4. pretvorbe oblika energije472 4. pretvorbe oblika energije 4.1. uvod 4.2. pretvorba kemijske...

472

4. PRETVORBE OBLIKA ENERGIJE4. PRETVORBE OBLIKA ENERGIJE

4.1. Uvod

4.2. Pretvorba kemijske energije u unutarnju termi čku

4.3. Pretvorba unutarnje toplinske energije u mehan ičku

4.4. Pretvorba potencijalne energije u mehani čku i obratno

4.5. Pretvorba mehani čke energije u elektri čnu

4.6. Neposredne pretvorbe oblika energije u elektri čnu

4.7. Energetska bilanca

Elektrotehnički fakultet Osijek

473

4.1. Uvod4.1. Uvod


474

Elektri čna energija najplemenitiji sekundarni oblik energije

Prednosti:

• moguća je pretvorba iz svakog energetskog izvora (čak i otpad)

• pouzdano i uz racionalne gubitke se prenosi do zadnjeg korisnika

• dalje pretvorbe su jednostavne i ekonomične

• jednostavna je za regulaciju, upravljanje i mjerenje

• nezamjenjiva je za obradu i prijenos podataka

• ne šteti okolini

Prednosti:

• moguća je pretvorba iz svakog energetskog izvora (čak i otpad)

• pouzdano i uz racionalne gubitke se prenosi do zadnjeg korisnika

• dalje pretvorbe su jednostavne i ekonomične

• jednostavna je za regulaciju, upravljanje i mjerenje

• nezamjenjiva je za obradu i prijenos podataka

• ne šteti okolini


475

Nedostaci:

• Dobiva se uglavnom toplinskimpretvorbama (ηmax ≈ 0,4)

• Ne da se ekonomično akumulirati

• Prijenos je vezan naelektroenergetske vodove i transformatore (mreže)

• Elektrane i mreže su kapitalno -intezivne investicije

Nedostaci:

• Dobiva se uglavnom toplinskimpretvorbama (ηmax ≈ 0,4)

• Ne da se ekonomično akumulirati

• Prijenos je vezan naelektroenergetske vodove i transformatore (mreže)

• Elektrane i mreže su kapitalno -intezivne investicije

GORIVO

gorionik gubici1-3%

TOPLINA

PARA

ELEKTR. ENERG.

MEH. ENERG.

gubicikotao5-8%

turbina+kond. gubicioko 50%

generator gubici1-2%


476

PRIMARNA ENERGIJA

Fosilna goriva

Nuklear.goriva

Energijavode

Energija vjetra

Sunčevaenergija

Otpad(biološki)

ELEKTRIČNA ENERGIJA

KORISNA ENERGIJA

Svjetlo Mehanička energija

Kemijska energija

Toplinska energija

Pomoćna energija


477

Kao krajnji energetskioblici u osnovi sepodrazumjevaju mehani čki ili elektri čkirad (energija).

KRAJNJA ENERGIJA

pretvorbe utoplinu

pretvorbe utoplinu

PRIMARNA ENERGIJA

PRIMARNA ENERGIJA

mehani čkirad

elektri čkirad

generator

motor

klipni motori,plinske turbineklipni motori,

plinske turbine

gorive ćelije,sunčane ćelijegorive ćelije,

sunčane ćelije

vjetrenjače,vodne turbinevjetrenjače,

vodne turbine


478Moguće pretvorbe (transformacije) oblika energije u električnu energiju

479

Postupci proizvodnje elektri čne energije u elektranama


480

Razvoj zahtjeva koji se postavljaju na opskrbu elektri čnom energijom


481

� Elektrane: sustav za pretvorbu drugih oblika energije u električnu energiju.

� Pri tome razlikujemo:

1. Neizravne (posredne) pretvorbe u el. energiju (kod kojih se bilo koji drugi oblik mora pretvoriti najprije u mehani čku energiju , a potom generatorima u električnu).

Najveći dio el. energije dobija se posrednim pretvorbama: potencijalna energija vode (HE), kinetička vjetra (VE), kemijska (TE) ili nuklearna energija (NTE) goriva, geotermalna, Sunčeva u solarnim elektranama.

2. Izravne (neposredne) pretvorbe u el. energiju (kod kojih nije potrebno pretvaranja u mehaničku energiju).

Kemijske energije u gorivnim ćelijama, fotonaponska (fotoelektrična) pretvorba Sunčeve energije, fotoelektrokemijska pretvorba, neposredna pretvorba toplinske energije (termoelektrična, termionska, magnetohidrodinamički (MHD) generator) – neznatno!!!


482

Pretovorbe energije – odnosi


483

4.2. Pretvorba kemijske energije (goriva) u unutarn ju 4.2. Pretvorba kemijske energije (goriva) u unutarn ju toplinsku energiju (nosioca) toplinsku energiju (nosioca) -- IzgaranjeIzgaranje


484

Uvod

� Ako se nekom tijelu ili sustavu dovede energija, ona se nagomilava, a tako nagomilana energija naziva se unutarnjom toplinskom energijom

� Unutarnja toplinska energija sastoji se od kinetičke energije molekula koje se gibaju i potencijalne energije molekula koja je posljedica privlačnih i odbojnih sila.

� Proces transformacije kemijske energije u unutrašnju energiju naziva se izgaranjem. Odvija se u ložištu.

� Uporaba unutarnje termi čke energije:

1. Izravna (neposredna):

Za grijanje prostorija, kuhanje, pripremu tople vode, za tehnološke procese kad su potrebne visoke temperature (obrada stakla, keramike, cementa, metala, plastike i sl.). Nosioci topline plinovi izgaranja.


485

2. Neizravna (posredna):

Energija plinova izgaranja može se potom pretvoriti u mehaničku energiju u plinskim turbinama i motorima s unutar. izgaranjem.

Nadalje, prijelazom topline u parnim kotlovima predati vodi, odnosno vodenoj pari (novi nosioc energije). Zagrijana vodena para služi za pogon parnih turbina u kojima se unutrašnja energija pare transformira u mehaničku energiju (preko kinetičke energije).

Izgaranje

� Kemijska reakcija oksidacije gorivih sastojaka s kisikom iz zraka uz istovremenu pojavu topline i svjetlosti.

� Radi se o izmjeni tvari pri čemu,u broj atoma ostaje nepromijenjen (zakon o održanju mase).

� Energetska jednadžba izgaranja temelji se na prvom stavku termodinamike : ΣE=const. (zakon oč. energije).


486

� Proces izgaranja:

1. Zagrijavanje i sušenje, 2. Destilacija (isparavanje) hlapljivih sastojaka – piroliza, 3. Izgaranje hlapljivih sastojaka, 4. Izgaranje čvrstog ugljika

� Uvjeti izgaranja:

1. U ložištu treba biti dovoljno visoka temperatura za paljenje goriva 2. Povoljan omjer mješanja goriva i zraka 3. Odgovarajuće pripremljeno gorivo4. Dovoljno vremena za izgaranje

Volumni udio kisika u zraku je 21%, to je plin koji ne gori, ali podržava gorenje.

Množina tvari n definira se u (mol), molarna masa M u (kg/mol)

Znajući masene udjele pojedinih sastavnih tvari u gorivu, svaki sastojak određuje se količinom u (kmol/kg), te se mogu se odrediti minimalne potrebne količine kisika/zraka za potpuno izgaranje.


487

Količine sastojaka (elemenata) označavaju se malim slovima, tako da vrijedi c+h+s+o+n+w+a = 1.

Minimalna količina kisika omin i zraka zmin potrebna za potpuno izgaranje iznosi:

Jednadžba za izračunavanje minimalne količine kisika za izgaranje krutih i tekućih goriva je

kgkmoloshc

o /3232412min +++=

kgkmolo

z /2.0

minmin =

kgmoshco /7,07,06,5867,1 3min ⋅−⋅+⋅+⋅=

488

� Stehiometrijski odnosi izgaranja

Avogadrov zakon: svi plinovi pri istom tlaku, temperaturi i volumenu imaju jednak broj molekula N = 6.0225·1023 1/mol.

Pri izgaranju se oslobađa određena količina topline.

Stehiometrijski odnosi izgaranja (vezani uz ugljen, naftu i prirodni plin):

a) vodika: 1kmol H2 + 0.5 kmol O2 = 1kmol H2O + 240 MJ/kmol

b) ugljika: 1kmol C + 0.5 kmol O2 = 1kmol CO + 123.8 MJ/kmol

1 kmol C + 1kmol O2 = 1kmol CO2 + 407 MJ/kmol

1kmol CO + 0.5 kmol O2 = 1kmol CO2 + 283.2 MJ/kmol

c) sumpora: 1kmol S + 1kmol O2 = 1kmol SO2 + 297 MJ/kmol

1kmol SO2 + 0.5 kmol O2 = 1kmol SO3 +398 MJ/kmol


489

d) ugljikovodika:

1kmol CmHn + (m+0.25n) kmol O2 = m kmol CO2 + 0.5 n kmol H2O + Q

Količina oslobođene topline Q pri izgaranju ugljikovodika ovisi o njegovom kemijskom spoju, npr.:

Metan CH4 Q = 804.2 MJ/kmol Etan C2H6 Q = 1444.8 MJ/kmol Propan C3H8 Q = 2083.2 MJ/kmol Butan C4H10 Q = 2773.1 MJ/kmol

� Ložišta i temperature izgaranja

Ovisno o konstrukciji ložišta razlikuje se teorijska i stvarna temperatura izgaranja

1. Teorijska: izgaranje u toplinski izoliranom sustavu , plinovi izgaranja dostižu vrlo visoku temperaturu od cjelokupne topline oslobođene izgaranjem 2. Stvarna: niža jer se dio topline goriva predaje okolini (okolnom mediju) radi postojanja temperaturne razlike


490

4.3. Pretvorba unutarnje termi čke energije (nosioca) 4.3. Pretvorba unutarnje termi čke energije (nosioca) u mehani čku energijuu mehani čku energiju


491

� Prvi glavni stavak termodinamike govori o mogućnosti pretvaranjatopline u mehanički rad, ali ne potpunim kvantitativnim vrijednostima.

� Carnot (1843.): za pretvaranje topline u mehani čki rad potreban je pad temperature (prijelaz topline) , za što je potrebno imati dva spremnika topline različitih temperatura.

� Drugi glavni stavak termodinamike:

Toplina prelazi samo s tijela više temperature na tijelo niže temperature. Toplina prelazi s tijela niže temperature na tijelo više temperature samo uz dovođenje vanjskog rada. Nije moguće trajno uzimati toplinu iz jednog spremnika i pretvarati je u mehanički rad.

R. Clausius (1822 - 1888): “Toplina sama od sebe ne može preći s tijela niže temperature na tijelo više temperature.”

� Toplina: oblik energije koji prelazi granice sustava samo zbog postojanja razlike temperature među sustavima uz uvjet da granica me đu sustavima propušta toplinu.


492

Termička jednadžba stanja

� Plinovi i pare su mediji (nosioci) koji služe za prijenos unutrašnje termičke energije u mehaničku energiju.Svi su procesi u kojima se odvijaju energetske pretvorbe, povezani s promjenama stanja radnog medija (nosioca energije).

� Pretpostavka: u normalnom pogonu sve promjene stanja odvijaju sekvazistacionarno , tj. da se za vrijeme promjene stanja sustav -globalno promatrajući - nalazi u stanju ravnoteže (omogućuje da se promjene stanja opisuju veličinama stanja).

� Termička jednadžba stanja s kojom se neki jednostavni termodinamički proces može opisati, povezuje tri unutarnje veli čine stanja za definiranje homogenog procesa: tlak p, volumen V (obično kao relat. volumen po jedinici mase, v) i temperaturu T.

� U implicitnom obliku za homogeni proces:


( ) 0,, =TvpF

493

� Samo za idealne plinove i realne plinove pri veoma niskim tlakovima termi čka jednadžba stanja poprima jednostavni oblik:

R univerzalna plinska konstanta = 8.314 J/kmol,K

n množina tvari (kmol), ovisno o vrsti plina


TRnvp ⋅⋅=⋅

.konstT =

.konstp =

.konstV =

p

v

T

( ) 0,, =TVpF

Površina stanja idealnog plina u p-V-T prostoru

494

Entropija

� Pojam entropije usko je povezan s drugim glavnim stavkom termodinamike.

� Za razumijevanje 2. glavnog stavka mora se razlikovati između sustava u kojima se odvijaju nepovratljivi (ireverzibilni), odnosno povratljivi (reverzibilni) procesi. Prema Carnot-u (1843):

1. Povratljivi proces: pretvorba energije odvija se na način da se svaka promjena stanja može povratiti u početno stanje, a da nijeostala nikakva promjena u okolini.

Dva uvjeta: nema trenja (interna povratljivost), te u okolini koja sudjeluje u procesu ne smije nastupiti nepovratljivost (eksternapovratljivost).

2. Nepovratljivi proces: ako se početno stanje u sustavu ne može uspostaviti bez promjene u okolini, takav se proces naziva nepovratnim.

� Iz iskustva se zna da su svi prirodni procesi nepovratljivi, dakle sami od sebe odvijaju se samo u jednom smjeru (Drugi glavni stavak termodinamike - bitno ograničenje energetskih pretvorbi)!


495

� Iako povratljivih procesa nema, koriste se kao idealni procesi za usporedbu pri vrednovanju stvarnih procesa za pretvorbu energije.

� U svrhu jednoznačnog kvantitativnog razlikovanja povratljivih i nepovratljivih procesa, R. Clausius je (1865) definirao novu veličinu stanja, entropiju

Entropija (S) zadovoljava drugi stavak termodinamike i raspolaže sa slijedećim svojstvima:

1. Kod adijabatskog sustava nikada se ne smanjuje;

2. Kod povratljivih procesa ostaje konstantna;

3. Kod nepovratljivih procesa se povećava.

� Diferencijal entropije (dS) i diferencijal specifične entropije (ds) u odnosu na jedinicu mase definiraju se kao:

� dQ12 – promjena topline pri prijelazu iz stanja 1 u 2, dWR – rad sile trenja


]/[12 KJT

dWdQdS R+= ],/[ KkgJ

T

dwdq

m

dSds R+==

496

Promjene stanja idealnih i realnih plinova

� Specifi čna toplina (toplinski kapacitet) c: količina topline potrebna da bi se temperatura 1 kg tvari povećala za 1 K:

c = dQ/(m·dT) = dq/dT [J/kg, K]

� Razlikuje se specifična toplina cv pri konstantnom volumenu i pri konstatnom tlaku cp

� Obzirom na moguće promjene stanja medija dovođenjem topline (∆q > 0) s promjenom p, V i T razlikujemo slijedeće promjene stanja idealnog plina

Naziv Dov. toplina (q) ili izv. meh. rad (w):

a) izohora (V = const. , p i T raste) q12 = cv·(T1 – T2 ) > 0

b) izobara (p = const. , V i T raste) q12 = cp·(T1 – T2 ) > 0

c) izoterma (T = const. , V raste, p pada) q12 = w12 = p1· v1·ln(p1/p2 ) > 0

� Obratne promjene veličina stanja vrijede kad se toplina odovodi (∆q < 0)


497

� Adijabata: promjena stanja idealnog plina (p, V i T) u slučaju kad nema izmjene topline (∆q = 0) s promjenom

d) adijabata (s, Q = const.) , dva slučaja

ekspanzija: p pada, V raste, T pada) q12 = 0, w12 > 0

kompresija: p raste, V pada, T raste) q12 = 0, w12 < 0

� Realni plinovi prikazuju se općim hiperbolama (politropama)

e) politropa: q12 = cv·(T1 – T2 ) ·(n – κ )/(n - 1) , gdje je κ = cp / cv

Pri tome se dobija za: n = 0 izobara

n = 1 izoterma

n = κ adijabata

n = izohora


∞

498

Kružni termodinami čki proces

� Zatvoreni proces kod kojeg su početna i završna točka jednake (iste veličine stanja p, V i T)

� U kružnom procesu toplinskog stroja pogonski medij ekspandira s višeg (točka 1) na niži tlak (točka 2) uz povećanje volumena, proizvodeći mehaničku energiju, što se vidi na p-V dijagramu

� Kada bi kompresija (2-1) tekla po istoj krivulji po kojoj je obavljena ekspanzija, ne bi se mogao izvršiti rad (razlika dovedene i odvedene topline)

� Stoga je uvjet za dobivanje energije iz sustava da je utrošeni rad za kompresiju manji nego dobivena energija ekspanzijom medija.

� Utjecaj okoline (temperatura i tlak)


499Elektrotehnički fakultet Osijek

Kružni proces u T-s dijagramu – površina odgovara toplini

500

� U točki 1 unutarnja energija medija na početku i na kraju procesa je jednaka, pa se rad ne obavlja promjenom unutrašnje energije nego na račun promjene topline.

� Ako se mediju mijenja stanje bez promjene topline, entropija ostaje nepromijenjena (primjer: adijabatska ekspanzija)

� Specifi čna entalpija (h) : sadržaj topline pri konstantnom tlaku, jednaka je zbroju specifične unutrašnje energije i specifične energije strujanja medija:

� Dovedena toplina mijenja mediju unutarnju energiju i volumen V uz konstantan tlak p ili mu mijenja unutarnju energiju i tlak p u z konstantan volumen V

21 QQW −=


]/[ kgJvpwh u ⋅+=

501

� Obzirom na način upotrebe pogonskog medija, toplinski se strojevi dijele na:

1. Turbostrojeve (rad medija se prenosi na lopatice rotora – parne i plinske turbine).

2. Stapne strojeve (stap ili klip je dio stroja na koji se prenosi rad medija – motori s unutarnjim izgaranjem) i

Turbostrojevi

� U zatvorenom termodinamičkom sustavu ekspanzija medija može se iskoristiti samo jednom za dobivanje mehaničkog rada pa je nezanimljiv za uporabu

� Potrebno je načiniti otvoreni termodinami čki proces (dovođenje medija prije kompresije i odvođenje medija nakon kompresije)-mogućnost izmjene mase i energije između granica sustava.

� Kružni proces parnih i plinskih turbina opisuje se kao Carnot kružni proces (iako se radi o idealnom, u stvarnosti neostvarivom procesu)



Carnot-ov kružni proces

503

Carnotov kružni proces:

� Tok energije sastoji se od dviju izotermi i dviju adijabata

� Toplina se dovodi po izotermi od točke 1 do 2, pa je dovedena toplina Qd prikazana površinom u T-s dijagramu ispod dužine 1-2

� Od točke 2 do 3 odvija se adijabatska ekspanzija, a od točke 4-1 adijabatska kompresija bez izmjene topline (realno nije ostvarivo).

� Toplina se odvodi po donjoj izotermi od točke 3-4, pa je odvedena toplina Qo prikazana površinom ispod dužine 3-4 (uvijek manja od dovedene!!!)

� Termički stupanj korisnog djelovanja Carnotovog kružnog procesa:

d

o

d

od

dt Q

Q

Q

QQ

Q

W −=−== 1η


d

o

d

ot T

T

ssmT

ssmT −=−−−= 1

)(

)(1

12

12η

504

Carnotov idealni proces - maksimalni stupanj djelova nja kod pretvorbi unutarnje topline u mehani čki rad

od QQW −=

Qo

p

V

Izoterma Td i To

Adijabata W

Qd

Carnot p-v dijagram

Td(K)

1000

η(%)

800 600 400 200 0

20

40

60

80

100


Izvršeni mehani čki rad (J/kg): Izvršeni mehani čki rad (J/kg):

d

o

d

odt T

T

T

TT −=−= 1η

505

Stapni strojevi

� Pretvorba energije se odvija u cilindru i dobiveni rad se prenosi daljepreko stapa (klipa) na osovinu stroja, radilicu, crpku i sl.

� Energija se dovodi u cilindar izvana iz okoline, putem medija:

1. Vodena para za parni stroj ,

2. Plinovito ili tekuće gorivo za motore s unutarnjim sagorijevanjem

� Parni stapni strojevi se danas upotrebljavaju relativno malo (lokomotive)

� Motori s unutarnjim izgaranjem:

1. Otto ili benzinski - Otto kružni proces

2. dizelski (Diesel) motor – Dizelski i Sabathe-ov (kombi nirani dizelski) kružni proces


506

� Gorivo izgara (dovođenje topline) pri stalnom volumenu V2 (od 2 do 3), uz porast temperature, obratno vrijedi za odvođenje topline iz procesa od 4 do 1

� Procesi od 3 do 4 i od 1 do 2 su tehničke politrope (ekspan. i kompr. između izoterme i adijabate)


Otto proces

p-v i T-s dijagrami

507

Otto proces

� Otto motori mogu biti dvotaktni i četverotaktni

� Četverotaktni: 4 hoda stapa (klipa) – 2 puna okreta osovine

1. takt: Usisavanje smjese zraka i goriva pri hodu klipa od gornje mrtve točke do donje mrtve točke. U T - s dijagramu donja isprekidana linija (izobara na 0.1 MPa – nešto manje od atmosferskog zbog otpora pri usisavanju zraka)

2. takt: Kompresija gorive smjese – oba ventila zatvorena, klip dolazi u gornju mrtvu točku. U p-v i T-s dijagramu – politropa kompresije od točke 1 do 2. Slijedi izgaranje (2-3).

3. takt: Ekspanzija plinova (od gornje do donje mrtve točke) kada svjećica baca iskru u gornjoj mrtvoj točki hoda klipa (od točke 3 do 4).

4. takt: Ispuh izgorjelih plinova (od točke 4 do 1) – zbog otpora zraka u cilindru tlak nešto veći od atmosferskog pri istiskivanju. Proces ispuha završava u gornjoj mrtvoj točki klipa.


508

Sabatheov proces (kombinirani dizelski proces)


1-2 Kompresija čistog zraka – adijabatska kompresija

2-2’ Usis goriva sa samozapaljenjem uslijed visokih parametara p i T –Prvi dio izgaranja -uz V = const (razlika!)

2’-3 Drugi dio izgaranja -izobarna ekspanzija

3-4 Adijabatska ekspanzija

4-1 Ispuh - izohora

� Zajedničko za Otto i Sabathe proces: toplina se odvodi tijekom izohore

509

4.4. Pretvorba potencijalne energije (vode) 4.4. Pretvorba potencijalne energije (vode) u mehani čku energiju (i obratno)u mehani čku energiju (i obratno)


510

Pretvorba potencijalne energije vode u mehani čku

� Za određivanje potencijalne energije vodotoka nužno je poznavati količinu vode (masu) i visinsku razliku

� Ukupna količinu vode koja protiče vodotokom tijekom godine nazivamo srednjim protokom Qsr (m3/s)

� Energija vode u vodotoku sastoji se od energije tlaka, potencijalne i kinetičke energije koje se preko turbine pretvaraju u mehaničku energiju

� Snaga turbine: P = g·Qsr·Hn·ηT

� Neto pad računa se prema: Hn = Hb – Hdr – ∆H

gdje je: Hb – bruto visina vode, Hdr – visina donje vode i ∆H – gubici uslijed protoka vode (trenje između slojeva vode, trenje između vode i stijenki cjevovoda)


511

Gubici i stupanj korisnog djelovanja vodne turbine

� Ukupni gubici u turbini sastoje se od hidrauli čnih gubitaka ηηηηh, gubitaka vode ηηηηv i mehani čkih gubitaka ηηηηm.

� Hidraulični gubitci u statoru i rotoru nastaju uslijed trenja i promjene brzine. Tada se može definirati hidrauli čni stupanj djelovanja turbine:

HS – gubici u statoru, HD – gubici u difuzoru, HR – gubici u rotoru, Hi – gubici u odvodnom kanalu, svi gubici su izraženi visinama

� Osim toga, postoje gubici vode koja uđe u stator ali ne prođe kroz rotor, već kroz raspor između statora i rotora.

� Ako kroz stator protječe količina vode (protok) Q, a pri tome nastaju gubitci ∆Q za volumetrijski stupanj djelovanja može se pisati:

N

IDRSh H

HHHH +++−= 1η


Q

Qv

∆−=1η

512

� Mehanički gubici nastaju uslijed otpora trenja u ležajevima i brtvama turbine, otpora ventilacije pri okretanju rotora i otpora vode koja se gubi između statora i rotora. Stoga uvijek vrijedi da je mehani čki stupanj djelovanja < 1.

� Ukupni stupanj korisnog djelovanja turbine definira se kao:

mvhT ηηηη ⋅⋅=


513

Ograni čenja maksimalnog protoka vode kroz turbinu

� Turbina predaje mehaničku energiju generatoru pa broj okretaja turbine treba biti prilagođen broju okretaja generatora (projektirani sinkroni broj okretaja):

� Maksimalni protok vode kroz turbinu Qmax određen je prolaskom vode uz maksimalno otvorene zasune prema turbini. Raste s povećanjem neto pada, jer raste brzina protjecanja vode.

� Ograničenje vezano uz maksimalnu snagu instaliranog generatora (da bi se spriječilo preopterećenje generatora):

� Zaključak: svaka turbina se gradi za odre đeni neto pad, tzv. konstrukcijski pad , odabran prema topografskom dijagramu tako da maksimalnoj snazi turbine odgovara upravo taj konstrukcijski pad, čime se postiže maksimalni stupanj djelovanja turbine.


GTn

G

Hg

PQ

ηη ⋅⋅⋅= max

max

p

fnS

60=

514

Primjena turbina ovisno o konstrukcijskom padu


515

Pretvorba elektri čne energije u potencijalnu energiju vode

� Za pretvorbu električne energije u potencijalnu energiju vode (crpne HE) koriste se centrifugalne crpke , i to:

1. Jednostrujne ili dvostrujne (dotok tekućine u rotor sa vodoravnom ili okomitom osovinom)

2. Jedno i višestupanjske (ovisno o broju rotora spojenih u seriju)

� Energetski odnosi kod crpki mogu se promatrati jednako (odnosno suprotno) kao energetski odnosi kod vodnih turbina.

� Teorijska snaga crpljenja potrebna da se 1 kg tekućine podigne na visinu Hp (teorijska visina crpljenja) računa se kao:

P = g·Hp

� Stvarna snaga crpljenja je nešto manja radi postojanja gubitaka (hidraulični, volumetrijski i mehanički), ali je uvijek veća od stvarne snage turbine.


516

� Pogonska karakteristika crpke, tj. stvarna visina crpljenja, H može se prikazati izrazom:

gdje su: a1, a2 i a3 konstante ovisne o dimenzijama crpke, n broj okretaja

� Hidraulički stupanj djelovanja: ηh= H/Hp

� Volumetrijski stupanj djelovanja: ηv = Q/(Q+∆Q) (∆Q volum. gubici)

� Mehanički stupanj djelovanja: ηm = (P0 - ∆Pm)/P0(P0 snaga na osovini, ∆Pm mehanički gubici snage)


232

21 QaQnanaH ⋅+⋅⋅+⋅=

517

� Ukupni stupanj korisnog djelovanja crpke:

� Zbog različitih visina i stupnja djelovanja snaga crpke se razlikuje od snage turbine (u crpno-akumulacijskim HE):

� Za optimalni pogon crpke i turbine vrijedi uvjet da je snaga crpke veća od snage turbine P C > PT !


mvhC ηηηη ⋅⋅=

CCpC HQgP

η1⋅⋅⋅=

TnTT HQgP η⋅⋅⋅= 1<Tη

11 >Cη

518

4.5. Pretvorba mehani čke energije u elektri čnu4.5. Pretvorba mehani čke energije u elektri čnu


519

� Pretvorba mehani čke energije u elektri čnu – el. generatori

� Pretvorba elektri čne energije u mehani čku – el. motori

� Vidjeti predmete: Električni strojevi (I, II...)

:-)


520

4.6. Neposredne pretvorbe oblika energije 4.6. Neposredne pretvorbe oblika energije u elektri čnu energijuu elektri čnu energiju


521

Neposredne pretvorbe oblika energije u elektri čnu

� Sa pretvorbama energije u više etapa (unutrašnja – toplinska –mehanička - električna), u svakoj etapi nastaju gubici; postrojenja su veoma složena – zahtjevi na skupo i teško održavanje, uz mali stupanj djelovanja.

� Neposredne pretvorbe u el. energiju slijedećih oblika energije:

1. Toplinske u električnu: termoelektrička, termoionska, magnetohidrodinamički generator

2. Sunčevog zra čenja u električnu: fotonaponska pretvorba (fotoelektrični efekt)

3. Kemijske u električnu: gorivi elementi (ćelije)

4. Kombinacija fotoelektri čne i kemijske u električnu: fotoelektrokemijska


522

Termoelektri čna pretvorba

• Termoelektrična pretvorba – međusobna ovisnost strujanja topline i električne struje. Može se opisati s tri efekta:

1. Seebeck-ov efekt (1821.): kada su krajevi dvaju međusobno spojenih različitih vodiča na različitim temperaturama pojavit će se električni napon

2. Peltier-ov efekt (1834.): kada kroz spojeve međusobno spojenih različitih vodiča protječe električna struja oni će izmjenjivati(preuzimati ili odavati) toplinu

3. Thomson-ov efekt (1857.): kada vodičem teče struja i temperatura uzduž njega opada ili raste on će preuzimati ili odavati toplinu, ovisno o smjeru struje

• Temeljni princip: postojanje kontaktnog napona izme đu dva metala (različitih veličina izlaznog rada) u dodiru , odnosno prelazak slobodnih elektrona iz jednog u drugi metal ovisno o temperaturi


523

• Prijelaz elektrona nije potpuno slobodan: moraju se savladati sile koje vuku elektrone prema unutrašnjosti (tzv. izlazni rad)

• Kontaktni napon je vrlo mali i uspostavlja se na kontaktnoj površini (dvije dodirne točke: točka A - mjerni “topli” spoj, temp. T1 i točka B -referentni “hladni” spoj, temp. T0) prema izrazu;

UAB = k·(T1 – T0) gdje je: k - termoelektri čni koeficijent

• Termoelektrični koeficijent: ovisan o materijalima termopara (bimetala) , a nije ovisan o dimenzijama, označuje napon koji se uspostavi za razliku temperature od 1 K, na primjer:

Konstantan - Fe k = 5,2·10-5 V/K

Konstantan – Cu k = 4,1 ·10-5 V/K

Ni – Fe k = 3,2 ·10-5 V/K

Pt – Platinarodij k = 0,6 ·10-5 V/K


524

Termionska pretvorba

� Jedna od najjednostavnijih pretvorbi, princip: pri zagrijavanju metala oslobađaju se elektroni.

� Kristalna rešetka sastoji se od iona koji privlače elektrone Coulombovom silom (rezultat: potencijalna energija).

� Na granici metala nastaje nagli porast potencijalne energije (naelektrone djeluje znatno veća privlačna sila koja ga sprečava da napusti metal).

� Zagrijavanjem materijala na 1000-2000 K (dovođenjem toplinske energije) velik broj elektrona napušta njihovu površinu, pa nastaje termoionska emisija (kod većine metala na oko 2000 K)

� Najjednostavniji termoionski pretvarač sastoji se od dvije metalne elektrode: emitera (anode) i kolektora (katode), spojenih preko otpornika.


525

� Emiteru se dovodi topline i on “vruć” emitira elektrone koji struje prema kolektoru, a odatle preko otpornika R natrag u emiter.

� Da bi se iz emitera oslobodio elektron potrebno je dovesti energiju E (dio se troši za oslobađanje elektronaiz metala –izlazni rad φ, a dio na kinet. en. elektrona)

E = φ +1/2·me·v2

� Primjena:

1. Za provođenje struje kroz vakuumske (katodne) cijevi

2. Kao visokotemperaturni pretvornici s plazmom (novija tehnologija) sposobni da u vanjski strujni krug daju snagu 10 – 40 W/cm2

(napon na stezaljkama oko 1 V, snaga nekoliko 100 W, stupanj djelovanja 0,15-0,20, problem: rok trajanja oko 1 - 2 godine)


526

Fotonaponska pretvorba

� Neposredna pretvorba Sunčeve energije u električnu (poglavlje 4.4.).

� Pojava fotoelektriciteta odnosno oslobađanja elektrona iz poluvodiča obasjanog svjetlošću (iz izvora svjetlosti izlaze fotoni).

� Energija fotona: E = h·ν

gdje je h Planckova konstanta 6.625·10-34 Js v frekvencija fotona (obrnuto proporcionalna valnoj duljini)

� Dva osnovna tipa uređaja:

a) foto ćelije – pasivan fotokemijski pretvarač jer je za gibanje oslobođenih elektrona potreban vanjski izvor energije (električna energija ovisi o intenzitetu Sunčevog zračenja), poglavlje 4.5.

b) foto članak ili fotoelement – konstrukcija: zaporni sloj između poluvodičke elektrode malog izlaznog rada (selen, germanij, silicij) i metalne podloge


527

� Fotoelement: na metalnoj elektrodi skupljaju se elektroni – negativni naboj, a na poluvodičkoj elektrodi pozitivni naboji pa nastaje razlika potencijala. U uporabi: bakar-oksid na bakru, selen na željezu i silicij na željezu. Stupanj djelovanja fotoelementa je vrlo nizak (11-14%).

� Maks. stupanj djelovanja fotonap. ćelije ograničen termodinamički:

1. Gubici zbog poluvodičkih svojstava ćelije 23%

2. Gubici energije fotona većih od zabranjenog pojasa 31%

3. Gubici zbog ograničenja napona na veličinu manju od Eg/e,gdje je Eg donja granična energija, e jedinični naboj elektrona (kod Silicija: Eg/e = 0.8V, gubici 12%)

4. Gubici iz dodatnih termodinam. razloga vezani uz omjer struje kratkog spoja i napona otvorenog kruga, tj. praznog hoda (za Silicij kod omjera 0.9 gubici su oko 3%

� Glavne zapreke (razlozi protiv) šire uporabe su dakle nizak stupanj djelovanja (maks. 0.33) i vrlo mali izlazni napon (do 0.7 V).


528

Gorivne (elektrokemijske) ćelije

� Gorivne ili elektrokemijske ćelije (gorivni elementi) su uređaji u kojima se kemijska energija neposredno pretvara u električnu, a sastoje se od dvaju elektroda uronjenih u isti elektrolit.

� U principu, goriva ćelija radi kao baterija. Za razliku od baterije, goriva ćelija se ne prazni, i ne treba ju nadopunjavati. Ona će proizvoditi energiju u obliku električne struje i topline dokle bude opskrbljena gorivom.

� Gorivo je kemijski element ili spoj visokog sadržaja unutarnje energije koje se dovodi na anodu gdje oksidira , a rezultat oksidacije je oslobađanje elektrona koji putem vanjskog strujnog kruga (vodiči i trošila) dolaze na katodu.

� Elektroni na katodi reduciraju drugi kemijski element ili spoj koji je oksidans u kemijskoj reakciji.


529

Princip rada gorivne (elektrokemijske) ćelije


� Primjer: vodik kao gorivo (dovodi se anodi), a kisik kao oksidacijsko sredstvo (katodi).

� Kemijska reakcija oksidacije: atom vodika postaje ioniziran i nosi pozitivni el. naboj.

� Negativno nabijeni elektroni prenose struju preko vodiča do trošila.

� Kisik ulazi u gorivu ćeliju na katodi i tamo se spaja sa elektronima koji se vraćaju iz strujnog kruga i vodikovim ionima koji su putovali kroz elektrolit od anode.

530

� Elektrolit ima posebno važnu funkciju:

Propušta samo određene ione, u protivnom raskid kemijske reakcije. Mogu biti tekući ili čvrsti. Tekući elektroliti su tekućine koje otapaju ionske kristale ili rastopljive soli.

Najvažniji su čvrsti elektrolitski ionski izmjenjivači, a to su membrane od polimera s aktivnim skupinama SO3H, COOH, OH i NH2 dopirani dodatkom metala ili membrane od nikal-borida i bor-nitrida.

� Elektrode tehnološki najzahtjevnije:

Metali ili materijali s poluvodičkim svojstvima čija površina potpomaže (katalizira) kemijske reakcije. Moraju imati dobra mehanička svojstva, visoku specifičnu površinu i poroznost, i pri tome zadržati dobru otpornost na korozivno djelovanje elektrolita i spojeva koji nastaju kao rezultat reakcije (npr. vodena para).

Neki od materijala od kojih se izrađuju elektrode su platina, paladij, radij, rutenij, itd.


531

� Vodikova goriva ćelija je napona samo oko 1 V. Da bi dobili većusnagu, stotine ovakvih sklopova anoda-membrana-katoda se slažu jedna do druge tako da čine više gorivih ćelija u jednoj.

� Do sada najveće projektrirane jedinice su snage do nekoliko MW (vrlo malo u odnosu na klasične TE s neposrednim izgaranjem goriva).


532

� Teorijski stupanj djelovanja iznosi 99.75%,ali u praksi je nešto manji 60-80% (ne pojavljuju se oganičenja Carnotovog procesa, pa je djelotvornost pretvorbe znatno veća nego pri izgaranju goriva).

� Stupanj djelovanja veći osobito pri nižim temperaturama (tehnički prihvatljivije!)


533

� Zbog male pojedinačne snage spoja anoda-membrana - katoda u komercijalnoj primjeni (serijska proizvodnja) su gorivi elementi snage oko nekoliko stotina kW (obično oko 200 kW).

� Primjena: škole, hoteli, stambeni blokovi, automobili , brodovi i sl.


534

Fotoelektrokemijska pretvorba

� Vrsta izravne pretvorbe solarne energije zračenja u istom pretvaraču i u električnu i u kemijsku energiju proizvodnjom goriva. Princip:elektrolitski ure đaji u kojima se konv. izvori energije za kemijsku razgradnju elektrolita zamjenjeni solarnom energijom.

� Početna točka pretvorbe: fotoanoda (poluvodič N-tipa) gdje se energija sunčevog zračenja pretvara u električnu. Nastale šupljine (nosioci pozitivnih naboja) prelaze u elektrolit, a elektroni ostaju u vanjskim slojevima polova. Ovdje elektrolit ima svojstva P-tipa poluvodiča.

� Za proces elektrolize u fotoelektrokemijskoj pretvorbi potreban je minimalni napon od 1.23 V (za H2O), a maksimalni napon koji se može postići ovisi o tipu obasjanog poluvodiča.

� U sustavima s jednom fotodiodom najdjelotvorniji su poluvodiči sa izlaznim radom oko 1.4 eV, čiji je teorijski stupanj djelovanja 30%. U praksi st. djelovanja oko 12% (ćelije s monokristalom Ga-As N-tipa, za P-tip istog poluvodiča je oko 11.5% uz znatno stabilniju ćeliju)


535

4.7. Energetska bilanca4.7. Energetska bilanca


536

� Energetska bilanca: statistika posebnog oblika kojim se prate tokovi energije od njezine pojave u energetskoj privredi promatranog podru čja do predaje neposrednim potroša čima.

� Tokovi svih oblika energije :

1. Prirodni oblici energije 2. Energetske pretvorbe 3. Uvoz-izvoz različitih oblika energije 4. Vlastita potrošnja 5. Gubici energije u transportu i distribuciji6. Opskrba neposrednih potrošača.

� Energetska bilanca se izražava u apsolutnim jedinicama karakteristi čnim za pojedine oblike energije i u zajedni čkoj jedinici J (ili za električnu energiju Wh). Preračunavanje se ostvaruje umnoškom količine goriva i ogrijevne vrijednosti (moći) pojedinih oblika energije.


537

Osnovna shema toka oblika energije –

energetska bilanca

538

Elektroenergetska bilanca HR 2003. - tokovi energije


539

Raspoloživa snaga proizvodnih kapaciteta (MW) u HR


540

Proizvodnja i uvoz elektri čne energije u HR 2001.-2003.


541

Plinski sustav u HR 2003.

542

Plinska polja u proizvodnji

543

Energetska bilanca plina u HR 2003. - tokovi energije



Naftni sustav u HR 2003.

545

Potrošnja primarne energije u HR (2000. – 2003.)


546

Uvoz i izvoz energije HR


4. pretvorbe oblika energije472 4. pretvorbe oblika energije 4.1. uvod 4.2. pretvorba kemijske...

Documents