorine Chemistry, 2007, vol. 128, no. 4,
p. 243-262.
HASSOUN, J., KIM, J., LEE, D.-J., JUNG, H.-G., LEE, S.-M., SUN, Y.-K. AND
SCROSATI, B. A contribution to the progress of high energy batteries: A metal-free,
lithium-ion, silicon–sulfur battery. Journal of Power Sources, 2012, vol. 202, no. 0, p.
308-313.
JEON, B.H., YEON, J.H., KIM, K.M. AND CHUNG, I.J. Preparation and
electrochemical properties of lithium–sulfur polymer batteries. Journal of Power
Sources, 2002, vol. 109, no. 1, p. 89-97.
JEONG, S.S., LIM, Y.T., CHOI, Y.J., CHO, G.B., KIM, K.W., AHN, H.J. AND CHO,
K.K. Electrochemical properties of lithium sulfur cells using PEO polymer electrolytes
prepared under three different mixing conditions. Journal of Power Sources, 2007, vol.
174, no. 2, p. 745-750.
JI, X., LEE, K.T. AND NAZAR, L.F. A highly ordered nanostructured carbon-sulphur
cathode for lithium-sulphur batteries. Nat Mater, 2009, vol. 8, no. 6, p. 500-506.
JIN, J., WEN, Z., LIANG, X., CUI, Y. AND WU, X. Gel polymer electrolyte with ionic
liquid for high performance lithium sulfur battery. Solid State Ionics, no. 0.
RAO, M., GENG, X., LI, X., HU, S. AND LI, W. Lithium-sulfur cell with combining
carbon nanofibers-sulfur cathode and gel polymer electrolyte. Journal of Power
Sources, no. 0.
RAO, M., SONG, X., LIAO, H. AND CAIRNS, E.J. Carbon nanofiber–sulfur
composite cathode materials with different binders for secondary Li/S cells.
Electrochimica Acta, 2012, vol. 65, no. 0, p. 228-233.
TONG, H.-W., ZHANG, X. AND WANG, M. A new nanofiber fabrication technique
based on coaxial electrospinning. Materials Letters, 2012, vol. 66, no. 1, p. 257-260.
35
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
OPTIMALIZACE VÝROBY LICOO2 METODOU REAKCE
Z PEVNÉ FÁZE
T. Kazda, O. Čech
Ústav elektrotechnologie, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologii, Vysoké
učení technické v Brně, Technická 10, 616 00 Brno, Česká Republika,
e-mail: [email protected]
Abstrakt
Tato práce se zabývá zlepšováním postupu výroby katodového materiálu na bázi LiCoO2 pro
lithno-iontové akumulátory, připravených metodou reakce v pevné fázi. Hlavním cílem je
dosáhnout co nejvyšší možné kapacity blížící se teoretickým hodnotám (155 mAh/g), dalším
požadavkem je docílení minimálního úbytku kapacity v důsledku cyklování takto
vytvořených materiálů. Po optimalizaci procesu přípravy se dále otvírá možnost dopovat tento
materiál ionty dalších kovů s cílem vylepšit jak kapacitu, tak především stabilitu, k jejímuž
zhoršování má tento materiál díky své struktuře přirozené tendence.
Úvod
V roce 1991 přišla na trh první komerční lithno-iontová baterie od firmy Sony a jako
katodový materiál byl v této baterii využit právě LiCoO2. Tento materiál je v současnosti
nejvíce využívaným materiálem pro kladné elektrody lithno-iontových článků. Teoretická
kapacita tohoto materiálu je 155 mAh/g s napětím vůči lithiu o velikosti 3,88 V. Tento
materiál se vyznačuje vrstvenou strukturou, atomy kobaltu jsou tedy obsaženy v kyslíkatých
mezirovinách a atomy lithia jsou v prostoru mezi vrstvami kyslíku. Díky této struktuře
dochází k snadnému uvolňování lithných iontů, ale při opakované deinterkalaci a interkalaci
také dochází k hroucení této struktury a snižování kapacity. Dalším problém tohoto materiálu
je teplotní nestabilita, při vyšších teplotách dochází k uvolňování kyslíku ze struktury. Toto
uvolňování může v reakci s organickými rozpouštědly obsaženými v elektrolytu vyvolat
v nejhorším až k explozi článku. Z tohoto důvodu se hledají zcela nové katodové materiály,
nebo dochází k dopování LiCoO2 dalšími prvky ve snaze stabilizovat strukturu tohoto
materiálu. [1],[2]
Existuje řada metod výroby LiCoO2, kupříkladu metoda srážení z roztoků, metoda sol-gel a
metoda reakce v pevné fázi. Metoda srážení z roztoků využívá pro výrobu LiCoO2
LiOH +H2O (hydroxid lithný) rozpuštěný v destilované vodě, který je následně smíchán s
Co(NO3)2 (dusičnan kobaltnatý) a vzniklá směs je dále míchána a probublávána CO2,
následně dojde ke vzniku sraženiny která je dále přefiltrována a několikráte propláchnuta
destilovanou vodou a nakonec žíhána při teplotě 900°C po dobu 24h. Při využití metody solgel dochází k rozmíchání Li(CH3COO)H2O (octan lithný) a Co(CH3COO)2.3H2O (octan
kobaltnatý) v destilované vodě a následnému překapání do vodného roztoku kyseliny
147
glykolové. Výsledná směs je vysušena při teplotě 80°C za vzniku gelu, jež je žíhán při teplotě
450°C po dobu 8h. Po tomto žíhání je vzniklý prášek peletován a následně naposledy žíhán
při teplotě 900°C podobu 3h.[3]
Experiment
Základní snahou této práce bylo vytvoření materiálu LiCoO2, který by se co nejvíce blížil
svými vlastnostmi vlastnostem teoretickým. Pro výrobu tohoto materiálu byla zvolena metoda
reakce v pevné fázi. Jako základní materiály pro výrobu mohou být použity dusičnany nebo
uhličitany lithia a kobaltu. V našem případě byl zvolen Li2CO3 (uhličitan lithný) a CoCO3
(uhličitan kobaltnatý) tyto dva materiály byly smíchány ve stechiometrickém poměru,
množství uhličitanu lithného bylo zvýšeno o 10% z důvodu částečné ztráty během žíhacího
procesu. Základní materiály byly smíseny, původně doporučené suché míchání bylo
nahrazeno rozmícháním ve směsi destilované vody a etylalkoholu v poměru 2:1 a následně
vysoušeny při teplotě 90°C po dobu 12h. Vysušená směs byla rozemleta v kulovém mlýnu,
nasypána do glazurované misky a žíhána po dobu 30h při teplotě 400°C. Vyžíhaný materiál
byl následně rozemlet a peletován, vzniklá peleta byla opět žíhána při teplotě 650°C po dobu
8h. V dalším kroku se opakoval proces rozemílání, peletování a žíhání tentokráte při teplotě
950°C po dobu 8h. Při žíhání při 950°C došlo k reakci vzorku s glazurou a k jejímu roztavení.
Výsledný materiál byl rozemílán v kulovém mlýnu a následně byla ve vialce připravena směs
složená z rozpouštědla NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon), pojidla PVDF (Polyvinylidenfluorid) a
uhlíku Super P. Hmotnostní poměr látek byl LiCoO2 80%, Super P 10%, PVDF 10%.
Výsledná směs byla nanesena pomocí těrky na Al folii, vysušena a zalisována. Z potažené Al
folie byl vyseknut disk o průměru 18mm a vložen do El-Cell© ECC-STD elektrochemické
cely sestavené uvnitř rukavicového boxu naplněného argonovou atmosférou. Jako
protielektroda bylo použito kovové lithium a jako elektrolyt 1M LiPF6 ve směsi EC:DMC 1:1
w/w napuštěné v separátoru ze skelné tkaniny.
Pro měření bylo použito galvanostatické cyklování, přičemž potenciálové okno bylo
nastaveno na 2,5 – 4,2V proti lithiu. Vždy byly provedeny dva vybíjecí a nabíjecí cykly pro
stanovení kapacity materiálu, při nichž byla výchozí kapacita pro tyto dva cykly stanovena z
předpokládané kapacity materiálu 120mAh/g a nabíjecí proud 0,5C. Z těchto dvou cyklů byla
odečtena skutečná kapacita následně bylo provedeno deset cyklů proudem 0,5C.
Obr. 1: Kapacita v prvních dvou cyklech a při 5 cyklech vzorku z glazurové misky
Vzorek vyrobený v glazované misce vykazoval již v prvních dvou cyklech malou kapacitu
25mAh/g, proto byla u dalšího vzorku nahrazena glazovaná miska žíhací miskou bez glazury.
148
Obr. 2: Kapacita v prvních dvou cyklech vzorku z misky bez glazury
Druhý materiál vyrobený v misce bez glazury vykázal zvýšení kapacity na 61,1mAh/g, tato
hodnota je ale stále daleko od teoretické hodnoty 155mAh/g. Proto byla vyrobena další sada
čtyř vzorků označených I-IV u kterých bylo při výrobě upraveno několik kroků. Kulový mlýn
byl po každém mletí několikrát vyčištěn vodou a alkoholem a vysušen v sušárně, před
každým mletím plněn argonem a elektrodová směs určená k nanášení na Al folii byla míchána
v kulovém mlýnu. Při nanášení směsi s PVDF a Super P pomocí těrky docházelo k velkému
rozpadu nanesené vrstvy a znemožnění vyseknutí disku, proto byly testovány jiné metody
nanesení a různé podmínky sušení. Z těchto zkoušek byly vybrány dvě metody nanášení a to
pomocí odkapávání ze špičky lžíce a stečení na folii z koule kulového mlýnu.
Obr. 3: Kapacita vzorku č. I naneseného pomocí koule při 10 cyklech
149
Obr. 4: Kapacita vzorku č. I naneseného pomocí lžíce při 10 cyklech
Tab. 1: Kapacity vzorků LiCoO2 č.I - IV nanesených lžící v prvních dvou cyklech vybíjení
LiCoO2 č. I
LiCoO2 č. II
LiCoO2 č. III LiCoO2 č. IV
Cyklus č. 1 143,5 mAh/g 130,1 mAh/g
135,7 mAh/g
119,2 mAh/g
Cyklus č. 2 141,7 mAh/g 128,9 mAh/g
132,4 mAh/g
116,8 mAh/g
Nanášení pomocí lžíce se ukázalo jako vhodnější, materiál nesený pomocí této metody
vykazuje lepší vlastnosti, co se týče kapacity tak menší ztrátu kapacity při cyklování.
Kapacity čtyř vyrobených vzorků při prvním cyklu byly v rozmezí 143,5 až 119,2 mAh/g.
Shrnutí
Postupnými úpravami výrobního postupu bylo docíleno zvýšení kapacity vytvářeného
materiálu LiCoO2 až na hodnotu 143,5mAh/g, která je velmi blízká teoretické hodnotě a díky
změně způsobu nanášení došlo i ke snížení ztrát kapacity při cyklování. Upravený postup
může být dále použit k určování změn vlastností materiálu LiCoO2 v případě dopování
dalšími prvky.
Poděkování
Tato práce byla podporovaná grantem FEKT-S-11-7.
Literatura
[1]
[2]
[3]
150
Linden. D, Reddy B., T., Handbook of batteries, 3. vydání 2002 ISBN 0-07-135978-8
SCHALKWIJK, V.A., B. SCROSATI, Advances in Lithium-Ion Batteries. 2002,
London: Kluwer Aacademic Publishers.
Park, S. –H., Shin, S. –S., Sun, Y. –K.: The effects of Na doping on performance of
layered Li1.1−xNax[Ni0.2Co0.3Mn0.4]O2 materials for lithium secondary batteries,
Materials Chemistry and Physics. 2006, 95, s. 218-221
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
37
MOŽNOSTI EIS METODY PŘI MĚŘENÍ IMPEDANČNÍCH
ZMĚN Ni(OH)2 ELEKTRODY V PRŮBĚHU CYKLOVÁNÍ
Ladislav Chladil 1, Petr Dvořák 1
1
Ústav elektrotechnologie, Vysoké Učení Technické v Brně, Technická 10, 602 00 Brno,
Czech Republic, e-mail: [email protected]
Abstrakt
Kladná elektroda alkalických akumulátorů je ve vybitém stavu tvořena hydroxidem
nikelnatým. Tento materiál se vyznačuje významnou změnou elektronové vodivosti
v průběhu cyklování. Příspěvek pojednává o možnostech metody Elektrochemické
Impedanční Spektroskopie (EIS) při měření impedančních změn kapsovité elektrody
v průběhu vybíjení.
Úvod
Pro kladnou elektrodu alkalických akumulátorů je nejčastěji používán hydroxid nikelnatý.
V průběhu cyklovaní přechází tento aktivní materiál z oxohydroxidové formy β-Ni(OOH)
v nabitém stavu do formy tzv. β-Ni(OH)2 ve stavu vybitém. [1] Tyto dvě formy mají jak
různou vnitřní strukturu s různou hustotou, tak i výrazně odlišnou elektronovou vodivost.
Změna v elektronové vodivosti čistého hydroxidu nikelnatého v nabitém a vybitém stavu je
odlišná až o pět řádů. Za účelem zvýšení vodivosti elektrody ve vybitém stavu se do hmoty
přidávají aditiva na bázi kobaltu, který obalí zrna aktivního materiálu vodivou vrstvou a tak
zajištuje trvalou vodivou stopu mezi jednotlivými zrny a dále různé grafitové materiály, které
dále zlepšují kontakt mezi proudovým kolektorem a aktivním materiálem v celém objemu
elektrody.
Pro možnost měření změn těchto impedancí v přechodu mezi nabitým a vybitým stavem je
vhodné využít možnosti elektrochemické impedanční spektroskopie. Tato měřící metoda nám
může poskytnout komplexní obraz jak o jednotlivých dílčích složkách impedance, které utváří
výsledný vnitřní odpor akumulátoru, tak o jejich změnách v průběhu cyklování.
Experiment
Příprava měření
Pro měření impedančních změn v průběhu vybíjení byla připravena elektroda o hmotnosti 2 g
obsahující 75% hydroxidu nikelnatého 5% aditiv na bázi kobaltu, lithia a niklu, které zajišťují
vytvoření trvalé vodivé stopy a stability při cyklování a 20% komerčně dostupného
grafitového materiálu. Elektrodový materiál byl po dobu 24 hodin homogenizován na
rotačních válcích a poté zabalen do Ni-síťky a takto byla vylisována tlakem 25 kN mincová
kapsová elektroda s tloušťkou 3 mm a průměrem 29 mm.
151
Jako proti-elektroda byla použita komerční hmota Kans GN od firmy Bochemie. Stejným
způsobem jako u kladné elektrody byly vylisovány dvě záporné (proti-elektrody) o hmotnosti
2,5 g.
Testovací zapojení bylo sestaveno tak, že kladná elektroda byla vložena mezi dvě záporné
elektrody, které byly v 2,5 násobném přebytku (snahou je zajistit aby kladná elektroda nebyla
jakkoli limitována zápornou elektrodou). Kladná a záporná elektroda byly odděleny
polypropylenovým separátorem. Takto sestavený článek byl vložen do speciální měřící cely
z PTFE, která umožňuje tří-elektrodové měření s referentní Zn/ZnO elektrodou. Jako
elektrolyt byl použit 6 M KOH o objemu 6 ml.
Výsledky a diskuze
Po naformování elektrody byla naměřena vybíjecí charakteristika při rychlosti vybíjení 0,2C
viz. Obr. 1. Vybití bylo provedeno do úrovně 0,4V vs. Zn/ZnO. Charakteristika obsahuje dvě
vybíjecí plata. První plato souvisí se standartní přeměnou oxohydroxidu niklu Ni(OOH) na
Ni(OH)2. Druhé plato je dle [2] způsobeno vybíjením špatně dostupné aktivní hmoty uvnitř
větších zrn, která je izolována již vybitou slupkou která „brání“ difuzi iontů do vnitřku zrn.
Ve vybíjecí charakteristice jsou dále zachyceny svislými čarami stavy vybití, ve kterých byla
elektroda proměřována metodou impedanční spektroskopie.
2
1,8 0% 6
55%
23%
%
96%
87% 93% 100
%
E vs. Zn/ZnO [V]
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
-20
-40
-60
-80
-100
Q [mAh/g]
-120
-140
-160
-180
Obr. 1: Vybíjecí charakteristika kladné elektrody s vyznačenými hodnotami stavu vybití, při
kterých byly měřeny impedanční charakteristiky
Na Obr. 2 je vykreslen Nyquistovo zobrazení impedančního spektra pro kladnou elektrodu po
odevzdání 80% z uloženého náboje. Impedanční měření probíhá od nejvyšších frekvencí
(přibližně 10 Khz). Tyto frekvence jsou natolik vysoké, že v elektrodě ještě neprobíhá žádná
reakce aktivní hmoty (aktivní hmota kladné elektrody nestíhá reagovat na změny přiloženého
potenciálu) a tedy celková impedance je tvořena pouze odporem přívodů a odporem
elektrolytu mezi pracovní a referentní elektrodou.
Postupným snižováním měřící frekvence se začíná uplatňovat reakce aktivní hmoty, která je
charakterizována půlkruhem v Nyquistově zobrazení. V ideálním případě lze tento půlkruh
152
simulovat obvodem, který je složen z paralelní kombinace kondenzátoru Cdl a odporu Rct viz.
Obr. 3. Po simulaci náhradního obvodu, lze z hodnoty kondenzátoru usuzovat na Faradaickou
kapacitu, která je silně ovlivněna plochou na které reakce probíhá. Odpor R je označován jako
odpor přenosu náboje, tedy odpor, který je kladen probíhající reakci. Čím menší je odpor R,
tím snadněji bude reakce na elektrodě probíhat. Koncová část měřené charakteristiky (na Obr.
2 při frekvencích nižších než 75 mHz) se v impedančním spektru projevují difúzní procesy,
které souvisí především s pórovitostí elektrody a s použitým elektrolytem.
0,2
0,18
0,16
0,14
- Im (Z) [Ohm]
0,12
0,1
f
0,08
0,06
f=75 mHz
0,04
f=8,5 kHz
0,02
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
Re(Z) Ohm
Obr. 2: Nyquistův diagram kladné elektrody při 80% vybití, doplněno o průběh měřící
frekvence
Obr. 3: Náhradní schéma ideální elektrodové reakce bez difúzních jevů [3]
Naměřené Nyquistovy diagramy v různém stavu vybití jsou patrné z Obr. 4. Z naměřených
závislostí je patrné jak se mění parametry reakce v průběhu vybíjení. Do 55 % vybití zůstávají
impedanční charakteristiky elektrody přibližně stejné a příliš se nemění. Tedy plocha reakce i
odpor přenosu náboje se významně nemění. K významnému nárůstu v reakčním odporu
dochází při vybití elektrody na 87%, kdy významně vzroste reakční odpor za současného
poklesu Faradaické kapacity reakce. To je způsobeno vybitím snadno dostupného a dobře
nakontaktovaného aktivního materiálu se současným poklesem vodivosti takto vybitého
materiálu.
153
0,4
0%
6%
0,35
23%
- Im (Z) [Ohm]
0,3
55%
87%
0,25
93%
96%
0,2
100%
0,15
0,1
0,05
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Re(Z) Ohm
Obr. 4: Impedanční charakteristiky (Nyquistovy diagramy) kladné elektrody v různém stavu
vybití
Závěr
Impedanční spektroskopie dovoluje přesně sledovat změny v impedanci elektrod v průběhu
vybíjení. Dává dobrou představu o homogenitě vybíjení, která je závislá jak na dobrém
elektrickém kontaktu aktivního materiálu s proudovým kolektorem, tak i na přístupu
elektrolytu do reakčních míst.
Grafitová aditiva do elektrod mají za cíl zlepšit vodivost a vnitřní kontakt elektrodové hmoty
ve vybitém stavu, proto je metoda impedanční spektroskopie v různém stavu vhodná vhodná
pro porovnávání jednotlivých typů vodivostních přísad a jako účinný nástroj při optimalizaci
elektrodových hmot akumulátoru.
Poděkování
Tato práce byla podporovaná grantem FEKT-S-11-7 a CZ.1.07/2.3.00/20.0103
Literatura
[1]
[2]
[3]
154
A.K. SHUKLA ET AL.: Nickel-based recharchable batteries, Journal of Power Sources
100 (2001) 125-148
H. BARDÉ ET AL.: Evidence for electronic and ionic limitations at the origin of the
second voltage plateau in nickel electrodes, as deduced from impedance spectroscopy
measurements, Journal of Power Sources 19 (2008) 830–836
J. BAREK ET AL.:Elektroanalytická chemie, 1. vyd. Praha: Karolinum, 2005 188 s.
ISBN 80-246-1146-5
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
SVETELNÉ ZDROJE A ĽUDSKÝ ORGANIZMUS
Vilibalda Darmová
Katedra teoretickej elektrotechniky a biomedicínskeho inžinierstva, Elektrotechnická fakulta,
Žilinská univerzita v Žiline, Univerzitná 1, 010 26 Žilina, e-mail: [email protected]
Abstrakt
Príspevok sa zaoberá niektorými druhmi elektrických zdrojov svetla z hľadiska úspor energie
a z hľ adiska vplyvu na ľudský organizmus.
Úvod
S úsporami energie a s rozvojom nových technológií súvisí použitie nových druhov
svetelných zdrojov. Používajú sa v domácnostiach, na pracoviskách, v školách, v zábavnom
priemysle a na osvetľovanie našich miest a dedín. Keďže požiadavky na kvalitu osvetlenia sa
výrazne zmenili, množstvo svetelných zdrojov stále pribúda. Dôsledkom je zvýšená spotreba
elektrickej energie.
V súvislosti s ubúdaním zásob fosílnych palív, problematickému postoju k využívaniu
jadrovej energie a nedostatočnému rozvoju a využívaniu alternatívnych druhov energie, sa
úspory energie stali kľúčovou otázkou. Významnú zložku úspor energie tvoria úspory energie
v oblasti svetelnej techniky. Obvyklým riešením sa stala náhrada klasických žiaroviek inými
druhmi s výrazne nižšou spotrebou.
Svetelné charakteristiky jednotlivých svetelných zdrojov sa líšia a odlišné je aj ich vnímanie
ľudským zrakom a odlišné je aj ich pôsobenie na ľudský organizmus.
Zrakový orgán je vstupnou bránou toku svetelnej energie avšak táto dopadá na povrch celého
tela. Druh svetla a jeho charakteristiky teda výrazne ovplyvňujú nielen videnie, ale aj celkový
stav organizmu.
Ľudský organizmus sa vyvíjal v podmienkach prirodzeného denného svetla a prispôsobil sa
na pravidelné striedanie svetla a tmy. Periodicita týchto dvoch fáz je odlišná v závislosti od
zemepisnej polohy príslušnej krajiny a od ročného obdobia.
S rozvojom umelého osvetlenia došlo k výrazným zmenám a narušeniu dávnovekých cyklov,
ľudia si začali predlžovať noc. Cirkadiánny systém človeka je veľmi jemný a nežiaduce
vonkajšie podnety ho môžu nevhodne ovplyvniť až narušiť, čo je sprevádzané rôznymi
zdravotnými ťažkosťami.
Každodenná činnosť človeka, či už v práci, doma alebo pri rôznych aktivitách vo voľnom
čase môže byť ovplyvnená svetlom priaznivo a nepriaznivo.
Moderná spoločnosť si už nevie predstaviť svoje fungovanie bez umelých svetelných zdrojov.
Preto je potrebné a žiaduce, aby svetlo, ktoré vydávajú takéto zdroje, bolo pre ľudí, prípadne
155
ostatné živé organizmy vyskytujúce sa v životnom prostredí čo najpríjemnejšie, tj. čo najviac
podobné svojimi vlastnosťami prirodzenému dennému slnečnému svetlu.
Vplyv rôznych druhov svetla na ľudský organizmus
U elektrických zdrojov svetla okrem energetických hodnôt žiarenia je potrebné skúmať jeho
účinky na zrakový orgán.
Ľudské oko registruje vlnové dĺžky žiarenia v rozsahu 380 až 780 nm pričom citlivosť na
jednotlivé vlnové dĺžky je odlišná. Jednotnosť vzhľadom na rozdielnu spektrálnu citlivosť
rôznych pozorovateľov je zaistená dohodou Medzinárodnej komisie pre osvetľovanie (CIE 1924) o hodnotách pomernej svetelnej účinnosti, tzv. normálneho fotometrického
pozorovateľa.[1]
Medzinárodná komisia pre osvetľovanie CIE (z francúzštiny Commission International de
l'Éclairage ) sa venuje medzinárodnej spolupráci a výmene poznatkov, ktoré sa týkajú
svetelnej a osvetľovacej techniky, farby a videnia a obrazovej technológii – vo vede aj umení.
Pomerná svetelná účinnosť pri dennom videní je označovaná V(λ) a pri nočnom videní V´(λ).
Pomerná svetelná účinnosť monochromatického žiarenia je definovaná podielom žiarivého
toku pri základnej vlnovej dĺžke λm (pre denné videnie λm = 555 nm prislúcha najväčšia
hodnota, t.j V(λ)=1) a žiarivého toku pri uvažovanej vlnovej dĺžke. Hodnoty V(λ) možno
z hľadiska individuálneho pozorovateľa považovať za totožné s hodnotami tzv. krivky
spektrálnej citlivosti ľudského oka (obr.1.). Pre nočné videnie je λ´m = 507 nm. [1]
B
V(λ)
A
400
500
600
700
λ[nm]
Obr. 1: Pomerná svetelná účinnosť pri dennom (A) a pri nočnom (B) videní (krivky
spektrálnej citlivosti ľudského oka) podľa [1]
V svetelnom zdroji vzniká optické žiarenie troma spôsobmi [1]:
ako sprievodný jav teplotného žiarenia vznikajúceho zahriatím pevnej látky na vysokú
teplotu,
vybudením atómov pár kovov alebo plynov v elektrickom výboji,
luminiscenciou pevných látok, pričom rozoznávame fotoluminiscenciu, kedy absorpciou
fotónov s kratšou vlnovou dĺžkou dochádza k emisii viditeľného žiarenia a ktorá sa delí
na fosforescenciu a fluorescenciu a ďalej elektroluminiscenciu, kedy k vybudeniu
optického žiarenia dochádza vplyvom urýchlenia elektrónov v elektrickom poli.
156
Tab. 1: Rozdelenie svetelných zdrojov podľa vzniku optického žiarenia
tepelné žiarenie
výboj v plyne a parách kovov
výboj v plyne, parách kovu a
luminiscencia pevnej látky
elektroluminiscencia
polovodivý prechod P-N
stimulovaná emisia
žiarovka klasická, žiarovka halogénová
dútnavka,xenónová výbojka, sodíková výbojka,
halogenidová výbojka
vysokotlaková ortuťová výbojka
elektroluminiscenčný panel
svietiaca dióda
laser
Princípy vzniku optického žiarenia v elektrickom zdroji svetla s uvedením niektorých
príkladov sú v tab.1. [1]
Zo stručného prehľadu vyplýva, že [1]:
viditeľné žiarenie je u teplotného žiariča (žiarovky) len sekundárnou zložkou a prevažná
časť žiarivej energie sa vyžiari vo forme infračerveného žiarenia. Merný výkon žiariča
závisí jednak na teplote svietiaceho telesa (vlákno alebo skrutkovica), jednak na jeho
vlastnostiach,
účinnosť premeny u výbojového zdroja svetla závisí predovšetkým na zložení plynovej
náplne. Typickým príkladom je využitie pár sodíka, ktorého spektrálna dvojčiara
589,0/589,6 nm vyžaruje v blízkosti maxima citlivosti ľudského oka (555 nm)., čiže
farebné vlastnosti takéhoto zdroja svetla sú nevýhodné. Preto sa u výbojových zdrojov
svetla využíva buď kombinácia látok vedúca k zlepšeniu farebných vlastností pri
veľkom mernom výkone (napr. halogenidové výbojky), alebo sa používajú
fluorescenčné látky nanesené na povrchu banky alebo trubice výbojky, budené
ultrafialovým žiarením a prispievajúce k zlepšeniu farebných vlastností a merného
výkonu (žiarivky, vysokotlakové ortuťové výbojky),
elektroluminiscencia a luminiscencia polovodičového prechodu PN je síce z hľadiska
kvantovej účinnosti hospodárna, avšak v iných parametroch (jas zdroja, svetelný tok,
farba svetla) je jej použitie obmedzené len na indikačné účely.
Svetelná technika sa najmä v posledných dvoch desaťročiach rozvíja rýchlym tempom. Veľký
podiel majú na tom nové materiály a technológie (tenké vrstvy, mikroelektronika, výpočtová
technika...). Cieľom rozvoja novej svetelnej techniky by nemali byť len úspory materiálov
a energie a šetrnosť k životnému prostrediu ale aj priaznivé pôsobenie na ľudský organizmus
alebo aspoň redukovanie nepriaznivých účinkov na najnižšiu možnú mieru [2].
Svetlo má schopnosť priaznivo alebo nepriaznivo vplývať nielen na fyzický, ale aj psychický
stav ľudského organizmu.
Ku priaznivým účinkom umelého svetla patria medicínske aplikácie. Je to najmä použitie
svetla napríklad v psychiatrii na liečbu psychických (mentálnych) porúch, porúch spánku,
liečbu porúch denného biorytmu, v dermatológii na liečbu a regeneráciu pokožky,
terapeutické osvetlenie (svetlom rôznych farieb). Špeciálne druhy umelého svetla ako sú
rôzne biolampy, bioptronové lampy, LED lampy sa využívajú okrem už spomenutých
medicínskych oblastí aj pri rehabilitácii pohybového aparátu a na urýchlenie hojenia
pooperačných stavov a pod.
Ku nepriaznivým účinkom umelého osvetlenia patria rôzne fyzické a psychické ťažkosti,
najmä u pracovníkov, ktorí pracujú v prevádzkach len s umelým osvetlením, bez prístupu
denného svetla. Často uvádzanými problémami sú chronická únava, pálenie očí, padanie
157
vlasov, rôzne alergie apod. V prípade nevhodného osvetlenia v učebniach, v školských
priestoroch sa uvádzajú problémy s koncentráciou, bolesti hlavy, ospalosť a únava.
Nebezpečenstvo, ktorému sa žiaľ nevenuje dostatočná pozornosť, predstavuje použitie
najrôznejších druhov osvetlenia v zábavnom priemysle (rôzne nočné kluby, diskotéky a pod.),
čo ohrozuje predovšetkým mladých ľudí. Niektoré druhy svetelných efektov pôsobia
nepriaznivo na nervový systém a na psychiku a môžu vyvolať napr. epileptický záchvat,
prípadne rakovinu mozgu.
Na druhej strane fototerapia, ktorá využíva priaznivé účinky svetla, najmä umelého, na
ľudský organizmus, je užitočnou pomôckou pri liečbe rôznych problémov.
Spektrum prirodzeného denného slnečného svetla je pre správne fungovanie ľudského
organizmu tým najvhodnejším.
Všetky uvedené poznatky by mali ovplyvniť návrh a aplikáciu zariadení v svetelnom
priemysle, ktorý je v súčasnosti veľmi rýchlo sa rozvíjajúcim odvetvím techniky. Mnohí
výrobcovia umelých svietidiel sa preto zameriavajú na vývoj nových, tzv. plnospektrálnych
zdrojov svetla. Svetelné spektrum týchto zdrojov sa približuje v menšej či väčšej miere
spektru prirodzeného denného svetla.
Pri návrhu osvetlenia je potrebné dodržiavať platné normy a smernice, ktoré berú do úvahy
účel osvetľovania, druh osvetľovaných priestorov, druh vykonávanej činnosti a jej zrakovú
náročnosť. V prípade osvetľovania pracovných priestorov by sa mal vziať do úvahy aj, vek
pracovníka a dĺžka pobytu pracovníka na pracovisku. Taktiež je nevyhnutné zohľadniť aj
požiadavku hospodárnosti (investície, prevádzkové náklady, spotrebu energie).
V súvislosti s rastúcou spotrebou elektrickej energie, ktorej významný podiel tvorí energia
spotrebovaná na osvetľovanie, Európsky parlament a Európska rada pripravili legislatívu
s účinnosťou od 1. septembra 2009, ktorou sa obmedzuje predaj klasických žiaroviek
s volfrámovým vláknom. Klasické žiarovky sa majú postupne nahrádzať úspornými, tzv.
kompaktnými žiarovkami. O tejto téme sa vedú rozsiahle diskusie v odbornej aj laickej
verejnosti a boli vypracované aj viaceré štúdie s rozpornými výsledkami. Výrobcovia tvrdia,
že úsporné žiarovky sú neškodné, napriek tomu existujú výskumy tvrdiace opak. Otázka sa
týka obsahu ortuti, ktorý sa pri rozbití dostáva vo forme pár do ovzdušia, čo je nebezpečné
najmä pre malé deti. Preto sa neodporúča v detských izbách náhrada klasických žiaroviek
kompaktnými a je potrebné zvoliť iné riešenie.
Záver
Cieľom práce bolo poukázať na problematiku umelých (elektrických) zdrojov svetla jednak
v súvislosti s úsporami elektrickej energie a jednak s ich účinkami na ľudské zdravie.
Zatiaľ nemožno povedať, ktorý druh moderných svietidiel je najlepší a preto väčšina
užívateľov, najmä v domácnostiach pristupuje ku kompromisu a osvetlenie si zabezpečujú
kombináciou rôznych druhov, podľa účelu. Otázka náhrady denného svetla umelým je stále
otvorená a výskum a vývoj v tejto oblasti pokračuje.
Pri výbere umelého zdroja svetla by sme mali zohľadniť okrem energetického hľadiska aj
vplyv na ľudský organizmus, aby úspory energie neboli prevýšené nákladmi na nemocenské
ľudí, ktorí ochoreli v dôsledku nesprávneho osvetlenia na pracovisku.
158
Literatura
[1]
[2]
J. HEŘMAN A KOL.: Příručka silnoproudé elektrotechniky, SNTL 1984, 794–826
K. KEVICKÁ, R. KRÁLIKOVÁ, M PIŇOSOVÁ: Implementácia digitálnej
inteligencie
do
svetelnotechnického
projektu,
[Online
],
http://www.techpark.sk/technika-9102011/implementacia-digitalnej-inteligencie-dosvetelnotechnickeho-projektu.html, dostupné dňa 25.4.2012
159
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
STABILIZACE STRUKTURY LICOO2 POMOCÍ DRASLÍKU
T. Kazda, M. Sedlaříková, J. Vondrák, O. Čech
Ústav elektrotechnologie, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologii, Vysoké
učení technické v Brně, Technická 10, 616 00 Brno, Česká Republika,
e-mail: [email protected]
Abstrakt
Cílem této práce bylo zlepšení vlastností katodového materiálu na bázi LiCoO2 pro lithnoiontové akumulátory. Jako metoda výroby dopovaného základního materiálu byla zvolena
metoda reakce v pevné fázi, která byla již pro výrobu základního materiálu otestována.
Hlavním cílem bylo zmenšit ztrátu kapacity materiálu v jednotlivých cyklech pomocí
dopování různým množstvím iontů draslíku.
Úvod
V roce 1991 přišla na trh první komerční lithno-iontová baterie od firmy Sony, jako katodový
materiál byl v této baterii využit LiCoO2. Tento materiál je v současnosti nejvíce využívaným
materiálem pro kladné elektrody lithno-iontových článků. Teoretická kapacita tohoto
materiálu je 155 mAh/g s napětí vůči lithiu o velikosti 3,88 V. Tento materiál se vyznačuje
vrstvenou strukturou, tedy atomy kobaltu jsou obsaženy v kyslíkatých mezirovinách a atomy
lithia jsou v prostoru mezi vrstvami kyslíku. Díky této struktuře dochází k snadnému
uvolňování lithných iontů, ale dochází také při opakované deinterkalaci a interkalaci
k hroucení této struktury a snižování kapacity. Dalším problémem tohoto materiálu je teplotní
nestabilita, při vyšších teplotách dochází k uvolňování kyslíku ze struktury. Toto uvolňování
může v reakci s organickými rozpouštědly obsaženými v elektrolytu vést až k explozi článku.
Z tohoto důvodu se hledají zcela nové katodové materiály, nebo se provádí dopování LiCoO2
dalšími prvky ve snaze stabilizovat strukturu tohoto materiálu. Příkladem takového materiálu
může být LiNi1-xCoxO2, v tomto matriálu je Co částečně nahrazováno Ni to má za následek
zvýšení kapacity na 190-220mAh/g ale pokles napětí vůči lithiu na 3,7-3,77V v závislosti na
obsahu Ni. Dalším takovým materiálem je LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2, tento materiál má opět nižší
napětí vůči lithiu a to 3,6V, ale vyšší kapacitu 160mAh/g a je stabilnější při cyklování než
čisté LiCoO2 [1],[2]
Experiment
Pro dopování materiálu LiCoO2 byl zvolen draslík a vycházelo se z předpokladu, že atomy
draslíku se začlení mezi vrstvy kyslíku a při interkalaci a deinterkalaci lithných iontů budou
zabraňovat zhroucení vrstvené strukturu LiCoO2. Pro výrobu tohoto materiálu byla zvolena
metoda reakce v pevné fázi. Jako základní materiály pro výrobu byly použity Li2CO3
(uhličitan lithný), CoCO3 (uhličitan kobaltnatý) a K2CO3 (uhličitan draselný). Tyto tři
materiály byly smíchány ve stechiometrickém poměru, přičemž množství docházelo
160
k substituci lithia a množství Co zůstávalo stále stejné. Lithium bylo nahrazováno draslíkem
v množstvích 1%, 2,5% 5% a 10%. Byly tedy vytvořeny čtyři vzorky materiálů, ve kterých
bylo nahrazováno Li uvedeným procentem K. Promíchání probíhalo ve směsi destilované
vody a etylalkoholu v poměru 2:1 a následovalo vysušení při teplotě 90°C po dobu 12h.
Vysušená směs byla rozemleta v kulovém mlýnu, nasypána do keramické misky a žíhána po
dobu 30h při teplotě 400°C. Vyžíhaný materiál byl následně rozemlet a peletován, vzniklá
peleta byla opět žíhána při teplotě 650°C po dobu 8h. V dalším kroku se opakoval proces
rozemílání, peletování a žíhání tentokrát při teplotě 950°C po dobu 8h. Po každém mletí byl
mlýn důkladně vymyt vodou následně alkoholem a vysušen. Při mletí byl mlýn napuštěn
argonem. Výsledný materiál byl rozemílán v kulovém mlýnu a následně byla vytvořena směs
složená z rozpouštědla NMP (N-Methyl-2-pyrrolidon), pojidla PVDF (Polyvinylidenfluorid) a
uhlíku Super P. Hmotnostní poměr látek byl Lix-1KxCoO2 80%, Super P 10%, PVDF 10%.
Výsledná směs byla nanesena pomocí lžíce na Al folii vysušena a zalisována tlakem
3200kg/cm2. Z potažené Al folie byl vyseknut disk o průměru 18mm a vložen do testovací ElCell© ECC-STD elektrochemické cely sestavené v rukavicovém boxu naplněném argonovou
atmosférou, jako protielektroda bylo použito kovové lithium a jako elektrolyt 1M LiPF6 ve
směsi EC:DMC 1:1 w/w napuštěný v separátoru ze skelné tkaniny.
Pro měření bylo použito galvanostatické cyklování přičemž potenciálové okno bylo nastaveno
na 2,5 – 4,2V proti lithiu. Vždy byly provedeny dva vybíjecí a nabíjecí cykly, při nichž byl
pomocí hmotnosti naneseného vzorku vypočten vybíjecí a nabíjecí proud 0,5C za
předpokladu, že kapacita materiálu je 120mAh/g. Z těchto dvou cyklů byla odečtena skutečná
kapacita vzorku a vzorek byl následně desetkrát cyklován proudem 0,5C.
Veškeré vyrobené vzorky Lix-1KxCoO2 byly porovnávány se vzorky čistého materiálu LiCoO2
vyrobenými obdobným způsobem ve čtyřech žíhacích miskách označených I-IV.
Tab. 1: Kapacity vzorků LiCoO2 č.I - IV v prvních dvou cyklech vybíjení
LiCoO2 č. I
LiCoO2 č. II
LiCoO2 č. III LiCoO2 č. IV
Cyklus č. 1 143,5 mAh/g 130,1 mAh/g
135,7 mAh/g
119,2 mAh/g
Cyklus č. 2 141,7 mAh/g 128,9 mAh/g
132,4 mAh/g
116,8 mAh/g
Tab. 2: Kapacity vzorků Li1-xKxCoO2 (x = 0,01; 0,025, 0,05; 0,1) první dva cykly vybíjení
Li0,99K0,01CoO2
Li0,99K0,01CoO2
Li0,975K0,025CoO2
Li0,975K0,025CoO2
č.2
č.2
Li0,95K0,05CoO2 Li0,9K0,1CoO2
Cyklus č.
113,9 mAh/g
1
118,9 mAh/g
119,1 mAh/g
117,6 mAh/g
105,9 mAh/g
111,4 mAh/g
Cyklus č.
110,0 mAh/g
2
116,3 mAh/g
117,0 mAh/g
114,9 mAh/g
102,8 mAh/g
110,6 mAh/g
161
Obr. 1: Srovnání kapacit v prvních dvou cyklech vzorku LiCoO2 č.IV a Li0,975K0,025CoO2
V prvních dvou cyklech se nejvíce blížil kapacitě materiálu LiCoO2 č.IV materiál
Li0,975K0,025CoO2, ostatní materiály u kterých bylo Li nahrazeno K vykazovaly nižší kapacitu.
Obr. 2: Pokles kapacity při 10 cyklech vzorku Li0,975K0,025CoO2
162
Obr. 3: Průběh kapacity všech vzorků při 10 cyklech
Tab. 3: Pokles kapacity při 10 cyklech u dvou vzorků LiCoO2 v porovnání s Li0,975K0,025CoO2
LiCoO2 č. I
LiCoO2 č. IV
Li0,975K0,025CoO2
Li0,975K0,025CoO2 č.2
Cyklus č. 1
139,1 mAh/g
113,6 mAh/g
114,9 mAh/g
107,5 mAh/g
Cyklus č. 10
121,9 mAh/g
95,3 mAh/g
95,8 mAh/g
93,4 mAh/g
Pokles kapacity
-12,4 %
-16,1 %
-16,6 %
-13,1 %
Shrnutí
Při nahrazování draslíku za lithium ve struktuře LiCoO2 bylo zjištěno, že nový materiál má
nižší počáteční kapacitu a zároveň dochází v porovnání se základním materiálem k
rapidnějšímu poklesu kapacity během cyklování. Jediným materiálem s možnou další
perspektivou byl vzorek s 2,5% náhradou K za Li. Tento materiál dosahoval obdobné
počáteční kapacity a nižšího poklesu kapacity během cyklování než vzorek čistého LiCoO2
připravený současně s tímto vzorkem. Oproti nejlepšímu vzorku čistého LiCoO2 vyrobenému
touto metodou nedošlo k žádnému zlepšení. Pro další výzkum by bylo dobré se zaměřit na
materiál s obsahem K kolem 2,5%.
Poděkování
Tato práce byla podporovaná grantem FEKT-S-11-7 a projektem GAČR P102/10/2091.
Literatura
[1]
[2]
Linden. D, Reddy B., T., Handbook of batteries, 3. vydání 2002 ISBN 0-07-135978-8
SCHALKWIJK, V.A., B. SCROSATI, Advances in Lithium-Ion Batteries. 2002,
London: Kluwer Aacademic Publishers.
163
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
VLIV VODIVÝCH PŘÍMĚSÍ NAM NA ŽIVOTNOST
OLOVĚNÉHO AKUMULÁTORU
Karel Tonar
Ústav Elektrotechnologie, VUT Brno Fakulta Elektrotechniky a komunikačních technologií,
602 00 Brno, Česká republika, e-mail: [email protected]
Abstrakt
Základními stavebními kameny aktivní hmoty pro zápornou elektrodu jsou olověný prach,
síran barnatý BaSO4, uhlík, organické přísady, přísady zajišťující soudržnost hmoty a kyselina
sírová.
Úvod
Kombinace přísad BaSO4, uhlíku a lignosulfátů určuje životnost celé záporné elektrody a tím
i akumulátoru. Variant a postupů k dosažení vyšších životností akumulátorů je samozřejmě
více. K oblíbeným možnostem patří zejména využití dodatečného přítlaku na elektrodový
systém. Zvýšení životnosti by mohlo být dosaženo i použitím celkově většího množství
expandéru vůči množství ostatních komponent v NAM nebo použití kombinace uhlíku, TiO2
a jiných přísad prodlužující životnost. I novodobé materiály fyziologicky i chemicky podobné
uhlíku jsou další cestou vývoje těchto elektrochemických zdrojů. V současnosti se svými
vlastnosti nabízí využití elektricky vodivého keramického prášku – ebonexu. Ten kombinuje
možnosti jak vodivých, tak i nevodivých aditiv.
Carbon
Carbon v NAM zastupuje funkci vodiče, který zvyšuje účinnost nabíjení a redukuje vývin
síranů olova [1], [2]. Schopnost příjmu náboje je tak vyšší zejména při hlubokých vybíjeních
akumulátoru. Často je ve výzkumných zprávách carbon dělen na dvě formy podle velikosti
zrn. Prvním z nich je uhlík s velikostí částic 12 - 100 nm. Měrný povrch uhlíku se pohybuje
v hodnotách 45 – 1000 m2g-1 a v některých případech i vyšších. Druhou formou uhlíku je
grafit. Velikost zrn grafitu je 10 – 28 μm. Měrný povrch této formy je nižší, a to v rozmezí 9 24 m2g-1.
Hlavní devízou uhlíku je především ta vlastnost, že spolu s příměsí síranu barnatého
zabraňuje vzniku a růstu krystalů PbSO4 během vybíjení a tím podporuje formování pórů
v síranové vrstvě na povrchu NAM.
V literatuře se často objevuje existence Moseleyho hypotéz, které dokazují příznivý vliv
uhlíku na životnost a výkonnost záporných aktivních hmot. Tato vysvětlení podpořená řadou
několika měření jsou následující:
164
Uhlík usnadňuje vznik malých izolovaných částeček PbSO4, čímž usnadňuje jejich
rozpustnost při nabíjení a ztěžuje růst krystalů síranu.
b)
Zvyšuje celkovou vodivost NAM.
c)
Některé formy uhlíku obsahují nečistoty, které brání vývoji vodíku a tím zvyšují
účinnost procesu nabíjení.
d)
Napomáhá difůzi kyseliny sírové do vnitřního objemu NAM při vyšších rychlostech
nabíjení a vybíjení. Někde se uvádí, že uhlík pracuje jako “elektro-osmotická pumpa“.
e)
Částice uhlíku se adsorbují na povrch NAM, kde se silně naváží na Pb. Tím zvyšují
aktivní povrch NAM a vodivost na konci vybíjení (snižují obsah PbSO4). Z výše
uvedeného vyplývá, že zvyšují schopnost příjmu náboje při vysokorychlostním
cyklování. NAM v tomto případě pracuje jako superkondenzátor [3], [4], [5].
Bylo dokázáno, že hlavním účinkem uhlíku v NAM je zpomalení krystalizačního procesu
síranu před vodivostními vlastnostmi této příměsi [3], [6]. Zajímavým zjištěním Pavlova a
spol. [7] bylo, že elektrochemická redukce PbSO4 probíhá na některých formách uhlíku při
nižším přepětí než na částicích Pb.
a)
Při malých koncentracích uhlíku v NAM při vybíjení vznikají pravidelně tvarované krystalky
PbSO4, které postupem cyklovacího procesu narůstají do větších seskupení. Pokud je v NAM
přítomna vyšší koncentrace uhlíku, vznikají oblé formy PbSO4, na jejichž povrch se dokáží
navázat malé částečky uhlíku. Tím na povrchu částic PbSO4 vznikají defekty krystalové
mřížky, což vede ke snažší rozpustnosti PbSO4 a vyšší účinnosti při nabíjení vysokými
proudy. Vysoké koncentrace uhlíku v NAM mají za následek pevnou vazbu uhlíku jak na
povrchu, tak i ve vnitřním objemu NAM. Tato skutečnost snižuje reverzibilitu PbSO4 na Pb.
Uhlík se váže do větví skeletonu NAM, proniká i do pórů a mění jejich střední velikost.
Struktura NAM je následně méně stabilní a vzrůstá její vnitřní odpor.
Obě formy carbonu mění polarizaci NAM. U grafitu je však polarizace vyšší. Její pokles
závisí na proudové hustotě v NAM. Čím je koncentrace aditiva v NAM vyšší nebo čím je
větší měrný povrch, tím je menší proudová hustota i polarizace.
Uhlík mění základní reakce a fyzikálně chemické procesy během redukce PbSO4 → Pb tím,
že usnadňuje přístup iontům Pb2+ na povrch NAM a tím transfer e- přes vrstvu uhlíkového
aditiva k adsorbovanému Pb2+ probíhá s menším odporem. Expandér celkově zvětšuje
potenciální bariéru pro přechod e- k adsorbovanému iontu Pb2+. Tomuto procesu se často říká
paralelní mechanismus nabíjení, který zvyšuje reverzibilitu v NAM viz. Obr.1. [4].
Obr. 1: Paralelní mechanismus nabíjení[4].
165
Podmínkou je, že uhlík musí disponovat vysokou afinitou k Pb, jelikož musí vzniknout
vysoce stabilní kontakt Pb-C s malým odporem [4], [8].
BaSO4
Barnatá sůl kyseliny sírové je bílý krystalický prášek, který po procesu pastování NAM je
adsorbován na její povrch na kontaktní místa Pb částic. Zde působí jako nukleační centrum
pro tvorbu a růst PbSO4 krystalů a jejich rovnoměrnou distribuci po ploše NAM. Toto
aditivum je vysoce rozpustné právě v H2SO4 a zároveň elektrochemicky neaktivní ve vodných
roztocích. Také se neúčastní chemických procesů v NAM. Má však podstatný vliv na
výkonnost a tvorbu některých krystalických procesů. Využívá se izomorfnosti BaSO4 s PbSO4
a SrSO4.
with BaSO4
without BaSO4
Pb/ PbSO4
Obr. 2: Průběh potenciálu při vybíjení
Jeho krystaly fungují jako zárodečná centra pro vznik a růst krystalů PbSO4. Tvoří se tak
smíšené krystaly PbSO4 a BaSO4, které usnadňují vznik porézní vrstvy malých krystalů a
brání depozici trvalého pasivačního filmu na povrchu NAM. Tím usnadňují pohyb iontů Pb2+,
udržují reakci vybíjení Pb a zvyšují kapacitu elektrody. Existuje iterakce mezi BaSO 4 a
částicemi expandéru – BaSO4 adsorbují molekuly expandéru. Avšak použitím pouze jednoho
aditiva rapidně klesá kapacita elektrody. Ideálním množství pro účely automobilového
průmyslu je NAM s obsahem 0,3 – 0,5 hm.% BaSO4 [4], [8].
Organická aditiva – Indulina AT (lignosulfáty)
V NAM olověných akumulátorů jsou využívány především přírodní vysoce pórézní produkty.
Lignosulfáty jsou rozpustné polymery aniontových polyelektrolytů, které jsou vedlejšími
produkty při výrobě celulózy. Zvyšují svorkové napětí akumulátorů hlavně při nižších
okolních teplotách. U průmyslových článků zabraňují pasivaci hluboce vybíjených elektrod.
Při cyklování akumulátoru se tyto polymery však postupně nevratně rozkládají a tím snižují
jeho kapacitu. Proto se do NAM přidává dřevěná moučka. Ta se při provozu akumulátoru
postupně rozkládá a produkuje lignin, který je náhradou lignosulfátů. Uvolněné ionty ligninu
jsou transponovány a adsorbovány na povrch Pb, kde jejich molekulová forma brání tvorbě a
vzrůstu PbSO4 krystalů [4], [8].
Ebonex
Vlastnickými právy (patentem) na tento produkt disponuje společnost Atraverda, která jako
základní složku pro jeho výrobu využívá komerčního TiO2.
166
Ebonex je moderní modro – černý materiál často v literatuře popisován jako elektricky vodivý
keramický prášek. Vodivost je srovnatelná s uhlíkem, navíc značně odolává oxidaci a korozi
jak v kyselém, tak i zásaditém prostředí. Základní strukturu tvoří rutil oxidu titaničitého, který
lze popsat jako síť pravidelných TiO6 osmistěnů. Seskupením vzniká suboxid TinO2n-1 se
střižnou rutilovou strukturou. Např. Ti4O7 má po třech TiO2 vrstvách jednu vrstvu TiO viz.
Obr.3. Vodivosti se tedy účastní právě vrstvy TiO a chemickou odolnost představují vrstvy
TiO2. Prvek je také vysoce čistý a zpracovatelnost je jednoduchá [9].
Chemické a fyzikální vlastnosti:
bod varu
bod tání
vlastní hustota
objemová hmotnost (prášku)
rozpustnost ve vodě
vzhled
>3000°C
>1800°C
4,3 g/cm3
0,6 – 1,5 g/cm3
nerozpustný
modročerný prášek bez zápachu
Ebonex je nehořlavý, nepodporuje spalování, nerozkládá se nebo nezpůsobuje ničivé
(výbušné) reakce při hoření. Je extrémně chemicky inertní, nereaguje s nejběžnějšími
rozpouštědly, kyselinami a alkáliemi. Nerozkládá se a ani nijak nepodporuje rušivé reakce
v kontaktu s širokou škálou chemikálií. Dále je fyziologicky mírný. Nejsou známy žádné
nežádoucí reakce. Nepříznivý vliv prachu o úrovni vyšší než 10 mg/cm3 [9].
Obr. 3: Struktura Ebonex [9].
Poděkování
Tato práce byla podporovaná specifickým vysokoškolským výzkumem na VUT v Brně
č. FEKT–S–11–7.
167
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
168
ZACHLIN, A.C., J. Electrochemical Society 98 (1951) 325-333.
WILLIHNGANZ, E., Presentation to Association of American BatteryManufacturers,
October 22-23, 1942, Natnl. Lead Publn. 63 (1942).
CALÁBEK, M., MICKA, K., KŘIVÁK, P., BAČA, P., Significance of carbon additive
in negative lead-acid battery electrodes, Jornal of Power Sources 158 (2006) 864.
PAVLOV, D.: Lead – Acid Batteries, Science and Technology, A handbook of lead-acid
battery technology and its influence on the product, Elsevier Great Britain, 2011, ISBN
978-0-444-52822-7
PAVLOV, D.; ROGACHEV, T.; NIKOLOV, P.; PETKOVA, G., Mechanism of action
of electrochemically aktive carbons on the processes that také
place
at
the
negative plates of lead-acid batteries, Journal of Power
Sources,
2009,
191.ISSN 58 – 75.
MICKA, K., CALÁBEK, M., BAČA, P., KŘIVÁK, P., LÁBUS, R., BILKO, R.,
Studies of negative valve – regulated lead – acid battery electrodes, Journal of Power
Sources, 2009, 191.ISSN 154 – 158.
PAVLOV, D., ROGACHEV, T., NIKOLOV, P., PETKOVA, G., Mechanism of action
of electrochemically active carbons on the processes that take place at the negative
plates of lead-acid batteries, Journal of Power Sources 191 (2009) 58.
RAND, D.,MOSELEY, P., GARCHE, J., PARKER, C.:Valve – Regulated Lead – Acid
Batteries, Elsevier B.V., Amsterdam, 2004, ISBN 0-444-50746-9
Ebonex Electrically Conductive Meterials [online]. – [cit. 8.12.2011]. Dostupné na
www.: http://www.atraverda.com/index.php?q=technology/ebonex-powder.
33. NEKONVENČNÍ ZDROJE ELEKTRICKÉ ENERGIE
METODY MĚŘENÍ TEPLOTY A JEJICH PŘESNOST
Zdenka Rozsívalová, Martin Frk
VUT v Brně, FEKT, Ústav elektrotechnologie, Technická 10, 616 00 Brno, Česká republika
[email protected], [email protected]
Abstrakt
Příspěvek se zabývá metodikou měření teploty, která představuje jednu ze základních veličin
soustavy SI, a svým vlivem se podílí na výsledcích všech v praxi prováděných fyzikálních
a chemických experimentů. Zaměřuje se na popis fyzikálních principů kontaktních teploměrů,
využívajících kovových a polovodičových odporových senzorů, termočlánkových dvojic
kovů a bezkontaktních infračervených teploměrů včetně přehledu matematických koeficientů
a konstant vybraných senzorů. Současně shrnuje požadavky, vyplývající z příslušných
národních norem, které jsou kladeny na teplotní senzory z hlediska požadované třídy
přesnosti, vyjádřené maximální dovolenou chybou nebo nejistotou, v širokém rozsahu teplot
používaných v technické praxi.
Úvod
Teplota představuje druhou nejčastěji měřenou fyzikální veličinu SI soustavy, hned po měření
času. Udává se v teplotních stupních, její základní jednotkou je kelvin (používá se
v souvislosti s termodynamickou teplotou). Mezi další jednotky patří například stupeň Celsia
(nejpoužívanější jednotka u nás), stupeň Fahrenheita (USA), stupeň Rankina (zastaralá
jednotka) nebo stupeň Réaumura (prakticky se již nepoužívá). Obor, který se měřením teplot
zabývá, se nazývá termometrie. Přehled používaných teplotních stupnic, jejichž uplatnění
v praxi tedy souvisí s geografickou polohou a oborovým zaměřením, je shrnut v tabulce Tab.
1. Sledování teploty, od pouhé subjektivní indikace až po precizní měření, se uskutečňuje,
nejen ve všech průmyslových oborech, ale i v každodenní praxi. Teplota vystupuje jako
indikátor stavu produktů nebo částí strojů a zařízení, ať už ve výrobě, nebo při kontrole
jakosti. Přesné monitorování teploty zlepšuje kvalitu výrobků a zvyšuje produktivitu.
Tab. 1: Přehled teplotních stupnic
teplotní stupnice
jednotka
symbol
absolutní nula
převod na °C
převod ze °C
Kelvinova
Kelvin
K
0
C = T - 273,15
T = C + 273,15
Celsiova
stupeň Celsia
°C
-273,15
-
-
Fahrenheitova
stupeň Fahrenheita
°F
−459,67
C = 5/9 (F - 32)
F = 9/5 C + 32
Réamurova
stupeň Réamura
°R, °Ré
−218,52
C = 5/4 R
tR = 4/5 C
Rankinova
stupeň Rankina
°Ra
0
C = 5/9 (R - 273,15)
R = 9/5 C + 273,15
Pozn.: Dalšími možnými (historickými) teplotními stupnicemi jsou Delisleova (°D, °De, 0 K = 559,73 °D), Newtonova (°N,
0 K = −90,14 °N) a Rømerova (°Rø, 0 K = −135,90 °Rø).
169
Teplotní čidla
Teplotní čidlo tvoří základní součást jakéhokoliv diagnostického zařízení určeného ke
snímání teploty. Jeho princip je založen na přeměně teploty, jako fyzikálního stavu měřeného
média, na mechanickou nebo elektrickou veličinu, která je následně zpracovávána
a vyhodnocována příslušným měřicím zařízením.
Teplota může být sledována řadou rozličných snímačů, u kterých se odvozuje z citlivosti na
změnu fyzikální veličiny. Existuje šest základních typů teplotních snímačů, a to termočlánky,
odporové teploměry a termistory, infračervené teploměry, bimetalové teploměry, snímače
s roztažitelnými kapalinami a snímače se změnou stavu.
Odporové snímače teploty
Princip odporových snímačů je založen na teplotní závislosti elektrického odporu kovových,
případně polovodičových materiálů. Dělí se na odporové teploměry, pracující na principu
mírné změny odporu (v kovech), který s teplotou více nebo méně lineárně vzrůstá,
a termistory, což jsou elektrotechnické součástky s výraznou teplotní změnou odporu.
Kovové senzory
Pro měření teploty se v praxi používají především čisté kovové materiály. Nejčastěji se jedná
o odporová čidla platinová, niklová, případně měděná v drátovém, v poslední době také ve
vrstvovém provedení. Základní fyzikální vlastnosti uvedených materiálů jsou shrnuty
v tabulce Tab. 2. Ke stanovení konkrétní hodnoty teploty se využívá přepočet z teplotní
závislosti odporu kovových materiálů, kterou lze v širokém teplotním rozsahu vyjádřit
polynomem v obecném tvaru
R  R0 1  A   B  2  C  3  ... .
Pro užší teplotní interval v oblasti 0 až 100 °C lze použít lineární tvar předchozí rovnice
R  R0 1     0  .
Důležitým parametrem odporových snímačů teploty je poměr odporů čidla W při teplotě
100 °C, resp. při obecné teplotě , a při teplotě 0 °C, tj.
W100 
R100
R
, resp. W   .
R0
R0
Tab. 2: Vybrané vlastnosti kovových materiálů [2]
kov
rezistivita
teplotní koeficient odporu
poměr odporů
měřicí rozsah
 (10-6 m)
 (10-3 K-1)
W100 (-)
 (°C)
měď
0,01724
4,26 až 4,33
1,4260
-50 až 150
nikl
0,0684
6,17 až 6,70
1,6180
-60 až 200
platina
0,105
3,85 až 3,93
1,4260
-200 až 850
Platina
Nejlepším, nejpřesnějším a nejčastěji používaným materiálem ke sledování teploty je platina.
Požadavky na platinová teplotní čidla jsou shrnuty v normě IEC-751 (IEC ČSN 60 751).
Uvedená norma předepisuje pro teplotní čidla hodnotu základního odporu R0 = 100 
170
a teplotní koeficient odporu  = 3,851E-3 K-1, tj. W100 = 1,3850. Teplotní závislosti odporu
platinového čidla v oblasti záporných teplot (-200 až 0 °C) lze, podle normy IEC-751, vyjádřit
polynomem ve tvaru
R  R0 1  A   B  2  C   100  3  .
Pro případ teplotního rozsahu 0 až 850 °C pak platí rovnice
R  R0 1  A   B  2  ,
kde R0 značí základní hodnotu odporu (100 ), A = 3,9083E-3 K-1, B = -5,775E-7 K-2,
C = -4,183E-12 K-4. V případě teplotních čidel s vyšší hodnotou základního odporu (nejčastěji
200, 500 a 1 000 ), je nutné vynásobit výslednou hodnotu odporu koeficientem R0 .10-2.
V některých mezinárodních normách či standardech jsou kladeny na čistotu platiny ještě vyšší
požadavky než v IEC-751. V normě U. S. Industrial Standard je platina charakterizována
teplotním koeficientem odporu  = 3,911E-3 K-1, tj. W100 = 1,3910 a ve standardu ITS 90,
který klade na čistotu platiny nejvyšší požadavky, je  = 3,926E-3 K-1, tj. W100 = 1,3926.
Odporová čidla Pt100 jsou vyráběna v několika základních třídách přesnosti s tolerančními
poli vyjádřenými vztahy uvedenými v tabulce Tab. 3.
Tab. 3: Třídy přesnosti a příslušné hodnoty tolerancí platinových čidel [4]
třída přesnosti
teplotní tolerance
teplotní rozsah
1/10 B
    0,03  0,0005  
0 až100 °C
1/3 B (AA)
    0,10  0,0017  
-50 až 250 °C
A
    0,15  0,002  
-50 až 650 °C
B
    0,3  0,005  
-200 až 850 °C
C
    0,60  0,01  
-200 až 850 °C
Nikl
Předností niklových snímačů je vyšší úroveň citlivosti a rychlá odezva. Jejich nevýhodou je
menší stálost, nelinearita, obtížná výroba v požadované čistotě a nižší rozsah použitelnosti.
Při vyšších teplotách dochází ke změně krystalické modifikace niklu a tím i ke změně
teplotního součinitele odporu.
Teplotní závislosti odporu niklového čidla v širokém teplotním rozsahu lze, podle normy DIN
43760, vyjádřit polynomem ve tvaru
R  R0 1  A   B  2  C  4  D  6  ,
kde R0 značí základní hodnotu odporu (nejčastěji 100, 200, 1 000 a 2 000 ), A = 5,485E-3
K-1, B = 6,650E-6 K-2, C = 2,805E-11 K-4 a D = -2,00E-17 K-6 a teplotní koeficient odporu
 = 6,18E-3 K-1.
V praxi existují ještě niklová teplotní čidla s hodnotou teplotního koeficientu odporu
 = 5,00E-3 K-1 a  = 6,37E-3 K-1, pro které platí modifikovaná rovnice i příslušné
vyskytující se materiálové koeficienty.
171
Z pohledu přesnosti je možné niklová čidla klasifikovat do dvou základních tříd A a B
s příslušnou hodnotou přesností uvedenou v tabulce Tab. 4.
Tab. 4: Třídy přesnosti niklových čidel [4]
třída přesnosti
teplotní rozsah  < 0
teplotní rozsah  > 0
A
    0,2  0,014  
    0,2  0,0035  
B
    0, 4  0,028  
    0,4  0,007  
Měď
Měděné snímače teplot nejsou příliš rozšířené a používají se nejčastěji, v podobě vinutých
odporů se základní hodnotou odporu 50 a 100 , k přímému měření teploty vinutí
elektrických motorů. Z důvodu snadné oxidovatelnosti a nízké hodnoty rezistivity se měděné
snímače teploty běžně nepoužívají. Matematický popis teplotní závislosti odporu lze pro
jednotlivé teplotní oblasti vyjádřit rovnicemi uvedenými v tabulce Tab. 5.
Tab. 5: Matematické formulace teplotní závislosti odporu měděných snímačů [5]
teplotní rozsah
matematická formulace odporu
hodnoty materiálových konstant
-200 až -50 °C
R  A0 R0 1  A1   200   B1   200  


-50 až 150 °C
R  R0 1  A2  
150 až 250 °C
2
R  C0 R0 1  A3   150   B3   150  


2
A0 = 1,17058E-1,
A1 = 3,92313E-2 K-1
A2 = 4,2743E-3 K-1
A3 = 2,62628E-3 K-1
B1 = 7,45044E-6 K-2
B3 = 2,43732E-8 K-2
C0 = 1,641145
Polovodičové senzory
Do této kategorie patří zejména termistory a monokrystalické polovodičové snímače.
Termistory se vyrábějí zpravidla na bázi polykrystalických polovodičových materiálů.
Komponenty s kladným teplotním součinitelem odporu, tzv. pozistory (NTC pozistory), se
zhotovují z polykrystalických materiálů na bázi BaTiO3, u nichž bylo dosaženo polovodivých
vlastností heterovalentní substitucí atomů v krystalové mřížce. Termistory se záporným
teplotním součinitelem, tzv. negastory (NTC termistory), jsou vytvořeny z polykrystalických
polovodičových materiálů, zpravidla na bázi oxidů niklu, manganu, kobaltu, železa a titanu.
Teplotní závislost termistoru je možné aproximovat exponenciální závislostí ve tvaru
B
R  A e T , resp. ln R  A 
B
,
T
kde A a B jsou koeficienty termistoru závislé na geometrickém tvaru, materiálu termistoru
a částečně i na teplotě. Využitím uvedeného vztahu lze sledovat teplotu v rozsahu 0 až 100 °C
s nelinearitou ±1 °C.
Aproximací teplotní závislosti polynomem vyššího řádu zapsaným ve tvaru
2
ln R  A0  A1
1
1
1
 A2    ...  An  
T
T 
T 
n
lze zvýšit přesnost stanovení teploty a rozšířit teplotní interval použitelnosti.
172
Termočlánky
Termočlánek sestává z dvojice různých kovů, pevně spojených na jednom konci. Pro jeho
konstrukci se používají čisté kovové materiály a jejich slitiny. Přeměna teploty na elektrický
signál je podmíněna vznikem dotykového potenciálu, jehož úroveň je závislá na výstupní
práci elektronů z příslušného kovu a na koncentraci volných nosičů náboje. Termoelektrické
napětí je následně dáno součtem dotykových potenciálů při rozdílné teplotě obou stykových
míst. Míra jevu je určena Seebeckovým (termoelektrickým) součinitelem, který může nabývat
kladných nebo záporných hodnot. Hodnota Seebeckova koeficientu pro kovy je řádově (10-6
až 10-5) V K-1, pro polovodiče je řádově (10-6 až 10-3) V K-1.
Z hlediska měření je potřebné, aby generované termoelektrické napětí bylo co největší a aby
oba kovy byly co nejodolnější proti vlivům okolního prostředí tak, aby se jejich vlastnosti
v průběhu času co nejméně měnily. Uvedeným požadavkům vyhovuje jen několik dvojic
materiálů a jejich složení je proto normováno, takže vlastnosti stejně označených termočlánků
vyrobených různými výrobci jsou shodné.
V současné době se doporučuje používat termočlánky a kompenzační vedení, jejichž
parametry, označení, přesnost a teplotní rozsah odpovídají mezinárodní normě IEC 584
a národním normám odvozeným z ní. Např. v České republice ČSN EN 60584, ve Francii
NFC 42-324, v Japonsku JIS C 1610-1981, v USA ASTM E230-ANSI MC 96.1,
a v Německu DIN 43710. Přičemž některé označení a třídy přesnosti se výrazně liší, proto je
nutné brát zřetel na původ termočlánku. V následujících tabulkách Tab. 6 a Tab. 7 jsou
shrnuty vybrané vlastnosti a třídy přesnosti termočlánkových dvojic kovů odpovídající normě
ČSN EN 60584.
Tab. 6: Přehled termočlánkových dvojic kovů a jejich vlastnosti [3]
Typ
B
E
J
K
N
R
S
T
C*
G*
D*
měřicí rozsah krátkodobý
měřicí rozsah trvalý
+ pól
materiálové složení
- pól
+ pól
barevné označení
- pól
 (°C)
 (°C)
Pt - 30Rh
Ni-Cr
Fe
Ni-Cr
Ni-Cr-Si
Pt - 13% Rh
Pt - 10% Rh
Cu
W - 5% Re
W
W - 3% Re
Pt - 6% Rh
Cu-Ni
Cu-Ni
Ni-Al
Ni-Si
Pt
Pt
Cu-Ni
W - 26% Re
W - 26% Re
W - 25% Re
šedá
fiálová
černá
zelená
růžová
oranžová
oranžová
hnědá
bílá
bílá
bílá
bílá
bílá
bílá
bílá
bílá
200 až 1820
-40 až 900
-180 až 800
-180 až 1300
-270 až 1300
-50 až 1700
-50 až 1750
-250 až 400
0 až 1700
0 až 800
0 až 750
0 až 1100
0 až 1100
0 až 1600
0 až 1600
-185 až 300
není definováno
0 až 2320
* uvedené typy termočlánků nejsou definovány v příslušných normách
Závislost velikosti generovaného termoelektrického napětí je možné vyjádřit, až na jednu
výjimku, obecnou funkcí v polynomickém tvaru
n
U t   ai  i .
i 0
Výjimku představuje termočlánek typu K, pro nějž platí modifikovaný vztah zapsaný ve tvaru
173
n
2
U t   ai  i  c0 exp c1   126,9686   .


i 0
Příslušné koeficienty všech řádů, jednotlivých termočlánků, jsou uvedeny v tabulkách Tab. 8a
a Tab. 8b.
Tab. 7: Třídy přesnosti různých typů termočlánků
(°C)
(%)
B
E
J
K
N
R
S
T
přesnost
2. třída
1. třída
typ
0,4
1,5
(-40 °C až 1000 °C)
0,4
1,5
(-40 °C až 750 °C)
0,4
1,5
(-40 °C až 1000 °C)
0,4
1,5
(-40 °C až 1000 °C)
1
1 + 0,3 ( - 1100)
(0 °C až 1600 °C)
1
1 + 0,3 ( - 1100)
(0 °C až 1600 °C)
0,4
0,5
(-40 °C až 350 °C)
C
-
G
-
D
-
3. třída
(%)
(°C)
0,5
4
(600 °C až 1 700 °C)
1,5
2.5
(-200 °C až 40 °C)
(%)
(°C)
0,25
1,5
(600 °C až 1 700 °C)
0,75
2,5
(-40 °C až 900 °C)
0,75
2,5
(-40 °C až 750 °C)
0,75
2,5
(-40 °C až 1 200 °C)
0,75
2,5
(-40 °C až 1 200 °C)
0,25
1,5
(-40 °C až 1 600 °C)
0,25
1,5
(-40 °C až 1 600 °C)
0,75
1
(-40 °C až 450 °C)
1,00
4,5
(0 °C až 2320 °C)
1,00
4,5
(0 °C - 2320 °C)
1,00
4,5
1.5
2.5
(-200 °C až 40 °C)
1.5
2.5
(-200 °C až 40 °C)
1.5
1
(-200 °C až 40 °C)
-
(0 °C až 2320 °C)
Rozsah provozních teplot u jednotlivých termočlánků má informativní charakter a je omezen
provedením jejich opláštění a také průměrem termočlánkových drátů.
typ T
typ B
typ N
typ J
typ K
typ R
typ S
typ E
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1700 1800
 ( °C )
Obr.
174
1:
Teplotní
rozsah
použitelnosti
vybraných
termočlánkových
dvojic
kovů
175
3,0475836930E-02
-8,5681065720E-05
1,3228195295E-07
-1,7052958337E-10
2,0948090697E-13
-1,2538395336E-16
1,5631725697E-20
a2
a3
a4
a5
a6
a7
a8
-
1,1859760000E+02
2,3622373598E-02
-3,2858906784E-04
-4,9904828777E-06
-6,7509059173E-08
-5,7410327428E-10
-3,1088872894E-12
-1,0451609365E-14
-1,9889266878E-17
-1,6322697486E-20
-
-
a2
a3
a4
a5
a6
a7
a8
a9
a10
c0
c1
-1,1834320000E-04
-1,6322697486E-20
-1,9889266878E-17
-1,0451609365E-14
-3,1088872894E-12
-5,6072844889E-10
3,1840945719E-07
-9,9457592874E-05
1,8558770032E-02
3,8921204975E+01
3,9450128025E+01
-1,7600413686E+01
0,0000000000E+00
a1
0 až 1372 °C
-
-
-
-3,0691369056E-10
1,5720819004E-06
-3,1847686701E-03
3,1787103924E+00
-1,4976127786E+03
a0
-270 až 0 °C
5,0381187815E+01
a1
760 až 1200 °C
2,9645625681E+05
typ K
0,0000000000E+00
a0
-210 až 760 °C
typ J
-
-
-3,0682196151E-26
2,0849229339E-22
-6,0863245607E-19
9,9745338992E-16
-1,0063471519E-12
6,4311819339E-10
-2,5261169794E-07
4,3825627237E-05
1,5710141880E-02
2,5929394601E+01
0,0000000000E+00
-
-
-
-9,3419667835E-17
-7,6089300791E-14
-2,2653438003E-11
-2,6303357716E-09
-4,6412039759E-08
-9,3841111554E-05
1,0957484228E-02
2,6159105962E+01
0 až 1300 °C
-9,3791330289E-22
9,8975640821E-18
-4,4515431033E-14
1,1109794013E-10
-1,6835344864E-07
1,5785280164E-04
-8,4885104785E-02
2,8571747470E+01
-3,8938168621E+03
630,615 až 1820 °C
typ N
0,0000000000E+00
-270 až 0 °C
-
-
6,2990347094E-16
-1,6944529240E-12
1,5668291901E-09
-1,3257931636E-06
5,9040421171E-03
-2,4650818346E-01
0,0000000000E+00
0 až 630,615 °C
typ B
-
-
-
-2,8103862525E-24
1,5771648237E-20
-3,7310588619E-17
5,0077744103E-14
-4,6234766630E-11
3,5691600106E-08
-2,3885569302E-05
1,3916658978E-02
5,2896172977E+00
0,0000000000E+00
-50 až 1064,18 °C
2,7144317615E-21
-1,2506887139E-17
2,5574425179E-14
-3,3146519639E-11
3,2202882304E-08
-2,3247796869E-05
1,2593428974E-02
5,4031330863E+00
0,0000000000E+00
-50 až 1064,18 °C
Tab. 8a: Hodnoty příslušných koeficientů (V K-n) jednotlivých typů termočlánků [1]
-
-
-
-
-
-
-
-2,9335966817E-13
2,0530529102E-09
-7,6408594758E-06
1,5956450187E-02
-2,5206125133E+00
2,9515792532E+03
1064,18 až 1664,5 °C
typ R
-
-
-
-
1,2998960517E-11
-1,6485625921E-06
6,5480519282E-03
3,3450931134E+00
1,3290044409E+03
1064,18 až 1664,5 °C
typ S
-
-
-
-
-
-
-
-
-9,3463397105E-12
-3,4589570645E-05
1,7128028047E-01
-2,6881988855E+02
1,5223211821E+05
1664,5 až 1768,1 °C
-
-
-
-
-9,4322369061E-12
-3,3043904699E-05
1,6369357464E-01
-2,5843051675E+02
1,4662823264E+05
1664,5 až 1768,1 °C
c1
c0
a10
a9
a8
a7
a6
a5
a4
a3
a2
a1
a0
a8
a7
a6
a5
a4
a3
a2
a1
a0
Tab. 8b: Hodnoty příslušných koeficientů (V K-n) jednotlivých typů termočlánků [1]
typ T
typ E
-270 až 0 °C
0 až 400 °C
-270 až 0 °C
0 až 1000 °C
a0
0,0000000000E+00
0,0000000000E+00
0,0000000000E+00
0,0000000000E+00
a0
a1
3,8748106364E+01
3,8748106364E+01
5,8665508708E+01
5,8665508710E+01
a1
a2
4,4194434347E-02
3,3292227880E-02
4,5410977124E-02
4,5032275582E-02
a2
a3
1,1844323105E-04
2,0618243404E-04
-7,7998048686E-04
2,8908407212E-05
a3
a4
2,0032973554E-05
-2,1882256846E-06
-2,5800160843E-05
-3,3056896652E-07
a4
a5
9,0138019559E-07
1,0996880928E-08
-5,9452583057E-07
6,5024403270E-10
a5
a6
2,2651156593E-08
-3,0815758772E-11
-9,3214058667E-09
-1,9197495504E-13
a6
a7
3,6071154205E-10
4,5479135290E-14
-1,0287605534E-10
-1,2536600497E-15
a7
a8
3,8493939883E-12
-2,7512901673E-17
-8,0370123621E-13
2,1489217569E-18
a8
a9
2,8213521925E-14
-
-4,3979497391E-15
-1,4388041782E-21
a9
a10
1,4251594779E-16
-
-1,6414776355E-17
3,5960899481E-25
a10
a11
4,8768662286E-19
-
-3,9673619516E-20
-
a11
a12
1,0795539270E-21
-
-5,5827328721E-23
-
a12
a13
1,3945027062E-24
-
-3,4657842013E-26
-
a13
a14
7,9795153927E-28
-
-
-
a14
Laboratorní pracoviště
Na Ústavu elektrotechnologie FEKT VUT v Brně byla navržena a vytvořena dvě laboratorní
pracoviště určená ke kalibraci odporových a infračervených měřičů teploty. Schematické
znázornění obou pracovišť je uveden na obrázku Obr. 2. Metodika kalibrace je založena na
principu srovnání teploty snímané zkušebními teploměry pracujícími na různém principu
(kapalinovými, odporovými, termočlánkovými apod.) s údajem etalonového teploměru s vyšší
deklarovanou přesností a následném stanovení nejistoty měření.
První pracoviště, určené ke kalibraci kontaktních teplotních čidel, příp. teploměrů, je tvořeno
kapalinovou lázní s termostatem Medingen KT, etalonovým elektronickým teploměrem ASL
F100 (ASL F252) s platinovým čidlem s přesností ±0,02 °C, (resp. ±0,01 °C). Pracoviště je
doplněno o převodníky společnostni Greisinger a měřicí ústřednu Agilent 34972
s multiplexerem, umožňující připojit různá odporová a polovodičová teplotní čidla
a termočlánky s volným zakončením, případně se standardizovaným konektorem.
Druhé pracoviště je určeno ke kalibraci bezkontaktních měřičů teploty a skládá se z teplotního
kalibrátoru pro infračervené teploměry Dostmann BB500, tj. černého tělesa s emisivitou 0,95.
Přístrojové zařízení umožňuje pokrýt teplotní rozsah 50 až 500 °C při zajištění stability ± (0,2
až 0,4) °C, dle přednastavené teploty.
176
KALIBROVANÉ PŘÍSTROJOVÉ
VYBAVENÍ
SROVNÁVACÍ PŘÍSTROJOVÉ VYBAVENÍ
etalonový teploměr
ASL F252
kontaktní oblast
lázňový termostat
Medingen KT30
měřicí ústředna +
multiplexer
Agilent 34972A
etalonový teploměr
ASL F100
IR
oblast
černé těleso - kalibrátor
Dostmann BB500
sada teploměrů
Greisinger GMH 3xxx
sada infračervených teploměrů
Obr. 2: Struktura a přehled přístrojového vybavení ke kalibraci kontaktních a IR teploměrů
Poděkování
Autoři článku děkují MŠMT za poskytnutý finanční příspěvek formou grantu FRVŠ
449/2012/F1/a "Implementace nejistot měření a kalibrace přístrojového vybavení do
laboratorní výuky předmětů orientovaných na diagnostiku a zkušebnictví", VUT v Brně za
projekt FEKT-S-11-7 "Materiály a technologie pro elektrotechniku" a projektu OPVK
CZ.1.07/2.3.00/20.0103 „Podpora lidských zdrojů a transferu znalostí v podmínkách
mezinárodní spolupráce vědeckých týmů“. Finančních prostředků bylo využito k pořízení
vybraného laboratorního vybavení.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Bentley, R. E. Handbook of Temperature Measurement: Theory and practice of
thermoelectric termometry. Springer-Verlag New York, LLC, 1998. 257 s. ISBN
981402111.
Kreidl, M. Měření teploty - senzory a měřicí obvody. BEN-Technická literatura, 2005.
239 s.. ISBN 80-7300-145-4.
Newport Electronics, spol. s r. o. Technické informace [online]. 1995-2005. [cit. 201205-02]. Dostupné z: http://newport.cz/techinfo/.
Sensit. Příručka pro konstruktéry, projektanty a realizátory měřicí a regulační techniky.
Rožnov pod Radhoštěm, 2011.
Minco, Inc. Resistivity Thermometry [online]. 2000. [cit. 2012-05-02]. Dostupné z:
http://www.temflexcontrols.com/pdf/aa18.pdf.
177
Generální partneři:
Hlavní partneři:
Partneři:
Odborní partneři:
Mediální partneři konference:
Druh:
Neperiodická účelová publikace
Název:
33. Nekonvenční zdroje elektrické energie
Internet:
http://www.nzee.cz
Místo konání:
Hrotovice
Vydavatel:
Česká elektrotechnická společnost
Zodpovědný redaktor:
doc. Ing. Petr Bača, Ph.D.
doc. Ing. Vítězslav Novák, Ph.D.
ISBN:
978-80-02-02372-2
Stran:
182
Výtisků:
80
Formát:
A4 (vazba brožovaná)
Tisk a sazba:
Tribun EU s.r.o.
Měsíc a rok vydání:
květen 2012
Vydání:
první
vydáno s CD-ROM jako součást knižní publikace