Výroba a rozvod elektrické energieVýroba a rozvod elektrické energie

Ing. Tomáš Mlčák, Ph.D.Ing. Tomáš Mlčák, Ph.D.

Doc. Ing. Vítězslav Stýskala, Ph.D.Doc. Ing. Vítězslav Stýskala, Ph.D.

Fakulta elektrotechniky a Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB informatiky VŠB –– TUOTUO

f i b /k t452f i b /k t452

Katedra elektrotechnikyKatedra elektrotechniky

www.fei.vsb.cz/kat452www.fei.vsb.cz/kat452

Technická zařízení budov III Technická zařízení budov III –– Fakulta stavebníFakulta stavební

Nejvyužívanějším typem relativního pohybu EM pole a vodiče je pohyb rotační

u(t)

a vodiče je pohyb rotační (využívaný ve většině běžných AC generátorů)

Časový průběh indukovaného napětíu(t) Časový průběh indukovaného napětí

ωtS

Rychlost otáčení,resp. otáčky n

J

i(t) - (střídavý proud – obou polarit)Mag. i(t) (střídavý proud obou polarit)gindukce B

u(t) – střídavé indukované napětí

Trojfázové elektrické zdroje napětíj j pAlternátory = AC generátory

V jeden konstrukční celek, zpravidla 3f synchronní alternátor jsou konstrukčně vkomponoványalternátor jsou konstrukčně vkomponovány 3 jednofázové generátory (prakticky jsou to jejich vinutí, do kterých se indukují jednotlivá fázová napětí)do kterých se indukují jednotlivá fázová napětí).Cívky jednotlivých fází alternátoru (zpravidla statorové) jsou fyzicky posunuty navzájem o 2/3π ( 120o el )jsou fyzicky posunuty navzájem o 2/3π (resp.120o el.).

S rostoucím jmenovitým instalovaným výkonem alternátoru rostou i jeho rozměry a hmotnost.Ze standardního trojfázového rozvodu (3f sítě) je odvozen i jednofázový rozvod (1f síť).

Rozdělení alternátorů(synchronních)

Podle počtu fází: - jednofázové a v elektroenergetice nejvíce používané - trojfázovéKmitočtu: nejpoužívanější je 50 Hz, některé generátory pracují s 400 Hz nebo vyšším (lodě, letadla)Napětí: jednofázové nebo trojfázové. V distribuční p j jsíti nn ČR a většiny Evropy je hodnota 230 V/400 VVýkonu: největší synchronní generátory v ČR majíVýkonu: největší synchronní generátory v ČR mají výkony 200 - 500 MW, výjimečně 1000 MW (JE Temelín))Typu: na turboalternátory a hydroalternátory

Princip 3f synchronního turboalternátoru názorně

kroužkytři fázové vodiče vedoucí kL1 L2 L3

L1

tři fázové vodiče vedoucí k blokovému transformátoru

L2L3

3f statorové vinutíNulový vodič

KartáčeN (S)

DC BUDIČ

+

S (J)

Rotor - otáčející se elektromagnet b ý ( áj ý) DC d j

S (J)

buzený (napájený) z DC zdroje

Pohled na 3f synchronní hydroalternátor(vodní dílo Lipno, 2x 60 MW)

Průmyslová výroba elektrické energiePrůmyslová výroba elektrické energieElektrárny a zdrojey j

Uh l éUhelné Jaderné SlunečníSluneční

Vodní Vodní přečerpávací

Termální Větrné

Kogenerační jednotkyKogenerační jednotkyPalivové články

Perspektivní zdroje

Stále rostoucí potřebu elektrické energieStále rostoucí potřebu elektrické energie pro průmysl, dopravu i domácnosti

mohou uspokojit jen dostatečněmohou uspokojit jen dostatečně výkonné elektrárny.

Na elektrickou energii se v nich přeměňuje teplo, energie proudící vody, jaderná energie. Využívá se i energie větru, slunečnícho záření,

geotermální energie nebo energie mořského příligeotermální energie, nebo energie mořského přílivu.

ČV České republice patří k dostupným zdrojůmpro výrobu elektrické energie

fosilní paliva (uhlí, mazut, plyn)jaderná energievoda

Řez tepelnou - uhelnou elektrárnou

KomínKomín

Parní potrubí -parovod

TurbínaAlterátor

ROZVODNA

Skladka uhlí vn vvn

Dopravník uhlí

Blokový transformátor

Parní kotel Kondenzor -chladič

Zásobník užitkové vody

Chladící voda

chladič

Další odkaz k tématu:http://www.energyweb.cz/web/schemata/tepelna/index.htm

http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/02/vyroba_5.htmhttp://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/05/elektrarny_2.htm

Princip výroby elektrické energie v jaderné elektrárně

Turboalternátorvvn vedení

Reaktor Parní turbína

Turboalternátor + blokový

transformátor

Oběhová

Chladící voda

Oběhová čerpadla

Řez jadernou elektrárnou

Kontejment Parní potrubí - parovod

Řídící tyče

Turbína

Čerpadlo

REAKTOR

y

Reaktorová nádoba

AlterátorVyvíječpáry

Chladící věž

TurbínaREAKTOR

KondenzátorČerpadlo

Kondenzátorchladič vody

Řez jadernou elektrárnou s varným reaktorem

Budova reaktoru –Budova reaktoru sekundární kontejment

Primární kontejment

Hlavní parovody Vývod el. energie

do rozvodnyReaktor

Vícestupňová turbína a alterátor

Kondenzátor vodyNapájecí

pumpyŘídící tyče

Odtok

Další odkaz k tématu:http://www.energyweb.cz/web/schemata/jaderna/index.htm

MISCELLANEOUS ELECTRICAL DEVICESPrincip solární fotovoltaické

elektrárny

Tok elektronůFotony

Tok elektronů

Atomy

El k StřídačElektrony

Zpětně odrazná plocha

Přední propustná plocha

Elektrická rozvodná síťVíce k tématu na:http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/05/fotoclanky_2.html

MISCELLANEOUSMISCELLANEOUS ELECTRICAL DEVICESPohled na solární

fotovoltaickou elektrárnuELECTRICAL DEVICESfotovoltaickou elektrárnu

Další odkaz k tématu:http://www.energyweb.cz/web/schemata/slunecni/index.htm

Vodní elektrárny

Využívají potenciální* a kinetické**energie vodního toku.

* Těleso o hmotnosti 1 kg má potenciální energii 1 J, je-li 0,1 m nad povrchem země. Těleso má tuto energii díky své poloze, např. zemské gravitaci.

** Těleso má kinetickou energii 1 joule jestliže má hmotnost 2 kgTěleso má kinetickou energii 1 joule, jestliže má hmotnost 2 kg

a pohybuje se rychlostí 1 m/s. Kinetická energie je vždy spojena s pohybem. p y

QUESTIONS?Řez vodní elektrárnou

QUESTIONS?Přehradní hráz

Vodní nádrž

Blokový

Přívod vody

Budova elektrárny

Blokový transformátor

vn vvn

Alternátor

Vodní turbína

Ř kŘeka

Další odkaz k tématu:http://www.energyweb.cz/web/schemata/vodni/index.htmhttp://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/04/vodnielektr_1.html

Řez vodní elektrnou a názorný princip elektromechanické přeměny energieelektromechanické přeměny energie

Stožár vvn

Elektrické vedení

vedení

Hydralternátor

Řez akumulační přečerpávací elektrárnou

H í ád ž

RozvodnaDispečink

PřítokHorní nádrž

Výtah

vn / vvnPRINCIP ČINNOSTI

Odt kVyrovnávací komora

Hlavní vstupní tunelDolní nádrž

vn / vvn

Odtok

R í t bí ( G át / M t č dl )

Transformovna

Brzda

Reverzní turbína ( Generátor / Motor- čerpadlo)

Více k tématu na:http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/04/energie_2.html

http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/06/precerpel_1.html

Řez geotermální elektrárnouTurbína + altrnátor

Geotermální zásobník

Ochlazená vodaOchlazená

voda Ochlazená vodavoda

zpětná

Proudy horké vody

Tekuté zemské jádro

Větrné elektrárny

Větrná energie představuje energii proudění vzduchu vůči zemskému povrchu větru kterývzduchu vůči zemskému povrchu - větru, který vzniká díky teplotním rozdílům různých oblastí

atmosféryatmosféry.

Větrné elektrárny využívají tohoto druhu energie k její přeměně na elektrickou energii vk její přeměně na elektrickou energii v

generátoru.

Větrné elektrárny se uplatňují dobřepředevším v oblastech se silným

a pravidelným větrem.

Mezi takové lokality patří především hory a přímořské kraje.

Přes nesporný užitek, který výstavba větrných elektráren jakožto

obnovitelných zdrojů elektrické energiepřináší, nelze pominout ani

estetická hlediska.

Sestava a princip činnosti větrné elektrárny s turboalternátorem 500 kW(při rychlosti větru 15 m/s)

Alternátor

Pohled na větrnou elektrárnuVíce k tématu na

http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/04/prednosti_3.htm

Princip vzniku tažné síly lopatek vrtule

Kogenerační jednotky (efektivní kombinovaná výroba tepla a elektrické energie)

Více k tématu na odkazu:http://www.tzb-info.cz/t.py?t=2&i=652

Kogenerační jednotka( )(srovnání energetických bilancí)

Oddělená výroba tepla Kombinovaná výroba teplaOddělená výroba tepla a el. energie

Kombinovaná výroba tepla a el. energie

CK

Á

GIE

ELEK

TRIC

ENER

G

PALIVO 100 %

PALIVO 100 %

Ztráty 13%NÁ

GIE Ztráty 13%

TEPE

LN

ENER

G

PALIVO 59 %

Ztráty 72%

Princip palivového článku

ANODA

ELEKTROLYT

KATODA

TOKAMAK - TOroidnaja KAmeraa MAgnetnyje Katuški)

Perspektivní energetické zdrojea MAgnetnyje Katuški)

Jedná se v podstatě o obrovskýtransformátor, jehož sekundární cívkamající pouze jeden závit má tvart id í t bi Pl t ř étoroidní trubice. Plazma tvořenédeuteriem a tritiem (izotopy vodíku) senachází právě uvnitř této trubice, vekteré je jinak vakuum. Elektrický proudprocházející primárním vinutímp j ptransformátoru indukuje elektromoto-rické napětí v sekundárním obvodu(toroidu). V plynu D+T vznikne výboj,plyn se ionizuje a indukovaný proud jejzahřívá na velmi vysokou teplotuzahřívá na velmi vysokou teplotu(přibližně 100 milionů °C). Magneticképole tohoto proudu udrží vznikléplazma v ose toroidu, takže se stěntoroidu nedotýká.

Díky magnetickému poli, které udržuje plazma v dostatečné vzdálenosti od stěn, se sníží tepelné zatížení stěn komory na technologicky zvládnutel-nou hodnotu (předpokládá se teplotní zatížení stěn kolem 1000°C).

Vice k tématu nahttp://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/03/reaktory_9.htm

http://www.cez.cz/encyklopedie/encyklopedie_energetiky/03/synteza_8.htmll

Výroba, přenos a distribuce éelektrické energie

Výroba

Přenos

DistribuceDistribuce

Přípojkyp j y

Mapa dislokace elektroenergetických Čzdrojů – výrobců v ČR

Vodní

Uhelné

Jaderné

Elektrický rozvod

Elektrický rozvod slouží

k přenosu elektrické energie

z místa jeho výroby k místu jeho

spotřeb a t oří hospotřeby a tvoří ho

elektrické sítě s různým napětím,elektrické sítě s různým napětím,

elektrické stanice a elektrické vedení.

Rozdělení vedení přenosové a distribuční soustavy v ČR

PŘENOS DISTRIBUCE (regionální distribuční společnosti, např SME, a. s.)

soustavy v ČR

ELEKTRÁRNA

Transformace na 110kV

Transformace na 22kV

(přenosová soustava ČR, ČEPS, a.s.)

( g p , p , )

Lehký průmyslMěsta a vesniceTransformace

400kVTR

TR

na 400kV,resp. 220kV

TR TR TRTransformace

na 22kV

22 kV (6kV) 22 kV 400V/230V

22 kV/6 kV22 kV

Vzdálené osamocené odběrná místa

Těžký průmysl

Zemědělství,menší firmy

TR

400V/230VTransformace

naG

400V/230VAlternativní a místní zdroje

Mapa přenosové sítě ČR

OSTRAVA

220 kV400 kV

Distribuční soustavaDistribuční soustava(příklad)

Elektrické sítěZabezpečují přenos a rozvod elektrické energie

Elektrické sítěZabezpečují přenos a rozvod elektrické energie

z míst její výroby do míst její spotřeby.P dl ý ítě dělíPodle významu se sítě dělí na:

napájecí (tranzitní), ř áš í ýk b i dběna přenášení výkonu bez meziodběru

přenosové, sloužící pro dodávku velkých výkonů na velké vzdálenosti(je tvořena zařízeními - konstrukcemi stožárů, elektrickými kabely, měřícími zařízeními apod., pro přenos elektrické energie)

rozvodné (distribuční) s rozvodnými stanicemi odbočkami arozvodné (distribuční), s rozvodnými stanicemi, odbočkami apřipojenými odběrateli (jsou tvořeny zařízeními - elektrické kabely, přípojkMI, měřícími zařízeními apod., pro rozvodel. energie)

místní sítě vysokého nebo nízkého napětí na území města nebomístní sítě vysokého nebo nízkého napětí na území města nebo obce přípojky sloužící pro připojené odběrných elektrických zařízení.

Elektrické staniceElektrické staniceElektrické stanice jsou součástí elektrickéhoElektrické stanice jsou součástí elektrického rozvodu a rozdělují se na :

transformovnytransformovnyspínací staniceměnírnyměnírny

V transformovnách se transformuje napětí na jinou velikost a rozvádí se elektrická energie při různém napětí, slouží také ke galvanickému oddělení jedné části sítě od druhé.

Ze spínacích stanic se rozvádí elektrická energie při stejném napětí p g p j pbez transformace.

Měnírny jsou určeny ke změně druhu proudu nebo kmitočtu ( např. naMěnírny jsou určeny ke změně druhu proudu nebo kmitočtu ( např. na usměrňování střídavého proudu na stejnosměrný, případně naopak) .

Elektrické vedeníElektrické vedeníJe součástí přenosových a rozvodných sítí.p ý ýPodle uložení vodičů a vyhotovení izolace rozeznáváme vedení:

ějšívnějšíkabelové vnitřní

vedení uvn ultra vysoké napětí napětí mezi vodiči nad 800 kV

Tab. č. 1 - Dělení el. vedení podle úrovně napětí

( není v ČR )ultra vysoké napětí, napětí mezi vodiči nad 800 kV

vedení zvn zvlášť vysoké napětí, 300 až 800 kV

vedení vvn velmi vysoké napětí, 52 až 300 kV

vedení vn vysoké napětí, 1000 V až 52 kV

vedení nn nízké napětí, 50 až 1000 V

vedení mn malé napětí, do 50 V

Spotřeba paa

využitívyužití l kt i ké ielektrické energie

Di tř b l kt i ké iDiagramy spotřeby elektrické energie

Spotřeba elektrické energie se mění v průběhu jednoho dne i celého týdne odběry energie se liší i v různýchdne i celého týdne, odběry energie se liší i v různých

ročních obdobích.Denní průběh spotřeby elektrické energie v ČeskéDenní průběh spotřeby elektrické energie v České

republice znázorněn na grafu č. 1.

Graf č. 2 ukazuje spotřebu elektrické energie během j gcelého roku.

Graf č. 1 – Diagram denní spotřeby el. energie

MAXIMUM

MINIMUM

Z grafu je vidět, že největší spotřeba (cca 11 000 MW) byla v době kolem 17. hodiny, zatímco v nočních hodinách nedosáhl ani 9000 MW.

Graf č. 2 – Diagram roční spotřeby el. energie

izima - jaro jaro - l é t o - podzim zima

Největší spotřeba je v zimním období, nejmenší pak v letních měsících.