Gymnázium a Střední odborná škola, Rokycany, Mládežníků 1115

Transkript

1 Gymnázium a Střední odborná škola, Rokycany, Mládežníků 1115 Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/ Číslo šablony: 10 Název materiálu: Ročník: Identifikace materiálu: Jméno autora: Předmět: Tématický celek: Anotace: Úprava bakalářské práce 2. ročník WOH_52_10_úprava bakalářské práce Ing. Bc. Martina Wohlrathová Informatika Úpravy dokumentu Zadání a text pro úpravu bakalářské práce, obsah, rejstřík, ukázka Datum:

2 Zadání úkolu V souboru cvičná bakalářka.docx proveďte: 1. Nastav okraje na 2,5 cm ze všech stran 2. Zarovnání textu nastav do bloku (změnou stylu) 3. Vytvoř styly a použij víceúrovňové číslované nadpisy. první úrovně Cambria 16 b., tučné, druhé úrovně Cambria 14 b., tučné, třetí úrovně Cambria 13 b., tučné, všechny nadpisy zarovnány vlevo 0 cm, mezery před a za odstavcem nastav dle svého uvážení 4. Vytvoř úvodní stránku dle ukázky na druhé stránce tohoto dokumentu 5. Na druhou stránku bakalářky vlož obsah se všemi úrovněmi nadpisů (ukázka níže) 6. Očísluj stránky od třetí strany, na které bude číslování začínat jedničkou 7. Na poslední dvě stránky vlož seznam obrázků a dále rejstřík se slovy, které jsou v dokumentu položky rejstříku.docx, obojí zahrň do obsahu 8. Stránku s obrázkem Schéma sítí dej na šířku 9. Uprav dokument v souladu s typografickými pravidly. Pozor na osamocené řádky, zarovnání obrázků, používej konce stránky apod. 10. Co není v zadání výslovně přikázáno, je možné si uvážlivě zvolit. pozn. Daný dokument je již z velké části upraven, jsou v něm použity styly, avšak nastaveními podle některých bodů zadání dojde ke změnám, které mohou způsobit chyby v textu. Je třeba si uvědomit, že upravit textový dokument osobě, která ho napsala s neznalostí tvorby dokumentů, je mnohem náročnější, než úkol, který máte nyní před sebou.

3 Střední odborná škola Rokycany Obor Ekonomické lyceum PRÁCE Z PŘEDMĚTU INFORMATIKA Úprava bakalářské práce ve Wordu Vypracovala: Jarmila Doubková Třída: 2. L Školní rok: 2013/14

4 Ukázka obsahu: POLOŽKY REJSTŘÍKU Teplo Teplota 1.1 Přenos tepla Jouleovo teplo Topné články Hloubce hloubka vniku Indukční pece

5 Mikrovlnný ohřev 1.2 Infračervený ohřev Vytápění Princip topný faktor systém tepelné čerpadlo Světlo Ultrafialové záření světelné zdroje Světelný tok Svítivost Intenzita osvětlení Měrný světelný výkon Žárovka výbojové zdroje Zářivky Luminofor Fotoluminiscence Svítivé diody Svítidlo Osvětlení oslnění stroboskopický jev normy normy pro osvětlování Světlovody UCTE Elektrizační soustava elektrárny Teplárny Jaderné elektrárny reaktory Vodní elektrárny Vodní turbíny Biomasa Obnovitelné zdroje

6 Geotermální energie Energie větru Vodní energie Jaderná fúze Přenos elektrické energie přenosové soustavy přenosová soustava Elektrická vedení vedení elektrické energie Stožáry venkovního vedení kabely elektrické stanice rozvodny

7 OBSAH 1 ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVA VÝVOJ ELEKTROENERGETIKY V ČR Mezinárodní spolupráce VÝROBA ELEKTRICKÉ ENERGIE TEPELNÁ ELEKTRÁRNA Teplárny JADERNÁ ELEKTRÁRNA VODNÍ ELEKTRÁRNY Základní části vodního díla OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE OZE Biomasa Geotermální energie Sluneční energie Energie větru Vodní energie Fúzní energie PŘENOS A ROZVOD ELEKTRICKÉ ENERGIE ELEKTRICKÁ TEPELNÁ ZAŘÍZENÍ ELEKTRICKY ZÍSKANÉ TEPLO PŘENOS TEPLA VZNIK ELEKTRICKÉHO TEPLA ODPOROVÝ OHŘEV OBLOUKOVÝ OHŘEV INDUKČNÍ OHŘEV DIELEKTRICKÝ OHŘEV MIKROVLNNÝ OHŘEV INFRAČERVENÝ OHŘEV PLAZMOVÝ OHŘEV ELEKTRONOVÝ OHŘEV LASEROVÝ OHŘEV ELEKTRICKÉ VYTÁPĚNÍ Tepelné čerpadlo SVĚTELNÁ TECHNIKA PRINCIPY ELEKTRICKÝCH SVĚTELNÝCH ZDROJŮ ZÁKLADNÍ SVĚTELNÉ VELIČINY A JEDNOTKY ELEKTRICKÉ ZDROJE SVĚTLA Teplotní zdroje Výbojové zdroje Luminiscenční zdroje SVÍTIDLA ZÁSADY SPRÁVNÉHO OSVĚTLENÍ NOVÉ TRENDY V OSVĚTLOVÁNÍ Světlovody LITERATURA ZDROJE OBRÁZKŮ SEZNAM OBRÁZKŮ REJSTŘÍK... 51

8 2 Elektrizační soustava Elektrizační soustava je souhrn zařízení pro výrobu, rozvod a spotřebu elektrické energie. Je tvořena elektrárnami (výroba), elektrickými sítěmi a elektrickými stanicemi (přenos a rozvod) a elektrickými spotřebiči (využití elektrické energie). Elektrizační soustava je součástí energetické soustavy. 2.1 Vývoj elektroenergetiky v ČR Počátky výroby a přenosu elektrické energie u nás spadají do druhé poloviny 19. století. První elektrárny sloužily k napájení elektrického osvětlení stejnosměrným proudem. Přenos střídavým trojfázovým proudem se začal rozvíjet od roku 1890 s vynálezem transformátoru a motoru s točivým polem. Česká energetika prošla svým vývojem několika etapami. Zákonem o soustavné elektrizaci z roku 1919 nastal rozvoj všeužitečných elektrárenských společností, které se staly jádrem regionálních elektrizačních soustav. V období let se zvýšila výroba elektřiny čtyřnásobně. V roce 1925 bylo postaveno první vedení na 100 kv. Poválečné období je spjato se znárodněním československého průmyslu a po roce 1948 se přikročilo k vybudování jednotné československé elektrizační soustavys jmenovitým napětím 220 kv. Provoz tohoto vedení byl zahájen v roce V roce 1953 došlo k propojení celé ČSR. Elektrifikace obcí byla dokončena v roce Začala výstavba přenosového systému 400 kv, významného článku pro energetickou spolupráci se sousedními státy. V období let se naplno rozvinula výstavba parních elektráren. Podařilo se vybudovat a spolehlivě provozovat jadernou elektrárnu Dukovany, zahájit výstavbu jaderné elektrárny Temelín. Po roce 1989 došlo k privatizaci energetického hospodářství, vznikaly regionální energetické akciové společnosti. V roce 1992 vzniklo Regionální sdružení provozovatelů přenosových soustav zemí tzv. Visegrádské čtyřky (ČR, Maďarsko, Polsko, Slovensko) CENTREL a v roce 1995 došlo k úspěšnému propojení soustavy CENTREL se sítí UCPTE. Od roku 2001 jsou společnosti CENTREL plnoprávnými členy UCTE (The Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity Sdružení pro koordinaci přenosu elektřiny, původně UCPTE). Základními prioritami dlouhodobého vývoje energetického hospodářství ČR je maximální nezávislost na cizích zdrojích energie, maximální efektivnost, bezpečnost a ochrana životního prostředí. (1, 36 40, 49, 72) Mezinárodní spolupráce Potřeba hospodářské spolupráce vyvolala vznik mezinárodních přenosů elektrické energie v Evropě již ve třicátých letech 20. století. Paralelní spolupráce elektrizačních soustav bývalých členských zemí RVHP se rozvíjela od roku Rychlý rozvoj elektrizačních soustav v jednotlivých státech, zesilování přenosů a rozvoj mezisystémových spojení vedly v roce 1962 ke zřízení Centrální dispečerské organizace (CDO) se sídlem v Praze. V západní Evropě byla v roce 1951 založena UCPTE s cílem propojit jednotlivé národní elektrizační soustavy. K prvnímu propojení východoevropské soustavy s UCPTE došlo v roce (1, 70, 72) Obr. 1 znázorňuje výměnu elektrické energie mezi evropskými státy. Členské země UCTE jsou zobrazeny na obr. 2. 1

9 Obr.1 Export a import elektrické energie v zemích Evropy 2

10 Obr.2 Organizační struktura hlavních ES v Evropě 2.2 Výroba elektrické energie Podle prvotní energie rozeznáváme elektrárny: tepelné; jaderné; vodní; ostatní: větrné; sluneční; geotermální; energie přílivu, mořských proudů a vln. 3

11 2.3 Tepelná elektrárna Tepelné elektrárny patří k základním elektrárnám naší energetické soustavy. Mezi tepelné elektrárny řadíme elektrárny parní, plynové, paroplynové a se spalovacími motory. Teplo se v nich získává spalováním převážně klasických paliv (uhlí, ropa, zemní plyn). Provoz v tepelné elektrárně je složitý proces. Tvoří jej několik technologických okruhů: okruh paliva, vzduchu a kouřových plynů, strusky a popela, vody a páry a okruh výroby elektřiny. Uhlí lze rozdělit do tří hlavních skupin: uhlí hnědé, uhlí černé a antracit. Většina uhelných elektráren spaluje nízkokalorické hnědé uhlí (jediná černouhelná elektrárna u nás je elektrárna Dětmarovice). Na jednu vyrobenou MWh se spálí přibližně 1 t uhlí. Uhlí se drtí, mele, suší a ventilátory se vhání spolu s ohřátým vzduchem do hořáků kotle. Po shoření paliva padá část popela do spodního prostoru ohniště jako struska. Struska se po zchlazení vodou a případném drcení dopravuje na skládku zvanou odkaliště. Část popela je unášena ve spalinách a popílek je zachycován v elektroodlučovačích. Voda, která obíhá v hlavním uzavřeném okruhu kotel turbína kondenzátor kotel (obr. 3), je chemicky upravená, aby nepůsobila korozi. Součástí každé elektrárny je proto chemická úpravna vody. Voda je vháněna do kotle čerpadly Č, v kotli K se ohřívá při tlaku dosahujícím až 20 MPa a vypařuje se. Sytá pára obsahuje málo energie, a proto se dále ohřívá spalinami v tzv. přehřívačích na teplotu až 550 C. Tato tzv. ostrá pára pak proudí potrubím do turbíny T. Energii předává nejdříve ve vysokotlakém díle parní turbíny, poté ve středotlakém a nakonec v nízkotlakém díle. Z turbíny odchází pára do kondenzátoru KO, což je veliká nádoba, kterou proudí v trubkách chladící voda vnějšího chladícího okruhu. Teplo, které chladící voda odebere páře, je bez užitku ztraceno v chladících věžích CHV nebo v řece. Kondenzát, tj. pára přeměněná v kondenzátoru na vodu, se přivádí čerpadly znovu do kotle K. Ke hřídeli turbíny je připojen hřídel alternátoru G. Celá jednotka se otáčí rychlostí 3000 otáček za minutu. Vyrobená elektrická energie má podle velikosti generátoru napětí 10 kv až 20 kv. Dále se vede do blokového transformátoru a transformuje se na velmi vysoké napětí, většinou 400 kv. Od vývodového blokového transformátoru se elektrická energie odvádí venkovním vedením do rozvodné sítě. Obr.3 Schema tepelné kondenzační elektrárny K kotel, T turbína, G generátor, KO kondenzátor, CHV chladící věž, Č čerpadlo, O ohřívák. 4

12 2.3.1 Teplárny Elektrárny (kondenzační) slouží pouze k výrobě elektrické energie. To znamená, že veškerá pára přivedená do turbíny po vykonání práce zkondenzuje na vodu v kondenzátoru. Teplárny kromě elektrické energie dodávají i energii tepelnou na vytápění, ohřev vody apod. Ještě horká pára je z turbíny vedena dále k tepelným spotřebičům. Výhodou tepláren je vyšší účinnost (80 %, u kondenzační elektrárny se účinnost pohybuje kolem 35 %). Nevýhodou naproti tomu je skutečnost, že elektrický výkon závisí na okamžitém množství páry odebírané tepelnými spotřebiči. Proto se teplárny nestaly základními výrobnami elektřiny pro energetické systémy. Jejich další nevýhodou je, že se budují pouze v místech koncentrovanější spotřeby tepla, což bývají zejména velké městské aglomerace. 2.4 Jaderná elektrárna Jaderné elektrárny jsou v podstatě tepelné elektrárny, rozdíl je v použitém druhu paliva a ve způsobu jeho přeměny v teplo. K výrobě páry pro pohon turbíny a generátoru (obr. 4) se využívá tepelná energie získaná v reaktoru R štěpením jader těžkých prvků, převážně uranu nebo plutonia. Přes 99 % přírodního uranu je tvořeno atomy 238 U a méně než 1 % atomy 235 U. Pravděpodobnost, že pomalu letící neutron způsobí štěpnou reakci, je mnohem vyšší u 235 U. Proto se přírodní uran o tyto atomy obohacuje. Štěpení je vyvoláno srážkou letícího neutronu s jádrem atomu. Z místa srážky se velkou rychlostí rozletí dva odštěpky a dva nebo tři volné neutrony. Zabržděním odštěpků se uvolní teplo, které přestupuje do chladiva proudícího reaktorem. Mezi palivové proutky jsou vloženy regulační tyče z kadmia, které pohlcují neutrony. Zasouváním regulačních tyčí se řídí štěpná reakce. Palivové i regulační tyče jsou obklopeny materiálem (moderátorem), který zpomaluje neutrony. Tím se zvýší pravděpodobnost rozštěpení dalšího jádra neutronem. Ohřáté chladivo se využívá k výrobě páry v parogenerátoru P, kde předá teplo vodě v sekundárním okruhu. Vyrobená pára v sekundárním okruhu není radioaktivní. Pára roztáčí turbínu T spojenou s elektrickým generátorem G. Ve světě je rozšířeno několik základních typů reaktorů. Jejich názvy jsou odvozeny od druhů chladiva a moderátoru, které se v nich používají. Nejrozšířenější jsou reaktory tlakovodní (PWR). Tyto reaktory se používají i v ČR s ruským označením VVER. Chladící voda je v nich pod vysokým tlakem, takže se při průchodu reaktorem nevaří. Na druhém místě jsou reaktory varné (BWR), pak následují různé druhy grafitových reaktorů chlazených plynem nebo těžkou vodou. Pohlcením neutronů jádrem 238 U vzniká nový prvek plutonium 239 Pu. Z něj lze vyrobit palivové tyče do rychlého reaktoru, kde štěpení způsobují rychle letící neutrony. Chladivem bývá voda (H 2 O), těžká voda (D 2 O), oxid uhličitý (CO 2 ), helium (He) nebo sodík (Na). Jako moderátor se používají voda, těžká voda nebo grafit. 5

13 Obr.4 Schema dvoukruhové jaderné elektrárny R reaktor, P parogenerátor, T turbína, G generátor, KO kondenzátor, CHV chladící věž, O ohřívák, Č - čerpadlo 2.5 Vodní elektrárny Vodní elektrárny přeměňují kinetickou a potenciální energii vody na energii elektrickou. Vodní elektrárny lze rozdělit do tří skupin: průtočné; akumulační; přečerpávací. Průtočné vodní elektrárny se stavějí na řekách s malým spádem. Za účelem zvýšení vodní hladiny pro získání dostatečného spádu se staví jezy. Výkon průtočných elektráren je závislý na stavu vody v řece. Akumulační elektrárny mají zásobárnu energie v přehradních nádržích. Význam přehrad není jen ve výrobě elektrické energie, ale slouží také jako zásoba pitné vody, k regulaci vodního toku, zachycuje povodňové vlny, slouží k rekreačním účelům a pro chov ryb. Příklad akumulační elektrárny je vodní elektrárna Lipno I s výkonem 2 x 60 MW (obr. 6). Přečerpávací elektrárny mají dvě nádrže, spodní a horní vysoko položenou nádrž. V noci, kdy je menší odběr elektrické energie, se čerpá voda ze spodní nádrže do horní (alternátor pracuje v té době jako motor). Ve dne, v době špičky, se voda z horní nádrže vypouští a znovu se využívá k výrobě elektřiny. Účinnost přečerpávacích elektráren je 50 %, akumulačních 90 % i více. V roce 1996 byla uvedena do provozu přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé Stráně (obr. 5). Nachází se na řece Divoká Desná v okrese Šumperk. Má největší reverzní turbínu v Evropě 325 MW, největší spád v ČR 510,7 m a největší instalovaný výkon vodní elektrárny v ČR 2 x 325 MW. (9, 160) 6

14 Obr.5 o Přečerpávací vodní elektrárna Dlouhé Stráně Obr.6 Vodní elektrárna Lipno I Základní části vodního díla Vzdouvací zařízení (přehradní hráze a jezy) slouží ke vzdutí vodní hladiny v toku a usměrnění vody do přivaděče. Hráze se vyznačují obvykle větší výškou vzdutí, větším objemem zadržené vody a plochou zaplavovaného území. Jezy mají oproti hrázím nižší výšku vzdutí a podstatně menší objem zadržené vody. Přivaděče koncentrují spád do místa instalace vodní turbíny. Beztlakové přivaděče (náhony, kanály) se budují převážně výkopem v terénu. Tlakové přivaděče jsou nejčastěji zhotoveny z ocelových trub, případně z železobetonu. Často se oba typy přivaděčů kombinují s cílem dosažení maximálního spádu a minimálních nákladů. Česle, zhotovované převážně jako mříž z ocelové pásoviny, zabraňují vnikání vodou unášených nečistot do turbíny. Obvykle jsou před turbínou nejméně dvoje: hrubé a jemné, často s automatickým čištěním. Strojní a elektrotechnické zařízení elektrárny je umístěno ve strojovně. Odpadní kanály vracejí vodu do původního koryta. Vodní turbíny Vodní turbíny jsou hydrodynamické motory a tvoří základní součást vodní elektrárny. Nejvýznamnější částí turbíny je oběžné kolo, ve kterém se využívá kinetická, případně 7

15 i potenciální energie vody. Je-li tlak vody na vstupu do oběžného kola stejný jako na výstupu, mluvíme o turbínách rovnotlakých. Naopak přetlakové turbíny mají na výstupu z oběžného kola menší tlak než na vstupu. Turbíny nejrůznějších typů a výkonů se používají s ohledem na konkrétní vlastnosti vodního toku v místě instalace. Jedná se především o spád a objemový průtok vody. Použití turbín pro různé spády a průtoky vidíme na obrázku 7, dále uvedené základní druhy turbín na obr. 8 a konstrukce oběžných kol těchto turbín na obr. 9. Z vodních turbín jsou nejznámější: Peltonova turbína je rovnotlaká turbína pro využití v rozmezí spádů od 400 do 1700 m. Francisova turbína její konstrukce je radiálně axiální. Používají se pro širokou oblast spádů i průtoků (spády 400 m až 600 m). Kaplanova turbína je radiálně axiální se třemi až dvanácti natáčecími lopatkami oběžného kola. Natáčením lopatek lze měnit objemový průtok vody a tím i výkon turbíny. Jejich využití je pro velké průtoky a nejmenší spády do 80 m. Bánkiho turbína je rovnotlaká turbína výrobně nenáročná, používaná v malých vodních elektrárnách pro spády 5 m až 60 m a průtoky 0,01 m 3 s -1 až 0,9 m 3 s -1. Obr.7 Oblasti použití různých druhů turbín Peltonova turbína Kaplanova turbína Francisova turbína Obr.8 Základní druhy turbín 8

16 Obr.9 Oběžná kola turbín Zleva: Kaplanova, Peltonova, Francisova turbína 2.6 Obnovitelné zdroje energie OZE OZE představují alternativu k dosud převážně využívaným neobnovitelným zdrojům energie. Využívání neobnovitelných zdrojů je zpravidla úzce spjato s těžbou surovin, což má za následek devastaci krajiny a při jejich následném spalování vznikají obrovská množství odpadů a škodlivých exhalací. Obnovitelné zdroje jsou takové, které se pravidelně obnovují, anebo jsou prakticky trvalé a nevyčerpatelné z hlediska délky trvání lidské civilizace. Nutno zmínit, že využívání OZE má své problémy a technická omezení Biomasa Biomasa je organická hmota vzniklá prostřednictvím fotosyntézy. Je spalována v klasických tepelných elektrárnách spolu s uhlím. Spalováním biomasy dochází k úspoře fosilního paliva a ke snížení emise oxidů síry. Využívá se buď odpadní biomasa ze zemědělské, potravinářské nebo lesní produkce nebo biomasa v podobě speciálních rychlerostoucích plodin pěstovaných pro účely spalování. Podíl biomasy v palivu může činit až 25 %. Část biomasy se zpracovává různými technologiemi na ušlechtilá paliva jako je bioetanol, bionafta nebo bioplyn. V podmínkách ČR je biomasa velmi perspektivním OZE. 9

17 2.6.2 Geotermální energie Geotermální energie pochází ze žhavého magmatu v zemském jádru. Je třeba rozlišit mokré zdroje (energie páry a horké vody) a suché zdroje (hlubinné vrty). Geotermální energie se využívá v USA, Japonsku, Itálii, Novém Zélandě a Islandu. V ČR mají geotermální vody nízkou teplotu 25 C až 60 C a nejsou pro vysoký obsah solí vhodné k výrobě elektřiny Sluneční energie Slunce je hlavním energetickým zdrojem pro naši planetu, jeho přímá energie však pro výrobu elektřiny zatím není příliš využívána. Přeměna sluneční energie se realizuje dvěma způsoby: Přímá přeměna na elektrickou energii v polovodičových kolektorech (fotovoltaických panelech). Nevýhodou je materiálová náročnost a vysoké výrobní náklady. Přeměna na teplo v absorbátoru (kotli), kam je pomocí zrcadel soustředěno přímé sluneční záření. Účinnost tohoto zařízení je 15 % až 20 % Energie větru Vítr vzniká tlakovými rozdíly mezi různě zahřátými oblastmi vzduchu v zemské atmosféře. Pro využívání energie větru je nejdůležitější jeho rychlost, která je ovlivňována členitostí zemského povrchu a zvyšuje se s rostoucí výškou od povrchu. Pro orientační výpočet výkonu větrné elektrárny slouží vzorec P = k. D 2. v 3, kde D je délka lopatky oběžného kola v metrech, v je rychlost větru v ms -1 a k je koeficient, jehož hodnota kolísá mezi 0,2 až 0,5, a závisí na typu krajiny a na účinnosti větrné turbíny. Nejrozšířenějším typem jsou elektrárny s vodorovnou osou otáčení. Pracují na vztlakovém principu, kde vítr obtéká lopatky s profilem podobným letecké vrtuli. Moderní elektrárny mají obvykle tři lopatky, byly však vyvinuty i typy s jediným nebo se dvěma listy. Existují také elektrárny se svislou osou otáčení pracující na odporovém principu (typ Savonius) nebo na vztlakovém principu (typ Darrieus). Výhodou je, že mohou dosahovat vyšších rychlostí otáčení a tedy i vyšší účinnosti. Není třeba je natáčet do směru převládajícího větru. V praxi se však příliš neuplatnily, neboť u nich dochází k mnohem vyššímu dynamickému namáhání, které značně snižuje jejich životnost. Velké větrné elektrárny dodávají elektřinu do sítě, menší zařízení slouží pro zásobování odlehlých objektů nepřipojených k síti, malé VE se používají na lodích, pro dobíjení baterií apod. Trendem je výstavba stále větších strojů (průměr rotoru 40 m až 80 m a věž o výšce více než 80 m). Důvodem jsou nižší měrné náklady na výrobu energie a maximální využití lokalit, kterých je omezený počet. Ve vnitrozemí se staví stroje s výkonem 300 kw až kw. Na moři (poblíž pobřeží) se však staví stroje s výkonem až 5 MW. K zefektivnění provozu a snížení nákladů na projektování a výstavbu se velké elektrárny sdružují do skupin (obvykle 5 až 30 elektráren), tzv. větrných farem. 10

18 Česká republika nemá pro využití energie větru tak dobré podmínky jako přímořské státy (Dánsko, Velká Británie). Vhodné lokality leží v příhraničních horských oblastech (obr. 10), kde z ekologického hlediska není možný významnější rozvoj větrné energetiky. Nevýhodou větrných elektráren je nezaručený výkon a použitelnost pro rychlost větru od 5 ms -1 do 25 ms -1. Obr.10 Montáž rotoru elektrárny 600 kw v Jeseníkách Vodní energie Z celkové produkce elektřiny v ČR se ve vodních elektrárnách nyní vyrobí necelá 4 %. Vodní elektrárny představují asi 12 % instalovaného výkonu elektráren v ČR. Většina tohoto výkonu (cca 90 %) připadá na zařízení s výkonem vyšším než 5 MW. Za malou vodní elektrárnu (MVE) se považuje zařízení s výkonem menším než 10 MW. Energie z malých vodních elektráren tvoří asi 90 % veškeré elektřiny získané z obnovitelných zdrojů v ČR. U vodních elektráren je vysoce ceněna jejich snadná regulovatelnost, rychlý a snadný náběh a odstavení a bezobslužný provoz. Energie moří a oceánů Celá hmota světových moří a oceánů je v neustálém pohybu a to nejen na povrchu, ale i ve značných hloubkách. Nejdůležitějším pohybem vody je vlnění způsobené větrem, slapovým působením Měsíce a Slunce, vtokem velkých řek, posunem zemských desek v důsledku podmořských zemětřesení apod. Elektrárny využívající energii vln byly navrženy v mnoha různých technických řešeních. Například pontony plovoucí na hladině a zakotvené na dně moře, u nichž je pohyb vln přenášen na vodní motor. Dalším z řešení jsou kmitající plováky, jejichž pohyb je soustavou hydraulických nebo mechanických zařízení převáděn na generátor. Jiný způsob využití vln je v případě elektráren, kde mořské vlny stlačují v komorách vzduch, který pohání turbíny. Převratná je myšlenka umělého ostrova s kruhovou vlnovou elektrárnou, v které by se uměle vytvářel mohutný vír otáčející lopatkami turbíny. 11

19 Energetické využití mořských proudů zůstává zatím ve stavu úvah, studií a zkušebních projektů. Těžko lze totiž odhadnout možné katastrofické důsledky v případě zpomalení těchto proudů. Nadějným energetickým zdrojem je energie přílivů a odlivů. Nejvyšší známý příliv má výšku až 20 m. Při použití reverzních turbín se využije jak energie přílivu, tak i energie odlivu. K nevýhodám přílivových elektráren patří skutečnost, že jejich pracovní doba mnohdy nesouhlasí s energetickou špičkou elektrizačních soustav a že místa vhodná pro výstavbu těchto elektráren jsou často vzdálena od míst spotřeby elektrické energie Fúzní energie Jaderná fúze je opakem jaderného štěpení. Obecně znamená termojaderná reakce slučování izotopů lehkých prvků za vzniku těžších při uvolnění energie. Pro výrobu elektřiny se zatím jako nejvýhodnější jeví slučování deuteria (vodíku s jedním neutronem) a tritia (vodíku se dvěma neutrony), přičemž vzniká izotop helia a uvolňují se neutrony. Pro syntézu jader je zapotřebí teplota vyšší než 100 milionů C. K udržení této látky se používají magnetické toroidní komory, tzv. tokamaky, které udrží žhavé plazma bez kontaktu se stěnami komory. Elektrický proud prochází primárním obvodem transformátoru a indukuje elektromotorické napětí v sekundárním obvodu. V plynu složeném z izotopů vodíku vznikne výboj a indukovaný proud zahřívá plyn na potřebnou teplotu. Magnetické pole udržuje plazma ve středu tunelu. Plazma ale občas prošlehne skrze magnetické pole a stěnu zasáhne, což snižuje životnost zařízení. Už desítky let usilují vědci o ovládnutí termojaderné reakce. V roce 1986 vznikl projekt Mezinárodního termonukleárního experimentálního reaktoru ITER, jehož se účastní většina vyspělých zemí. Tento pokusný reaktor má vnější průměr přibližně 20 m a výšku 15 m a jeho stavba byla zahájena ve francouzském Cadarache. Předpokládá se, že termonukleární elektrárny zahájí provoz v roce Obr.11 Výroba elektřiny brutto 12

20 Obr.12 Vývoj a skladba netto výroby elektřiny Použité zkratky: JE jaderná elektrárna PE parní elektrárna PPE paroplynová elektrárna PSE plynová, spalovací elektrárna PVE přečerpávací vodní elektrárna SLE solární elektrárna VE vodní elektrárna VTE větrná elektrárna Na předcházejících grafech (obr. 11 a obr. 12) lze přehledně vidět převažující výrobu elektrické energie v tepelných elektrárnách. Výroba v jaderných elektrárnách činí přibližně třetinu veškeré vyrobené elektrické energie v ČR. V následující tabulce jsou uvedeny hodnoty vyrobené elektrické energie v jednotlivých druzích elektráren v České republice za rok

21 Struktura výroby elektřiny brutto v ES ČR Výroba elektřiny brutto GWh Instalovaný výkon MWe PE spalováním černého uhlí 6 820,1 spalováním hnědého uhlí ,6 spalováním biomasy 728,5 spalováním olejů 211,2 spalováním zemního plynu 342,2 spalováním ostatních plynů 1 063,0 ostatní 95,8 Celkem PE , ,7 PPE + PSE spalování olejů 3,7 spalováním zemního plynu 629,0 spalováním bioplynu + skládkového plynu 163,3 spalováním ostatních plynů 1 760,0 ostatní 56,1 Celkem PPE + PSE 2 612,1 837,7 VE VE < 1 MWe 333,0 106,4 VE (1-10 MWe) 631,4 169,3 VE > 10 MWe 1 586,3 752,8 PVE 706, ,5 Celkem VE 3 257, ,0 JE , ,0 VTE 49,4 43,5 SLE 0,2 0,2 Celkem , ,0 14

22 2.7 Přenos a rozvod elektrické energie Elektrický rozvod umožňuje přenos elektrické energie od výroben do míst spotřeby. Rozvod elektrické energie je tvořen vzájemně propojenými elektrickými sítěmi a elektrickými stanicemi. Přenos elektrické energie se provádí střídavým i stejnosměrným napětím. Pro všeobecnou distribuci se používá trojfázová soustava střídavého napětí, neboť střídavé napětí lze hospodárně transformovat na velmi vysoké napětí, což je důležité pro přenos na velké vzdálenosti. Při přenášení určitého výkonu při vyšším napětí prochází vedením menší proud a tím jsou i menší ztráty výkonu ve vedení. V místě spotřeby se vysoké napětí zase snadno transformuje na nižší napětí. Další výhodou vícefázového střídavého napětí je možnost vytvoření točivého magnetického pole, které umožňuje jednoduchou konstrukci asynchronních motorů. Stejnosměrné napětí se používá v elektrické dopravě, při elektrolýze, pro galvanické pokovování apod. Stejnosměrné přenosy se také používají k propojení dvou střídavých soustav s různými kmitočty nebo k propojení soustav při mezinárodní výměně energie. Přenos stejnosměrným napětím má své výhody i nevýhody. Vyžaduje stavbu měníren, ve kterých se střídavé napětí usměrní a na konci vedení opět změní na střídavé. Nevýhodou stejnosměrného přenosu je i skutečnost, že se musí v koncových stanicích instalovat zařízení pro dodávku jalové energie pro krytí jalového odběru spotřebičů. Stejnosměrné přenosy jsou výhodné pro přenos velkých výkonů velmi vysokým napětím na velké vzdálenosti. Elektrická síť je soubor všech vodivě spojených částí vedení téhož napětí. Naši současnou přenosovou soustavu můžeme rozdělit do dvou skupin. První skupina obsahuje sítě pro přenos velmi vysokého napětí 400 kv nebo 220 kv a propojuje všechny větší elektrárny. Má úkol dopravovat velké elektrické výkony do napájecích uzlů v krajích a spojovat naši ES s jinými soustavami sousedních zemí. Druhá skupina, distribuční sítě, dodává energii k jednotlivým odběratelům. Objekty těchto odběratelů jsou napájeny soustavou přípojek z veřejného rozvodu. Jednotlivá vedení musí splňovat požadavky příslušných norem. Provozovatelem přenosové soustavy v ČR je akciová společnost ČEPS (Česká energetická přenosová soustava). Předmětem její činnosti je přenos elektřiny pro všechny uživatele v rámci ČR i v rámci mezinárodní spolupráce. Dále řídí přenosovou soustavu a zajišťuje systémové služby, tj. udržování kvality elektřiny, udržování výkonové rovnováhy v reálném čase (rovnováhy mezi výrobou a spotřebou elektrické energie v každém okamžiku), údržba, obnova a rozvoj zařízení přenosové soustavy, obnovení provozu, dispečerské řízení apod.). Přenosovou soustavu ČEPS tvoří v současnosti 37 rozvodných zařízení 420 kv a 245 kv umístěných ve třiceti transformovnách, dále 2900 km tras vedení 400 kv a 1440 km tras vedení 220 kv. (1, 181) Na následujícím obrázku 13 je ukázán pohled na centrální dispečink ČEPS. 15

23 Obr.13 Dispečink ČEPS Elektrická vedení Elektrická vedení mohou být konstruována v různém provedení. Tato vedení se liší především způsobem izolace: venkovní, kabelové, zapouzdřené s plynovou izolací či kryogenní, využívající supravodivosti některých látek. Volbu vedení ovlivňuje řada faktorů. Jsou to jednak elektrické veličiny, jako velikost elektrického napětí, přenášený výkon, úbytek napětí, zkratové proudy apod., dále se musí přihlédnout k otázkám konstrukčním, ekonomickým a ekologickým. Venkovní vedení musí odolávat klimatickým podmínkám větru, námrazám či bouřkám. Jako vodiče se používají bronzové vodiče do průřezu o obsahu 25 mm 2 nebo lana. Běžná jsou ocelohliníková lana Al-Fe. Mají v ose ocelovou duši, kterou obklopují hliníkové dráty stejného průřezu. Za vlhka se na povrchu lan, která mají relativně malý průměr k provozovanému napětí, objevuje tzv. korona. Projevuje se sršícími drobnými výboji, které ruší příjem rozhlasu a televize a zvyšují ztráty ve vedení. Proto se pro vedení velmi vysokého napětí používají svazkové vodiče. Pro každou fázi se vedou dvě, tři nebo čtyři lana, jejichž souběžnost zajišťují pevné rozpěrky. Svazkové vodiče mohou být použity i pro zvětšení přenášeného proudu. Průhyby lan a tahy na stožáry se dají přesně vypočítat. Křivka, kterou vytváří vodič napnutý mezi dva závěsné body, se nazývá řetězovka. Z jejího matematického modelu se vychází při projektování vzdálenosti stožárů. Vodiče jsou na stožárech upevněny pomocí izolátorů. Ty mohou být podpěrné nebo závěsné. Konce izolátorů jsou vybaveny speciálními svorkami. Izolátory musí odolávat rovněž velkému mechanickému zatížení, způsobenému těžkými svazky a v zimě námrazou, ale také přepětím ve vedení, které nastává při jeho spínání či rozpojování nebo při úderu blesku. Jako materiál se používá porcelán, často i sklo. Stožáry venkovního vedení podléhají neustálému vývoji. Novější typy Delta, Kočka, Donau jsou složitější než starší typy Jedle, Soudek a Portál (obr. 14). Vršek stožáru nese slabší zemnící vodiče sloužící jako ochrana proti blesku. Rozestup stožárů typu Donau může být při vhodném terénu až půl kilometru. Vedle nosných stožárů se používají i stožáry výztužné, které se nesmí zhroutit, ani kdyby se lana na jedné straně přetrhla. Kromě elektrické energie přenáší venkovní vedení, ve městech i kabely, současně signály hromadného dálkového ovládání. 16

24 Obr.14 Typy stožárů venkovního vedení Kabelová vedení se používají v obytných aglomeracích, v areálech průmyslových závodů a v budovách. Podle počtu žil se dělí kabely na jednožilové, trojžilové, čtyřžilové a vícežilové. Podle materiálů, ze kterých jsou vyrobeny, jsou kabely měděné, používané pro řídící obvody nízkého napětí a u silových kabelů velmi vysokého napětí, a kabely hliníkové, používané v silových obvodech vysokého a nízkého napětí. Technický pokrok přináší stále nová a moderní řešení problémů. Přenos elektrické energie se bude muset zajišťovat ze stále větších vzdáleností a bude nutné přenášet stále větší množství energie. Přitom se musí respektovat stále se zpřísňující ekologické a ekonomické požadavky. Vývoj trojfázových přenosů směřuje ke stále vyššímu napětí. V provozu jsou již linky ultravysokého napětí 1150 kv, přenášející výkony okolo 3000 MW. V budoucnu se nedá ani vyloučit využití stejnosměrného přenosu velmi vysokého napětí, čímž by se odstranily nepříznivé jevy vyskytující se při přenosu velkých výkonů na velké vzdálenosti střídavým proudem, např. problémy stability chodu soustavy, velké zkratové výkony, nutnost kompenzace parametrů přenosu apod. Pokusy se supravodivými kabely naznačují další možnosti vývoje přenosu elektrické energie. Elektrická stanice je zařízení v uzlu ES, v němž je soustředěna většina důležitých funkcí rozvodné soustavy, zejména spínání, jištění, měření, ovládání, automatizační a sdělovací zařízení apod. Podle účelu rozdělujeme elektrické stanice : transformovny, které slouží ke změně napětí při stejném kmitočtu nebo ke galvanickému oddělení jedné části sítě od druhé; spínací stanice, používané k rozvodu elektrické energie téhož napětí, bez transformace a bez přeměny; měnírny, v nichž dochází ke změnám proudu (střídavý na stejnosměrný a naopak nebo změna frekvence); kompenzovny, které slouží ke kompenzaci jalových složek proudu. 17

25 Důležitou součástí elektrických stanic jsou rozvodny (obr. 15), v nichž se soustřeďují různé druhy odboček pro alternátory, transformátory, venkovní a kabelové vývody, spínače přípojnic, měření elektrické energie a napětí v elektrizační soustavě apod. Rozvodny lze rozdělit např. podle provedení na venkovní a vnitřní (kobkové, halové, skříňové, zapouzdřené). Elektrické stanice jsou vybaveny mnoha společnými zařízeními, např. transformátory vlastní spotřeby, rozvodnami, rozváděči, kompenzačním zařízením, dozornou, akumulátorovnou (k zajištění provozu i po přerušení dodávky v síti), kompresorovnou (zásoba a rozvod stlačeného vzduchu pro pohon spínačů a zhášení oblouku), klimatizací, olejovým hospodářstvím a dalším potřebným zařízením. Spínací stanice jsou vybaveny stejně jako transformovny, avšak neobsahují hlavní transformátory. Hlavním vybavením měníren jsou usměrňovače a střídače. Kompenzovny obsahují baterie statických kondenzátorů nebo točivé kompenzátory. Obr.15 Pohled na venkovní rozvodnu 220 kv v Přešticích Kontrolní otázky 1. Vyjmenujte hlavní části elektrizační soustavy. 2. Popište, jak se vyvíjela elektroenergetika ČR a jaký je směr jejího dalšího vývoje? 3. Vyjmenujte druhy elektráren. 4. Nakreslete zjednodušené schéma tepelné elektrárny a vysvětlete význam jednotlivých zařízení. 5. Čím se liší teplárna od kondenzační elektrárny? 6. Uveďte přibližnou hodnotu účinnosti kondenzační elektrárny. 7. K čemu slouží reaktor v jaderné elektrárně? 8. Nakreslete a popište schéma jaderné elektrárny. 9. Jakou funkci má moderátor v jaderné elektrárně, kde se nachází a které látky se jako moderátor používají? 10. Jak rozdělujeme vodní elektrárny? 11. Charakterizujte jednotlivé druhy vodních elektráren. 18

26 12. Jmenujte jednotlivé části vodního díla. 13. Srovnejte základní druhy vodních turbín z hlediska použití pro různé spády a průtoky vody. 14. Jaké znáte obnovitelné zdroje energie? 15. Co je biomasa a jak se využívá v energetice? 16. Uveďte způsoby přeměny sluneční energie na elektrickou energii. 17. Jaké výhody a nevýhody má využití energie větru? 18. Na kterých veličinách je závislý výkon větrné elektrárny? 19. Jaké elektrárny jsou označovány malé vodní elektrárny? 20. Popište, na jakém principu pracuje termonukleární elektrárna. 21. Zdůvodněte, proč používáme k přenosu elektrické energie soustavy vysokého a velmi vysokého napětí? 22. Co je elektrická síť? 23. Uveďte rozdělení elektrických sítí z hlediska účelu. 24. Vyjmenujte druhy elektrického vedení s různými způsoby izolace. 25. Co je korona a jak se omezuje vznik korony? 26. K čemu slouží zemnící lano na vršcích stožárů? 27. Jaký účel mají elektrické stanice? 28. Jmenujte zařízení transformovny. 19

27 Obr.16 Struktura zdrojů a spotřeby v elektrizační soustavě České republiky 20

28 21

29 3 Elektrická tepelná zařízení 3.1 Elektricky získané teplo Teplo je mírou změny vnitřní energie při tepelné výměně. Změna vnitřní energie (růst) může nastat přeměnou jiných druhů energie, např. kinetické. Jednotkou tepla je 1 J (joule). Měřítkem tepelného stavu tělesa je teplota. Teplota je vyjadřována v různých stupnicích. Nejznámější je pro nás Celsiova teplotní stupnice. Jinou používanou stupnicí je termodynamická teplotní stupnice, kde jednotkou teploty je kelvin (K). Elektricky získané teplo nazýváme stručně elektrické teplo, přestože se neliší od tepla získaného jinými způsoby. Podle světových statistik se ve vyspělých zemích spotřebovává 70 % - 80 % veškeré energie na technologické teplo (elektrické pece, svařování, elektrolýza, chemické procesy za tepla, dělení materiálů, ) a vytápění. V domácnostech je elektrické teplo využíváno také na ohřev teplé užitkové vody a na vaření. Elektrotepelná zařízení jsou funkčně pohotová, velmi účinná, se snadnou regulací teploty a teplotního průběhu. 3.2 Přenos tepla Přenos vnitřní energie z míst o vyšší teplotě do míst s nižší teplotou se může uskutečnit třemi způsoby: 1. Kondukcí (vedením) především v pevných látkách. 2. Konvekcí (prouděním) v plynných a kapalných látkách. 3. Zářením (sáláním) každé těleso s teplotou vyšší než 0 K vyzařuje elektromagnetické záření, které se šíří přímočaře všemi směry a po dopadu může být tělesem absorbováno, odraženo nebo jím prochází. 3.3 Vznik elektrického tepla Podle druhu přeměny rozlišujeme tyto nejpoužívanější ohřevy: odporový; obloukový; indukční; dielektrický; mikrovlnný; infračervený; elektronový; plazmový; laserový. 22

30 3.4 Odporový ohřev Odporový ohřev využívá tzv. Jouleovo teplo, které vzniká ve vodiči průchodem elektrického proudu. Vzniklé teplo je úměrné elektrickému odporu vodiče, druhé mocnině proudu a době, po kterou proud prochází, podle vztahu Q = RI 2 t. Látka se ohřívá přímo nebo nepřímo. U přímého odporového ohřevu prochází proud přímo ohřívaným materiálem. Materiál musí být elektricky vodivý. Při nepřímém odporovém ohřevu vzniká teplo v topných článcích umístěných v peci a do vsázky se přenáší převážně sáláním a prouděním atmosféry v pecním prostoru. Elektrické odporové pece se používají pro tavení a tepelné zpracování kovů, tavení skla, v domácnostech, v laboratořích. Vsázka může být v klidu nebo v pohybu. Topné články Materiály pro topné články musí mít velkou rezistivitu, malý teplotní součinitel odporu, malý součinitel teplotní délkové roztažnosti, dobrou zpracovatelnost, mechanickou, teplotní a chemickou odolnost. Používají se slitiny nemagnetické Ni + Cr, Ni + Cr + Fe (Nikrothal), magnetické Cr + Al + Fe (Kanthal), čisté kovy Pt, W, Mo, nekovové materiály SiC (Silit, Globar), cermety, uhlík a grafit. Topné články se zhotovují z drátů nebo pásků, mohou mít tvar spirály, meandru, smyček aj. Do pece se zavěšují nebo ukládají do drážek ve stěnách, stropě nebo ve dně. Nejběžnějším druhem jsou trubkové články z domácích spotřebičů (vařiče, žehličky, pračky, zásobníky teplé vody apod.). 3.5 Obloukový ohřev Teplo vzniká průchodem proudu ionizovaným plynem. Teplota oblouku dosahuje 5000 K až 7000 K. Podle hoření oblouku se obloukové pece dělí na pece s přímým obloukem (oblouk hoří mezi elektrodou a vsázkou, oblouk může být i zakrytý), pece s nepřímým obloukem (oblouk hoří mezi elektrodami a teplo se přenáší na vsázku sáláním a dále ve vsázce vedením a prouděním). Obloukové pece se stavějí nejčastěji na střídavý trojfázový proud, mají obvykle tři elektrody. Proudy dosahují hodnot až 10 5 A při napětí na obloucích do 550 V. (4, 70) 3.6 Indukční ohřev Teplo vzniká indukovanými vířivými proudy ve vodivé vsázce umístěné ve střídavém magnetickém poli. Ve feromagnetické vsázce je vznik tepla způsoben též hysterezními ztrátami. Převážná část tepla vzniká ve vzdálenosti od povrchu materiálu, v tzv. hloubce vniku δ, dané vztahem 23

31 2, kde ρ je rezistivita, μ je permeabilita a ω je úhlová frekvence použitého záření. Volbou frekvence proudu, který napájí ohřívací vinutí (induktor) a v jehož magnetickém poli se nachází vsázka, můžeme vhodně volit hloubku vniku a tím i rozdělení tepla vyvíjeného ve vsázce. Indukční pece lze rozdělit podle použité frekvence napájecího proudu na pece: nízkofrekvenční (50 Hz); středofrekvenční (150 Hz až 20 khz); vysokofrekvenční (nad 50 khz). Indukční pece se používají k tavení nejrůznějších kovů a k výrobě vysoce kvalitních ocelí. Obsah pece může být 10 kg až 100 tun oceli. (4, 85) Velkou výhodou je silné víření taveniny vlivem elektrodynamických sil, které zajišťuje homogenitu kovu z hlediska složení i teploty. Obr.17 Používané druhy indukčních pecí. a) se železným jádrem, b) bez železného jádra 1 kanálková pec, 2 kelímková jednofázová nízkofrekvenční pec, 3 indukční pec na neželezné kovy, 4 pec se stínícím pláštěm z mědi nebo z hliníku, 5 pec s vnějším jádrem ocelovým a z elektrotechnických plechů, 6 víření roztavené látky 24

32 3.7 Dielektrický ohřev Využívá vysokofrekvenčního elektrického pole. Používá se pro ohřev nevodivých materiálů. Teplo vzniká dielektrickými ztrátami P = ωcu 2 tgδ, kde ω je úhlová frekvence, C je kapacita kondenzátoru (dielektrikum mezi elektrodami), U je efektivní hodnota přiváděného napětí na desky kondenzátoru a tgδ je ztrátový činitel. Používané kmitočty jsou 1 MHz MHz. Napětí je omezeno elektrickou pevností materiálu. Dielektrický ohřev se používá k sušení dřeva, lepení překližek, svařování plastových fólií, zpracování reaktoplastů. 3.8 Mikrovlnný ohřev Mikrovlnný ohřev je zvláštním druhem dielektrického ohřevu. Umožňuje takové ohřevy, které nelze realizovat dielektrickým ohřevem (např. velmi malé tg δ). Zdrojem mikrovlnného záření je speciální generátor vysokofrekvenční energie magnetron. Frekvence záření je 0,3 GHz 300 GHz. Výhodou mikrovlnného ohřevu je možnost přesného dávkování energie dodané ohřívanému materiálu. Uplatňuje se především v potravinářském průmyslu. 3.9 Infračervený ohřev Po dopadu IR záření (oblast vlnové délky je 780 nm až 4000 nm) na povrch materiálu se pohlcená energie změní v teplo. Další šíření tepla je důsledkem vedení tepla. Zářivá energie je závislá na teplotě zářiče, obsahu plochy a emisivitě. Teplota zářiče by neměla přesahovat 2000 K, kdy začíná vyzařovat část viditelného světla. Emisivitu lze ovlivnit úpravou povrchu vyzařovací plochy; tmavé a drsné povrchy vyzařují více energie. Klasickým infrazářičem je podžhavená žárovka. IR ohřev se používá pro sušení laků v automobilovém průmyslu, v keramickém průmyslu, textilním průmyslu apod. Většinou jde o sušení velkých ploch s malou tloušťkou Plazmový ohřev Teplota plazmy může dosahovat od K do K. Vzniká v plazmových hořácích např. působením elektrického oblouku. Pomocným plynem, který dodává stále nové částice a udržuje výboj v ose hořáku je argon, helium, vodík nebo dusík. Plazmový ohřev se používá zejména na svařování, řezání, tavení materiálu, nanášení materiálu nebo pro chemické procesy vyžadující vysoké teploty Elektronový ohřev Využívá teplo vznikající dopadem urychlených elektronů na ohřívaný materiál, kde předají svoji kinetickou energii. K urychlení elektronů se používají tzv. elektronová děla. Součástí elektronových děl je žhavená katoda a soustava urychlovacích a zaměřovacích elektrod. Elektronový svazek se pohybuje ve vysokém vakuu. Výhodou elektronového ohřevu je vysoká hustota energie, vysoká čistota, přesná regulace. Používá se např. pro 25

33 tavení těžkotavitelných kovů (molybden, tantal, niob), přesné opracování součástí, při výrobě monokrystalů Laserový ohřev Laser je zdroj velmi úzkého, intenzivního, monochromatického svazku světelných paprsků. Z hlediska elektrotepelné techniky je nejdůležitější oblastí využití obrábění kovů (v libovolné atmosféře) a řezání materiálu. Dalšími oblastmi využití laseru jsou výpočetní technika, přenos informací, měřicí technika, lékařství Elektrické vytápění Vytápění tvoří systém zajišťující optimální podmínky pro navození tzv. tepelné pohody. Tepelná pohoda je stav, kdy je vytvořena určitá tepelná rovnováha mezi výdejem tepla lidským tělem a odvodem tohoto tepla do okolí. Tepelnou pohodu ovlivňují zejména teplota okolního vzduchu, jeho vlhkost, pohyb vzduchu a také druh činnosti, kterou člověk vykonává. Způsoby vytápění mají své výhody i nevýhody. K výhodám elektrického vytápění oproti ostatním druhům vytápění patří: dostupnost (elektrické rozvody jsou v každé domácnosti); provozní pohotovost, krátká doba náběhu; dobrá regulovatelnost; možnost akumulace (z energetického hlediska možnost zrovnoměrnění odběrového diagramu); vysoká účinnost; čistota provozu; bezpečnost; minimální nároky na údržbu; velká nabídka různých topidel (elektrick0 kotle, konvektory, sálavé panely, topné kabely, zářiče apod.). Elektrické vytápění lze členit do skupin: přímotopné systémy; akumulační systémy; smíšené (hybridní) systémy; integrované systémy (kombinace elektrické energie a jiné, např. solární energie nebo kombinace s tepelným čerpadlem). 26

34 Přímotopné vytápění je samostatné topení bez teplovodní otopné soustavy. Výhodou je vysoká účinnost přeměny elektrické energie na energii vnitřní (98 %). Pro přímotopné vytápění lze použít konvektory, teplomety, infrazářiče, olejové radiátory, sálavé panely a poloakumulační panely. V konvektorech vzniká teplo v odporových drátech a ohřívá přirozeně cirkulující vzduch. Teplomety mají na rozdíl od konvektorů nucenou cirkulaci a tudíž je jejich předností rychlé vyhřátí místnosti. Infrazářiče se používají pro občasné vytápění. Olejové radiátory jsou vhodné pro vytápění nepravidelně obývaných místností. U sálavých panelů je kromě úspor a snadné regulace výhodou také větší vlhkost vzduchu v místnosti. Poloakumulační panely jsou přímotopné, ale zároveň obsahují akumulační jádro, které pomáhá překrýt vypínací přestávky v dodávce nízkého tarifu pro vytápění. Akumulační kamna se provozují v režimu nízkého tarifu, který poskytuje méně hodin, než tarif pro přímotopy, proto vyžadují větší rezervovaný příkon (hlavní jistič). Akumulační jádro je tvořeno cihlami z přírodních materiálů a topnými tyčemi. Podle druhu cirkulace vzduchu se dělí na statická a dynamická. Část tepla je předávána také sáláním z povrchu kamen. Hybridní akumulační kamna jsou kombinací akumulačního a přímotopného systému, ovšem vyžadují větší náklady na regulaci a elektrické rozvody. Jiným druhem je podlahové vytápění. Je úspornější, dochází k rovnoměrnějšímu rozložení teploty v prostoru, nevysouší vzduch, omezuje výskyt mikroorganizmů v obytném prostoru. Lze řešit jako přímotopné, ale i jako akumulační (akumulátorem je betonová vrstva o tloušťce asi 12 cm) Tepelné čerpadlo Princip činnosti (obr. 18) tepelného čerpadla je shodný s činností kompresorové chladničky s tím rozdílem, že u chladničky využíváme ochlazený prostor v okolí výparníku (teplo z kondenzátoru je nevyužito), kdežto účelem tepelného čerpadla je získání tepla v okolí kondenzátoru. Výparník odnímá teplo z prostředí s relativně nízkou teplotou a přenáší je do topné soustavy s vyšší teplotou. Ve výparníku se při nízkém tlaku odpařuje teplonosné médium, potřebné teplo k odpařování se odnímá z okolí. Páry média se stlačují kompresorem, tím se zvýší jejich teplota. Dále proudí stlačené páry do kondenzátoru, kde předávají své teplo do topné soustavy. Zkondenzované médium se vede přes expanzní ventil zpět do výparníku. Nízký tlak za expanzním ventilem způsobí opět odpařování média při nízké teplotě. Obr.18 Princip tepelného čerpadla 27

35 Poměr získané energie a elektrické energie dodané kompresoru se nazývá topný faktor. Praktická hodnota topného faktoru je 2 až 4. (11, 179) Zdrojem nízkopotenciálního tepla může být voda, vzduch nebo země (obr. 19). Systém země-voda Tento systém je dnes nejrozšířenější. Teplo se získává z půdy prostřednictvím hloubkových vrtů nebo zemních plošných kolektorů. Zemní plošný kolektor (plastové potrubí) se ukládá vedle vytápěného objektu horizontálně do hloubky 1,2 m až 1,6 m. Obecně platí, že je zapotřebí plochy s obsahem rovnajícím se dvojnásobku obsahu vytápěné plochy. V případě hloubkových vrtů je potřeba hloubky až 150 m. Výhodou je vysoká efektivita provozu, malá závislost na vnější teplotě (tzn. stabilní topný výkon), dlouhá životnost. Nevýhodou jsou vyšší investiční náklady (vrty) a rozsáhlé zemní práce, vliv na vegetaci nad plošným kolektorem. země voda země - voda vzduch voda voda voda Obr.19 Systémy tepelného čerpadla Systém vzduch voda Tento systém je považován za nejekologičtější, protože vlastně vrací do místnosti teplo, které z ní uniklo. Výsledkem dlouhodobého vývoje je účinnost tohoto systému až do teplot -20 C a snížení hlučnosti. Výhodou je jednoduchá instalace, nevýhodou nižší topný faktor za silných mrazů. 28

36 Systém voda voda Teplo se získává z povrchové nebo spodní vody (blízké řeky, vodní plochy nebo studny). Zvláště spodní voda je pro své příznivé stabilní teploty a malou závislost na venkovní teplotě velmi vhodná pro tepelná čerpadla. V tomto případě jde nejčastěji o dvě studny ve vzdálenosti nejméně asi 15 m. Z jedné (čerpací studny) se čerpá voda o určitém průtoku, tato voda ve výparníku odevzdá požadovanou energii a poté se vrací do druhé studny (vsakovací). Výhodou je vysoký topný faktor a nižší pořizovací náklady. Nevýhodou je malý počet vhodných lokalit a požadavky na chemické složení vody v případě čerpání ze studny. Vytápění tepelným čerpadlem je vhodné realizovat jako bivalentní (přídavné, kombinované s druhým vytápěcím zařízením) a dimenzovat ho na 60 % celkového potřebného topného výkonu. Energii získanou tepelnými čerpadly lze využít k vytápění, klimatizaci a ohřevu teplé užitkové vody. Výhodné použití je v kombinaci chlazení vytápění, např. lední plocha plavecký bazén, sklep (skladiště potravin) obytné místnosti. Kontrolní otázky: 1. Uveďte, v jakých jednotkách se uvádí teplo a v jakých jednotkách se uvádí teplota? 2. Uveďte výhody elektricky získaného tepla. 3. Vyjmenujte způsoby přenosu tepla. 4. Jmenujte tepelné spotřebiče, které znáte. 5. Pro jaké materiály lze použít přímý odporový ohřev? 6. Co je Jouleovo teplo? 7. Jaké požadavky jsou kladeny na materiál topných rezistorů? 8. Jmenujte některé materiály pro výrobu topných rezistorů. 9. Popište princip indukční pece. 10. Jaké jsou výhody indukčního ohřevu? 11. Uveďte, s jakými hodnotami frekvence indukční ohřevy pracují? 12. Do jaké vzdálenosti od povrchu vsázky se vyvíjí nejvíce tepla při indukčním ohřevu a čím lze tuto vzdálenost ovlivnit? 13. Pro jaké materiály lze použít dielektrický ohřev? 14. Co je podmínkou při použití elektronového ohřevu? 15. Jaký je rozdíl mezi dielektrickým a mikrovlnným ohřevem? 16. V jakých vlnových délkách se vyskytuje infračervené záření? 17. Co je tepelná pohoda a jaké jsou podmínky jejího vzniku? 18. Jmenujte výhody elektrického vytápění. 19. Jaké druhy elektrického vytápění znáte? 20. Popište princip tepelného čerpadla. 21. Vysvětlete pojem topný faktor a uveďte jeho běžnou hodnotu. 22. Jmenujte zdroje nízkopotenciálního tepla pro tepelná čerpadla. 29

37 4 Světelná technika Světlo je elektromagnetické záření detekované lidským zrakem v rozmezí vlnových délek 380 nm až 780 nm. Lidské oko vykazuje různou spektrální citlivost (obr. 20). Některé optické jevy (např. emise, polarizace, absorpce) je ale nutno vysvětlit teorií světla, založené na existenci částic fotonů, vykazujících určitou energii. V oblasti kratších vlnových délek navazuje na viditelné záření ultrafialové záření UV o vlnových délkách 10 nm nm a v oblasti delších vlnových délek navazuje záření infračervené IR, jehož vlnová délka se pohybuje v rozmezí 780 nm až 10 6 nm. Všechna tato záření se označují jako optické záření, neboť vznikají za stejných podmínek a mají podobné vlastnosti. Infračervené záření má tepelné účinky, a proto se využívá k vytápění, ohřevu a sušení. Ultrafialové záření má účinky fotochemické, využívá se k léčebným a kosmetickým účelům, k ničení virů, bakterií, plísní apod. V kriminalistice se UV záření využívá k tzv. fluorescenční analýze, ale využití má i v řadě dalších odvětví. Obr.20 Závislost citlivosti lidského oka na vlnové délce Podle původu světelného záření lze hovořit o zdrojích světla přírodních (Slunce, blesk, Měsíc) a umělých (žárovka, výbojka, svítivá dioda, ale i svíčka, plynová lampa). Můžeme také rozlišovat zdroje primární (světlo vzniká přímo přeměnou energie) nebo sekundární (světlo je vyzařováno prostřednictvím odrazu). Světlo, které vzniká přeměnou elektrické energie, nazýváme stručně elektrické světlo. 4.1 Principy elektrických světelných zdrojů Rozlišujeme tři principy vzniku viditelného záření a na těchto principech pracují všechny dnes vyráběné světelné zdroje. teplotní; výbojové; luminiscenční. 30

38 4.2 Základní světelné veličiny a jednotky Světelný tok Φ je výkon záření určitého zdroje zhodnocený normálním lidským zrakem. Hodnocení normálním lidským zrakem bylo mezinárodně dohodnuto. Jednotkou světelného toku je lumen (lm). Svítivost I je podíl světelného toku vyzářeného zdrojem v některém směru do prostorového úhlu a velikosti tohoto úhlu (hustota světelného toku do prostorového úhlu). Jednotkou svítivosti je kandela (cd). Platí Φ I Ω, kde Ω je prostorový úhel ve steradiánech. (1 sr je prostorový úhel, jehož kužel vymezí na kulové ploše se středem ve vrcholu tohoto kuželu plochu o obsahu rovnajícím se druhé mocnině poloměru; maximální hodnota prostorového úhlu je 4π sr). Svítivost jednoho zdroje může být v každém směru jiná. Rozdělení svítivosti v prostoru znázorňuje tzv. křivka svítivosti (obr. 21). Obr.21 Křivky svítivosti Intenzita osvětlení E je podíl světelného toku Φ dopadajícího na určitou plochu S a velikosti této plochy (plošná hustota světelného toku). Jednotkou osvětlení je lux (lx). Platí Φ E S 31

39 Na obr. 22 je znázorněno, jak intenzita osvětlení klesá se vzrůstající vzdáleností od světelného zdroje. Obr.22 Intenzita osvětlení je nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti Měrný světelný výkon η je podíl vyzařovaného světelného toku a příkonu světelného zdroje. Vyjadřuje účinnost přeměny elektrické energie na světlo. Jednotkou měrného výkonu je lumen na watt (lmw -1 ). 4.3 Elektrické zdroje světla Elektrické zdroje světla se dnes vyrábí v nepřeberné škále typů a výkonových řad. elektrické světelné zdroje teplotní výbojové luminiscenční žárovky nízkotlaké vysokotlaké svítivé diody svítivé kondenzátory vakuové rtuťové xenonové plněné plynem sodíkové rtuťové klasické kompaktní zářivky halogenidové halogenové indukční výbojky sodíkové Obr.23 Rozdělení elektrických zdrojů světla 32

40 Základní parametry světelných zdrojů: měrný výkon zdroje; jakost podání barev; životnost; rozměry, tvar, cena vysokotlaké sodíkové výbojky 130 halogenidové výbojky 200 nízkotlaké sodíkové výbojky lineární zářivky kompaktní zářivky 60 indukční výbojky halogenové žárovky 28 směsové výbojky 60 vysokotlaké rtuťové výbojky žárovka Obr.24 Přehled elektrických světelných zdrojů a jejich měrných výkonů (lmw -1 ) Teplotní zdroje Žárovka Schematické znázornění a konstrukční provedení žárovky je na obr. 25. Světlo vyzařuje wolframové vlákno (3) (ø 14 μm) rozžhavené průchodem elektrického proudu. Proti oxidaci je vlákno chráněno uzavřením ve skleněné baňce (1), ve které je buď vakuum (2) nebo je naplněna směsí dusíku a argonu nebo dusíku a kryptonu. Plynová náplň omezuje odpařování wolframu a umožňuje tím zvýšit teplotu vlákna a tedy i měrný výkon žárovky. Vakuum se používá u žárovek do příkonu 25 W. Vlákno je uchyceno na molybdenových držácích (6), které jsou zataveny na skleněné nosné tyčince (7). Přívodní vodiče (5) a (4) jsou připájeny na patici (8) a její středový kontakt (11). Patice (10) je ke skleněné baňce přitmelena. Baňky se zhotovují z vápenato-hořečnatého skla, v případě většího tepelného namáhání z olovnato-boritého skla nebo skla křemenného. Mívají různý 33

41 tvar a různou úpravu skla, ať už z důvodů praktických či estetických. Například matování skla zmenšuje jas, ale také světelný tok. Teplota vlákna se pohybuje od 2000 C u vakuových žárovek, u plněných plynem přibližně 2600 C až 3000 C. Patice běžných žárovek jsou závitové a bajonetové. Závitové mají Edisonův závit (9), který se značí E s průměrem závitu E 10, E 14, E 27, E 40. Bajonetová patice se používá u žárovek, které je potřeba zajistit proti otřesům, například v automobilech. Žárovky mají spojité spektrum, obsahuje všechny barvy. Z celkové vyzářené energie je pouze 8 % světelné, zbývajících 92 % je záření tepelné. Měrný výkon dosahují podle druhu žárovky 10 lmw -1 až 20 lmw -1, jejich životnost je přibližně 1000 h. Obr.25 Schematické znázornění a skutečné provedení žárovky Halogenová žárovka Podstatou je využití vratné termochemické reakce wolframu a halogenu. Jako halogen se nejčastěji používají jód nebo brom. Atomy wolframu se po vypaření ze spirály vlákna pohybují ke stěně baňky, kde se slučují s atomy halogenu na halogenid. Tato sloučenina putuje směrem k vláknu, kde se vlivem větší teploty opět rozkládá. Vlivem tlaku par v okolí vlákna je omezeno další vypařování wolframu a tím ubývání vlákna. Výhody halogenových žárovek lze shrnout do těchto bodů: možnost vyšší teploty vlákna, tedy i větší světelný výkon; stěna baňky nečerná, měrný světelný výkon je stejný po celý život žárovky; menší rozměry žárovky. Halogenové žárovky se vyrábí v jednopaticovém nebo dvoupaticovém provedení (obr. 26). Trubice je z křemenného skla (značně se zahřívají). Při montáži halogenové žárovky se nesmíme dotknout baňky holou rukou. Pot a jiné látky, které se při dotyku přenesou na baňku, způsobí, že se při zahřátí na provozní teplotu naruší struktura skla a baňka se v místě 34

42 dotyku zničí. V případě, že se omylem baňky dotkneme, je třeba před rozsvícením baňku vyčistit např. lihem. Životnost halogenových žárovek je velmi závislá na provozním napětí. Přepětí 5 % může snížit životnost až o 50 %. Obr.26 Provedení halogenových žárovek Využití v současné době také nacházejí nízkovoltové (nejčastěji 12 V) halogenové žárovky pro světelné zvýraznění některých prvků v osvětlovaném prostoru. Bývají vybaveny speciálními reflektory s různými vyzařovacími úhly. Například žárovka s dichroitickým zrcadlem (obr. 27) zajišťuje maximální světelný tok v daném směru a omezuje až 60 % nežádoucího infračerveného záření. Osvětlovaný předmět je tudíž vystaven mnohem nižšímu tepelnému záření než při osvětlení žárovkou s klasickým hliníkovým reflektorem. Obr.27 Halogenová žárovka s dichroitickým zrcadlem Výbojové zdroje U výbojových zdrojů vzniká světlo při elektrickém výboji v ionizovaných plynech nebo v kovových parách nebo v jejich směsi. Výboj má zápornou odporovou charakteristiku, tzn., že při zvyšujícím se proudu klesá elektrický odpor. Z tohoto důvodu musí být všechny výbojové zdroje světla připojeny k síti v sérii s předřadníkem. Na předřadníku se zvětší úbytek napětí vlivem vzrůstu vodivosti plynu při růstu ionizace, poklesne napětí na výboji a proud se zmenší. Bez předřadníku by proud výbojku tepelně zničil. Předřadníkem může být rezistor nebo cívka. 35

43 Doutnavky Doutnavky jsou výbojky se studenými elektrodami, v nichž nastává doutnavý výboj. Vzdálenost elektrod je tak malá, že z celého výboje zůstane pouze doutnavé katodové světlo. Baňky se plní neonem nebo směsí neonu a helia. Doutnavky se používají k signalizačním a indikačním účelům, u stabilizátorů napětí apod. Svítící trubice Jsou to rovněž výbojové zdroje se studenými elektrodami plněné vzácným plynem s nízkým tlakem a jsou určeny pro provoz na vysoké napětí 1 kv až 10 kv (podle délky trubice). Zbarvení je závislé na náplni. Kombinací výbojek a použitím luminoforů lze dosáhnout téměř všech barev. Většinou se používají pro dekorativní a reklamní účely. Zářivky Zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky s tlakem 0,6 Pa, plněné rtuťovými parami a argonem, který snižuje zápalné napětí. Elektrody z wolframové spirály jsou pokryty oxidem barya, který svou emisí přispívá k snadnějšímu zapalování. Životnost zářivky závisí právě na kvalitě emisního materiálu na elektrodách a bývá h až h. Zářivky vyzařují smíšené spektrum, obsahující 60 % UV záření, 38 % tepelného záření a 2 % viditelného záření. Jedna třetina ultrafialového záření se změní v luminoforu na viditelné. Luminofory jsou látky, které se ve formě prášku nanesou na vnitřní povrch trubice. Luminofor mění vlnovou délku dopadajícího UV záření na vlnovou délku viditelného záření. Vhodnou volbou luminoforu lze dosáhnout různého zabarvení světla. Zářivky se připojují k síti v sérii s tlumivkou T (obr. 28). Napětí sítě nestačí k zapálení výboje při studených elektrodách, a proto se musí elektrody před zapálením nažhavit a potom zvýšeným napětím zapálit. K tomu se používá startér S, provedený nejčastěji jako doutnavkový. Doutnavkový zapalovač se skládá ze dvou elektrod (jedna z nich je z bimetalu) uzavřených ve skleněné baňce plněné inertním plynem. Po zapnutí hlavního vypínače je na tyto elektrody přivedeno plné síťové napětí, a protože jsou elektrody blízko sebe, dojde mezi nimi k doutnavému výboji. Tím se elektrody zahřejí a ohnutím bimetalu se spojí. Nyní proud prochází elektrodami zářivky a žhaví je tak, že se kolem nich vytvoří oblaka emitovaných elektronů. Mezitím se elektrody doutnavky ochladí (protože již nejsou zahřívány doutnavým výbojem) a jejich kontakt se rozpojí. Protože je v sérii zapojena tlumivka, vznikne přerušením proudu napěťová špička asi 500 V, která spolu s napětím sítě zapálí obloukový výboj mezi elektrodami zářivky. Nedojde-li napoprvé k zápalu, postup se opakuje. Jakmile začne zářivkou procházet proud, rozdělí se napětí sítě mezi zářivku (cca 80 V) a tlumivku (cca 160 V). Doutnavka se již při sníženém napětí na zářivce nezapálí. Paralelně k doutnavce je připojen odrušovací kondenzátor a kondenzátor C v obvodu zářivky kompenzuje účiník, který je pro zářivky s indukčním předřadníkem menší než 0,5. 36

44 Obr.28 Provedení zářivek a schéma zapojení zářivky U lineárních zářivek je možno místo induktivního předřadníku a zapalovače použít elektronický vysokofrekvenční předřadník. Přednosti zapojení s elektronickým předřadníkem vůči klasickému zapojení jsou: téměř okamžitý start bez blikání (doba startu závisí na konstrukci předřadníku); úspora energie (oproti žárovce až 80 % elektrické energie); větší životnost zářivek až hod; odstranění stroboskopického jevu; možnost stmívání (u stmívatelných předřadníků); automatické odpojení vadné zářivky. Kompaktní zářivky S rozvojem elektroniky a miniaturizace se objevily nové možnosti v provedení zářivek. Indukční předřadník byl nahrazen elektronickým, který pracuje na frekvenci přibližně 30 khz a bývá zabudován v patici zářivky. Tyto zářivky jsou vyráběny s paticemi E27 a E14 a bývají označovány jako kompaktní. Je možné provést záměnu stávajících žárovek těmito zářivkami bez úpravy svítidel. Na rozdíl od žárovek ale mají větší rozměr vnější baňky. Indukční výbojky Do okruhu nízkotlakých výbojových zdrojů patří i světelný zdroj využívající principu elektromagnetické indukce. Změna oproti klasickým zářivkám spočívá v tom, že pohyb elektronů není funkčně svázán s elektrodami ve výbojovém prostoru, ale je dosahován pomocí magnetického pole (indukce) s kmitočtem cca 2,5 MHz a speciální geometrií výbojového prostoru. 37

45 Systém tvoří elektronické předřadné zařízení, nosič na přenos výkonu a nízkotlaká výbojka s luminoforem (obr. 29). Životnost indukčních výbojek je hodin. Tyto zdroje nacházejí uplatnění v aplikacích se složitou a nákladnou výměnou světelných zdrojů, např. do tunelů a výrobních hal. Obr.29 Výrobek firmy Philips Vysokotlaké rtuťové výbojky Na obr. 30 je konstrukční uspořádání vysokotlaké rtuťové výbojky. Baňka 1 je naplněna směsí argonu a dusíku, je pokrytá luminoforem 2. V baňce je upevněn nosným systémem 3 křemenný hořák 4 s dvěma hlavními 5 a jednou pomocnou 6 elektrodou. K baňce je přitmelena patice 7. Náplní hořáku je rtuť a argon. Po připojení napětí na výbojku dochází k zapálení pomocného výboje mezi pomocnou a bližší hlavní elektrodou. Tento výboj je stabilizován rezistorem, který je umístěn vně hořáku v baňce. Pomocný výboj zajišťuje předběžnou ionizaci výbojového prostoru a usnadňuje rozvinutí výboje mezi hlavními elektrodami. Plného světelného toku dosáhne až za několik minut. Po zhasnutí je nutné před dalším zapálením počkat cca 3 minuty, až klesne tlak rtuťových par. Při provozu je tlak v hořáku až 10 6 Pa. Vysokotlaká rtuťová výbojka potřebuje tedy předřadník - tlumivku (jako každá výbojka), nepotřebuje však zapalovač. Obr.30 Konstrukční uspořádání vysokotlaké rtuťové výbojky Při postupném zvyšování tlaku rtuťových par a zvyšování proudové hustoty dochází k posunu maxima vyzařované energie k větším vlnovým délkám, k růstu měrného výkonu a ke vzniku spojitého spektra. Přes poměrně velký měrný výkon (50 lmw lmw -1 ) však 38

46 takový zdroj není vhodný pro všeobecné osvětlení, protože ve spektru jeho světla úplně chybí červená složka. Vysokotlaké rtuťové výbojky se vyrábějí s příkony 50 W až 1000 W, měrný výkon dosahuje 28 lmw -1. Do této skupiny zdrojů patří i výbojky pro horská slunce. Halogenidové výbojky Halogenidové výbojky jsou vysokotlaké výbojky, jejichž světlo vzniká převážně zářením par rtuti a kovů (např. sodík, thalium, indium) v halogenidových sloučeninách. Záření těchto kovů vhodně doplňuje čárové spektrum rtuti. Zapalovací napětí je vyšší než u výbojek bez halogenidů, proto jsou zapotřebí zvláštní zapalovací obvody. Konstrukce halogenidových výbojek je obdobná jako u vysokotlakých rtuťových výbojek, jen baňka bývá většinou válcová a nemají pomocnou elektrodu. Měrný výkon dosahuje 130 lmw -1, životnost je 28 tisíc hodin. Příklad halogenidové výbojky vidíme na obr. 31. Obr.31 Halogenidová výbojka s keramickým hořákem nového tvaru Osram Powerball HCI Směsové výbojky Jinou možností úpravy spektra rtuťového výboje je přidat k jeho záření navíc záření wolframového vlákna, které doplňuje spektrum zejména v jeho červené části. Do série se rtuťovým hořákem je zapojeno wolframové vlákno, které zároveň plní funkci předřadníku, takže odpadá nutnost použít tlumivku. 39

47 Sodíkové výbojky Nízkotlaké sodíkové výbojky Vyzařují čárové spektrum v oblasti žluté. Toto světlo dobře proniká mlhou a prachem. Ve světle těchto výbojek nelze rozlišovat barvy. Měrný výkon dosahuje až 200 lmw -1. Výhodné je použití k osvětlení silnic, letišť, přístavů, sléváren. Tyto výbojky jsou dnes vytlačovány ze svých pozic účinnějšími halogenidovými a vysokotlakými sodíkovými výbojkami. Vysokotlaké sodíkové výbojky Zvýšením tlaku na hodnotu 10 4 Pa se dosáhne spojitého spektra. Teplota hořáku je 1250 C, proto se vyrábí ze spékaného oxidu hlinitého. Křemenné sklo sodík leptá. Měrný světelný výkon se pohybuje kolem 100 lm/w, je nižší než u nízkotlakých sodíkových výbojek. Obr.32 Konstrukční uspořádání a provedení vysokotlaké sodíkové výbojky Na obr. 32 je válcová trubička hořáku 1 uzavřena průchodkami 2 s wolframovými elektrodami 3. Vnější baňka 4 je válcová nebo eliptická. Xenonové výbojky Xenonové výbojky mají trubici z křemenného skla plněnou xenonem s tlakem až několik desetin MPa. Vyzařované světlo je podobné dennímu, používají se při osvětlování scény v divadle a při filmování. Životnost xenonových výbojek bývá h a měrný výkon 20 lmw -1 až 50 lmw Luminiscenční zdroje Při luminiscenci pevných látek dochází na základě absorpce určitého druhu energie k optickému záření. Podle druhu budící energie rozlišujeme fotoluminiscenci, elektroluminiscenci a radioluminiscenci. Fotoluminiscence je způsobena dopadem optického záření na luminiscenční látku a podle doby dosvitu se dělí na fluorescenci (pouze při dopadu záření) a fosforescenci (s určitým dosvitem). Elektroluminiscence je vyvolána elektrickým polem (svítící kondenzátory a diody) a radioluminiscence nukleárním zářením (signalizační zařízení nevyžadující přívod energie a obsluhu). Svítivé diody 40

48 Diodu tvoří dvě polovodivé vrstvy, tvořící přechod PN, který při průchodu elektrického proudu vyzařuje světlo, jehož barva je závislá na druhu polovodiče. Světlo svítivých diod neobsahuje žádnou složku infračerveného ani ultrafialového záření. Malé rozměry umožňují vyrábět liniové nebo plošné zdroje světla. Pomocí vhodného řídicího systému lze vytvářet libovolné barevné odstíny, přechody a efekty. Výrobci udávají životnost 5 až 10 let nepřetržitého svícení ( hodin). V současné době dosahuje účinnost 30 lmw -1. Hlavní výhodou je hospodárnost, bezpečnost, odolnost, variabilita řešení, nízký reakční čas. Díky svým výhodám nacházejí uplatnění v nouzovém osvětlení, přenosných svítilnách, osvětlení vozidel, dopravním značení, v osvětlování interiérů a exteriérů, výstavních ploch, v lékařství. Využití najdou jako blesky k malým kompaktním fotoaparátům a pro podsvětlení velkoplošných zobrazovačů. Na obr. 33 vidíme zdroj tvořený diodami LED se skleněnou baňkou, paticí E 27 a s příkonem 2 W. Zdroj ukázán i s odkrytou baňkou. Obr.33 Světelný zdroj na bázi diod LED Elektroluminiscenční panely Jedná se v podstatě o kondenzátor, jehož dielektrikem je luminofor (např. ZnS) a jedna elektroda je průhledná (SnO 2 ). V prostoru elektrického pole je emitováno světlo. Tyto panely mají malý jas, malý měrný příkon asi 10 Wm -2 a účiník 0,25 kapacitního charakteru. Používají se pro signální účely, jako zobrazovací prvky a orientační osvětlení (5,34). 4.4 Svítidla Svítidlo je zařízení, jehož účelem je měnit rozložení světelného toku zdrojů, rozptylovat světlo a případně měnit jeho spektrální složení. Dále zajišťuje ochranu světelných zdrojů před nepříznivými vlivy prostředí, zajišťuje přívod proudu, umožňuje jednoduchou montáž a údržbu, chrání osoby před nebezpečným dotykem. Při konstrukci svítidel je nutné respektovat i estetické požadavky. Základními vlastnostmi svítidel jsou účinnost (poměr světelného toku, který opouští svítidlo, ku celkovému instalovanému světelnému toku uvnitř svítidla), úhel clonění δ (obr. 34) a křivka svítivosti. (4, 156) Třídění svítidel lze provést podle různých kritérií, např. podle použitého světelného zdroje, podle umístění v osvětlovací soustavě, podle prostoru (interiérová, exteriérová) apod. 41

49 Obr.34 Úhel clonění u různých svítidel Podle rozdělení světelného toku do spodní a horní polokoule (obr. 35) rozlišujeme svítidla i osvětlení: přímá 1 (90 % světelného toku jde do spodní polokoule); převážně přímá 2 (60 % až 90 % světelného toku jde do spodní polokoule); smíšená 3 (40 % až 60 % světelného toku jde do spodní i horní polokoule); převážně nepřímá 4 (60 % až 90 % světelného toku jde do horní polokoule); nepřímá 5 (90 % světelného toku jde do horní polokoule). Obr.35 Druhy svítidel Dále můžeme osvětlování rozdělit na: 1) osvětlování vnitřních prostorů denní osvětlení, které je zajišťováno slunečním světlem; sdružené osvětlení, používá se při nevyhovujícím denním osvětlení, je kombinací denního a umělého; umělé osvětlení. 42

50 2) osvětlování venkovních prostorů komunikací; architektury; prostranství (stadiony, nádraží, náměstí ). 4.5 Zásady správného osvětlení Osvětlení musí splňovat požadavky na zrakový výkon a zrakovou pohodu. 1) Zrakový výkon Správné osvětlení má vytvořit příznivé podmínky vidění, tj. umožnit výkonné a pohodlné vidění, zabránit únavě a úrazům. 2) Zraková pohoda Zraková (světelná) pohoda nastává při osvětlení navozující příjemné pocity a dobrou náladu. S tím souvisí přiměřená intenzita osvětlení, vhodné jasy, kontrasty jasů a barev, správný směr dopadu světla. Světelnou pohodu ruší oslnění. Tento pro zrak nepříznivý jev vzniká, jestliže je sítnice vystavena vyššímu jasu, než na který je oko adaptováno. Podle stupně oslnění (rušivé, omezující, oslepující) dochází ke snížení zrakové schopnosti, jako např. rozlišitelnosti, ostrosti vidění, rychlosti vnímání apod., až k znemožnění vidění. Oslnění může být přímé nebo způsobené odrazem. Velikost oslnění závisí na velikosti oslňující plochy, na její poloze v zorném poli, na kontrastu jasu plochy vzhledem k okolí. Dalším rušivým prvkem je stroboskopický jev, jenž je důsledkem kmitání světelného toku. Stroboskopický jev zkresluje pohyb, čímž se zvyšuje nebezpečí úrazu (např. rotující součást se jeví jako stojící). Kmitání světla také způsobuje únavu zraku. Návrh osvětlení Navrhování osvětlení vyžaduje rozsáhlé znalosti, zkušenosti a tvůrčí schopnosti. Požadavky na osvětlení vnitřních prostorů jsou stanoveny normou, která vychází z hygienických limitů stanovených pro danou zrakovou činnost. Návrh osvětlení se provádí na základě výchozích požadavků a požadavků technických norem. Stupnice doporučených intenzit osvětlení má rozsah od 20 lx do lx. Příslušné normy: ČSN Umělé osvětlení vnitřních prostorů, ČSN Sdružené osvětlení, ČSN Denní osvětlení budov, ČSN Oslnění, jeho hodnocení a zábrana, ČSN EN Osvětlení pracovních prostorů. 43

51 Výchozí podklady pro návrh osvětlení: rozměrové údaje (rozměry prostoru, vybavení, rozmístění ); popis hlavních povrchů (činitel odrazu, barva, ); popis vykonávané práce (zraková obtížnost, zvláštní požadavky ); vyhodnocení denního osvětlení; charakteristika prostředí (působení nečistot, vlhkosti ); ostatní údaje (zásobování elektrickou energií, estetická a provozní hlediska ). Při návrhu osvětlení se stanovuje: vhodný zdroj světla; vhodná barva světla; přiměřená intenzita osvětlení; přiměřená směrovost osvětlení; ovládání osvětlení; druh svítidel. 4.6 Nové trendy v osvětlování Kromě běžných světelných zdrojů jsou při osvětlování interiérů stále obvyklejší také světlovody a svítivé diody LED. Svítivé diody tvoří světelné zdroje plošné, liniové, v podobě ohebných pásků apod. Výhodné jsou pro nasvěcování uměleckých děl (jejich světlo neobsahuje UV složku). Pro svoji životnost a malou spotřebu jsou vhodné k architektonickému osvětlování exteriérů, bazénů, soch a jiných zajímavostí, celonoční nasvěcování schodišť, zahrad aj. Tvoří ideální zdroj pro reklamní účely, v automobilovém průmyslu (osvětlení vozidel, dopravní značení, zvýraznění krajnic). Použití světelných zdrojů s LED diodami k různým účelům je zřejmé z obr. 36. Reklamní dynamické osvětlení s LED významně mění vzhled měst Osvětlení eskalátoru pásy LED 44

52 Architektonické barevně proměnné osvětlení baru působí na psychickou pohodu Scénické aranžmá s použitím LED Zadní skupinové světlo automobilu Obr.36 Použití zdrojů s diodami LED k různým druhům osvětlování Světlovody Jedná se o speciálně upravená skleněná vlákna, která jsou ohebná, a světlo se jimi šíří s minimálními ztrátami. Světlo lze dopravovat od světelného zdroje na osvětlované místo jinou než přímkovou cestou, světlovod může být zakončen dekorativní koncovkou, objekty nejsou vystavovány tepelné zátěži, světlovod může být umístěn bez nebezpečí ve vodě, může propouštět světlo ze svého povrchu a působit tak jako liniový světelný zdroj. Trvanlivost světlovodů je 30 let a jsou odolné teplotám okolo 120 C. 45