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.