Základy elektroniky 1 - Tipy a Triky

1. Základní Pojmy a Principy

Účinnost: Definuje se jako poměr mezi výstupní a vstupní energií. „Účinnost je fyzikálně měřitelný a vyjádřitelný poměr mezi výstupem a vstupem. Maximální účinnost je teoreticky 1, prakticky se jedná o číslo z intervalu 0 až 1.“ Rozdíl mezi vstupní a výstupní energií představuje ztrátovou energii.
Výkon: Jednotkou výkonu je watt (W).
Diagram zatížení: Ukazuje množství elektrické energie spotřebovávané odběratelem (nebo vyráběné dodavatelem) v čase. Slouží k predikci budoucí spotřeby a řízení výroby. „Diagram zatížení je diagram ukazující množství elektrické energie spotřebovávané odběratelem (nebo vyráběné dodavatelem) během určitého časového období. Tento nástroj slouží pro predikci budoucí spotřeba a pro kontrolu výroby vyžadované v budoucnosti.“
Pokrývání diagramu zatížení: Strategie volby zdrojů energie pro uspokojení poptávky, přičemž se zohledňují vlastnosti zdrojů, jako je regulovatelnost, ekonomické náklady a vliv na životní prostředí.
Základní a špičkové elektrárny: Diagram zatížení se dělí na základní část (konstantní úroveň spotřeby) a špičkovou část (oscilace křivky výroby). Základní elektrárny (jaderné, parní) pokrývají základní část, zatímco špičkové elektrárny (plynové turbíny) reagují na fluktuace spotřeby.

2. Solární Energetické Systémy

Solární kolektory: Zařízení pro absorpci solární energie. Dělí se na rovinné, rovinné vakuové a trubicové vakuové kolektory.
Fotovoltaické články: Převádějí sluneční záření na elektrickou energii. Základní parametry zahrnují proud nakrátko (Isc), napětí naprázdno (Uoc), maximální výkon (Pm) a účinnost (Eef).
Výpočet solárního záření: Zahrnuje výpočet intenzity přímého, difuzního a globálního záření s ohledem na úhel slunce, inklinaci povrchu a atmosférické podmínky.

3. Tepelné Elektrárny

Spalování paliva: Uvolněná energie se vyjadřuje stechiometrickými rovnicemi, důležitý je stechiometrický poměr vzduch-palivo pro dokonalé spalování.
Provozní média: Atmosférický vzduch, napájecí voda (upravená pro cyklické použití) a chladicí voda (z říčních toků nebo nádrží).
Chlazení: Používá se průtokové chlazení, mokré nebo suché chladicí věže. Mokré věže mají vyšší účinnost, ale větší spotřebu vody a potenciální dopady na mikroklima.
Výpočet množství spalin: Výpočet se provádí pomocí stechiometrických rovnic nebo Rosinových vztahů.

4. Termodynamika Vodní Páry (pro tepelné elektrárny)

Rankinův cyklus: Cyklický proces využívaný v parních elektrárnách. Pracovní médium (voda) je cyklicky znovu využíváno.
Skupenství páry: Mokrá pára (směs vody a nasycené páry), nasycená pára (vzniklá dodáním výparného tepla) a přehřátá pára (s teplotou vyšší než teplota varu).

5. Vodní Elektrárny

Klasifikace: Podle instalovaného výkonu (malé do 10 MW, střední 10-200 MW, velké nad 200 MW).
Vzdouvací zařízení: Přehrady (gravitační, betonové) nebo jezy. Derivační kanály se používají pro získání spádu bez nádrže.
Vodní motory: Vodní kola (s různými typy nátoku) a vodní turbíny (Francisova, Kaplanova, Peltonova).
Sací roura (savka): Zvyšuje účinnost turbíny využitím podtlaku mezi oběžným kolem a spodní hladinou.
Výpočet výkonu: Výkon se vypočítá z průtoku, spádu a účinnosti.

6. Větrné Energetické Systémy

Typy turbín: S horizontální osou (vrtulové) a vertikální osou (Darrieus, Savonius).
Vlastnosti větru: Rychlost (klíčový parametr), směr, závislost rychlosti na výšce (ovlivněna morfologií povrchu). „Rychlost větru je klíčový parametr pro návrh turbíny. Čím vyšší je jmenovitá rychlost větru tím vyšší je jmenovitý výkon turbíny.“
Výpočet výkonu větru: Teoretický výkon se vypočítá z rychlosti větru, plochy rotoru a hustoty vzduchu.
Nepředvídatelnost: Větrná energie je zatížena nepředvídatelným výkonem a proměnlivým směrem.

7. Elektrotechnika a Energetika

Obory elektrotechniky: Elektroenergetika, elektrické stroje, výkonová elektronika, elektronika a telekomunikace.
Zaměření energetiky: Technické využití přeměn různých forem energie na energii elektrickou.
Energie Slunce: Zdrojem energie je termonukleární fúze, která je zdrojem energie vyzařované Sluncem.

8. Elektrické Obvody a Prvky

Elektrický náboj: Skalární veličina charakterizující interakci částic v elektromagnetickém poli.
Elektrický proud: Uspořádaný pohyb nábojů (nejčastěji elektronů ve vodiči).
Elektrické napětí: Rozdíl potenciálů mezi dvěma body v elektrickém poli.
Odpor (rezistance): Vlastnost materiálu bránit průchodu elektrického proudu.
Kapacita: Schopnost systému uchovávat elektrickou energii v elektrickém poli.
Indukčnost: Vlastnost obvodu vytvářet elektromotorickou sílu v důsledku změny proudu.
Střídavý proud: Periodický průběh, typicky harmonický (sinusový). Popisuje se amplitudou, úhlovou frekvencí a fázovým posuvem.
Výkon střídavého proudu: Zdánlivý, činný a jalový výkon. Účiník je poměr činného a zdánlivého výkonu.

9. Elektrické Stroje

Stejnosměrné motory: Mohou být s cizím buzením, derivačním buzením nebo sériovým buzením.
Komutátorové motory: Možné napájet střídavým i stejnosměrným proudem (univerzální motory).
Synchronní motory:
Asynchronní motory: Momentová charakteristika se dělí na generátor, motor a brzdu.

10. Ztráty v magnetickém obvodu

Hysterezní ztráty: závisí na 1. mocnině frekvence
Ztráty vířivými proudy: závisí na 2. mocnině frekvence

Otázky na procvičení

1. Co je to diagram zatížení a jak se používá v elektroenergetice?

Diagram zatížení je grafické znázornění množství elektrické energie, kterou spotřebovává odběratel (nebo vyrábí dodavatel) v průběhu času. V elektroenergetice slouží jako nástroj pro predikci budoucí spotřeby a plánování výroby elektrické energie, tak aby odpovídala aktuálním potřebám. Nejdůležitější periodou je jeden den (denní diagram zatížení) a slouží pro krátkodobé predikce.

2. Jaké jsou základní a špičkové elektrárny a jakou roli hrají při pokrývání diagramu zatížení?

Diagram zatížení se dělí na základní a špičkovou část. Základní elektrárny (např. jaderné a parní elektrárny) zajišťují stálou dodávku energie pro základní část diagramu zatížení a udržují konstantní úroveň výroby, což je ekonomicky efektivní. Mají vysoké fixní náklady a nízké proměnlivé náklady. Špičkové elektrárny (např. plynové turbíny) se používají k pokrytí špiček ve spotřebě energie a dokáží rychle reagovat na fluktuace. Mají nízké fixní náklady a vysoké proměnlivé náklady.

3. Co je to účinnost a jak se počítá?

Účinnost je fyzikálně měřitelný poměr mezi výstupní a vstupní energií. Matematicky se vyjadřuje jako podíl výstupní energie (OUT) a vstupní energie (IN): η = OUT/IN. Účinnost se vyjadřuje jako bezrozměrné číslo z intervalu 0 až 1, nebo v procentech (%). Rozdíl mezi vstupní a výstupní energií představují ztráty energie.

4. Jaké jsou typy solárních kolektorů a fotovoltaických článků a jak se liší v účinnosti a aplikacích?

Solární kolektory se dělí na rovinné, rovinné vakuové a trubicové vakuové kolektory, lišící se izolací a účinností. Fotovoltaické články se dělí do generací, přičemž 3. generace se zaměřuje na zvýšení účinnosti a překonání limitů, využívají nové materiály a technologie. VA charakteristiky monokrystalického křemíkového článku jsou důležité pro určení základních parametrů (proud, napětí, výkon).

5. Jak fungují tepelné elektrárny a jaké jsou hlavní provozní média?

Tepelné elektrárny spalují palivo (např. uhlí, ropu, plyn) k výrobě tepla, které se používá k přeměně vody na páru. Pára pohání turbínu spojenou s generátorem, který vyrábí elektřinu. Hlavní provozní média jsou: vzduch, palivo, napájecí voda a chladicí voda. Používají se různé metody chlazení, včetně mokrých a suchých chladicích věží a průtokového chlazení. Spalovací proces se řídí stechiometrickými rovnicemi.

6. Jak fungují vodní elektrárny a jaké jsou různé typy turbín používané v nich?

Vodní elektrárny využívají kinetickou a potenciální energii vody k výrobě elektřiny. Voda proudí turbínou, která pohání generátor. Rozlišujeme malé (do 10 MW), střední (10-200 MW) a velké (nad 200 MW) vodní elektrárny. Mezi nejpoužívanější typy turbín patří Francisova, Kaplanova a Peltonova turbína, které se liší konstrukcí a rozsahem spádu a průtoku vody.

7. Jaké jsou hlavní principy fungování větrných turbín a jaké faktory ovlivňují jejich výkon?

Větrné turbíny využívají kinetickou energii větru k pohánění rotoru, který je spojen s generátorem. Existují dva hlavní typy: s horizontální a vertikální osou. Savoniův rotor využívá válcové lopatky, vztlakové turbíny využívají aerodynamický profil. Výkon turbíny závisí na rychlosti větru, ploše rotoru a hustotě vzduchu. Místo pro větrnou elektrárnu se vybírá podle průměrné rychlosti větru.

8. Jak fungují elektrické motory a jaké jsou hlavní typy?

Elektrické motory přeměňují elektrickou energii na mechanickou. Stroje s cizím buzením mají budicí vinutí připojené k externímu zdroji. U BLDC motorů hrají důležitou roli Hallovy sondy, slouží k určení polohy rotoru. Asynchronní motory mají momentovou charakteristiku, která se dělí na oblasti generátoru, motoru a brzdy. Existují různé konfigurace s vnitřním rotorem, vnějším rotorem a se statorem bez drážek.

Klíčové pojmy:

Účinnost (η): Poměr mezi výstupní a vstupní energií. Vyjadřuje, jak efektivně je energie přeměňována nebo využívána.
Diagram zatížení: Grafické znázornění spotřeby elektrické energie v čase. Používá se k predikci budoucí spotřeby a optimalizaci výroby.
Základní elektrárna: Elektrárna, která dodává energii pro základní část diagramu zatížení, s konstantní úrovní výroby.
Špičková elektrárna: Elektrárna, která dodává energii pro špičkové odběry, s rychle regulovatelným výkonem.
Absorbér: Zařízení pro pohlcování solární energie.
Kolektor: Vylepšený absorbér s izolací pro zvýšení účinnosti.
Fotovoltaický článek: Polovodičové zařízení pro přímou přeměnu slunečního záření na elektrickou energii.
Měrná tepelná kapacita (cp): Množství tepla potřebné k ohřátí 1 kg látky o 1 °C.
Mokrá chladicí věž: Chladicí věž, kde voda přichází do přímého styku s proudícím vzduchem.
Suchá chladicí věž: Chladicí věž, kde se voda ochlazuje pomocí tepelného výměníku voda-vzduch.
Gravitační přehrada: Přehrada z kamenné sypané hráze.
Betonová přehrada: Přehrada z betonu.
Francisova turbína: Radiálně-axiální přetlaková vodní turbína vhodná pro střední spády a průtoky.
Kaplanova turbína: Axiální přetlaková vodní turbína vhodná pro nízké spády a velké průtoky.
Peltonova turbína: Tangenciální rovnotlaká vodní turbína vhodná pro vysoké spády a malé průtoky.
Savoniův rotor: Větrná turbína s vertikální osou využívající odporovou sílu větru.
Darrieusův rotor: Větrná turbína s vertikální osou využívající vztlakovou sílu větru.
Betzova účinnost: Maximální teoretická účinnost větrné turbíny (cca 59,3 %).
Hopkinsonův zákon: Analogický Ohmův zákon pro magnetické obvody.
Účiník: Poměr činného a zdánlivého výkonu ve střídavém obvodu.
Induktivní reaktance: Odpor cívky ve střídavém obvodu.
Kapacitní reaktance: Odpor kondenzátoru ve střídavém obvodu.
Impedance: Celkový odpor ve střídavém obvodu, kombinace odporu a reaktance.
Skin efekt: Vytlačování střídavého proudu k povrchu vodiče.
Průměrná rychlost větru: Aritmetický průměr zaznamenaných okamžitých rychlostí větru.
Globální záření (IG): Celková intenzita dopadajícího slunečního záření na vodorovný povrch.
Termonukleární fúze: Syntéza jader vodíku na jádra deuteria, zdroj energie Slunce a hvězd.
Derivační buzení: Zapojení budícího vinutí stejnosměrného stroje paralelně s kotvou.
Sériové buzení: Zapojení budícího vinutí stejnosměrného stroje v sérii s kotvou.
Hallovy sondy: Snímače magnetického pole.
Elektromotorická síla (EMF): Napětí indukované ve vodiči pohybujícím se v magnetickém poli.
Koercitivita: Intenzita magnetického pole nutná k demagnetizaci feromagnetického materiálu.
Zbytkový magnetismus: Magnetismus, který zůstane v feromagnetickém materiálu po odstranění vnějšího magnetického pole.
Hysterezní ztráty: Ztráty energie v magnetickém materiálu způsobené přemagnetováním.
Vířivé proudy: Indukované proudy v magnetickém materiálu, které způsobují ztráty energie.
Vinutí soustředěné: Vinutí, kde všechny závity jedné fáze jsou uloženy v jedné drážce.
Vinutí rozložené: Vinutí, kde závity jedné fáze jsou uloženy v několika drážkách.
Sdružené napětí: Napětí mezi dvěma fázemi trojfázové soustavy.
Fázové napětí: Napětí mezi fází a nulovým bodem trojfázové soustavy.
Synchronní otáčky: Otáčky magnetického pole synchronního stroje.
Asynchronní otáčky: Otáčky rotoru asynchronního stroje, které jsou menší než synchronní otáčky.
Skluz: Rozdíl mezi synchronními a asynchronními otáčkami asynchronního stroje.
FF – Fill Faktor: Parametr kvality fotovoltaického článku [-]
I450: Porovnávací proud fotovoltaického článku při výstupním napětí 450 mV [A].
Isc: Proud nakrátko fotovoltaického článku [A].
Um: Napětí v bodě maximálního výkonu fotovoltaického článku [V].
Uoc: Napětí naprázdno fotovoltaického článku [V].

Souhrny - poznámky před zkouškou

Odpovězte na následující otázky stručně (2-3 věty).

Definujte účinnost energetického systému a uveďte, proč je praktická účinnost vždy menší než 1.
Vysvětlete, co je diagram zatížení a k čemu slouží v elektroenergetice.
Popište rozdíl mezi elektrárnami v základní a špičkové části diagramu zatížení z hlediska nákladů a využití.
Jaké parametry charakterizují fotovoltaický článek?
Vysvětlete rozdíl mezi absorbérem a kolektorem solární energie.
Jaký je rozdíl mezi mokrou a suchou chladicí věží v tepelné elektrárně?
Popište, jakým způsobem dochází k výrobě elektřiny ve vodní elektrárně.
Jaký je rozdíl mezi gravitační a betonovou přehradou?
Na jakém principu fungují větrné turbíny s horizontální osou?
Jaký je rozdíl mezi reálnou a efektivní hodnotou proudu?

Účinnost je poměr mezi výstupem a vstupem energie. Praktická účinnost je vždy menší než 1, protože část energie se ztrácí v důsledku ztrát, jako je teplo nebo tření.
Diagram zatížení ukazuje spotřebu elektrické energie v průběhu času. Používá se k predikci budoucí spotřeby a plánování výroby energie.
Elektrárny v základní části mají vysoké fixní náklady a nízké variabilní náklady a jsou využívány nepřetržitě. Špičkové elektrárny mají nízké fixní náklady a vysoké variabilní náklady a jsou spouštěny jen v době špičkové spotřeby.
Mezi základní parametry patří: I450, Isc, Uoc, Pm, Im, Um, FF (Fill Factor) a Eef (účinnost).
Absorbér je základní zařízení pro pohlcování solární energie bez izolace. Kolektor je vylepšený absorbér s izolací pro zvýšení účinnosti.
Mokré chladicí věže ochlazují vodu přímým stykem s proudícím vzduchem, což je účinnější, ale má vyšší spotřebu vody a může ovlivnit mikroklima. Suché chladicí věže fungují jako tepelné výměníky voda-vzduch, jsou méně účinné, ale mají menší dopad na životní prostředí.
Voda proudí přes turbínu, která roztáčí generátor a ten vyrábí elektřinu. Kinetická a potenciální energie vody se tak přeměňuje na elektrickou energii.
Gravitační přehrady jsou kamenné sypané hráze, které jsou levnější, ale vyžadují větší prostor. Betonové přehrady jsou kompaktnější, ale náročnější na zakotvení.
Využívají vztlakovou sílu, která vzniká při obtékání lopatek s aerodynamickým profilem. Rozdílná rychlost proudění vzduchu na horní a spodní straně lopatky vytváří vztlak, který roztáčí turbínu.
Reálná hodnota je okamžitá hodnota proudu, která se mění v čase. Efektivní hodnota proudu je hodnota stejnosměrného proudu, který by vyvolal stejný tepelný účinek jako daný střídavý proud.