ELEKTROTEHNIKA ISTOSMJERNE STRUJE II

Transcription

1 ELEKTROTEHNIKA ISTOSMJERNE STRUJE II SADRŽAJ 1. Električka energija i snaga 2. Naponski i strujni izvori 3. Elektrokemijski izvori električne struje 1

2 JOULEOVA TOPLINA pokus: Električka energija i snaga Otpor R u kalorimetričkoj bombi protjecan strujom I uz pad napona U. Otpor R se zagrijava i predaje toplinu vodi. Toplina koju je primila voda Q mc ϑ m masa vode c spec.t oplinski kapacitet vode υ - povećanje temperature vode Toplina koju je primila voda proporcionalna je jakosti struje I, padu napona U na otporu R i vremenu t - JOULEOV ZAKON Q U I t [ J] Toplina proizvedena u otporu R JOULEOVA TOPLINA 2

3 Električka energija i snaga Jouleov zakon uz UIR Q U R 2 U I t [ J] Q I R t [ J] Q t [ J] 2 Elektrotermički uređaji proizvodnja topline pomoću električne struje grijači (otpori) imaju veliki specifični otpor (legure Cr i Ni cekas, kanthal); industrijske peći (štapovi silicijevog karbida - siliti) Zagrijavanje vodiča Jouleova toplina stvara se svugdje gdje struja prolazi kroz otpor (el. aparati i uređaji) zagrijavanje vodiča (osim u elektrotermičkim uređajima) redovito je neželjena posljedica prolaska struje potrebno voditi računa o zagrijavanju vodiča (izgaranje izolacije, kratki spoj, požar) uzima se u obzir prilikom projektiranja 3

4 Električka energija Električka energija i snaga U pokusu u kalorimetričkoj bombi sva električka energija je pretvorena u toplinsku W električka energija W Q Q toplinska Izrazi za električku energiju W U I t W I 2 R t W U R 2 t Izrazi za električku energiju vrijede općenito, za bilo kakvo električno trošilo Jedinice J V A s Ws 1Wh 3600 Ws 3600 J 1 kwh 3, J 4

5 Smjer toka energije Električka energija i snaga Izvor daje električku energiju W, a trošilo prima električku energiju W Energije su jednake po iznosu (ako nema gubitaka) Ako struja ulazi na pozitivnu stezaljku u dio strujnog kruga, onda taj dio predstavlja trošilo tj. prima energiju Ako struja izlazi sa pozitivne stezaljke nekog elementa (dijela) strujnog kruga, onda je taj dio izvor tj. predaje energiju u strujni krug Isti električki uređaji mogu imati funkciju izvora električke energije, a u izmijenjenim uvjetima mogu biti trošila (el. rotacijski strojevi, akumulatori) 5

6 Električka energija i snaga Primjer smjer toka energije Dva naponska izvora spojena su prema shemi (protuspoj izvora) II Kirchoffov zakon U 1 IR U 2 0 Struja u strujnom krugu U U 2 I 9 R 1 A Električne energije u krugu W W W U1 I t R -180 J U R I t J U I t J 2 2 predznak (-) izvor U1 daje energiju predznak (+) otpor R prima energiju predznak (+) izvor U2 prima energiju Algebarska suma svih energija jednaka je nuli W1 + W2 + W

7 Električka snaga istosmjerne struje Snaga brzina vršenja rada P p W t [ W watt] Električka energija i snaga - vrijedi za jednoličan rad Trenutna vrijednost snage dw dt Ako je snaga promjenjiva, a treba se izračunati energija (rad) u nekom vremenu - izrazi se energija za infitezimalno kratko vrijeme dt dw p dt - i izračuna ukupna energija za konačno vrijeme t W t p dt 0 7

8 Električka energija i snaga Električka snaga istosmjerne struje ako se napon i struja ne mijenjaju P P W t I 2 U I t t R U I ostali izrazi za električku snagu istosmjerne struje (uz UIR) U P R U strujnom krugu sa više trošila suma snaga trošila jednaka je snazi izvora - primjer: serijski spoj dva trošila na jedan izvor 2 ( U + U ) I UI P P P U I + U I U U U primjer: paralelni spoj dva trošila na jedan izvor ( I + I ) UI P P P UI + UI U I I I 8

9 Korisnost (stupanj iskoristivosti) η Električka energija i snaga U realnim trošilima samo dio energije (snage) izvora pretvara se u koristan rad za koje je trošilo konstruirano, a ostali dio predstavlja gubitke energije W g W u W W g - gubitak energije W u - ukupna energija W - korisna energija korisnost nekog uređaja omjer korisno upotrijebljene energije prema ukupnoj energiji koja je upotrebljena u procesu transformacije η W W W W + u W g korisnost nekog uređaja izražena preko snaga P P η η 1 P P + U P g Pg snaga gubitaka Pu - ukupna snaga koju izvor predaje trošilu P - korisna snaga 9

10 Korisnost η uglavnom se izražava u postocima P η% 100 P + P g Električka energija i snaga Korisnost η nekih uređaja 10

11 Električka energija i snaga Mjerenje električke snage indirektno : mjeri se napon voltmetrom i struja ampermetrom direktno: vatmetrom (ima četiri stezaljke) kilovatsatnim brojilom 11

12 NAPONSKI I STRUJNI IZVORI 12

13 Realni izvori Električki izvori izrađeni su od realnih materijala i koji imaju određeni električki otpor otpor u samom izvoru naziva se unutrašnji otpor izvora R i u realnim izvorima dolazi do gubitaka Nadomjesna shema realnog naponskog izvora E elektromotorna sila izvora R i - unutrašnji otpor izvora U vanjski napon izvora (napon na stezaljkama) Naponski izvor u praznom hodu stezaljke izvora otvorene (priključen otpor R v ) struja kroz izvor I0 napon na stezaljkama izvora jednak je elektromotornoj sili UE

14 Realni naponski izvor u kratkom spoju Električki izvori stezaljke izvora kratko spojene (R v 0) struja kratkog spoja I K E R i napon na stezaljkama izvora jednak je nuli U0, unutrašnji otpor drži sav pad napona EI k R unutrašnji otpori su mali, redovito poteku velike struje (kratki spojevi - opasni) idealni naponski izvor R i 0 (teoretski) struja beskonačno velika 14

15 Realni naponski izvor sa priključenim otporom R v struja I u strujnom krugu Električki izvori I R E i + R v napon na stezaljkama (vanjski napon) U E I R i - napon na stezaljkama (vanjski napon) umanjen je za pad napona na unutrašnjem otporu - ako bi struja imala suprotan smjer (umjesto trošila drugi izvor veće elektromotorne sile) napon na stezaljkama promatranog bio bi uvećan za pad napona na unutrašnjem otporu 15

16 Električki izvori Vanjska karakteristika naponskog izvora Uf(I) pokazuje kako se s promjenom struje mijenja vanjski napon na stezaljkama izvora bitno za praksu: kakvi su naponi na stezaljkama izvora uz različite otpore trošila -ovisnost napona na stezaljkama U o struji I U E R I i -na slici to je pravac v U Ri I + E - točka P prazni hod - točka K kratki spoj - pad napona na trošilu R V U I R v -na slici to je pravac p točka T radna točka (pad napona na trošiluvanjskom naponu na stezalj.) ako se mijenja R v, mijenja se nagib pravca, položaj radne točke T, a time i vanjski napon na stezaljkama izvora što je R v manji, manji je vanjski napon na stezaljkama izvora 16

17 Električki izvori Serijski spoj naponskih izvora primjenjuje se kad je potrebno dobiti veći napon Ekvivalentni naponski izvor elektromotorna sila E E + E 1 + E2 E3 n E i i 1 alg - pri zbrajanju unutrašnjih napona pozitivni predznak imaju izvori čiji smjer se podudara sa pretpostavljenim smjerom ekvivalentnog izvora E unutrašnji otpor R R + R alg 1 + R2 R3 n R i i 1 17

18 Električki izvori Paralelni spoj naponskih izvora primjenjuje se kad je potrebno dobiti veću struju - ekvivalentni izvor pretvorbom u strujne izvore, a zatim u naponski Dva naponska izvora paralelno spojena u praznom hodu teče struja praznog hoda (oprez) I 0 E R E + R

19 Električki izvori Strujni izvor idealni strujni izvor daje stalno istu struju neovisno o trošilu R Realni izvor prikazan strujnim izvorom - R i unutrašnji otpor strujnog izvora - često se umjesto unutrašnjeg otpora R i rabi unutrašnja vodljivost G i 19

20 Električki izvori Paralelni spoj strujnih izvora Ekvivalentni strujni izvor struja I K I K I I 2 I3 I alg n i 1 I i unutrašnji otpor R i n R i R R R Ri i 1 1 R i 20

21 Električki izvori Pretvorba izvora naponski izvor može se transformirati u strujni; električke prilike gledano izvana ostaju iste mada unutar samog izvora postoji razlika u radu Ako se realni naponski izvor optereti sa R U I E E R R I i U i R i - ako se sve podijeli sa R i I I K I i - ako se elektromotorna sila E zamjeni sa strujnim izvorom I K kojemu je unutrašnji otpor Ri paralelno spojen u priključenom vanjskom krugu električke veličine (U, I) su iste 21

22 Električki izvori Pretvorba izvora I K E R i E I K R i 22

23 Električki izvori Paralelni spoj naponskih u ekvivalentni naponski izvor svaki pojedini naponski transformirati u strujni izvor naći ekvivalentni strujni izvor pretvoriti strujni u nadomjesni naponski izvor Serijski spoj strujnih u ekvivalentni strujni izvor svaki pojedini strujni transformirati u naponski izvor naći ekvivalentni naponski izvor pretvoriti naponski u nadomjesni strujni izvor 23

24 ELEKTROKEMIJSKI IZVORI Elektrokemijski izvori električne struje spremnici energije (baterije-galvanski elementi, akumulatori) i pretvarači kemijske energije u električku (gorive ćelije - gorivo se stalno dovodi izvana) 24

25 Elektrokemijski izvori Elektroliti otopine nekih tvari koje mogu voditi elektičnu struju (otopine soli, lužina ili kiselina) čista voda je izolator Elektrolitička disocijacija elektroliti u tekućinama raspadaju se na električki nabijene atome ili atomske skupine kad se sol otopi u vodi dolazi do slabljenja električke sile između molekula i atoma (NaCl Na + + Cl - ) F QNa+ QCl ε ( vode) 81 2 r 4πε ε r r u vodi elektrolit lako disocira; nastaju pozitivni ioni (kationi) i negativni ioni (anioni) 0 Elektroliza u elektrolitu postoje slobodni nosioci naboja: pozitivni i negativni (za razliku od metalnih vodiča) ELEKTROLIZA je protjecanje struje kroz elektrolit koje je praćeno kemijskim promjenama 25

26 Elektrokemijski izvori Elektroliza primjer - galvanizacija Elektrolit - vodena otopina srebrnog nitrata (AgNO 3 -> Ag + NO - 3 ) Anoda - srebrna pločica Katoda - bakrena pločica - Ag se izlučuje na katodi - posrebrivanje - NO 3 se izlučuje na anodi, spaja se sa Ag i vraća u elektrolit kao AgNO 3, tako da koncentracija otopine ostaje ista Faradayev zakon elektrolize količina izlučenih čestica materije na elektrodama ovisna o jakosti struje, vremenu protoka struje, i o vrsti tvari koja se izlučuje m a. I. t m - masa izlučene tvari I - jakost struje t - vrijeme prolaza struje a - elektrokemijski ekvivalent (npr. a Ag 1,118 mg/as) 26

27 Elektrokemijski izvori Elektrodni potencijal uzrokuju oksido-redukcijske kemijske reakcije između elektroda i otopine (oksidacija atomi ili skupina at. otpušta elektrone, redukcija primaju elektrone) Ako se bakrena elektroda uroni u vodu postoji mjerljivi potencijal bakra prema vodi Elektrodni potencijal nekih elemenata prema vodiku (25 C) 27

28 Elektrokemijski izvori Galvanski elementi neobnovljivi kemijski izvori energije sastoji se od vodene otopine nekog elektrolita i dvije elektrode različitog sastava razlika elektrodnih potencijala daje napon između elektroda E koji ovisi o vrsti materijala (ne ovisi o veličini elektroda) priključenjem trošila na elektrode poteče struja u vanjskom krugu od (+) prema (-) protjecanje struje uzrokuje elektrokemijske procese i promjene u pločama tako da se s vremenom smanjuje napon E Voltin galvanski element E1V V Cu Zn H2SO4 28

29 Elektrokemijski izvori Leclancheov (suhi) element -elektrolit: smjesa u kojoj se nalaze cink-klorid i amonijak-klorid -anoda: ugljen -katoda: cink -elektromotorna sila: 1,5 V -depolarizator: manganov superoksid (vodik uz anodu) Današnje baterije iz Leclancheovog elementa 29

30 Elektrokemijski izvori Akumulatori reverzibilni pretvarači energije kemijska energija u električku (pražnjenje) priključeno trošilo električka energija u kemijsku (punjenje) priključen na drugi izvor Olovni akumulatori elektrolit: otopina sumporne kiseline anoda: olovni dioksid katoda: olovo Proces pražnjenja: Proces punjenja: - prilikom pražnjenja dolazi do razrjeđivanja otopine (vodom), a prilikom punjenja se koncentracija otopine povećava (mjeri se areometrom) 30

31 Elektrokemijski izvori Punjenje i pražnjenje akumulatora - napon na stezaljkama akumulatora za vrijeme punjenja i pražnjenja (E članka 2V) V - pražnjenje: napon na stezaljkama s vremenom pada zbog pada elektromotorne sile 2,7 V 2V Punjenje Pražnjenje 1,83 V - ako se isprazni ispod 1,83 V ne mogu se punjenjem regenerirati elektrode 0 t - punjenje iznad 2,7 V, (postignuta puna koncentracija elektrolita) uzrokuje stvaranje eksplozivnih plinova 31

32 Elektrokemijski izvori Temeljne karakteristike akumulatora 1. Kapacitet akumulatora, 2. Dobrota 3. Korisnost 4. Specifična energija Kapacitet akumulatora je umnožak struje i vremena u kojem tu struju akumulator može davati. Jedinica: [Ah] Amper sati Definira se za nazivnu struju i radnu temperaturu, što znači da se akumulator kapaciteta 120 Ah i nazivne struje 10 A, može njome opteretiti 12 sati. Za struje različite od nazivne ne vrijedi gornji odnos. Opće pravilo: veće struje > manji kapacitet 32

33 Dobrota akumulatora ξ je omjer: ξ Ah pražnjenja Ah punjenja Elektrokemijski izvori Kod olovnih akumulatora dobrota oko Korisnost akumulatora je omjer energija: U pražnjenja η ξ U punjenja Wh Wh pražnjenja punjenja Za olovne akumulatore iznosi oko Specifična energija akumulatora je omjer spremljene energije i mase akumulatora. jedinica: [Wh/kg] Za olovne akumulatore je u granicama 20 do 35 Wh/kg Važno za specijalne primjene! 33

34 Elektrokemijski izvori Ostale vrste akumulatora Alkalijski akumulatori - Nikal kadmijum Litijum ionski Litijum ionski polimerni itd. 34

35 Elektrokemijski izvori Gorive ćelije izravno pretvaraju kemijsku energiju u električnu troše gorivo vodik i kisik (zrak) anoda: oksidacija (gubljenje elektrona) katoda: redukcija (primanje elektrona) PREDNOSTI dobra korisnost gorivo u prirodi neograničeno nema štetnih tvari kao nusprodukta rada NEDOSTACI proizvodnja i dobivanje vodika transport i skladištenje sigurnost (osobito u prometu) trenutno preskupo za šire tržište 35

36 Elektrokemijski izvori Goriva ćelija - princip rada H 2 ANODA KATALIZATOR ELEKTROLIT KATODA KATALIZATOR + e e + e e + 2

37 Naziv (vrsta elektrolita) POLIMERNA MEMBRANA ALKALIJSKA MEMBRANA FOSFORNA KISELINA RASTOPLJENI KARBONATI KRUTI OKSID kratica i engleski naziv PEMFC, Polymer Exchange Membrane Fuell Cells AFC, Alcalic Fuel Cells PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells SOFC, Solid Oxide Fuel Cells radna temperatura, C električni stupanj djelovanja h el, % 50-60» gorivo vodik (reformirani) vodik vodik (reformirani) vodik (reformirani) vodik (reformirani) i CO pretvorba goriva vanjska - vanjska vanjska i unutarnja vanjska i unutarnja oksidans kisik ili zrak kisik kisik ili zrak kisik ili zrak i CO2 kisik ili zrak područje primjene vozila i kogeneracija (manjih snaga) svemirska tehnika kogeneracija (manjih snaga) kogeneracija (većih snaga) kogeneracija (većih snaga) 37

38 Primjene: GORIVE ĆELIJE 38