Podpora a rozvoj elektrotechnických a stavebních oborů v MSK CZ.1.07/1.1.24/02.0058 PODĚKOVÁNÍ Realizační tým Moravskoslezského energetického klastru věnuje poděkování Střední škole elektrotechnické, Ostrava, Na Jízdárně, která se podílela na realizaci projektu a přispěla tak ke zvýšení zájmu o studium elektrotechnickcýh oborů a ke zkvalitnění praktické výuky v Moravskoslezském kraji. Informační a výukový manuál byl realizován za finančního příspění Evropské unie v rámci projektu: Podpora a rozvoj elektrotechnických a stavebních oborů v MSK.
Obsah 1 STŘEDNÍ ŠKOLA ELEKTROTECHNICKÁ, OSTRAVA, NA JÍZDÁRNĚ 30, PŘÍSPĚVKOVÁ ORGANIZACE... 1 1.1 Obory... 2 2 PŘEDSTAVENÍ PROJEKTU... 4 3 SYSTÉM MODULÁRNÍHO ŘÍZENÍ BUDOV... 6 3.1 Možnosti systému... 6 4 VYUŽITÍ... 7 4.1 Komfort... 7 4.2 Úspora energie... 8 4.3 Bezpečnost... 9 4.4 Osvětlení... 10 4.5 Vytápění a chlazení... 10 5 ROZDÍL MEZI KLASICKOU A INTELIGENTNÍ ELEKTROINSTALACÍ... 11 5.1 Klasická elektroinstalace... 11 5.2 Inteligentní elektroinstalace... 12 5.3 Porovnání jednotlivých elektroinstalací... 13 6 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY... 14 7 PŘÍRODNÍ PODMÍNKY... 14 8 VÝHRADY PROTI VĚTRNÝM ELEKTRÁRNÁM... 15 9 PŘEHLED VELKÝCH VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN NA ÚZEMÍ ČR... 15 10 TECHNICKÉ ŘEŠENÍ STROJOVEN VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN... 16 11 PŘÍKLADY KONSTRUKCE VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN... 17 12 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY MALÉHO VÝKONU... 19 13 VÝHODY A NEVÝHODY ZAŘÍZENÍ NA VYUŽITÍ VĚTRU... 21 13.1 Výhody... 21 13.2 Nevýhody... 21 14 ZHODNOCENÍ VĚTRNÝCH ELEKRÁREN... 22 15 FOTOVOLTAIKA... 23 16 ZAPOJENÍ SOLÁRNÍCH ČLÁNKŮ... 24 17 SYSTÉMY PŘIPOJENÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ... 24 17.1 Systémy připojené k síti (grid-on)... 24 17.2 Samostatné (ostrovní) systémy grid-off... 25 18 FOTOVOLTAIKA V ARCHITEKTUŘE... 27 19 SOLÁRNÍ ELEKTRÁRNY V ČR... 28 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 32
1 STŘEDNÍ ŠKOLA ELEKTROTECHNICKÁ, OSTRAVA, NA JÍZDÁRNĚ 30, PŘÍSPĚVKOVÁ ORGANIZACE Střední škola elektrotechnická je moderní veřejnou střední školou a elektrotechnickým centrem Moravskoslezského kraje. Patří mezi přední elektrotechnické školy v České republice nejen díky své dlouholeté tradici, ale i perspektivám, které nabízí současným i budoucím žákům. Výuku na základě moderních školních vzdělávacích programů zajišťuje na vysoké úrovni profesionální tým pedagogů spolu se stálými partnery z řad špičkových regionálních firem, jako jsou společnosti ČEZ a.s., ArcelorMittal Ostrava a.s., Dalkia a.s., NAM systém a.s., Modemtec s.r.o. a další. Škola aktivně spolupracuje se společností ČEZ a.s., s Českým svazem zaměstnavatelů v energetice, Asociací elektrotechnického vzdělání a Czech Security Education (sdružení středních škol zabývajících se bezpečnostními systémy). V souladu s modernizací výuky a vzděláváním se škola aktivně zapojuje do řady různých projektů, jakými jsou například Inovace výukových postupů v nových zaměřeních elektrotechniky Mechatronika, Práce pod napětím Rozvody el. energie pomocí kabelových vedení a pomocí izolovaného venkovního vedení, Recyklohraní, Modernizace technického a didaktického vybavení center pro další profesní vzdělávání učitelů. Dále zajišťujeme přípravu odborníků z oblasti elektrotechniky a pořádání různých odborných kurzů pro širokou veřejnost. SŠE nabízí studium pro získání středního vzdělání s výučním listem nebo středního vzdělání s maturitní zkouškou ve schválených studijních programech Elektrikář, Elektrikář silnoproud, Mechanik elektrotechnik počítačové a zabezpečovací systémy, elektrotechnická zařízení. Velice zajímavý je také čtyřletý obor Optik s maturitní zkouškou, který je vhodný zejména pro dívky se širokou možností uplatnění v různých optických firmách. Naší nejlepší studenti mají možnost získat stipendium od elektrotechnických firem. 1
Další výhodou studia na naší škole je možnost jednoduchého přestupu mezi maturitními a učebními obory (nejlépe během prvního nebo po prvním ročníku) v závislosti na studijních problémech či úspěších. 1.1 Obory MECHANIK ELEKTROTECHNIK ŠVP POČÍTAČOVÉ A ZABEZPEČOVACÍ SYSTÉMY Čtyřleté denní studium ukončené maturitní zkouškou poskytuje úplné střední vzdělání v oboru elektro, se zaměřením na spotřební elektrotechniku, bezpečnostní systémy a výpočetní techniku. MECHANIK ELEKTROTECHNIK ŠVP- ELEKTROTECHNICKÁ ZAŘÍZENÍ Čtyřleté denní studium ukončené maturitní zkouškou poskytuje úplné střední vzdělání se zaměřením na silnoproudá zařízení, elektrické stroje a přístroje, užití elektrické energie a automatizační a měřicí techniku. 2
EKTRIKÁŘ Tříleté denní studium ukončené závěrečnou zkouškou (vyučení), střední odborné vzdělaní a odborná příprava pro povolání v oblasti elektrotechniky. ELEKTRIKÁŘ SILNOPROUD Tříleté denní studium ukončené závěrečnou zkouškou (vyučení), střední odborné vzdělání a odborná příprava pro povolání v oblasti silnoproudé elektrotechniky a rozvodů elektrické energie. OPTIK Čtyřleté denní studium ukončené závěrečnou maturitní zkouškou, střední odborné vzdělaní a odborná příprava pro povolání v oblasti optiky. 3
2 PŘEDSTAVENÍ PROJEKTU Informační a výukový manuál Elektrotechnika a stavebnictví jsou závislé na kvalifikované, odborně připravené pracovní síle, jejichž počet neustále klesá. Moravskoslezský energetický klastr ve spolupráci se Střední školou elektrotechnickou, Ostrava, Na Jízdárně p.o. a Střední školou elektrostavební a dřevozpracující ve Frýdku Místku p.o. se rozhodli tento nepříznivý trend pozměnit. V rámci projektu, který byl financován z operačního programu vzdělávání pro konkurenceschopnost, byly na spolupracujících středních školách vytvořeny nové učebny praktické výuky MSEK, které byly vybaveny nejmodernějšími didaktickými pomůckami a funkčními výukovými modely. V rámci tohoto projektu se také pořádala celá škála exkurzí do provozu, seminářů vedených odborníky, workshopů, projektových dní pro základní školy, soutěží o hodnotné ceny a v rámci projektu byl také speciálně vytvořený internetový vzdělávací portál www.studujelektro.cz, kde si můžete ověřit své znalosti z oblasti elektrotechniky. V současné době vybavení učeben neodpovídá trendům v oblasti elektrotechniky, obnovitelných zdrojů energie a nedostačuje počtu žáků účastnících se praktické výuky. Pro zkvalitnění a rozvoj praktického vyučování bylo nutné vytvořit výše zmíněné specializované učebny praktické výuky MSEK, které jsou vybavené moderními didaktickými pomůckami a funkčními výukovými systémy, o kterých se dozvíte více v následujících kapitolách. Funkční výukové systémy: Obr.1 Modulární systém elektrických vodičů 4
Obr.2 Systém malé větrné elektrárny Obr.3 Fotovoltaický výukový systém Didaktické pomůcky: - Solární experimentální model Solární rotační letadélka Solární sady 6 v 1 Dům na solární energii Solární experimentální stavebnice Solární osvětlení - Termokamera - Testery napětí - Stabilizovaný regulovatelný zdroj - Zdroj pevného stabilizovaného napětí - Sada elektronářadí - Soubor elektromateriálu pro výuku: stavebnicemi MERCUR E2 elektronic Edison 5 5
Bc. Miroslav MAĎA MODULÁRNÍ SYSTÉM ELEKTRICKÝCH VODIČŮ 3 SYSTÉM MODULÁRNÍHO ŘÍZENÍ BUDOV Sběrnicová elektroinstalace představuje jedinečné řešení elektroinstalace tehdy, když se staví nový dům nebo provádí kompletní rekonstrukce. Systém nabízí širokou škálu funkcí, které přináší uživateli domu příjemný komfort. Dále umožňuje integrovat jednotlivé technologie v domě, což kromě již zmíněného komfortu přináší zejména úspory. Způsob ovládání lze v průběhu času přizpůsobovat požadavkům uživatele a elektroinstalaci lze dále rozšiřovat. Velmi oblíbené je využívání aplikací pro chytré telefony nebo tablety, které představují efektivní a přehledný způsob kontroly nad domem a to kdykoliv, ať už jste doma nebo mimo svůj domov. Sběrnicový systém je schopný integrovat většinu technologií v domě a vhodnou regulací šetřit peníze za energie. Uživatel v danou chvíli nemusí řešit, zda je léto nebo zima. Jednoduše může nastavit požadovanou teplotu v místnosti a dům již automaticky ví, co má dělat. Úspory jsou nosnou myšlenkou, provázející celý inteligentní dům. Ten je pak schopný vypnout osvětlení a vytápění v místnosti v době nepřítomnosti, v zimě vytáhne žaluzie, čímž umožní prohřívání domu slunečními paprsky či naopak v létě uzpůsobí žaluzie tak, aby omezil prostup paprsků do místnosti a omezil tak četnost spínání energeticky náročné klimatizace. Součástí systému je i zabezpečení. Slouží k ochraně majetku i osob. Systém umožňuje připojení záplavového, teplotního, požárního detektoru či detektoru úniku plynu. Tyto jsou pak schopny na základě nepříznivých podmínek zavřít přívod vody, plynu, spustí ventilaci apod. Užitečná je také funkce simulace přítomnosti v době, kdy není nikdo doma. Ovládání inteligentní elektroinstalace je umožněno prostřednictvím: Nástěnných vypínačů Skleněných dotykových vypínačů Dotykového (3,5 ) displeje Aplikace ihc v telefonu nebo tabletu Počítače Televizní obrazovky Tím lze zachovat jak konvenční způsob ovládání, tak jej lze doplnit o možnost ovládání celého domu z jednoho místa. Další součástí systému je multimediální nástavba, která slouží k centrální distribuci hudby, filmů nebo fotek. [1] 3.1 Možnosti systému Úspora energií díky regulaci osvětlení a vytápění Ovládání rolet, markýz, venkovních či meziokenních žaluzií Stmívání světel, světelné scény 6
Informační a výukový manuál Bc. Miroslav MAĎA MODULÁRNÍ SYSTÉM ELEKTRICKÝCH VODIČŮ Spínání spotřebičů či elektrických zařízení na dálku Ovládání příjezdové brány, garážových vrat Logické a centrální funkce (odchodové tlačítko, ) Možnost manuálního ovládání i automatického režimu Reakce na (nežádoucí) otevření okna nebo dveří Reakce na pohyb osob (žádoucí i nežádoucí) Vzdálený dohled přes smartphone, tablet nebo PC Možnost ovládání přes TV obrazovku Integrace zařízení třetích stran (kamery, klimatizace )[1] Obr.3: Ukázka modulárního systému 4 VYUŽITÍ 4.1 Komfort Centrální ovládání sběrnicového systému nám umožní jedním tlačítkem ovládat celé skupiny spotřebičů, světelné i topné okruhy nebo všechny elektrospotřebiče najednou. Tím lze dosáhnout neomezených možností například při odchodu z domu zapomeneme vypnout osvětlení nebo žehličku ze zásuvky. Jedním stisknutím tlačítka odpojím nebezpečné silové okruhy a zhasnu všechny světla v domě. To se ovšem nesmí dotknout spotřebičů, které jsou na elektrické energii závislé (lednička, mraznička apod.). 7
Bc. Miroslav MAĎA MODULÁRNÍ SYSTÉM ELEKTRICKÝCH VODIČŮ Celý dům lze ovládat dálkově a to prostřednictvím webového rozhraní internetu nebo pomocí mobilní GSM sítě. Stejné funkce, jako má centrální ovladač, můžeme dosáhnout posláním jedné SMS nebo pouhým prozvoněním GSM brány napojené do systému. Velkým trendem jsou rolety nebo žaluzie. Ty lze efektivně ovládat jednotlivě, po skupinách (místnostech) či všechny najednou a to jak manuálně pomocí tlačítka, tak automaticky podle uživatelem nastaveného týdenního programu nebo na základě informací přijatých z venkovních senzorů osvětlení, rychlosti větru či deště. Hlavní výhodou je kombinace všech těchto technologií. Při nastavených scénách např. KINO se mi při zapnutí TV spustí žaluzie, světelné okruhy v dané místnosti sníží svou intenzitu na příjemných 20% a zesilovač se přepne do filmového módu. Po přerušení této scény se vše opět vrátí do původního stavu. Uživatel má volbu mezi neměnným závazkem prostřednictvím klasické elektroinstalace nebo flexibilitou a samotným komfortem, který mu nabídne inteligentní elektroinstalace. Shrnutí: stmívací funkce (postupný náběh/doběh, světelné scény apod.) ovládání pomocí telefonu, dotykového displeje, tabletu, smartphonu nebo prostřednictvím internetu (kompletní přehled o stavu systému) ovládání pomocí klasického ovladače IR paprsek ovládání hlasem regulace teploty pomocí automaticky nastavených programů nebo podle potřeb uživatele [1] 4.2 Úspora energie Je-li v domě efektivním způsobem řízeno vytápění, lze pomocí inteligentního systému dosáhnout energetických úspor až 30%, což už není nezanedbatelné číslo. Toto ovšem není tvořeno pouze vhodnou regulací vytápění, ale také kvalitní tepelnou izolací budovy, kvalitními okny a v neposlední řadě uživatelem samotným. Systém sám dokáže reagovat na otevření okna v místnosti při větrání. Vypne v dané místnosti topení a tím tak šetří energii spotřebovanou na vytápění. Při odchodu z domu automaticky přepne do úsporného režimu. Analogicky se chová po příchodu domů. Topení ovšem není jedinou funkcí, kde dokáže chytrý systém ušetřit. Toho lze docílit i zapínáním a vypínáním elektrických přístrojů během nepřítomnosti uživatele. Tato možnost plní jak funkci úspornou, tak funkci bezpečnostní. Shrnutí: regulace vytápění, klimatizace omezené spínání na základě pokynů uživatele nebo podle časového plánu 8
Bc. Miroslav MAĎA MODULÁRNÍ SYSTÉM ELEKTRICKÝCH VODIČŮ regulace osvětlení (lze dosáhnout až 10% úspory energií) spínání na základě senzorů (při soumraku, při určité teplotě apod.) odstavení určitých spotřebičů při dosažení denního limitu spotřeby energií nebo na základě tarifu elektroměru [1] 4.3 Bezpečnost Většina inteligentních elektroinstalací dokáže integrovat zabezpečovací systém alarm a tím ho povyšuje na vyšší úroveň. Neplní pouze bezpečnostní funkci, když není uživatel doma, ale dokáže mu pomoci v jeho přítomnosti. Mezi základní funkce patří opatření proti předcházení vzniku požáru, kdy může systém automaticky po detekci kouře odpojit varnou desku, či zamezit přívod plynu. Základem každého zabezpečovacího systému je ústředna, která je v inteligentní elektroinstalaci nahrazena centrální řídicí jednotkou. Systém tvoří řada detektorů: PIR detektory reagující na vyzařování v infračerveném spektru. MW detektory (micro wave) pracují na principu mikrovlnného záření. Duální čidla kombinace jednotlivých detektorů Magnetické kontakty - tyto senzory se umisťují na okna a dveře a signalizují jejich otevření. Na základě informací získaných od detektoru může systém například přerušit v dané místnosti vytápění. Detektor tříštění skla akustický snímač nastavený přesně na frekvence zvuku rozbíjeného, lámaného, tříštěného, případně i řezaného skla. Infrazávory - detekují přerušení neviditelného paprsku. Inteligentní elektroinstalace umožňuje vytvořit iluzi, že se v domě pohybují lidé. Je to preventivní opatření, které má odvádět pozornost od případných pachatelů v době nepřítomnosti uživatele. Shrnutí: alarm s dalšími rozšířitelnými funkcemi (simulace přítomnosti v domě) systém lze zastřežit pomocí klávesnice, karty nebo sepnutí určité sekvence tlačítek nastavení je zaheslováno na několika úrovních ochrana domu při nepříznivých povětrnostních podmínkách (při silném dešti zatažení rolet, stáhnutí markýzy, zakrytí bazénu apod.) koncové prvky (vypínače) jsou napájeny ze sběrnice bezpečným napětím 24V [1] 9
4.4 Osvětlení Informační a výukový manuál Bc. Miroslav MAĎA MODULÁRNÍ SYSTÉM ELEKTRICKÝCH VODIČŮ Lze nadefinovat jednotlivé okruhy, trasy nebo skupiny osvětlení. Denní nebo noční režim. Všechny funkce jsou definovány uživatelem. Díky sběrnicovému systému lze osvětlení spínat nebo stmívat a to opět lokálně nebo po skupinách. Lze vytvářet světelné scény. Například večer podle definovaného denního programu se mi rozsvítí lampička nad postelí, část chodby vedoucí do koupelny a koupelna samotná. Osvětlení se dá také kombinovat s bezpečnostními prvky integrovanými v domě. V noci nemusím hledat vypínač na zdi. Pokud mám v místnosti detektor pohybu, ví, že mi má rozsvítit na příjemnou intenzitu, abych se nevzbudil. Všechny světelné scény si může uživatel v průběhu užívání jednoduše měnit a není závislý na prvotní instalaci, jako tomu je u klasické elektroinstalace. [1] 4.5 Vytápění a chlazení Vytápění a chlazení lze ovládat manuálně, v závislosti na čase nebo v závislosti na venkovní teplotě. Teplotu můžeme řídit v každé místnosti zvlášť nebo ve všech místnostech najednou, případně po skupinách. Vytápění se primárně řídí nadefinovaným týdenním programem, který lze měnit na lokálních termostatech nebo vzdáleně přes internet či mobilní telefon. Lze ovládat více druhů topení. Teplovodní podlahové, elektrické nebo klasická topná tělesa. U teplovodního vytápění se využívá elektrických termopohonů, které ovládá automaticky inteligentní systém na základě výše zmíněných požadavků. Topení se chová v závislosti na přijatých informací z řídicí jednotky. Například podle toho, jestli se v místnosti někdo nachází nebo ne, zda je otevřené v tu danou chvíli okno nebo jestli uživatel samotný vnutil místnosti požadovanou teplotu. Podobným způsobem lze ovládat i chlazení. To je řešeno opět několika způsoby. Chlazení pomocí vody, pomocí vzduchotechniky nebo pomocí klimatizace. Všechny tyto systémy umí inteligentní elektroinstalace ovládat. Jestliže je v domě použito více technologií pro ohřev teplé užitkové vody (tepelné čerpadlo, solární kolektory, plynový kotel, apod.) inteligentní systém sám rozhodne, který zdroj je na základě vnějších a vnitřních podmínek v domě, vhodnější použít. Uživatele v tu chvíli zajímá pouze požadovaná teplota a ne technologie, kterou má být daná teplota dosažena. Aktivně s vytápěcím systémem pracuje i stínící technika. V případě hrozby přehřátí domu, systém automaticky zatáhne žaluzie, naopak v zimním období při intenzivním slunečním záření žaluzie vytáhne pro dosažení větších tepelných zisků. [1] 10
Bc. Miroslav MAĎA MODULÁRNÍ SYSTÉM ELEKTRICKÝCH VODIČŮ 5 ROZDÍL MEZI KLASICKOU A INTELIGENTNÍ ELEKTROINSTALACÍ Do stávajících a nově postavených domů přibyla spousta nových systému pro jeho bezpečnost, řízení a tvorbu pohodlí. S tím však nastává problém s velkým množstvím kabeláže, ovládacích prvků a složitou elektroinstalací k dosažení požadovaných uživatelských přání. [1] 5.1 Klasická elektroinstalace Klasická elektroinstalace byla primárně určena pro spotřebičové a světelné rozvody. Skládá se ze samostatných celků osvětlení, vytápění, ovládání topení atd. Neposílají se zde informace po sběrnici, ale spíná se přímo obvod příslušného spotřebiče. Jakékoliv změny vyvolané v klasické instalaci představují další náklady, opravy elektroinstalace, její znepřehlednění a hlavně stavební úpravy. Každý ze systémů vyžaduje samostatnou komunikační síť.[1] Obr.4: Schéma klasické elektroinstalace [1] Výhody a nevýhody klasické elektroinstalace Klasická elektroinstalace se využívá většinou v jednoduchých realizacích, kde máme v místnosti například jeden nebo dva světelné okruhy. V tomto případě by inteligentní elektroinstalace ztrácela význam. Jednou z hlavních výhod klasické elektroinstalace je její finanční nenáročnost, ta je ovšem na úkor flexibility. V současné době můžeme u klasické elektroinstalace hovořit pouze o řadě nevýhod ve srovnání s inteligencí. Mezi takové patří zejména nákladné změny spojené se změnami v elektroinstalaci, nepřehlednost kvůli většímu počtu kabelů a hlavně problémy při propojení s ostatními systémy. 11
Bc. Miroslav MAĎA MODULÁRNÍ SYSTÉM ELEKTRICKÝCH VODIČŮ 5.2 Inteligentní elektroinstalace Inteligentní elektroinstalace slouží k ovládání a zejména integraci použitých systémů, technologií a procesů v domě. Pomocí nich lze v domě komplexně řešit centrální ovládání, které je koncipováno do jednoho funkčního celku. V rámci tohoto systému je pak možné řešit měření a regulaci, sledování spotřeby energie, ovládání a řízení osvětlení, spínání ventilace, klimatizace, řízení žaluzií, rolet, řízení elektricky ovládaných střešních oken, garážových vrat, spínání závlahových systémů až po vizualizaci celého systému na mobilní telefon, dotykový panel, tablet nebo televizi. Inteligentní elektroinstalace je navržena tak, že jednotlivé technologie jsou propojeny sběrnicí. Ta umožňuje jednoduché projektování a návrh funkcí systému. Všechny ovládací prvky jsou propojeny stejným vodičem ve většině případu se jedná o kroucený pár. [1] Obr. 5: Inteligentní elektroinstalace [1] Jak už bylo řečeno, inteligentní elektroinstalace se zavádí zejména z důvodu vysokých požadavků na flexibilitu, ovládání, komfort a jednoduché instalace náročných elektrických systémů s požadavkem na minimální spotřebu energie. Spojuje klasickou silnoproudou instalaci spolu se slaboproudou technologií. 12
Bc. Miroslav MAĎA MODULÁRNÍ SYSTÉM ELEKTRICKÝCH VODIČŮ Výhody a nevýhody inteligentní elektroinstalace: Mezi hlavní výhody patří zejména poskytovaný komfort ovládání a řízení technologií v domě včetně spotřeby energie. U rozsáhlých systémů poskytuje inteligentní elektroinstalace určitou formu přehlednosti, jednoduchosti a komplexnosti. V tomto případě už se můžeme bavit o elektroinstalaci cenově srovnatelné nebo dokonce levnější oproti klasické instalaci. Další důležitou výhodou je možnost rozšíření systému bez ohledu na jeho náročnost nebo zapojení. Celý systém se dá postupem času měnit jak z hlediska zapojení, tak z hlediska funkcionality. Sběrnice je napájena malým napětím (27 V). Za nevýhody inteligentní elektroinstalace můžeme považovat finanční náročnost v menších aplikacích. Zde se jedná zejména o prestiž a komfort investora. 5.3 Porovnání jednotlivých elektroinstalací Rozhodnutí mezi klasickou a inteligentní elektroinstalací závisí na dvou hlavních faktorech. Na náročnosti elektroinstalace a na finančních prostředcích. Klasickou elektroinstalací můžeme pokrýt většinu požadavků kladených na elektrické vybavení budov. Pokud ale předpokládáme určitý komfort a řízení, má inteligentní elektroinstalace oproti klasické jasnou výhodu. Jsou jednodušší, přehlednější, umožňují snadné projektování a dodatečné rozšíření o další funkce. Inteligentní elektroinstalace nespíná přímo přívod elektrické energie pomocí ovládacího prvku, ale posílá signál řídicí jednotce, která na základě toho sepne příslušné relé ovládacího aktoru. Obr. 6: Srovnání spínání žárovky u klasické a inteligentní elektroinstalace[1] 13
Bc. Miroslav MAĎA MODULÁRNÍ SYSTÉM ELEKTRICKÝCH VODIČŮ U klasické instalace je tedy klasický vypínač, který po stisknutí sepne dané zařízení (světlo, topení, ventilátor apod.). Je to provedeno tak, že k vypínači je přiveden samostatně jištěný kabel, který vede až do samotného zařízení. Vypínačem se tedy přímo přerušuje napájení k danému zařízení. Každá skupina zařízení má svůj ovládací prvek, na který je napojená a je na něm závislá. U inteligentní elektroinstalace není ovládací prvek (inteligentní vypínač) přímo napojen na silové rozvody. Spínání probíhá tak, že danému tlačítku se programově přiřadí funkce, kterou má vykonat. Čili mu nastavíme, který spotřebič bude ovládat. Tím získáváme mnoho výhod. Postupem času můžeme vypínačům funkce měnit nebo přiřazovat nové. Můžeme skupiny zařízení sdružovat nebo naopak rozdělit. Sběrnice přivedená k inteligentnímu vypínači navíc plní i funkci napájení. Výhody inteligentního vypínače: Rozlišuje krátký a dlouhý stisk = více funkcí, více možností. Jeden vypínač nám umožňuje spínat i stmívat. Má integrovanou zelenou a červenou indikační diodu, která nám může dávat informaci o stavu daného zařízení. Má integrovaný teplotní senzor, na základě kterého můžeme řídit teplotu v dané místnosti. Umožňuje připojit dva bezpotenciálové kontakty (např. PIR, externí tlačítka) nebo jeden externí teplotní senzor (např. pro snímání teploty podlahy). [1] 14
Ing. Petr LITERÁK VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY 6 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY Větrné elektrárny jsou zařízení vyrábějící elektrickou energii prostřednictvím proudění vzduchu, to je větru. Vítr představuje energii vzniklou v důsledku otáčivého pohybu naší planety a působení slunečního záření zahřívajícího vzduch v zemské atmosféře. Vlivem rozdílů teplot v různých oblastech, vznikají i rozdíly tlakové, které způsobují horizontální proudění vzduchu, tedy vítr. Větrná energie tedy patří mezi nevyčerpatelné obnovitelné zdroje energie. Přeměna pohybové energie větru na energii mechanickou se v Evropě začíná využívat v 10. až 13. století ve větrných mlýnech pro mletí obilí nebo větrných kolech pro čerpání vody. V Čechách, na Moravě a ve Slezsku se využívala od 18. Století. K výrobě elektrické energie se používá přibližně sto let a to v souvislosti s rozvojem vývoje elektrických strojů na její výrobu. 7 PŘÍRODNÍ PODMÍNKY Větrná energie je jeden z nejdostupnějších obnovitelných zdrojů energie v ČR. Jejímu masovějšímu využívání brání sezonní kolísání rychlosti větru a technická náročnost související s jejich výstavbou a realizací elektrických vedení pro odvedení vyrobené energie do rozvodné sítě. Vhodné lokality se totiž nacházejí ve větších nadmořských výškách, obvykle nad 650 m n. m., s průměrnou roční rychlostí větru nad 4,8 m/s. Oblasti s průměrnou roční rychlostí větru znázorňuje větrný atlas České republiky vytvořený Ústavem fyziky atmosféry AV ČR. Obr. 7 Oblasti s průměrnou roční rychlostí větru v ČR 14
Ing. Petr LITERÁK VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY 8 VÝHRADY PROTI VĚTRNÝM ELEKTRÁRNÁM Hlavními důvody odporu obyvatel proti výstavbě větrných elektráren je doprovodný hluk, ohrožení ptactva, poškození území při výstavbě a negativní ovlivnění rázu krajiny. Proti těmto tvrzením svědčí následující skutečnosti: - ve vzdálenosti 200 m od středních a velkých větrných elektráren lze naměřit hluk pod 45 db. Při rychlosti větru nad 7 m/s je hluk způsobený prouděním vzduchu nad zemí, mezi stromy a domy větší, než hluk větrné elektrárny - výzkumy prokázaly, že riziko střetu ptáků s konstrukcí větrné elektrárny je ve dne téměř nulové a noci či za mlhy mírně stoupá. Průměrný počet kolizí ptáků s větrnými elektrárnami je obdobný jako na dálnicích a mnohem menší než u vysokonapěťových elektrických vedení, - při výstavbě větrných elektráren musí být respektovány zákony o ochraně přírody a krajiny. Podle těchto zákonů nejsou přípustné stavby v národních parcích, v přírodních rezervacích, v chráněných krajinných oblastech první zóny a v blízkosti národních památek Naopak výhodami větrných elektráren jsou: - automatické nebo dálkové natáčení elektráren pro co nejlepší využití větrné energie - možnost využití velkého rozsahu rychlosti větru a to od 3 do 26 m/s - jejich vysoká účinnost, která dosahuje u konstrukcí s horizontální osou až 48% a u konstrukcí s vertikální osou okolo 38% 9 PŘEHLED VELKÝCH VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN NA ÚZEMÍ ČR Obr. 8 Mapa lokalit na území České republiky s větrnými elektrárnami s výkonem nad 100 kw 15
Ing. Petr LITERÁK VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY 10 TECHNICKÉ ŘEŠENÍ STROJOVEN VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN Větrná elektrárna se obvykle skládá ze sklolaminátové gondoly, ve které je umístěna strojovna a z rotoru pohánějícího soustrojí elektrárny. Gondola včetně rotoru je otočně usazená na ocelovém nosném stožáru, ukotveném v betonovém základu. Obr. 9 Popis typické větrné elektrárny 1 - rotor s rotorovou hlavicí; 2 - brzda rotoru; 3 - planetová převodovka; 4 - spojka a brzda generátorového hřídele; 5 - generátor; 6 - pohon natáčení strojovny; 7 - brzda točny strojovny (gondoly); 8 - ložisko točny strojovny; 9 - hydraulický agregát brzdy rotoru a generátorového hřídele; 10 hydraulický agregát změny geometrie lopatek rotoru Typická větrná elektrárna s horizontální osou se skládá z: - rotoru umístěného na hlavním hřídeli elektrárny - brzdy, která je schopná podle potřeby za několik sekund zastavit rotor - převodovky upravující otáčky generátoru - generátoru vyrábějícího trojfázový elektrický proud o kmitočtu 50 Hz - elektromotoru pro natáčení celé strojovny - hydraulického agregátu pro ovládání brzdy rotoru, natáčení lopatek rotoru a brzdy točny strojovny Hlavní elektrický rozvaděč se silnoproudými rozvody a automatizačními obvody je umístěn ve spodní části nosného stožáru. Gondola je přístupná vnitřkem stožáru, kde je vedena i veškerá kabeláž mezi elektrickým vybavením gondoly a rozvaděčem. 16
Ing. Petr LITERÁK VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY 11 PŘÍKLADY KONSTRUKCE VĚTRNÝCH ELEKTRÁREN Obr. 10 Větrná elektrárna s horizontální osou Obr. 11 Větrná elektrárna Hostýnské vrchy 17
Ing. Petr LITERÁK VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY Obr. 12 Větrné elektrárny v přímořských oblastech Obr. 13 Montáž větrné elektrárny Obr. 14 Větrná elektrárna s vertikální osou otáčení 18
Ing. Petr LITERÁK VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY Obr. 15 Jiná konstrukce elektrárny s vertikální osou Obr. 16 Větrná farma 12 VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY MALÉHO VÝKONU Při využití malých větrných elektráren k zajištění dostatečného množství elektrické energie pro napájení elektrických spotřebičů instalovaných v rodinném domě, obytné usedlosti či rekreačním stavení je nutné, s přihlédnutím na nestálost větrného proudění vzduchu, doplnit větrnou turbínu o další nezávislé zdroje elektřiny. Vhodné je vytvořit sestavu tvořenou malou větrnou elektrárnou a soustavou solárních panelů odpovídajícího výkonu, které společně dodávají elektrickou energii do akumulátorových baterií. Prostřednictvím DC/AC měniče je stejnosměrná elektrická energie z akumulátorů upravena na běžné střídavé napětí 230V, 50Hz sinusového průběhu. Pro případ nedostatku energie musí být použitý ještě jeden 19
Ing. Petr LITERÁK VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY záložní nezávislý zdroj- generátor poháněný spalovacím motorem. Tímto způsobem lze zajistit dodávku elektrické energie omezeného výkonu bez připojení na veřejnou rozvodnou soustavu. Tento způsob zásobování obydlí elektrickou energii se označuje jako ostrovní systém. Obr. 17 Schéma ostrovního systému pro napájení domácnosti zelenou elektřinou Toto schéma je kombinaci větrné a solární elektrárny doplněné generátorem se spalovacím motorem. Příklady instalací kombinací větrné a solární elektrárny: Obr. 18 Přiklad energeticky soběstačného ostrovního systému 20
Ing. Petr LITERÁK VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY Obr. 19 Kombinace větrné a solární elektrárny 13 VÝHODY A NEVÝHODY ZAŘÍZENÍ NA VYUŽITÍ VĚTRU 13.1 Výhody - větrné elektrárny využívají nevyčerpatelný obnovitelný zdroj energie- vítr - neohrožují životní prostředí, neboť nevytváří škodlivý odpad - energie větru je velmi levný, i když nestálý zdroj energie - údržba větrných elektráren je minimální 13.2 Nevýhody - vysoká pořizovací cena nosné konstrukce a větrného motoru s generátorem - nákladné regulátory kmitočtu pro dodávku do veřejné elektrizační soustavy - mění ráz krajiny - ohrožují tažné ptáky - nesnadná akumulace vyrobené elektrické energie pro případ bezvětří 21
Ing. Petr LITERÁK VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY 14 ZHODNOCENÍ VĚTRNÝCH ELEKRÁREN Pro hromadnější rozšíření výstavby větrných elektráren svědčí celá řada výhod, ale i nevýhod. S přihlédnutí na stále se zvyšující spotřebu elektrické energie a ubývající zásoby fosilních paliv, zejména uhlí a ropy, bude nezbytné neustále se rozšiřující využívání obnovitelných zdrojů energie. V podmínkách České republiky se k těmto zdrojům řadí zejména větrná energie. I při komplikacích s výběrem vhodných lokalit pro budování větrných elektráren větších výkonů, bude jejich výstavba nezbytná. Výhodná se jeví i výstavba malých větrných elektráren v kombinaci se solárními panely, jako doplňkový zdroj ekologické elektrické energie pro maloodběratele. 22
Tomáš NEVŘELA FOTOVOLTAIKA 15 FOTOVOLTAIKA Fotovoltaika je technický obor zabývající se procesem přímé přeměny světla na elektrickou energii. Název je odvozen od slova foto (světlo) a volt (jednotka elektrického napětí). Proces přeměny probíhá ve fotovoltaickém článku. Obr. 20 Znázornění principu přeměny slunečního záření na el. energii Téměř veškerá energie, kterou na Zemi máme, pochází ze Slunce. Na území ČR dopadne za rok asi milionkrát více energie, než je roční spotřeba elektřiny. Sluneční záření lze nejefektivněji přeměňovat na teplo, přeměna na elektřinu je však dražší. Elektřinu lze získávat přímo pomocí fotovoltaických panelů nebo nepřímo pomocí větrných a vodních elektráren, nebo tepelných elektráren spalujících biomasu či bioplyn. Existují i zařízení, kde je teplo spalovacího procesu nahrazeno teplem ze speciálních slunečních kolektorů. Obr. 21 Způsob přeměny slunečního záření na elektrickou energii 23
Tomáš NEVŘELA FOTOVOLTAIKA 16 ZAPOJENÍ SOLÁRNÍCH ČLÁNKŮ Sériovým nebo i paralelním elektrickým propojením solárních článků vzniká po jejich zapouzdření fotovoltaický panel. Články jsou sério-paralelně elektricky spojeny tak, aby bylo dosaženo potřebného napětí a proudu. Panel musí zajistit hermetické zapouzdření solárních článků, musí zajišťovat dostatečnou mechanickou a klimatickou odolnost (např. vůči silnému větru, krupobití, mrazu apod.). Obr. 22 Vlevo zobrazení solárního článku a vpravo umístění solárních panelů s automatickým natáčením 17 SYSTÉMY PŘIPOJENÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ 17.1 Systémy připojené k síti (grid-on) Fotovoltaický zdroj elektřiny lze použít pro dodávku do distribuční sítě. Častěji se toto zapojení využívá v budovách, kdy fotovoltaika napájí přednostně spotřebiče v domě. Není-li v domě odběr, jsou přebytky prodávány do sítě. Avšak jsou tímto způsobem zkonstruovány obrovské fotovotaické elektrárny, kdy jsou fotovoltaickými panely zastavěná volná prostranství, pole, louky. Důvodem je pak především zisk díky výkupu takto vyrobené elektrické energie předními distributory. Tyto systémy se obejdou bez poměrně nákladných akumulátorů; jako nekonečně velký akumulátor jim slouží síť. Naopak vždy potřebují střídač, který přemění stejnosměrný proud z panelů na střídavý, na který jsou spotřebiče v domácnosti konstruovány. 24
Tomáš NEVŘELA FOTOVOLTAIKA Obr. 23 Propojení solárních panelů v systému grid-on Obr. 24 Vlevo ilustrační schéma připojení systému grid-on a vpravo plošné rozmístění fotovoltaických panelů 17.2 Samostatné (ostrovní) systémy grid-off Ve středoevropských podmínkách se častěji využívá fotovoltaika v místech, kde není k dispozici elektřina ze sítě. Tedy v případech, kdy jsou náklady na vybudování a provoz přípojky vyšší než náklady na fotovoltaický systém (cca od vzdálenosti k rozvodné síti více než 500-1 000 m, což je vždy nutno posoudit individuálně). Může to být chata, ale třeba i obytný automobilový přívěs, kde je možno díky slunečnímu záření využívat komfortu elektrického osvětlení, chladničky a dalších spotřebičů. Fotovoltaika také pohání nouzové telefonní budky u dálnic nebo výstražnou dopravní signalizaci. Můžeme narazit i na fotovoltaikou napájené parkovací automaty. Takové zařízení lze kdykoli snadno přemístit, bez nutnosti zásahu do infrastruktury pro napojení k síti. U připojených spotřebičů se pak klade důraz na nízkou spotřebu energie - čím menší spotřeba, tím menší a levnější je pak i fotovoltaický systém. Trh nabízí nejrůznější spotřebiče konstruované na stejnosměrný proud, od zářivek, přes chladničky, televize až třeba po vodní čerpadla. 25
Tomáš NEVŘELA FOTOVOLTAIKA Výkony se pohybují v řádech od 100 W p do 10 kw p špičkového výkonu. Investiční náklady na ostrovní systémy jsou v rozmezí 30-45 000 Kč/m 2, což zhruba představuje 270-400 Kč/W p. Systémy s přímým napájením se používají tam, kde nevadí, že připojené elektrické zařízení je funkční jenom po dobu dostatečné intenzity slunečního záření. Jedná se pouze o propojení solárního modulu a spotřebiče. Příklad aplikace: čerpání vody pro závlahu, napájení oběhového čerpadla solárního systému pro přípravu teplé užitkové vody, pohon protislunečních clon nebo nabíjení akumulátorů malých přístrojů - mobilní telefon, svítilna atd. Obr. 25 Propojení solárních panelů přímo se spotřebičem Systémy s akumulací elektrické energie se používají tam, kde potřeba elektřiny nastává i v době bez slunečního záření. Z tohoto důvodu mají tyto ostrovní systémy speciální akumulátorové baterie, konstruované pro pomalé nabíjení i vybíjení; automobilové akumulátory se zde příliš nehodí. Optimální nabíjení a vybíjení akumulátorů je zajištěno regulátorem dobíjení. K ostrovnímu systému lze připojit spotřebiče napájené stejnosměrným proudem (napětí systému bývá zpravidla 12 nebo 24 V) a běžné síťové spotřebiče 230 V/~50 Hz napájené přes napěťový střídač. Obr. 26 Zapojení systému s akumulací vyrobené energie 26
Tomáš NEVŘELA FOTOVOLTAIKA Obr. 27 Vlevo ilustrační schéma připojení systému grid-off a vpravo instalace na rodinném domě 18 FOTOVOLTAIKA V ARCHITEKTUŘE Solární panely se nejčastěji umisťují tak, aby byly orientovány na jih, se sklonem 30 a 60. Tak získávají nejvíce energie. Zařízení, která panely automaticky naklápí a natáčejí za Sluncem, se příliš nepoužívají, protože jsou nákladné. U větších systémů jsou solární panely z estetických důvodů často integrovány do fasády domu, i když to z energetického hlediska není nejvýhodnější. Architekt může při návrhu využít i to, že křemíkové články lze různě zabarvit. Obr. 28 Integrace fotovoltaických panelů do fasády domu 27
Tomáš NEVŘELA FOTOVOLTAIKA Obr. 29 Fotovoltaická elektrárna v Andalusii (Španělsko) 19 SOLÁRNÍ ELEKTRÁRNY V ČR Obr. 30 Vývoj nárůstu fotovoltaických elektráren 28
Tomáš NEVŘELA FOTOVOLTAIKA Obr. 12: Vývoj nárůstu výkonu fotovoltaických elektráren Obr. 13: Přehled největších solárních elektráren 29
Tomáš NEVŘELA FOTOVOLTAIKA Obr. 14: Počet fotovoltaických elektráren s výkonem nad 100kW v roce 2014 30
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] inels: Systém inteligentní elektroinstalace. [online]. [cit. 2014-05-16]. Dostupné z: http://www.inels.cz/ [2] Beranovský, J.; Truxa, J. a kolektiv: Alternativní energie pro váš dům. EkoWATT,ERA group spol. s r. o. 2004, 2. Aktualizované vydání [3] Kolektiv autorů: Průvodce energetickými úsporami a obnovitelnými zdroji energie. Regionální energetické centrum, o. p. s., TG Tisk, s. r. o., Lanškroun [4] Balák, R.; Prokeš, K.: Nové zdroje energie. Praha 1984, Polytechnická knižnice [5] www.zelenymost.cz, www.tzb-info.cz, www.nalezeno.cz/energie/vetrna-energie, archív foto Google 32