Zdroje elektrické energie

Elektrické napětí lze získat na principu přeměny: elektromechanické – elektromagnetické indukce elektrochemické – galvanický článek fotoelektrické – fotovoltaický článek elektrotepelné – termoelektrický článek tření izolantů – elektrostatická indukce stlačování pevné látky – piezoelektrický jev Z uvedených 6 principů se pro výrobu elektrické energie za účelem napájení spotřebičů používají pouze první 4 principy. Při tření izolantů dochází k indukování elektrostatického náboje a vzniku vysokých napětí, která ohrožují elektrická zařízení. Množství energie získané piezoelektrickým jevem je malé, omezuje se na snímání namáhání konstrukci, elektroakustické měniče (mikrofony) a zapalovače plynových hořáků.

Termoelektrický jev – Seebekův jev Spojíme-li dva vhodné vodiče v prostředí s vyšší teplotou T něž je teplota na rozpojených koncích T0 objeví se na těchto studených koncích elektrické napětí UT.  - termoelektrická konstanta daných kovů Hodnota napětí se dána materiály vodičů a rozdílem teplot. Teplota v místě spoje může dosahovat 400 až 1600°C. Vzniklé napětí článku je malé, u kombinace kovů maximálně  5mV/100°C, u polovodičů pak i 100x více. Vyšší napětí se získává sériovým řazením více článků. Termoelektrického jevu se využívá hlavně k měření teploty, jeho užití jako energetického zdroje velmi omezené.

Využití termoelektrického jevu- současnost Termoelektrického jevu se již dlouhou dobu využívá k měření teploty v podobě teplotních sond k měřícím přístrojům. Novým trendem je ho využití jako zdroje proudu pro pohánění ventilátorů v systémech teplovzdušného vytápění. Díky termoelektrickému modulu, který je umístěn uprostřed ventilátoru a rozděluje ho na ohřívanou a chlazenou část, se vyrábí elektrický proud, který pohání elektromotor s vrtulí a tím rozhání teplý vzduch od kamen. Ventilátor se umisťuje na dobře vyhřívanou kovovou část kamen, kde zajišťuje cirkulaci vzduchu v rozsahu teplot od 70°C do 350°C.

Využití termoelektrického jevu - budoucnost Termoelektrický jev se používá pro napájení špionážních zařízení, vojenských průzkumných družic a družic, které se pohybují dále od Slunce nebo mají Sluneční soustavu opustit. Zdrojem tepla je radioizotopový termoelektrický generátor, v kterém se teplo uvolňuje rozpadem jader, převážně 238Pu s poločasem rozpadu 88 roků. Technologie pracují s teplotami od 300 do 1000°C a elektrickými výkony až stovek W. Předpokládá se, že tato technologie by mohla být použita i pro budování stacionárních zdrojů pro napájení vesmírných stanic, např. na Měsíci. Výhodou uvedeného řešení je dlouhá životnost zdroje, vysoká spolehlivost a bezúdržbový provoz. V současnosti jsou rizika spojená s haváriemi raket při startu nebo krátce po něm, omezována odolnou schránkou a formou použitého izotopu Pu02.

Fotovoltaická měněna – solární článek Solární článek je tenká polovodičová destička s P-N přechodem měnící světelnou energie na elektrickou. Dopadem světelného záření s vhodnou vlnovou délkou, vznikne v polovodiči vnitřní fotoelektrický jev, kdy se z krystalové mřížky začnou uvolňovat záporné elektrony. Vznikající elektrony a díry vytvoří na přechodu P-N elektrické napětí, které dosahuje u křemíkových článků hodnoty zhruba 0,5 V. Pro dosažení vyššího napětí se články zapojují sériově a pro větší proudy paralelně.

Voltampérová charakteristika fotodiody Ze slunečního záření lze křemíkovými články teoreticky využít maximálně 30% energie. U dražších monokrystalických článků dosahuje účinnost až 21%. U levnějších amorfních a polykrystalických článků je účinnost výrazně nižší, ale tyto články dokáží více využít rozptýleného záření, např. při zatažené obloze a oparu.

Elektrochemické zdroje Elektrochemické zdroje využívají chemické reakce molekul 2 látek z elektrolytu, kdy mezi dvojicí elektrod vzniká napětí. Z hlediska chemické reakce se zdroje dělí na: primární články – galvanické články – chemický proces je nevratný a po spotřebovaní veškeré energie životnost článku skončila sekundární články – akumulátory – chemický proces je vratný a dodáním elektrické energie se článek znovu nabije palivové články – dodáním paliva (vodíku) a okysličovadla vzniká na elektrodách elektrické napětí, k chemické reakci obou prvků dochází na speciální membráně Elektroda na které je kladný potenciál se nazývá anoda, elektroda se záporným potenciálem se nazývá katoda.

Elektromechanická měněna – elektromagnetická indukce Eelektromagnetická indukce je fyzikální jev, při kterém ve vinutí generátoru vzniká napětí v důsledku časové změny magnetického toku: Změny magnetického toku se dosahuje otáčivým pohybem magnetického pole nebo vodiče v magnetickém poli. Jako zdroj magnetického toku se nejčastěji používá budicí vinutí generátoru napájené stejnosměrným napětím, v jednodužších aplykacích se používají permanentní magnety. Zdrojem otáčivého pohybu je turbína parní nebo vodní elektrárny, vrtule větrné elektrárny nebo spalovací motor. Z hlediska instalovaného výkonu a množství vyrobené energie tvoří generátory pracující na principu elektromagnetické indukce rozhodující část zdrojů elektrické energie.

Podle principu se generátory dělí na: Alternátory – synchronní generátory – vyrábí střídavé napětí s kmitočtem, který je celým násobkem (1, 2, 3, 4, …) otáček turbíny (spalovacího motoru). Mohou pracovat samostatně a tvoří většinu zdrojů elektrizační soustavy. Asynchronní – generují střídavé napětí s kmitočtem sítě, ke které jsou připojeny. Generátor se otáčí vyššími otáčkami než jsou otáčky synchronní (dané kmitočtem sítě) – pracuje s tzv. skluzem, který nemusí být konstantní. Turbína nepotřebuje přesnou regulaci otáček jako u synchronního stroje. Asynchronní generátor nemůže pracovat samostatně a používá se u malých vodních elektráren s výkonem do stovek kW. Dynama – vyrábí stejnosměrné napětí. Komutátor plní funkci mechanického usměrňovače, proto se polarita výstupního napětí získaného otáčivým pohybem rotoru nemění. Omezeně se používají pouze paralelní (derivační) dynama a to jako zdroje budícího proudu pro synchronní generátory.

Kontrolní otázky Popište Seebekův jev. Popište princip radioizotopového termoelektrického generátoru? Jak se dělí chemické zdroje elektrické energie? Jaký je princip fotovoltaického článku a jak se dosahuje větších napětí a proudů? Popište princip elektromagnetické indukce. Jaké druhy generátorů elektrického proudu pracující na principu elektromagnetické indukce znáte a jaké mají základní vlastnosti?

Zdroje: http://www.e-teplo.cz/ventilator-ecofan-806.html http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k32.htm http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/sondy/sondy.html