Mgr. Magda Králová

Garant EduPortálu (Encyklopedie fyziky, Životopisy vědců a Věda a technika v pozadí)

Věda a technika v pozadí

Větrník nebo-li větrná turbína je stroj, který přeměňuje kinetickou energii větru na mechanickou energii. Jestliže je mechanická energie používána přímo strojem (např. jako čerpadlo nebo pohon mlýnských kamenů), pak se takové zařízení označuje jako větrný mlýn. Když je mechanická energie přeměňována na elektrickou energii, pak se stroj nazývá větrný generátor.

Teorie

Podle aerodynamického principu dělíme větrné motory na vztlakové  (vrtule, Darrieův rotor, mnohalopatkový rotor) a odporové (např. větrný mlýn, plachetní větrné kolo a Savoniův rotor). Odporové motory jsou z historického hlediska starší. Jejich princip je jednodušší, ale jejich účinnost dosahuje maximálně 20 %, proto se s jejich využitím v energetice nepočítá. Odporové motory využívají různého odporu vůči proudícímu vzduchu a tím i rozdílu sil působících na lopatky. Toho je docíleno buď různým tvarem lopatek (miskové lopatky) nebo jejich natočením.

Účinnost vztlakových motorů dosahuje až 59,3 %.  Vztlakové motory není třeba natáčet do směru převládajícího větru. Využívá síly, které vznikají na rotorovém listu při obtékání vzduchem, tzv. aerodynamické vztlakové síly. Tato síla vzniká díky speciálně tvarovanému profilu lopatek, podobně jako na křídlech letadla.

Podle směru osy rotace rozdělujeme větrné motory na vodorovné a svislé. Elektrárny se svislou osou otáčení se v praxi moc nerozšířily, protože u nich dochází k mnohem vyššímu dynamickému namáhání, které snižuje jejich životnost. U turbín se svisle uloženým rotorem odpadají problémy s odstavením rotoru při velké rychlosti větru. Systém Darrieus má  navíc tu přednost, že celé velmi hmotné technické zařízení spočívá nízko pod rotorem, což zvyšuje stabilitu konstrukce.


Exponát Druhy větrníků.
Zdroj: Techmania Science Center. Under Creative Commons.

Nejrozšířenějším typem jsou elektrárny s vodorovnou osou otáčení, které pracují na vztlakovém principu. Vítr obtéká lopatky s profilem podobným letecké vrtuli. Při stejném průměru rotoru v zásadě platí přímá úměrnost mezi počtem lopatek a frekvencí otáčení. Nejčastěji tyto elektrárny mají tři lopatky, ale používají se i rotory s jednou lopatkou. Jejich výhodou je, že u nich nedochází k nežádoucímu rozkmitání velkých větrných generátorů. Při otáčení listu je rozdíl v rychlosti větru v horní a spodní části krutu, který opisuje dvoulistá vrtule. Ty mohou dosahovat až 2,8 m/s. Na každou polovinu pak působí jiné síly, které turbínu rozkmitají. Jednolistou vrtuli lze navíc dokonale vyvážit protizávažím.

 
Typ Vrtule Rotor typu Savonius Rotor typu Darrieus Mnoholopatkový rotor, Halladayova turbína
Exponát 4, 6 3 5, 7 2, 8
Nejobvyklejší použití výroba třífázového el. proudu čerpání vody, výroby stejnosměrného proudu výroba stejnosměrného i střídavého proudu čerpání vody, výroba el. proudu v malém
Princip vztlakový, vodorovná osa otáčení odporový, svislá osa otáčení vztlakový, svislá osa otáčení vztlakový, vodorovná osa otáčení
Účinnost rotoru 45 % 23 % 38 % 20 - 43 %
Počet lopatek 1 - 4 2 2 - 3 až 150
Minimální pracovní rychlost větru (m/s) 3 - 6 2 - 3  5 - 6 0,16
Zajímavost nejpoužívanější často slouží k rozběhu motoru typu Darrieus rozběh jen s dopomocí  

 

Věda a technika v pozadí

Nejstarší solární články fungují už několik miliard let - jsou jimi fotosyntetická barviva rostlin přeměňující sluneční paprsky na chemickou energii.

Teorie

Listy rostlin mají plochý a tenký tvar, aby na velké ploše vystavily světlu buňky, obsahující chloroplasty se zeleným barvivem. Světlo tak může zcela proniknout do listové tkáně. Pokožka každého listu je pokryta póry, zvanými stomata, které řídí výměnu oxidu uhličitého a kyslíku mezi vzduchem venku a vnitřním prostorem listů.

Fotosyntézu ovlivňuje spektrální složení světla, které se mění s výškou Slunce a intenzitou záření, teplota (u našich rostlin je optimum asi 15 – 25 °C, při teplotách nad 30 °C nastává výrazný pokles rychlosti fotosyntézy) a voda, která je zcela nezbytná, její nedostatek se projevuje uzavíráním průduchů a zastavením přístupu CO2.


Zdroj: Techmania Science Center. Under Creative Commons.

Reakce, které jsou závislé na světle se nazývají fotomorfogeneze. Pomocí světla si rostliny utvářejí jak vnější podobu, tak i vnitřní strukturu a zároveň rostliny regulují svůj metabolismus i pohyby.

Pohybové reakce, kdy se rostlina ohýbá směrem ke světelnému zdroji se nazývá fototropismus. Je dána tím, že rostlina rozezná jak světelný podmět, tak i jeho polohu. Tato schopnost je důležitá zejména u klíčících rostlin, protože umožnuje rychlé dosažení polohy, která je vhodná pro fotosyntézu. Ne každý pohyb rostliny, který vznikl jako odpověď na světelný podmět, je fototropismus. Některé pohyby jsou vratné a nejsou tedy podmíněny růstem v ohýbající se části jako je tomu u tropismů. Takovými pohyby jsou např. denní-noční zvedání a klesání nebo otevírání se a skládání některých listů během dne v závislosti na slunci.

Věda a technika v pozadí

Bioplyn je plyn produkovaný během anaerobní fermentace organických materiálů a obsahuje až 75 % metanu, který známe také jako hlavní složku zemního plynu. S bioplynem tedy mužeme počítat jako s možnou alternativou tohoto neobnovitelného fosilního zdroje.

Teorie

Bioplyn je obnovitelný zdroj energie, který se využívá k výrobě elektřiny i tepla. Je to hořlavý plyn, který obsahuje zejména metan (CH4) a oxid uhličitý (CO2) - viz tabulka. Bioplyn má v současnosti největší potenciál ze všech biopaliv. Je to levný a v produkci CO2 neutrální zdroj energie.

metan CH4 50 - 75 % oxid uhličitý CO2 20 - 45 %
vodní pára  H2O 0 - 7 % sulfan H2S 0,2 - 4,5 %
kyslík O2 0 - 2 % dusík N2 0 - 5 %
vodík H2 0 - 1 % argon, amoniak, oxidu
uhelnatý a siloxanu
0 - 2 %

Bioplyn je produkovaný zejména v přirozených prostředích, jako jsou mokřady, sedimenty, trávící ústrojí (zejména u přežvýkavců), v zemědělských prostředích, jako jsou rýžová pole, uskladnění hnoje a kejdy nebo v odpadovém hospodářství na skládkách odpadů (zde je označovaný jako skládkový plyn), na anaerobních čistírnách odpadních vod (ČOV), v bioplynových stanicích.

Bioplyn vzniká v procesu anaerobní fermentace, pomocí anaerobních mikroorganismů, které vznikly v době, kdy atmosféra neobsahovala žádný kyslík. Aby se mohly anaerobní mikroorganismy množit, potřebují vytvořit vhodné podmínky: dostatek živin, vhodnou teplotu, správný interval hodnoty PH a prostředí bez kyslíku.

K výrobě bioplynu dochází v bioplynových stanicích, jejichž hlavní částí je fermentor či reaktor. Jde o velikou nádrž, kde se zředěná a rozmělněná organická masa promíchává a zahřívá přičemž dochází k rozkladným procesům a současné produkci bioplynu. Uvolněný bioplyn je následně odváděn do plynojemu, kde se dále upravuje a čistí. Vyčištěný bioplyn obsahuje až 98 % metanu. Takto vyčištěný bioplyn je vhodný pro pohon plynových motorů nebo jako alternativní palivo. Zbylým produktem při výrobě bioplynu je ekologicky nezávadná kapalná látka, tzv. digestát, která se používá v zemědělství jako vysoce kvalitní hnojivo.


Bioplynová stanice, Århus, Dánsko.
Zdroj: commons.wikimedia.ogr. Under Creative Commons.

Očištěný bioplyn (biometan) se používá pro pohon motorových vozidel. Je zbaven nevhodných složek, a proto obsah metanu v celkovém objemu narůstá. Biometan je svým složením identický se zemním plynem distribuovaným jako CNG. Rozdíl je pouze ve způsobu vzniku. Vozidla vybavená k provozu na CNG díky tomu mohou automaticky tankovat i bioplyn. 


Princip bioplynky.
Zdroj: Techmania Science Center. Under Creative Commons.

V současné době je v ČR provozováno více než 280 bioplynových stanic a stále přibývají nové. Aktuální podíl bioplynu na celkovém množství elektrické energie pocházející z OZE činí necelých 10 %. Nejdéle fungujícím zařízením na zpracování zemědělských odpadů v ČR je bioplynová stanice v Třeboni. Bioplyn byl poprvé používán k ohřevu lázní v Asýrii již v 10. století před n. l. První anaerobní fermentor v novodobé historii byl postaven v Indii roku 1859 v leprosáriu v Bombai. V Anglii byla roku 1895 postavena bioplynová stanice na odpadní vodu. Bioplyn z této stanice se používal na plynové osvětlení ulic.

Výhody - nevýhody
+ zužitkování velkého množství odpadu - obtěžování obydlených lokalit zápachem
+ výroba bioplynu neprodukuje vlastní odpad (zbylým produktem je digestát) - možným negativem je zvýšená hustota dopravy v obydlených lokalitách, která je daná nutností dopravování biomasy do stanice
+ bioplynová stanice vede ke snižování objemu skleníkových plynů   

 

Rezervace a nákup vstupenek

Recepce

Poradíme Vám s objednáním a nákupem vstupenek.