List Saveza ener geti~ara
geti~ara
Broj
2009.
Broj 5 / Godina XI / Decembar
Decembar 2009.
UDC 620.9
620.9
ISSN br. 0354-8651
„ ekonomija „ ekologija
„ekonomija „ekologija
energija
REČ GLAVNOG I ODGOVORNOG UREDNIKA
Da bi časopis ENERGIJA bio sadržajan i tematski bogat neophodno
je da se stalno proširuje krug saradnika i čitalaca koji će obaveštavati o
novostima iz njihovih organizacija i institucija, o ostvarenim rezultatima
i uspesima u oblasti energetske privrede. Svi smo jednodušni u oceni da
časopis treba da bude bogatiji u stručnim prilozima, da broj rubrika treba
stalno povećavati, da kroz sažete informacije afirmiše ostvarene rezultate
u zemlji i inostranstvu.
Međutim sa žaljenjem moram da konstatujem da časopis retko prima
priloge i informacije od svojih čitalaca, i pored stalnih apela i poziva za
saradnju. Naša je želja da otvorimo nove rubrike kao što su»Informacije
iz naših preduzeća», »Novosti iz regiona i sveta», »Drugi pišu», «Novi
proizvodi i tehnologije», «Prikaz knjiga i disertacija iz energetike» i
dr. Da bi smo to ostvarili neophodna je Vaša pomoć i stalna saradnja.
Redakcija ostaje otvorena za tu saradnju i unapred je zahvalna za svaki
prilog i informaciju. Samo uz Vašu pomoć zajednički ćemo se izboriti za
sve sadržajniji i kvalitetniji časopis.
Takođe, iako je časopis ENERGIJA jedini u oblasti kompleksne
energetike u Srbiji, nije dovoljno izražen interes energetskih kompanija,
proizvođača opreme i uređaja i izvođača radova, za oglašavanje u njemu.
Time gube šansu da oglašavanjem i reklamiranjem obaveste potencijalne
investitore, kojih će biti sve više, o svojim mogućnostima projektovanja,
izvođenja i izrade energetskih instalacija i postrojenja. Imajući u vidu da
vršimo i razmenu našeg časopisa sa mnogim zemljama regiona i sveta,
oglašavanjem se stvara mogućnost informisanja stručne javnosti tih
zemalja o mogućnostima naših preduzeća, a time i lakši prodor na njihova
tržišta.
Beograd, januar 2010. godine
Glavni i odgovorni urednik
Prof. dr Nenad Đaji
„ekonomija „ekologija
energija
Energija/Ekonomija/Ekologija
IZDAVA^KI SAVET
Broj 5, mart 2009.
Dr Petar [kundri}, ministar
rudarstva i energetike
Mr Bo`idar \eli}, ministar za
nauku i tehnolo{ki razvoj
Mr Mla|an Dinki}, ministar
ekonomije i regionalnog
razvoja
Dr Oliver Duli}, ministar `ivotne
sredine i prostornog planiranja
Dr Kiril Krav~enko, gen.direktor NIS ad
Milo{ Bugarin, predsednik PKS
Dragomir Markovi}, gen.dir.
JP EPS-a
Dr Dimitrij Mali{ev, predsednik
UO NIS a.d.
Dr Aca Markovi}, predsednik
UO EPS
Prof. dr Milo{ Nedeljkovi},
dr`avni sekretar
Du{an Mraki}, dr`avni sekretar
Prof.dr Ivica Radovi}, dr`avni
sekretar
Dr Slobodan Ili}, dr`avni
sekretar
Neboj{a ]iri}, dr`avni sekretar
Ljubo Ma}i}, direktor Agencije
za energetiku Srbije
Dr Milo{ Milankovi}, gen.dir.
JP Elektromre`a Srbije
Du{an Bajatovi}, gen.dir.
JP Srbijagas
Sr|an Mihajlovi}, gen.dir.
JP Transnafta
Mr Zlatko Dragosavljevi}, gen.
dir. JP PEU
Branislava Mileti}, gen.dir.
EP Republike Srpske
Drago Davidovi}, predsednik
SE Republike Srpske
Dr Tomislav Simovi}, gen.dir.
Montinvest ad
Dr Vladan Pirivatri}, gen.dir.
Energoprojekt Holding
Zoran Predi}, gen.dir.
JKP Beogradske elektrane
Dr Bratislav ^eperkovi},
predsednik UO JP Transnafta
Stevan Mili}evi}, direktor
PD EDB, doo
Petar Kne`evi}, dir.
PD TENT, d.o.o.
Dragan Stankovi}, direktor
PD HE \erdap, d.o.o.
Mijodrag ^itakovi}, dir.
PD Drinsko-Limske HE
Dragan Jovanovi}, dir.
TE-KO Kostolac
Predrag Radanovi}, iz.direktor
NIS Naftagas
Arkadij Jerizarjan, iz.direktor
NIS Petrol
Sa{a Ili}, iz.direktor
NIS TNG
Slobodan Mihajlovi}, direktor
PD Elektrosrbija, d.o.o.
Neboj{a ]eran, direktor
PD RB Kolubara, d.o.o.
Tomislav Papi}, direktor
PD Elektrovojvodina, doo
Milo{ Samard`i}, direktor
PD Panonske TE-TO
Janko ^obrda, direktor
Novosadske toplane
Dragoljub Zdravkovi}, direktor
PD Jugoistok, d.o.o.
Boban Milanovi}, direktor
PD Centar, doo
Ra{a Babi}, direktor
Termoelektro, ad
Dr Nenad Popovi},
ABS Holding
Osniva~ i izdava~
Savez energeti~ara
Predsednik SE
Prof. dr Nikola Rajakovi}
Sekretar SE
Nada Negovanovi}
Glavni i odgovorni urednik
Prof. dr Nenad \aji}
Adresa Redakcije
Savez energeti~ara
11000 Beograd
Knez Mihailova 33
tel. 011/2183-315
faks 011/2639-368
E-mail:[email protected]
www.savezenergeticara.org.rs
Kompjuterski prelom EKOMARK
Dragoslav Je{i}
[tampa
„Akademska izdanja“,
Beograd
Godi{nja pretplata
- 8.000,00 dinara
- za inostranstvo 16.000,00
dinara
Teku}i ra~un SE
broj 355-1006850-61
Radovi su {tampani u izvornom
obliku uz neophodnu tehni~ku
obradu.
Nijedan deo ove publikacije
ne mo`e biti reprodukovan,
presnimavan ili preno{en bez
prethodne saglasnosti Izdava~a.
Milorad Markovi}, predsednik
HK Minel
Marko Pejovi}, potpredsednik
SE
Dr Dragan Kova~evi}, gen.dir.
EI „Nikola Tesla“
Dr Vladan Batanovi}, gen.dir.
Institut „Mihajlo Pupin“
Dr Zlatko Rako~evi}, gen.dir.
Instituta Vin~a
Prof.dr Miodrag Popovi},
dekan Elektrotehni~kog
fakulteta Beograd
Prof.dr Du{an Gvozdenac,
Tehni~ki fakultet Novi Sad
Prof.dr Milun Babi}, Ma{inski
fakultet u Kragujevcu
Dr Svetislav Bulatovi},
EFT Group
Slobodan Babi},
Rudnap Group
Dr Vladimir @ivanovi}, SE
Dragojlo Ba`alac, SE
REDAKCIONI ODBOR
Slobodan Petrovi}, sekretar
Odbora za energetiku PKS
Prof. dr Ozren Oci}
Prof.dr Petar \uki}, TMF
Dragan Nedeljkovi}, novinar
Dr Vojislav Vuleti}, gen.sek.
Udru`enje za gas
Radi{a Kosti}, direktor
Elektroistok izgradnja
Savo Mitrovi}, direktor
Sever Subotica
Dr Branislava Lepoti}, dir.
JP Transnafta
Mom~ilo Cebalovi}, dir.za
odnose s javno{}u EPS
Dr Predrag Stefanovi},
Institut Vin~a
Dr Du{an Unkovi}, NIS a.d.
Jelica Putnikovi}, novinar
Miroslav Sofroni},
PD TENT d.d.
Mile Danilovi}, dir.
Termoelektro Enel
Prof.dr Vojin ^okorilo, RGF
Krstaji} Sekula, novinar
Roman Muli}, SE
Rade Borojevi},
Privredna komora Beograda
Nikola Petrovi}, dir.
ENERGETIKA d.o.o.
„ekonomija „ekologija
energija
Sadr`aj
[005] M. Sre}kovi}, A. Kova~evi}, A. Milosavljevi}, S. Ostoji}, S. Jevti},
D. Kne`evi}
Energetika, kvantna elektronika, nelinearna optika i laserska
tehnika
[018] T. Milanov
Tri razli~ita dugoro~na re{enja na konzumu «Elektrodistribucije
Beograd» u izgradnji elektrodistributivne mre`e u naseljima sa vi{e
od 20.000. stanovnika
[029] N. Markovi}, M. Vuji~i}, D. Radosavljevi}
Kompromisno rangiranje u funkciji analize niskonaponske
mre`e razli~itih grupa potro{a~a za razli~ite tipove elektrifikacije
gradskog podru~ja
[032] D. Vukoti}, T. Milanov
D`ulovi gubici u niskonaponskim, srednjenaponskim i
visokonaponskim mre`ama na konzumu „EDB“
[044] A. Milosavljevi}, Z. Stameni}, S. Uzelac, R. Vrane{,
S. Poli}-Radovanovi}, B. Gruji}
Vi{ekomponentne legure aluminijuma, primena u
energetici i ispitivanju
[048] A. Todorovi}, B. Grgur
Odre|ivanje elektri~ne provodljivosti vodenog
rastvora kalijum hidroksida i litijum- hlorida modeliranjem
sistema diferencijalnim jedna~inama
[054] A. Todorovi}, B. Grgur
Tehno-ekonomski efekti ostvareni paralelnim vezivanjem nikalkadmijum akumulatora
[059] D. @. \urdjevi}, M. Jevti}
Issues and Prospects of Solar Power Engineering
„ekonomija „ekologija
energija
[067] S. Dragi}evi}, M. Lambi}
Energetski efikasno kori{}enje masivnog aktivnog solarnog zida
za grejanje prostora i akumulaciju energije
[071] S. ]ur~i}, S. Dragi}evi}, D. Labovi}
Logisti~ki sistemi za kori{}enje biomase i otpadnog drveta kao
energenata u komunalnim sistemima
[077] M. B. Jevti}, N. Stojni}
Istra`ivanje nove originalne metode elektri~nog
impulsnog pra`njenja u vodi za revitalizaciju drenova
filtera Ranny bunara
[084] D. \ukanovi}, D. Ze~evi}, M. Popovi}
Rekultivacija degradiranog zemlji{ta na povr{inskom kopu kamenog uglja Progorelica, Ibarski rudnici kamenog uglja - Baljevac
[087] S. \uri}
Eksperimentalno ispitivanje odsumporavanja dimnih gasova suvim postupkom pomo}u kre~a
energija
M. Sre}kovi}, Elektrotehnički fakultet Univerziteta u Beogradu, Beograd
A. Kova~evi}, Institut za fiziku, Zemun
A. Milosavljevi}, Mašinski fakultet, Beograd
S. Ostoji}, Tehnološko-metalurški fakultet Univerziteta u Beogradu,
Beograd
S. Jevti}, Arhi.pro d.o.o, Beograd
D. Kne`evi}, VTI, Beograd
UDC:620.9 : 620.1.08
Energetika, kvantna
elektronika, nelinearna
optika i laserska tehnika
Uvod
Mnogo je napisanih i izgovorenih
misli i reči, koje savremenici nisu
uzimali ozbiljno, dok se nisu susreli sa posledicama.To su iskusili
mnogi, pa i naš Nikola Tesla. Danas se
čovečanstvo bori za kvalitet vazduha,
vode, šuma i Kosmosa i traži konstantno nove izvore energije. Izvori,
koji su nekada stavljani u kategoriju
(školski): nekonvencionalni izvori
energije, sada postaju “sasvim obični”.
I dalje se vrše analize i vode diskusije
na temu kvalitetnih izvora, kvalitetnih
smerova kretanja pretvaranja energije i
u kategoriji koherentno-nekoherentno,
filozofski-tehnički i teoretski shvaćeno,
koherentnoj energiji bi trebalo da
pripadne sofisticirano visoko mesto po
“kvalitetu”. Takvi su i svi stimulisani
procesi i kvantni generatori [1–4].
Odnosi energetika-kvantna elektronika-nelinearna optika i laserske tehnike
su složeni i prepliću se [3–6]. Jedni
ne mogu bez drugih. Pitanja pumpe
(napajanja kvantnih generatora), ako se
ne poveže sa ne tako čestim tehničkim
rešenjem napajanjem putem solarne
energije ili prirodnih nuklearnih
zračenja, traži specifične visokonaponske generatore i postrojenja, zavisno
od opsega elektromagnetnog zračenja
u kome je postignuto stimulisano
zračenje, zadire u razne oblasti fizike i
tehnike (uključujući nuklearnu tehniku,
reaktore, itd.)
Tako se i kvantni generatori-laseri
povezuju sa problemima energetike i traženja teorijskih i optimalnih
praktično izvodljivih koncentratora
sunčevog zračenja i specifične aktivne
materijale (rešenja su vezana i za aktivne materijale kojima pripada sredina
CO).
Elektično aktivni oblak sa grmljavinom može da se posmatra kao elektrostatički
generator, koji lebdi u atmosferi sa malom električnom provodnošću. Nalazi se
između dva koncentrična provodnika površine Zemlje i visokojonizovanog sloja
atmosfere na visinama 50-60km.
D. J. Malan, 1967.
Iniciranje munje po volji na određenom mestu i u određeno vreme je stari Prometejev san, što je izgleda više vezano za legendu, nego za nauku.
P. Hubert, 1984.
Apstrakt
Koncept lasera, ključan za kvantnu elektroniku, iako uobičajeno asociran sa
primenama gde se efekti uočavaju ili pri malim energijama ili na malim
rastojanjima, može se povezati i sa pojavama u kojima postoje transferi velike
elektromagnetne energije. Optička nelinearnost nekih sredina, koja dolazi do
izražaja za veće energije elektromagnetnog zračenja koje propagira kroz njih,
igra važnu ulogu u razmatranju povezanosti energetskih tematika i prilaza sa
stanovišta kvantne elektronike. Određena pitanja akumulacije energije,
propagacije laserskog zračenja kroz transparentne i kondenzovane sredine i
njihove modifikacije će biti izložena u ovom radu.
Ključne reči:energetika, kvantna elektronika, laserska tehnika.
Energetics, Quantum Electronics, Nonlinear Optics and Laser
Technics
The laser concept, a key concept for quantum electronics, though commonly
associated with implementations where the effects are noticeable either for low
energies or for short distances, could also be linked to phenomena where
transfers of high electromagnetic energy occur. Optical nonlinerity of some
media, appearing for greater energies of the electromagnetic spectrum
propagating through them, plays an important role in considering the connection
between the topics of energetics and the approaches from the quantum
electronics point of view. Particular issues of energy accumulation, the
propagation of laser radiation through transparent and condensed media and
their modifications will be presented in this work.
Key words:energetics, quantum electronics, laser tehnics.
Pitanja koncentracije i
usmerene energije
magnetnog zračenja u fs i atosekundnom području.
Sledeća teza bi bila vezana za sadašnje
stanje koncentrovanih energija i tu se u
vrlo kratkim trenucima vremena nalaze
laseri sa najkraćim impulsima elektro-
Verovatno je munja i gromova bilo na
Zemlji dugo pre nastanka života na
našoj planeti (pre 3 milijarde go
[005]
energija
dina). Imali su ulogu u proizvođenju
organskih molekula neophodnih za
formiranje svih formi života. O tom
vremenskom periodu i procesima
svedoče fosilne staklene cevi stakala
fulgarita, stvorene pre 25 miliona
godina putem procesa atmosferskih
pražnjenja sa munjama. Nećemo sada
pričati o istorijskim stavovima humane
populacije u odnosu na gromove i
razne forme atmosferskih pražnjenja.
Sve stare civilizacije od Egipta, Mesopotamije iz 2299-te p.n.e, Veda, Indije,
Grčke, Rima, Skandinavije su u mnogo
prilika podsećali stanovnike Zemlje na
moguće munje i gromove.
Istorija, geografija, meteorologija su
snabdele sadašnje tehničke nauke
podacima, koji ne mogu da zaobiđu
ozbiljnost postojanja atmosferskih
pražnjenja. Detaljno praćenje uslova
povreda od atmosferskih pražnjenja
pokazalo je da je Campanile St.
Marka u Veneciji (100 m visoki toranj)
oštećena gromovima 1388, 1417,
1489, 1648, 1565, 1653,1745, 1761,
1762 godine. Prema nekim autorima
sistematsko proučavanje je počelo u
Francuskoj u selu Marly la Ville, blizu
Pariza. Onda slede Benjamin Franklin, James Clark Maxwell, naš Nikola
Tesla... I u prošlosti su se mešala
otkrića vezana za maglene komore (C.
T. Wilson) i nuklearnu fiziku sa drugim
oblastima [5, 6].
Sa ovih nekoliko crtica smo samo
pokušali da podsetimo, iako je svako
od živih bića imalo mnogo susreta sa
intenzivnijim ili manjim atmosferskim pražnjenjima i sa pražnjenjima,
koja se dešavaju kao akcidenti sa
električnim uređajima, centralama, sa
malim eksplozijama sijalica, kratkim
spojevima, ali i da nije mislilo na one
energije, koje se kriju iza pojava za
vreme grmljavima i munja. Na slici 1a,
b i u tabeli 1 su teze o kojima bi moglo
da se diskutuje. Profesionalni prilaz
tehnikama visokog napona i atmosferskim pražnjenjima je odavno ustanovio
procedure, uređaje, stavove i mnoštvo
zaštitnih mera, koje se godinama
neguju [7–9].
Napredak ultrabrze optike u fs i
atosekundnom području je ponovo
pobudio interes za laserski indukovanim dielektričnim probojima. Femtosekundni laserski impulsi sa vršnim
snagama reda GW mogu da propagiraju desetinama metara u laboratorijskim
uslovima. Dinamika vezana za ovaj
visokonelinearni fenomen još uvek
nije jasno modelovana (i razumljiva).
Istraživanja su počela sa IC laserima
(rubinski i Nd3+: YAG), laserskim
okidanjem pražnjenja, ali čini se da oni
nisu najpogodniji da iniciraju munje.
Sadašnja literatura i eksperimentalno
stanje favorizuju upotrebu UV laserskih impulsa, kao pogodnih sredstava za laserski indukovane munjepražnjenja. Analitičko rešenje bazirano
na Maxwellovim jednačinama postoji
za UV filamentaciju u vazduhu, usled
dinamičke ravnoteže iz 420 nm, 200
ps laserski impulsi sa vršnim snagama
50 MW (ili 12,5 mJ ulazne energije),
a dimenzijom snopa 100 μm su, čini
se, optimalna oruđа da se trigeruju
spoljašnja pražnjenja-munje (na
terenu). Dimenzija laserskog snopa ostaje relativno mala (manja od 0,3 mm)
posle propagacije 200 m u uslovima
normalne oblačnosti i vlažnosti pod
atmosferskim uslovima.
Fotojonizacija vazduha, efikasnost
kratkih impulsa, izbor talasne dužine,
UV model, trajanje, gubici snage,
evolucija snopa, simulacija rezultata i diskusija: UV snop i varijacija
dimenzija snopa, optimalni parametri lasera, izbor laserske dimenzije
i ulazne snage lasera su potrebni za
razumevanje problematike [10].
Odavno se čovečanstvo sa velikim
strahopoštovanjem odnosi prema
munji i gromu. Destruktivne posledice udara munje - groma, nisu
nikom nepoznate. Bezbrojne ljudske
nesreće, smrti i oštećenja (živi inventar, domaća stoka), hiljade šumskih
grmova je paljeno, kao i nebrojeno
mnogo oštećenja građevina, komunikacionih sistema, električnog prenosa i
uopšte energetskih sistema su uglavnom direktni rezultati munje-groma.
Istočno-malezijski sistem distribucije
električne energije je bio pogođen
munjama-gromom, koji je onesposobio
energetske uređaje nacije, nanoseći veliku štetu! Letelice i svemirski shuttle
nisu imuni na udare munja. 1969-te
je NASA-in Apollo-12 svemirska
letilica pogođena sa dva bljeska munje,
jednom sa tla i drugom iz pražnjenja
među oblacima za vreme lansiranja.
Srećom, letelica je preživela smetnje
glavnog sistema, a posada je uspela
da održi kontrolu i završi misiju na
Mesecu. Sa ovim potencijalnim opasnostima i pretnjama, koje predstavlja
munja, naučnici su pokušali da deluju
kontrolisano raznim tehnikama, koje
potiču od raketno trigerovanih munja
do laserom-indukovanih pražnjenja
[10].
Eksperimenti sa raketnim okidanjem atmosferskih pražnjenja, koji
se smatraju savremenom verzijom
pionirskih eksperimenata, su potvrdili
uspešna pražnjenja elektrificiranih
oblaka do 60% u Novom Meksiku.
Ovom tehnikom, raketa pričvršćena za
veliki kalem žice vezane za Zemlju,
bila je lansirana u olujne oblake.Vreme
lansiranja je određeno posmatranjem
električnog polja. Tehnika, koja se
činila izvodljivom, je imala nekoliko
Slika 1 Slika 1a. Električna provodnost δ i vreme relaksacije τ= ε0δ, gde je
ε0=8,85•1012F/m u odnosu na visinu, u raznim geofizičkim uslovima
LL-niske latitude, talasasti; MLPS-srednje latitude pre sunčevog izlaska (neuobičajeno);
MLTN-srednje latitude tipično noću (visoka latituda, mirno); AZTDN-zona aurore,
tipična noć sa nepogodama; MLD-dan sa srednjom latitudom, miran; MHL-srednje
visoka latituda, tipično 100 merenja; REP-relativistička energija elektrona (nekoliko MeV
do10 MeV), događaji sa padavinama; PCA-polarna apsorpcija (neuobičajeno), veliki
energetski fluksevi (100MeV) solarnih protona.
[006]
energija
Proučavane su i merene
veličine električnih
vektora i zavisnosti od
visine iznad Zemlje,
analize su vršene na
“klasični način” na
odnose: elektricitet i potencijal Zemlje (tabela 1
i slika 1a), provodnosti,
vremena relaksacije.
Definicija se smatra
subjektivnom. Podaci
leže blizu prave-linije
regresije [10].
Karakteristike impulsa električnog polja
asociranih sa raznim
procesima sa munjama
se daju u μs skali [10].
Polarnost početnog
poluciklusa u slučaju
bipolarnih impulsa i
tipične vrednosti su bazirane na velikom broju
autora i nepublikovanih
podataka o vremenima
trajanja totalnog impulsa
i intervalima između impulsa od μs do
60•103 s.
Slika 1b Trajanje pražnjenja prema zemlji u Tampa Bay, na Floridi; u postavljanju pravolinijskih zavisnosti (koeficijent korelacije
ρ=0,78) podaci o olujnim sistemima su
predstavljeni kao kombinacija oluja sa
jednim i više maksimuma.
po jedinici otpora 106 As2, ocenjuje se
da je opseg bljeska energije dovedene
do pogođene tačke od MJ do 10 MJ,
što je samo 10-2 do 10-4 totalne energije.
Tema iniciranja pra`njenja
uklju~uju}i i atmosferska sa
aktivno{}u sa Zemlje
Sada dolazimo na naše želje, da
laserom iniciramo proboj. Analiziraće
se i neka rešenja, koja su već odavno
predlagana, sadašnja rеšenja i modeli.
Neće se diskutovati drugi paralelni
načini: sa satelita, sa detektorima na
satelitima (primenom optičkih i dručih
detektora), itd [10]. Pre 1995-te, radilo
se pomoću analize fotografija. Nastupalo se sa mnogo radiofrekventnih
detekcija. Postizalo se 2% efikasnosti
detektora, a posebno bi trebalo diskutovati o načinima detekcije. Neki podaci o veštački izazvanim pražnjenjima
su bili vezani za žice od bakra ili
ćelije dijametra 0,2 mm na Zemlji
ili na raketi (dužina i 1 m). Bilo je
neuspešnih eksperimenata u zimskom
periodu (Japan). Neće se govoriti o
raketnim lansiranjima trigera, tehnikasmetnji. One su vezane za lansiranje
ma klasičnog iniciranja, zavisnostima
mnogo projektila u nebo i potencijalne
od visine, optičkim karakteristikama,
opasnosti za osetljiva mesta podstanica
oblicima strujnih talasnih oblika,
i za mreže za distribuciju energije, za
Prilaz: iskori{}enje energije
parametrima povratnih strujnih oblika.
odgovarajuće brzine raketa u odnosu
atmosferskog pra`njenja
Mnogobrojne su analize interakcije
na prostorni tovar i akumulaciju, koja
Čini se da je nepraktično (stav mass
munja sa objektima i sistemima, kao i
može efikasno da se štiti (brzina raketa medija) da se koristi energija mu5
-1
povrede (oštećenja). Interesantne su i
mora da bude veća od 2•10 ms , i
nje. Svako pražnjenje oblak-zemlja
analize povreda materijala laserom sa
9
10
vezana je za brzine drugih postojećih
uključuje energiju 10 do 10 J. Za
i bez izazvane plazme i čisto plazma
atmosferskih formacija pražnjenja)
poređenje, sijalica od 100 W za mesec
povreda materijala iz eksperimenata
9
[10]. Ove nezgode bi mogle da se
dana potroši 1,3•10 J (360 kWh), što
sa pražnjenjem laserskih elektroda
lako prevaziđu laserski indukovanim
se može uporediti sa jednim udarom
(pobuda električnim pražnjenjem i sl.)
pražnjenjima – munjama. Kolimisani
groma. Snaga jednog pražnjenja je
[11].
laserski snop jonizuje vazduh i stvara
visoka, ali se otpušta u impulsima
Pregledima raznih programa iniciranja
-4
-5
preferentni provodni kanal za slobodne vrlo kratkog trajanja reda 10 –10
pražnjenja, eksperimentima, mnoštvom
nosioce u atmosferi da “doplove” do
s. Kao rezultat munje, integral snage
propisa i administracije [7–9], koji su
Zemlje po bržoj i bezbednijoj putanji.
u kratkom periodu vremena je kroz
stremili što sigurnijim zaštitama od
srednju
vrednost
moguće
uporediti
sa
U tabeli 1a i b i na slici 1a, b i c mogu
atmosferskih pražnjenja, ispunjena je
mesečnom
potrošnjom
5
sijalica
od
se propratiti tipovi i stanje sa efektima
mnogobrojna literatura i velike su isto100
W.
Ne
dospevaju
sve
olujne
pražnjenja na Zemlji, rasprostranjenosrijske promene nastale u gledištima od
(munje) energije bljeska do tačke
ti nepogoda sa električnim atmosfersnuklearnih gromobrana do današnjih
udara. Sa tipičnom vrednošću energije
kim efektima (pražnjenjima).
standardnih mera zaštite [9].
Postoje mešani eksperiTabela 1 Maksimalne brzine munja u raznim tipovima oluja [10]: a) Pražnjenja sa
menti: pored linija prenosa
Zemlje b) Trajanje 0,6-30 minuta.
testirane su interakcije
sa mešanim objektima i
sistemima sa test transformatorima, pregrejanim
žicama, štapovima, eksplozivnim materijalima,
avionskim sistemima.
Monogo je različitih radova
bilo sa lutkama-modelimafantomima i kolima sa
metalnim krovom sa živim
zecom i pravljenjem fulgarita. Druge tehnike
[007]
energija
Slika 1c Svetska mapa godišnjih oluja sa atmosferskim pražnjenjem
iniciranja su vezane za: laserske i mikrotalasne snopove, vodene mlazeve,
nestacionarne procese gorenja. Sve se
to smatra za nekonvencionalne načine
iniciranja [10].
Laser-plazma kanali, vodeni mlazevi
i procesi gorenja su relativno slabiji
u odnosu na žice u smislu distorzija električnog polja i osetljivosti
na meteorološke faktore (vetar, kiša,
sneg). Provodnost kanala plazme
stvorene laserom je 10-3 Sm-1 slično
provodnosti vode, a za Cu je 5,8•107
Sm-1. Motivacija za proučavanje je
želja da se razviju zaštitni sistemi od
munja, koji bi sprečili pražnjenje i
udare kod kritičnih sistema ili strukture sa pražnjenjem olujnih oblaka
do označene tačke na Zemlji. Rakete
i tehnike sa žicom, vrlo efikasni u
istraživanju, nisu uvek praktični.
Proučavanje raznih parametara procesa, objekata i sistema, distribucija
snage su tematike, koje se otvaraju.
1958-1961 počinje se sa eksperimentima sa Zemlje [10].
Laserska istra`ivanja
Više tipova lasera se koristi u
pokušajima da se iniciraju at-
Slika 2a Jedna od prvih eksperimentalnih aparatura za proboj vazduha
[008]
mosferski procesi u IC području:
visоkoenergetski
tipično 10–100 J po
impulsu (IC laseri),
male energije mJ
ili manje (CO2 ili
Nd3+:YAG). Radilo se na snižavanju
probojnog napona u
procepu i posmatranju vođenja pražnjenja,
koji nisu direktno
pogodni za ostvarljivost iniciranja munja.
UV laserski sistemi
su primenjeni u ranim
stadijumima 1992-ge,
a radilo se i sa više
snopova. IC laser
fokusiran u vazduh je
i izazvao prvi proboj
vazduha [11–14]. Na
slikama 2a, b i c su
date neke od prvih
šema eksperimenata
sa probojem vazduha
laserom i interesantne razvijene
formacije (sablja). Na slici 2d su data
tri pražnjenja izazvana klasičnim
električnim naponom, spregnutom
plazmom i laserski indukovanom
plazmom [15]. Ovakvi procesi i viši
harmonici su prirodno i doveli do modela višefotonskih efekata.
Niz tačaka proboja postoji po snopu.
Aerosolne čestice veće od 1 μm
deluju kao jezgra za optički proboj.
Tako se dobijaju plazma kanali do 60
m i više. Provodnost 1 Sm-1 je reda
provodnosti morske vode (4 Sm-1) i
opada eksponencijalno sa rastojanjem.
Pojavljuju se i procesi
detonacija. Neki podaci su vezani za CO2
laser (70 J i početni
impuls ispod μs, a ceo
impuls je 6 μs) kada
su razvijane plazme u
opsegu 4 i 17 m.
Neka rešenja su bila i
sa kombinovanim X
zracima, predjonizacionim procesima itd.
Eksperimenti su vezani za toranj od 50 m
na vrhu brda od 200
m, CO2 laser, koji je
emitovao dva puta po
1 kJ – 50 ns impuls
i teleskop sa fokusiranjem sa velikom
aperturom (slika 3a).
Pod vedrim nebom,
dobijeno je 13 m
plazma kanala
energija
UV laseri
IC laseri procesima
lavinske jonizacije
proizvode visoku
plazmu, koja može
da blokira prolaz
snopa materijala
uopšte, a posebno
laserskih elektroda
iz pumpe [16].
Mi smo nekad i
poredili povrede
pri električnim
pražnjenjima na
elektrodama sa
povredama laserskim snopovima na
istim materijalima
i kombinacijama.
Slika 2c Laserska sablja sa dve mete; laserska sablja
Laseri stvaraju
je dobijena pri propagaciji snopa od prve do
putem višefotonske
druge mete; debljina liskuna 10 μm, na 4cm;
jonizacije i plazmu
Nd 3+:YAG laser: I/interval između dva fotosa male koncenje 1μs, II/integral bočni ove fotografije, III
tracije, transparoscilogram laserske snage, IV ma; propagira
entnu za laserski
brzinom 3 Mcm/s.
snop. Provodnost
mora da se drži
spoljašnjom energijom. Oslobođeni
elektroni vezuju
kiseonik da formira
spore jone O-2 i
jone O- sa nekoliko
ns. Primena drugog
snopa u vidljivoj
oblasti od nekoliko
μs je predložen za
odvajanje elektrona
od ova dva jona.
Nije jasno da li
sistem može da
napravi dovoljno
na vrhu, sa dve sekcije, sa dva snopa
dug provodni laser-plazma kanal,
od 8 i 5 m. Kada je bilo snega, broj
posebno u vreme padavina i vetra
“perlica“ plazme po jedinici zapremine (uobičajeni uslovi oluja). Laboralaser-plazma kanala opada 20% ili
torijski 200 fs bursti UV zračenja
više. Radilo se o redukciji aerosola.
(248 nm sa 0,2 mJ) su inicirali i
Eksperiment je vršen i sa 4 snopa.
vodili električna pražnjenja kroz 25
Slika 2b Fotografija jednog od prvih proboja vazduha
(Maker, Terhune Savage), 1963.
cm vazdušni interval. Postoji mnogo
drugih eksperimenata gde su intervali
mnogo duži i mereni sa desetinama
i stotinama metara. Televizija, film,
mass medija su odavno ovo pretočili u
svemirske vitezove, Jedi-je i svetlosne
sablje.
Mikrotalasni snopovi
Razmatrani su i laseri na slobodnim
elektronima (FEL) koji su slali snopove između Zemlje i olujnog oblaka.
Radilo se na 35, 90, 140 i 270 GHz,
jer atmosfera ima prozore na ovim
frekvencijama.
Sakupljanje energije pražnjenja
se može vršiti i na nekoliko mesta
provodnim elektrodama i sprovoditi
u banke kondenzatora, slika 3b [17].
Kada se stvori plazmeni filament
putem jonizacije, rasuta naelektrisanja
se sakupljaju sa elektrificiranih oblaka
za vreme oluje ili jonosfere za vreme
lepog vremena. Naelektrisanja se
“sprovode” kroz provodnu elektrodu
ka Zemlji da se spreči mogućnost
veštačkog okidanja-iniciranja
pražnjenja sa pratećim procesima,
koji mogu da unište laserski sistem.
Naelektrisanja se prenose do banke
kondenzatora, gde će ih sakupiti i
zadržati. Sa ovim pogledom na atmosferski elektricitet postoji nova aternativa kao izvor energije za budućnost,
a pražnjenje olujnog oblaka redukuje
mogućnost verovatnoće da potencijalno pražnjenje pogodi osetljivi rad
letilica i instalacije na Zemlji.
Efekti i modelovanje
Fotojonizacija u vazduhu. Vazduh trpi
mnogo optičkih proboja pri velikim
intenzitetima lasera, 1014 Wcm-2. To
je posledica brze depozicije energije
u malu zapreminu interakcije ili žižnu
oblast. Smatra se da su dva
Slika 2d Fotografija konvencionalnih pražnjenja: elektrodnog luka, induktivno spregnute plazme i laserom indukovanog luka; skale su različite [15].
[009]
energija
Slika 3a Ilustracija predloga da se dobije okidanje
pomoću visokog tornja sa laserom
Slika 3b Predloženi izgled laserskim okidanjem hvatanja energije pražnjenja [17]
energija i prelazi
jonizacioni potencijal vezanih elektrona, da udarom
jonizuju čak i više
molekula što vodi
do lavine sa rezultantnom formacijom plazme. Procesom inverznog
Bremmstrhlunga
slobodni elektroni
apsorbuju fotone
iz laserskog polja
kada se sudaraju
sa atomima ili
molekulima. Slobodni elektroni ne
apsorbuju fotone
lasera direktno
bez sudara. Oni
prosto osciluju u
električnom polju
pridruženom laserskom snopu a kada
se posmatra srednja
vrednost dolazi se
do zaključka
da elektroni ne
dobijaju dodatnu
energiju. Bazirano
na klasičnom
modelu oscilatora,
prag za intenzitet
jonizacije za lavinsku jonizaciju It se
ocenjuje po [17].
(1)
glavna mehanizma odgovorna za
fotojonizaciju vazduha: lavinska
fotojonizacija (kaskadna jonizacija)
vazduha i višefotonska jonizacija [16,
17]. Kod lavinskih procesa, vezani
elektroni u valentnoj ljusci molekula
vazduha imaju energetski procep veći
od energije upadnih laserskih fotona.
Mali broj slobodnih elektrona postoji.
Oni generišu na visokim visinama
jonizaciju molekula vazduha, radikala,
prekid aerosolnih molekula, termalnu
jonizaciju ili višefotonsku jonizaciju.
Slobodni elektroni će konstituisati
zahtevane “seed” elektrone za lavinsku
jonizaciju. Mada su slobodni elektroni u malim brojevima na početku i
imaju male kinetičke energije, procesima Bremstrahlunga, mogu da budu
ubrzani tako da im kinetička energija
poraste da jonizuju molekule pri sudaru, što rezultuje u više slobodnih,
ali sporih elektrona. Čitav proces se
ponavlja samo sa više dobijenih elektrona, kojima se pojačava kinetička
peff je efektivna brzina transfera
momenta između slobodnih elektrona
i teškog molekula koji se sudara, τp
širina laserskog impulsa frekvencije
ω. Intenzitet jonizacije će da smanji
prag, ako poraste širina laserskog
impulsa sa nižom frekvencijom lasera.
Brzina transfera momenata peff raste sa
koncentracijom neutralnih molekula ρn.
Zato sa porastom pritiska gasa P, sledi
da će prag za intenzitet jonizacije opasti za više pritiske gasa (tipičan slučaj
ω>>peff). Lavinska jonizacija raste
sa većim širinama laserskih impulsa
manje frekvencije (ili većih talasnih
dužina) i pri višim pritiscima gasa.
Drugi dominantni mehanizam fotojonizacije je proces višefotonske
jonizacije. Definisanje broja fotona
za n-fotonsku jonizaciju molekula, je
vezano za stav iz kvantne mehanike
da je u prelazima, gde postoji određen
broj rađanja i anihilacije fotona, broj
n-m gde se menja jedan broj 0, 1,
... , n odredjena n-to strukost [18].
[010]
Višefotonska jonizacija zavisi od
laserske radne frekvencije. Za (UV)
KrF laser sa centralnom talasnom
dužinom 248 nm, foton ima 5,013 eV
energije, a za daleku IC oblast CO2
laser sa centralnom talasnom dužinom
10,6 μm - 0,1173 eV. Za molekul
azota sa jonizacionim potencijalom
15,58 eV, broj fotona za jonizaciju je
4–133 u zavisnosti od korišćenog lasera. Generacija slobodnih elektrona sa
višefotonskom jonizacijom je predmet
mnogobrojne literature [17].
Za slučaj nezasićenosti zapremine
vazduha,
ρ0 >> ρe
(2)
važi
(3)
sa rešenjem
(4)
K je faktor oblika, I0 početni intenzitet
laserskog impulsa,τp širina laserskog
impulsa. Za impuls oblika četvrtke
K=1. Višefotonski koeficijent jonizacije σ(n) zavisi od laserske radne frekvencije. Za UV oblast je veće nego za IC.
Zavisnost σ(n) na frekvenciji lasera se
vidi u redukovanom broju fotona za
jonizaciju neutralnog molekula direktno za više frekvencije lasera. σ(n) je
efikasni presek jonizacije za neutralni
molekul. σ(n) za n-fotonsku jonizaciju
za molekul O2 je 1,91•10-28 s-1cm6W-3
(sa λ=248 nm) i 2,88•10-29 s-1cm6W-3
(sa λ=800 nm) [17]. Za male laserske
impulse, kada ne može da se izazove kaskadna jonizacija neutralnog
molekula, višefotonska jonizacija
dominira nad fotojonizacionim procesima. Biće dominantni mehanizam
na višim intenzitetima (i za kraće širine
impulsa), kraće talasne dužine (ili više
energije fotona) i niže gasne pritiske.
Efikasnost kratkih impulsa. Ideja
da se koristi snaga lasera i indukuje
električno pražnjenje kod gasova i
u vazduhu je još od vremena 1960tih [15]. Pretpostavka je bila da se
verovatnoća proboja gasa dešava
zbog fotojonizacije, koja zavisi samo
od snage laserskog impulsa, a ne od
intenziteta. Pokazano je da snažni
CO2 laserski impuls može da vodi
do snažnog električnog strimera u
vazduhu do rastojanja 71 cm [17].
energija
Električna pražnjenja sa velikim
procepom vođenog električnog
pražnjenja u vazduhu su ostala
nedostižna. Primena CO2 gasnih lasera dugih impulsa, optičke “perlice
proboja - loptice” su bile formirane
duž staze propagacije laser impulsa,
pre nego kontinualna jonizaciona
staza. Formiranje je putem lavinske
jonizacije. Sličan proces postoji u
transparentnom čvrstom materijalu,
gde nastaju ireverzibilna oštećenja,
kada se pređe kritična koncentracija
slobodnih elektrona i dostigne 1018
cm-3 [17]. Transparentni materijal sa
izazvanim probojem postaje netransparentan. Apsorbuje energiju laserskog
polja za grejanje plazme. Perlice
optičke plazme formirane u vazduhu
lavinskom jonizacijom ograničavaju
rastojanje propagacije za lasere dugih
impulsa. Zato se vodi računa o nosećoj
laserskoj frekvenciji i karakterističnim
frekvencijama prateće plazme. Dodatni
zahtevi dizajna lasera, širina kratkih
impulsa treba da se posebno analizira. Ultrakratki impulsi lasera imaju
mnogo veće intenzitete u poređenju
sa cw i dugim impulsima. Laserski
snop radijusa 100 μm sa početnom
ulaznom energijom 1 mJ za impuls
širine 100 ms će proizvesti 0,01 W
snage i 320 kWm-2 intenzitet. Isti snop
sa 100 fs impulsom razvija 10 GW
snage sa intenzitetom 3,2•1017 Wm-2,
12 redova veličine višim od širine 100
ms laserskog impulsa! Zbog ovih visokih intenziteta ultrakratki impulsi se
generišu sa varijacijama velikih intenziteta potencijalnih primena: laserska
ablacija i mikromachining, daljinska
kontrola i detekcija putem lidarskih
tehnika (LIDAR - light detection and
ranging), i laserski trigerovanim munjama. Zbog visokih intenziteta generisanih sa ultrakratkim impulsima lasera,
IC višefotonska jonizacija u vazduhu
preuzima vođstvo od lavinske jonizacije. Brzina fotojonizacije vazduha lakše
se kontroliše jednostavno kontrolom
ultrakratkih impulsa. Sa brojem fotona
potrebnih za jonizaciju neutralnih
molekula, n-fotonska jonizacija vazduha je proporcionalna n-tom stepenu
intenziteta, In [4]. Lavinska jonizacija
traži duže vreme za nastajanje. Pošto
se dostigne jonizacioni prag, kaskada
ili lančana reakcija slobodnih elektrona mora samo da bude smanjena
snižavanjem pritiska vazduha, što je
skoro nemoguće u spoljašnjim atmosferskim pražnjenjima. Za ultrakratke
impulse, dužina toplotne difuzije je
kraća. Turbulencije vazduha ne utiču
mnogo na formaciju jonizacione staze;
fotojonizacija vazdušnih molekula ostaje u maloj lokalizovanoj površini duž
staze (tabela 2). Primenom fs laserskih
impulsa, intenzivni impulsi mogu da
propagiraju do 10 km u atmosferu, a sa
6•1011 cm-3 elektronska koncentracija
jonizuje stazu za laserske impulse.
Koncentracija elektrona u eksperimentima prelazi minimalnu elektronsku
koncentraciju 5•1011 cm-3 za inicijaciju
munje.
Izbor talasne dužine lasera. Poređenje
ultrakratkih IC i UV laserskih impulsa
(tabela 1) indicira da je niži prag
ulazne energije potreban da dovede do
sličnih koncentracija elektrona u UV
oblasti kao što su one dobijene u IC
režimu. Niže ulazne energije, formiraju
filamente intenziteta u UV režimu
(nekoliko redova veličine niže od onih
u IC režimu). Ovo može da bude pripisano mnogo višim efikasnim presecima
za jonizaciju UV oblasti u poređenju
sa IC. U UV režimu nema spektralnih
proširenja ili konične emisije gubitaka. Gubici snage pri propagaciji
treba da budu manje u UV oblasti.
Gubici asocirani sa gubitkom snage
sa IC ultrakratkim laserskim impulsima u obliku cw generacije su mnogo
ispitivani i korišćeni za LIDAR ili
daljinske sisteme. UV laserski impulsi
su prirodno najbolji izbor za veštačku
inicijaciju pražnjenja munjom. Kako
su UV talasne dužine kraće, u opsegu
220–240 nm, imaju manje difrakcionih
efekata, pošto se dopušta sužavanje
snopa više nego za IC snop na istoj
stazi propagacije. Kraće talasne dužine
laserskih impulsa imaju i veću energiju
fotona; manje fotona trba da se jonizuje poseban neutralni molekul. Sce-
Tabela 2 Eksperimenti sa propagacijom ultrakratkih impulsa lasera u vazduhu za IC UV oblasti (prazni prostor
označava nepostojanje podataka, a ne fenomena)
[011]
energija
nario sa fotojonizacijom za UV snop
će verovatnije da bude višefotonski
proces sa višim višefotonskim koeficijentima jonizacije. To znači da kao
direktna posledica (2), intenziteti UV
lasera ne treba da budu vrlo visoki za
datu koncentraciju elektrona, koja se
dobija sa IC impulsima, tabela 2 [17].
(6)
daje ρn=4,3•1021 m-3 za intenzitet lasera
I=5•1015 Wm-2. Iz (6) i (5) je
(7)
UV model impulsa
Kada propagiraju u vazduhu, intenzivni ultrakratki laserski impulsi su
poznati po samofokusiraju zbog nelinearnog optičkog Kerr-ovog efekta.
Iznad intenziteta praga, samofokusiranje laserskog snopa prelazi difrakciju
i maksimum intenziteta laserskog
snopa raste, što vodi fotojonizaciji i
generaciji slabe plazme, koja defokusira laserski snop ograničavajući mu
intenzitet [17]. Ako su kompetitivni
procesi samofokusiranja, difrakcije i
defokusiranje plazmom uravnoteženi,
samovođenje snopa postoji pri velikim
rastojanjima - mnogo Rayleighevih
dužina [17]. Višestruka filamentacija
za IC i UV režime je nađena u eksperimentima za ultrakratke laserske
impulse u vazduhu, kada je snaga
nekoliko puta prevazišla kritičnu snagu
za samofokusiranje. Ovi filamenti
mogu da propagiraju i 100 m pod
laboratorijski kontrolisanim uslovima.
Niz modela je predloženo da objasni
nelinearnu dinamiku, samofokusaciono vođenje, pokretni fokus i model
dinamičkog prostornog popunjavanja.
Ovde je adaptiran i primenjen model
Schwarz and Diels na propagaciju
ultrakratkih UV impulsa u vazduhu.
UV talasna dužina 248 nm (KrF laser)
se smatra najpogodnijom da inicira
električno pražnjenje sa trofotonskom
jonizacijom molekularnog kiseonika,
kao dominantni izvor slobodnih elektrona.
Širina impulsa. Da bi se indukovalo električno pražnjenje, širina
impulsa treba da bude dovoljna da
stvori slobodne elektrone kroz procese
višefotonske jonizacije, ali mala da
lavinska jonizacija ne počne. Trofotonska jonizacija u vazduhu na morskom
nivou je
(5)
slično (3), ali sa uključenjem efekata
rekombinacije u vazduhu odnosno koeficijentima elektron-pozitivni jon rekombinacija. Na morskom nivou iznosi
1,1•10-12 m3s-1 sa mernim vrednostima
ρn=5,4•1024 m-3 i σ(3)=3•10-41 m6s2J-3. Za
ravnotežno stanje, dρe/dt=0, rezultuje u
ravnotežnu koncentraciju elektrona
prelamanja intenzitetno-zavisan od
plazma defokusiranja.
ρ=ρe/ρeq , a tN=βepρeqt je normalizovano
vreme pri ravnotežnoj gustini. Sa tN=1,
dobija se 75% ravnotežne koncentracije elektrona i minimalno vreme za
trajanje impulsa
(8)
(11)
i dobija se n3=3,35•10-31 m2 W-3/2. Tako
su po ovom modelu glavni mehanizmi
odgovorni za gubitke snage snopa:
plazma grejanje i trofotonska jonizacija kiseonika. Gubici su
(12)
KMPI i Kplasma su trofotonske apsorpcije i
plazma nelinearna apsoprcija, redom
Sledi da je minimum vremena 200 ps.
Za maksimalnu širinu impulsa,
posmatra se lavinska jonizacija. U
intenzivnim poljima elektron dobija
energiju, dE, putem inverznog Bremstrahlung za vreme dt
(9)
I je intenzitet lasera, e i me - naelektrisanje i masa elektrona, c - brzina
svetlosti u vakuumu, ε0-permitivnost
slobodnog prostora i vei koliziona frekvencija elektron-jon
(1,67•1010 s-1 [17]). Gornja granica
se dobija za jonizacioni potencijal
kiseonika UI (1, 2 eV), dobija se vremenski interval ∆t iznad koga počinje
elektronska kaskadna jonizacija u
vazduhu (∆t ~63 ns). Po ovom modelu sledi analiza stacionarnog stanja
propagacije UV snopa sa impulsima sa
200 ps – 60 ns. Koristi se standardni
Gaussov snop sa amplitudom polja; ω
-radijus snopa na mestu e-2 intenziteta
0
i k - talasni broj. Radijus snopa ω,
talasni front krivine R i fazni faktor Φ
se definišu prema z - propagacionom
intervalu [17].
Gubici snage. U UV modelu, kada
snop propagira u vazduhu, dolazi do
efekata samofokusiranja zbog nelinearnog Kerr-ovog efekta i defokusiranja
putem generacije elektronske plazme.
Ovi procesi su uključeni u indeks
prelamanja vazduha.
(10)
n0 je linearni indeks prelamanja vazduha, n2=7,8•1023 m2W-1 je intenzitetnozavisan od samofokusiranja a n3 indeks
[012]
(13)
(14)
sa l=c/(2vei) srednjom slobodnom
putanjom elektrona u plazmi.
Evolucija dimenzije snopa. Polazeći
od Maxwella i pretpostavljajući Gaussov snop u cilindričnom koordinatnom
sistemu za cw laserski snop dobijaju se
kritična snaga i Rayleigheva dužina
(15)
(16)
Sa λ=248 nm i ω0=100 μm se dobija
kritična snaga 31 MW, Rayleigheva
dužina zR od 0,13 m. Iznad kritične
snage i u odsutnosti ravnoteže defokusiranja plazmom (Kplasma =0), laserski
snop se samofokusira u vazduhu do
rastojanja za samofokusiranje 0,1033
m, što je malo manje od Rayleigh
dužine.
Simulacija i diskusija
Na osnovu takvog modela opisuje se
izmena karakteristika snopa i snage
pri propagaciji UV lasera u vazduhu.
Simulacija efekata i radijusa su za
diskusiju.
UV snaga snopa i varijacije
dimenzije snopa u vazduhu. Dva seta
početnih uslova, ulazne snage ispod
i iznad kritične snage Pcr su izabrane
da prouče kako izbor početne snage
energija
Slika 4a Varijacija snopa za Pin=20 MW i ω0=80μm
snopa utiče na dinamiku propagacije u
vazduhu. Za početnu snagu P=20 MW
sa snopom radijusa ω0=80 μm, sl. 4a i
b pokazuju varijaciju dimenzija snopa
i slabljenje snage sa propagacionim
rastojanjem.
Pokazuje se da ispod kritične snage
za samofokusiranje, laserski snop
divergira pri propagaciji u vazduhu.
Snop divergira pri propagaciji u
vazduhu (linerna difrakcija). Posle
200 m propagacije, laserski snop ima
radijus 14 cm (upoređen sa prvobitnom
dimenzijom 80 μm). Iznad kritične
snage, divergencija laserskog snopa
Slika 4a Slabljenje za Pin=20 MW i ω0=80μm
lotu. Temperatura vazduha raste. Vrući
centralni delovi ekspanduju radijalno
prema spoljašnjosti brzinom zvuka, što
rezultuje u pad gustine, a to dalje utiče
i na indeks prelamanja. Snop podleže
slabom ali observabilnom defokusiranju slično prolazu kroz rasipno sočivo.
Ispitivanja filamentacije UV laserskih
impulsa sa početnim vršnim snagama
većim od kritične 31 MW, sa početnim
ω0=80μm, su date na slici 5a, b, c i d.
Slika 5a, b i c opisuju varijaciju dimenzije filamenta za razne ulazne snage
50–400 MW. Za 50 i 100 MW ulazne
snage, filament pokazuje postepen
porast dimenzije snopa. Filament trpi
inicijalnu kontrakciju za ulazne snage
200 MW i veće. Za velike ulazne snage
(400 MW i veće), dimenzija filamenta
teži da poraste eksponencijalno posle
inicijalne kontrakcije. Iznenadni porast
u dimenziji filamenta je prouzrokovan
stvaranjem plazma kanala. Početna
kontrakcija dimenzije snopa rezultuje
u vrlo velikim intenzitetima laserskog snopa i fotojonizaciji molekula
vazduha. Kada se plazma formira,
deluje tako da defokusira laserski
snop (pošto plazma defokusira indeks
prelamanja n3). Formacija plazme se
Slika 5 Varijacija dimenzija snopa sa rastojanjem za razne ulazne snage ali isto ω0=80μm: (a) varijacija dimenzije
za ulazne snage 50 i 100 MWsa ω0=80μm; (b) varijacija sa r ulaznom snagom 200 MW sa ω0=80μm; (c)
varijacija dimenzije za ulazne snage 200 i 400 MW sa istim ω0=80μm
(a)
je mala. Slika 4b pokazuje
linearno slabljenje snage sa
dužinom propagacije. Gubitak snage može da se pripiše
efektu termalnog bloominga,
koji je asociran sa visokom
iradijansom laserskog snopa.
Ovaj termo-optički efekt
se objašnjava time što pri
propagaciji laserskog snopa
velike iradijanse kroz stacionarnu atmosferu (početna
temperatura T0, gustina
ρ0 i indeks prelamanja n0)
molekuli apsorbuju fotone
i energija se pretvara u top-
(b)
(c)
Slika 5d Slabljenje snage sa propagacionim rastojanjem za ulazne snage 50, 100, 200 i 400 MW
[013]
prati sa značajnim opadanjem
snage transmitovane kroz
filament. Dalja redukcija
je vezana za apsorpciju
plazme i grejanje. Slika 5d
pokazuje da se procentualno
smanjenje transmitovane
snage u filamentu događa za
najmanje ulazne snage 50
MW. Ako raste ulazna snaga,
dolazi do većeg slabljenja.
Za četiri različite upadne
snage (50, 100, 200 i 400
MW), snaga uhvaćena u
filamentu stabilizuje se oko
50 MW posle 100 m. Ovo
energija
Slika 6 Varijacija filamenta za w0 vrednosti 80, 100, 200, 500 i 1000 μm za P=50 MW
(b)
(a)
se slaže sa eksperimentom.
Slika 7
Energetski sadržaj filamenta
u vazduhu obično dostigne
kritičnu snagu Pcr ili malo
višu da prevaziđe različite
gubitke. Mogu biti vezani
i za disperziju, Raman
efekte, Rayleigheve gubitke,
Brillouinovo rasejanje i
plazma-termalnu apsorpciju.
Za ulazne snage veće od
100 MW, veliko eksponencijalno opadanje transmitovane snage u filamentu
se objašnjava formacijom
višestrukih filamenata. (eksperimentima za IC i UV režime bilo
je objašnjeno teorijski). Objavljeno
je postojanje i 200 UV filamenata u
vazduhu na 12 m sa srednjim filamentom dužine 0,5 m i generacijom
3•1015 cm-3 (koncentrcija elektrona). Višestruki filamenti interaguju
međusobno, dajući utisak jednog
kontinualnog filamenta koji propagira.
Na ovome je baziran dinamički model
prostornog popunjavanja. Model
objašnjava da prvi deo incidentnog
impulsa stvarajući utisak da
jedan samovodjeni impuls
propagira na velikom
rastojanju.
Optimalni parametri lasera.
Analizirani su [17] parametri lasera, koji su pogodni
za iniciranje pražnjenja u
vazduhu. U tom cilju su
tražene zavisnosti različitih
dimenzija snopa iste snage i
različite ulazne snage s istom
dimenzijom preseka snopa.
Radilo se sa konstantnom
upadnom snagom P=50 MW,
za dimenzije ω0 od 80, 100,
200 i 400 μm (slika 6a, b i slika 7).
Po slici 6a i b, ω0=100 μm je najbolji
izbor za trasu od 200 m propagacije.
Važno je da intenzitet lasera (a ne
upadna snaga ) igra glavnu ulogu u
procesima višefotonskih jonizacija
generacijom slobodnih elektrona koji
omogućuju inicijaciju pražnjenja.
Intenziteti lasera asociranih sa preostalom dimenzijom snopa 80, 200 i 500
μm su 2,69•1014, 9,2•1012 i 1,3•1012
Wm-2, redom.
Slabljenje snage pri P=50 MW za različite
vrednosti dimenzije snopa w0
impulsa doživljava samofokusirajući
kolaps što dovodi do generacije
plazme, zatim se prateći deo impulsa
defokusira u prostorne prstenove.
Posle dodatne propagacije vodeći
deo impulsa opada usled nelinearne
apsorpcije dok se preostali deo impulsa
transformiše prostorno usled samofokusiranja. Novostvoreni impulsi
dobijaju energiju od spoljnih i pratećih
delova impulsa ali takođe i od novih
Slika 8 Varijacija dimenzija filamenta za razne ω0 od 80, 100, 200, 500 i 1000 μm sa P=100 MW
(b)
(a)
[014]
energija
Za upadnu snagu od 100
od gustine energije.
Slika 9 Slabljenje snage sa P=100 MW za razne ω0
MW, 80 μm se pojavljuje
Analiza podataka o laserskao najbolja dimenzija
kim „probojima“ materijala
spota (sl. 8a, b i sl. 9) sa
u čvrstom-kondenzovanom
intenzitetom 2,7•1014
stanju. Činjenice koje su
Wm-2. Zaključuje se da
vezane za proboje čvrstog i
je 50 MW UV laserskog
gasovitog materijala imaju
impulsa sa dimenzijom
svoje procedure, koje su
100 μm ipak bolji izbor.
zavisno od iskaza podataka
Pri izboru snage od 50, 100
fitovane. Podaci o probojnim
i 200 MW konstatuju se
naponima kod stakala i mnogih
očekivane velike modudrugih materijala su vrlo
lacione nestabilnosti za
raznoliki i u literaturi nisu
ulazne snage veće od 200
detaljno objašnjeni uslovi.
MW (radi se o propagaciji
Analiziraćemo povučene krive
200 m u vazduhu).
na osnovu eksperimentalnih
Neka pitanja statistike
podataka [19] i dati po našem
Slika 10 Fitovanje funkcije verovatnoće oštećenja
proboja i ponovljivosti
mišljenju preciznije ponašanje
Pi(F) suprasila za različit broj laserskih
čvrstih transparentnih
materijala. Krive na sl. 10 i 11
(Nd3+:YAG Q-switch) impulsa i (i=1, 10,
materijala
su nacrtane na osnovu Tab. 3
100, 1000) u zavisnosti od gustine energije
Analizirani su rezul(vrednosti parametara funkcije
upadnog zračenja F prema eksperimentalnim
tati iz literature vezani za
Pi(F)=b+(a-b)/(1+(F/F0)p),
podacima; prečnik snopa je 12 μm, talasna
proboj materijala laserom,
i=1, 10, 100, 1000, koja se
dužina 1064 nm, dužina impulsa 7 ns, a
posebno na čvrstom telu
fituje prema eksperimentalnim
repeticija 10 Hz
- stakla tipa [19,20]. Postpodacima za suprasil) i Tab. 4
avljaju se pitanja u vezi
(Vrednosti parametara funkcije
usaglašavanja stavova oko
Pi(F)=b+(a-b)/(1+(F/F0)p),
statistike događaja, među
i=1, 10, 100, 1000, koja se
kojima su:
fituje prema eksperimentalnim
- broj ponavljanja,
podacima za BK). Funkcija
koja se fituje je različitog tipa
- pitanje stabilnosti i statisod interpretacija u literaturi.
tike izlaza lasera
Vidi se da je za suprasil
- pitanja uklapanja savreizvršeno novo fitovanje
menih procedura šta se
pomoću programa OriginPro
zove povredom
8.0,
koje je blisko idealnom.
- pitanja da li je uključen
Izvršeno fitovanje kod BK7
stav o pojedinačnim
deluje lošije u poređenju sa
ili kumulativnim
objavljenim analizama [19b,
događajima
20]. Iako je, izgleda, vođeno
- pitanja da li je prisutračuna o široko mogućim
no više ili manje
nesigurnostima tačaka, rad je
višefotonskih efekata i sl.,
Analiza proboja transparentnih materi- postavljen klasično i nisu data sadašnje
prema stavovima koji se pojavljuju u
jala. Ako postoje dileme oko proboja
interpretacije mernih nesigurnosti tipa
razmatranju vazdušnih sredina...
gasovitog materijala i njegovog modA i B. U ovom radu je vođen račun
Polazeći od datih podataka, ovde je
elovanja, utoliko pre postoje nerešene
o matematičkom prilazu traženja
analiziran samo stav po kojima su
situacije i različiti podaci o proboju
analitičkih zavisnosti na osnovu eksprovlačene krive i dobijane konstante
čvrstih transparentnih materijala.
perimentalnih podataka.
koje se dalje provlače uz materijal.
Situacija je složenija jer postoje podaci
Odgovori na ova pitanja su delimično
iz različitih eksperimenata sa različitim
Zaklju~ak
sadržani u prethodnim poglavljima
obradama podataka. Ovde će se analizU radu su razmatrani izabrani
vezanim za višefotonsku i lavinsku
irati izabrani eksperimentalni podaci i
sadašnji stavovi o veštački izazvanim
jonizaciju, samofokusiranje, stimulirazličitost zaključaka o funkcionalnoj
sano Brillouin-ovo rasejanje i slično.
zavisnosti oštećenja laserskim snopom pražnjenjima putem laserskih rešenja i
Tabela 3 Vrednosti parametara funkcije Pi(F)=b+(a-b)/(1+(F/F0)p), i=1, 10, 100, 1000, koja se fituje prema
eksperimentalnim podacima za suprasil
[015]
energija
analizirane povrede kondenzovanog materijala laserskim
snopovima.
Kakvu će ulogu igrati gama,
X- razeri i kvantni generatori u drugim područjima će
budućnost pokazati. Veza
procesa, koji se koriste za
merenje brzina u generalnom
značenju - lasera i LDA sa
anemometrijom, nanoelektronikom, bio-holografijom,
energetski najsnažnijim
laserima - excimer - procesi sa predjonizacijama
X zračenjem, razni oblici
pražnjenja (korona, odnos
sa predjonizacionim procesima), razni elektrooptički,
magnetooptički i drugi efekti,
kojima se ocenjuju parametri energetskih veličina,
kao i Hertzova spektroskopija i merenja parametara
pražnjenja i plazme predstavlja druga područja razmatran-
Slika 11 Fitovanje funkcije verovatnoće oštećenja
Pi(F) uzorka BK7 za različit broj laserskih
(Nd3+:YAG Q-switch) impulsa i (i=1, 10,
100, 1000) u zavisnosti od gustine energije
upadnog zračenja F prema eksperimentalnim
podacima; prečnik snopa je 12 μm, talasna
dužina 1064 nm, dužina impulsa 7 ns, a
repeticija 10 Hz
slabljenju snopa i najmanjoj
varijaciji preseka snopa. Za
snage veće od 100 MW, deo
energije u filamentima ima
veliko slabljenje za prvih 30
m. Nakon toga dimenzije
snopa rastu eksponencijalno
za veće vršne snage. Kao
posledica javlja se i prateća
redukcija intenziteta lasera
u filamentu. Opadanje snage
filamenta i intenziteta može
da sakrije proces fotojonizacije vazdušnih molekula na velikim rastojanjima.
Iznenadni pad snage se pripisuje formaciji višestrukih
filamenata na stazi propagacije. Ova problematika se
vezuje sa fizikom intenzivnih
nelinearnih fenomena vezanih za ultrakratke impulse
Tabela 4 Vrednosti parametara funkcije Pi(F)=b+(a-b)/(1+(F/F0)p), i=1, 10, 100, 1000, koja se fituje prema
eksperimentalnim podacima za BK7
ja [21–26]. Pre izvesnog broja godina
je vođena diskusija o
karakteristikama indukovanih
elektromagnetnih zračenja u atmosferi.
Generalno je zaključeno da je pojava
groma slična pojavi elektromagnetnog zračenja izazvanog nuklearnom
eksplozijom sa izvesnim razlikama u
spektru frekvencija.
U literaturi se sreće da je efikasnost
lasera nešto manja u odnosu na raketne
tehnike, koje su od 1970-te rutinske za
izazivanje veštačkih pražnjenja u svrhu
istraživanja i testiranja.
Nekonvencionalne tehnike su još uvek
nepotvrđene, ali se na njima aktivno
radi u raznim oblastima nauke i tehnike. Laser rekordne snage je za vojne
primene, SSHCL (solid state heat
capacity laser), 67 kW srednje snage,
sa mogućnošću porasta na 100 kW, sa
objavljenim podatkom da je za 25 kW
dimenzija spota 2,5 cm2.
Od vremena Makera, kad je bila
senzacija proboja u vazduhu rubinskim
laserskim snopom, sad se pojavljuju
naslovi da je najjači laser u laboratorijama Lawrence Livermore-a – 70
puta jači od Rochester-skog lasera, i
da ima snagu hidrogenske bombe?!
Kao procesi simulacije modela [17] i
analizirajući limite parametara pojavljuje se da je laserski snop sa centralnom linijom 248 nm i širinom impulsa
200 ps, vršne snage 50 MW i preseka
100 μm pogodno oruđe za iniciranje
spoljašnjih proboja. Ulazna energija je
laserski sistem od 12,5 mJ [17].
Jednostavna ocena veza parametara
sledi iz:
(17)
Ein je ulazna energija, Pin vršna
vrednost upadne snage, i τp je širina
impulsa. Dok je maksimum snage
veći od kritične Pcr samofilamentacija
postoji. Optimalni parameteri laserskog snopa odgovaraju najmanjem
[016]
Literatura
[1] a) Teslin doprinos nauci, kulturi
i savremenoj civilizaciji, Elektrovojvodina, Novi Sad (1998); b) M.
Cheney, R. Uth, J. Glenn, Tesla,
master of lightning, Amazon.com;
c) M. Cheney, Man Out of Time,
Amazon.com.
[2] a) M. Srećković, Kvantna elektronika, laseri i makromolekuli,
YU Polimeri 2002, pp.32–43
(2002); b) B. Maršićanin, Problem
energije i istraživanja u tehničkoj
fizici, Tehnička fizika (J. Eng.
Physics) XIII, 59–68 (1975).
[3] R. W. Boyd, Nonlinear Optics (3rd
ed.), Academic Press, Burlington
(2008).
[4] a) T. J. Kippenberg, Nonlinear
Optics in ultra-high-Q whispering gallery mode microcavities,
California Institute of Technology,
Pasadena (May 2004).
energija
[5] T. Kurita, K. Komatsuzaki,
M.Hattori, Advanced material processing with nano- and
femto-second pulsed laser, Int. J.
Machine Tools Manufact. 48 (2),
220–227 (2008).
[6] J. T. Verdeyen, Laser electronics,
Prentice Hall, Englewood Cliffs,
NJ (1995).
[7] Lj. Milanković, Tehnika visokog
napona, Elektrotehnički fakultet,
Beograd (1978).
[8] S. M. Savić, Z. Stojković, Tehnika visokog napona (monografija),
Elektrotehnički fakultet, Beograd
(2001).
[9] Lightning Protection Guide (2nd
updated ed), Dehn+Söhne, Neumarkt (2007).
[10] V. A. Rakov, M. A. Uman,
Lightning, Cambridge University
Press, Cambridge (2003).
[11] a) M. Srećković, P. Osmokrović,
The Optical Breakdown of Gases
and Metal Vapours by Means of
Quantum Generators, Fortschr.
Phys. 2, 107–116 (1988); b) M.
Srećković, Santa Fe (1991); c)
M. Srećković, The Pulse Lasers
and the Problems of Excitations
Sources, 8th IEEE Pulsed Power
Conference (San Diego, 1991),
P2-13.
[12] a) P. D. Maker, R. W. Terhune,
C. N. Savage, Proc. III Quant.
Electr. Conf. Paris (1963); b) W.
E. Terhune, Bull. Am. Soc. Phys.
8, 359 (1963); c) F. Kačmarek,
Vvedenie v fiziku lazerov, Mir,
Moskva (1981).
[13] R. G. Damon, E. K. Tomlinson,
Appl. Optics 2, 546 (1963), R.
G., b) T. U. Arifov et al., Pisma
v ŽTF 6, 687 (1967); c) R. E. W.
Minck, J. Appl. Phys. 35, 252
(1964); d) Mandelstamm et al.,
ŽETF 47, 2003 (1964); e) J. G.
Maedors, Coherence Effects in
Multiphoton Absorption Processes, IEEE J. Quant. Electr. QE-2,
1173 (1966).
[14] Ju. P. Raiser (ed,), Lazernaya
iskra i rasprostranenie razryadov, Nauka, Moskva (1974).
[15] D. Cremers, L. Radziemski,
Handbook of Laser-induced
Breakdown Spectroscopy, John
Wiley, Hoboken, NJ (2006).
[16] Šarovaya i setočnaya molnya,
Naučna knjiga, Moskva (1983).
[17] N. Khan, N. Mariun, I. Aris,
J. Yeak, Laser-triggered lightning discharge, New J. Phys. 4,
61.1–61.20 (2002).
[18] a) L. V. Tarasov, Vvedenie v
kvantovoyu optiku,Visšaya škola,
Moskva (1987); b) L.V.Tarasov,
Fizika procesov v generatorah
optičeskogo izlučeniya, Radio i
svyaz, Moskva (1981); c) F. Tarasov, Fizičeskie osnovi kvantovoj
elektronike, Nauka, Moskva
(1976).
[19] a) M. Srećković, S. Ristić, D.
Družijanić, S. Milić, R. Gospavić,
R. Radovanović, B. Đokić,
Eksplozivni procesi, materijali i
laseri, Zbornik JUKO CIGRE 27,
RD1–12 (2005); b) A. Kovačević,
M. Srećković, R. Gospavić, S.
Ristić, P. Jovanić, Laser-PMMA
Interaction and Mechanical
Stresses, Acta Phys. Pol. A 112,
981 (2007); c) M. Srećković,
S. Marinović, A. Kovačević, D.
Družijanić, S. Pantelić, N. Borna,
G. Gligorić, D. Barjaktarević, S.
Popović, Interakcija sa materijalima optičkih pomagala i implantanata i dozimetrijski pristip,
Zbornik ETRAN 49, 252–255
(2005).
[20] a) M. Srećković, J. Ilić, A.
Kovačević, S. Pantelić, Z.
Latinović, N. Borna,V. Ćosović,
Models of Interactions of Laser
Beams with Materials of Interest for Optical Components and
Provoked Damages, Acta Phys.
Polonica A 112, pp. 935–940
(2007); b) M. Srećković, B.
Kaluđerović, A. Kovačević,
V. Rajković, S. Pantelić, Z.
Latinović, D. Družijanić and M.
Janićijević, Some problems in
modeling of laser interaction with
transparent and absorptive materials, 2nd Int. Conf. Phys. Opt.
Mater. Dev. (ICOM2009), Herceg
Novi (August 27–30, 2009); c) S.
Pantelić, N. Borna, M.Srećković,
biće publikovano.
[21] H. Z. Cummins (ed.), Photon
Correlation Spectroscopy and
Light Beating, Mir, Moskva
(1981).
[22] M. Srećković, Nove metode u
merenjima napona i struje na bazi
primene kvantnih generatora,
Tehnička fizika (J. Eng. Phys.)
XIII, 69–80 (1975).
[23] M. Srećković, Diferencijalni
anemometar sa diferencijalnom
spregom i naizmeničnim naponom, ETF Beograd (1968).
[24] J. N. Meek, J. D. Crags, J. Wiley
(eds.), Electrical Breakdown of
Gases, Chichester (1978).
[25] Y. Ni, From Strong Field Ioniza[017]
tion to the Generation of Attosecond Laser Pulses, Univ. Nijmegen (2006).
[26] A. F. Harvey, Coherent Light, J.
Wiley & Sons, New York (1970).
[27] M. Srećković, A. Milosavljević, I.
Nešić, S. Milić, Z. Karastojković:
Primena laserskih metoda
merenja i obrade u energetici,
ENERGIJA broj 4 st. 063-073 /
2008
energija
Tomislav Milanov, dipl. el. ing.
UDC:621.316.11.004
Tri različita dugoročna
rešenja na konzumu
«Elektrodistribucije Beograd»
u izgradnji elektrodistributivne mreže u naseljima sa
više od 20.000. stanovnika
Rezime:
Ovaj rad iznosi osnovne karakteristike dosadašnjeg i perspektivnog napajanja električnom energijom tri naselja sa više
od 20.000. stanovnika na prigradskom delu konzuma «Elektrodistribucije Beograd» (u daljem tekstu EDB) gde su devedesetih godina prošlog veka primenjena tri sasvim različita rešenja u izgradnji elektrodistributivne mreže; naime, u situaciji
kad se raspolagalo sa «dovoljnim» finansijskim sredstvima za izgradnju mreža, na Stručnom savetu EDB su usvojena za
realizaciju tri različita rešenja za izgradnju mreža u naseljima Borča, Kaluđerica i Sremčica te pristupilo izgradnji standardne, klasične TS 35/10 kV/kV (2x 12,5 MVA) u naselju Borča, TS 110/10 kV/kV (2x 31,5 MVA) u naselju Kaluđerica, te
tronaponske TS 110/35/10 kV/kV/kV (2x 31,5/21/21 MVA) u naselju Sremčica.
Već u toku zimskog perioda 1990/91. godine u pogonu su bila sva tri objekta koji su u pogonu do današnjih dana, s tim što
je u naselju Borča posle 2005. godine izgrađena još jedna TS 35/10 kV/kV (2x8 MVA) - pre svega zbog naglog porasta
ukupnog broja stanovnika kao posledica rata na južnoslovenskim prostorima i neplanske izgradnje značajnog broja
izbegličkih kuća.
U današnjoj situaciji se, naravno, dugoročno računa na eksploataciju sva tri ova, u finansijskom smislu, veoma različita
rešenja, te će ovim radom biti iznešene sve bitne karakteristike dosadašnjeg napajanja električnom energijom naselja
Borča, Kaluđerica i Sremčica na konzumu EDB, te osvrnuti i na perspektivu dugoročnog napajanja električnom energijom
i naselja Krnjača, Obrenovac, Železnik, Batajnica, Surčin i Mladenovac, i sa, takođe, danas više od 20.000. stanovnika,
i danas, u stručnim krugovima EDB, aktuelnim razmatranjima perspektivne izgradnje nove elektrodistributivne mreže i u
ovim naseljima.
Ključne reči: Elektrodistributivne mreže, prognoza razvoja vršne snage, Džulovi gubici, kvalitet napona,
Three Different Long Term Solutions in the Consumer Sector of «Elektrodistribucije Beograd
» Applied in the Construction of the Power Distribution Network in Settlements With Over
20,000. Inhabitants
This paper deals with the basic characteristics of the past and future power supply to three settlements with over 20,000
inhabitants in the suburban area of the consumer sector of «Elektrodistribucija Beograd» (hereinafter EDB) where three
completely different solutions in power distribution network were applied in the 90’s of the past century; namely, in the situation where there were “sufficient“ funds for network construction, the EDB Expert Council adopted three different solutions for construction of networks in the settlements of Borča, Kaludjerica and Sremčica and proceeded with the construction of the following standard conventional substations: 35/10 kV/kV (2x 12,5 MVA) in Borča, 110/10 kV/kV (2x 31,5 MVA)
in Kaluđerica, and a tertiary voltage 110/35/10 kV/kV/kV (2x 31,5/21/21 MVA) substation in Sremčica.
Already in the 1990/91 winter term all three facilities were put into operation and have been in operation ever since and
whatsoever, an additional 35/10 kV/kV (2x8 MVA) substation was constructed in the Borča settlement after 2005 – first of
all due to a rapid growth of population, as a consequence of the war that took place on the Yugoslav territory as well as
due to the unplanned construction of a large number of refugee dwellings.
In the present situation all three above facilities, which mutually differ in terms of the financial aspect, are expected to
operate in the long-term period, and this paper will therefore present all the fundamental characteristics of the past power
supply to the settlements of Borča, Kaludjerica and Sremčica in the EDB consumer sector. This paper also gives an insight
into the prospects of long-term power supply of the settlements of Krnjača, Obrenovac, Železnik, Batajnica, Surčin and
Mladenovac, which also have a population of over 20,000 inhabitants, for which reason the future construction of new
power distribution networks in these settlements is one of the currently discussed major issues among the experts of EDB.
Key words : Power distribution networks, forecast of peak load development, Joule losses, voltage quality.
[018]
energija
1. Uvod
Razvoj potrošnje električne energije
i snage na širem području beogradskog elektroenergetskog čvora u
dosadašnjem periodu je bio veoma intenzivan i često je zbunjivao i najveće
poznavaoce elektroprivredne delatnosti; svakako da potrošnja električne
energije itekako zavisi od cene
električne energije, ali deluje gotovo
neverovatno da su najveći trendovi
zabeleženi u dugoročnim periodima
kada je ovaj parametar bio itekako
visok za naše uslove. Takođe, i u periodima kada je cena električne energije
bila izuzetno depresirana u odnosu na
druge energente, a takva je situacija
i danas, zabeleženi su visoki trendivi porasta, ali ipak ne tako izraziti
kao šezdesetih godina prošlog veka.
Tada se potrošnja električne energije
i snage odvijala prema logaritamskim
zakonima, tako da se i prognoze daljeg
rasta iz sedamdesetih godina i danas
sa strahopoštovanjem komentarišu –
jer se i danas pojavljuju na pojedinim
mikroreonima konzuma «Elektrodistribucije Beograd» ( u daljem tekstu
EDB).
Udvostručenje potrošnje električne
energije i snage za svakih 7 – 8 godina
na nivou konzuma EDB je danas amortizovano dugoročno i ovaj pokazatelj
se od osamdesetih godina prošlog
veka kreće po linearnom zakonu, ali
na pojedinim mikroreonima i danas su
trendovi rasta enormno visoki. Pred
energetičare i planere elektrodistributivnih mreža su se tada postavljali najraznovrsniji i najkomplikovaniji problemi, jer su i «proverena rešenja» često
bila «pesimistička» sa ovog aspekta te
zahtevala brzo ponovno investiranje na
istom mikroreonu. Danas je to situacija
u mnogim naseljima na prigradskom
konzumu EDB, čak i u naseljima sa
više od 20.000. stanovnika – tako da se
pred EDB postavljaju itekako delikatne
odluke da, s jedne strane, ne preinvestira, a s druge strane, ne podinvestira
u mrežu!
Zato se od devedesetih godina prošlog
veka kod izrade prognoza u izradi
istih koriste podaci širokog spektra
raznih «struka», raznih demografskih,
komunalnih, finansijskih, ekonomskih,
privrednih i neprivrednih delatnosti,...
itd. Tako se praćenjem porasta tzv.
specifičnog opterećenja (opterećenja
po stanovniku ) i površinskih gustina opterećenja, dolazi do trendova i prirodnog rasta potrošnje kod
postojećih potrošača, kao i do porasta
potrošnje usled svih novih potrošača,
sa neizbežnim praćenjem potrošnje
električne energije i sveukupne zapos-
lenosti u svim privrednim preduzećima
te čak i u neprivrednoj delatnosti!!! U
ovom radu će radi toga biti prikazan
dosadašnji razvoj vršne snage samo za
naselja Borča, Kaluđerica i Sremčica,
ali će, zbog nedostajućeg prostora,
samo ovlaš biti prikazan i dosadašnji
razvoj vršne snage i u nekoliko drugih
naselja na konzumu EDB, sa, danas
više od 20.000. stanovnika.
Naime, na primeru odluka donešenih
posle izrade srednjoročnog plana za
izgradnju mreža u periodu 1986. 1990. godine, biće ilustrovan nagli rast
«stihijske» izgradnje, «neplanske», u
EDB najčešće zvane «divlja» stambena izgradnja, na području naselja
Borča, Kaluđerica i Sremčica na
prigradskom konzumu EDB, sa, tada,
itekako opravdanim dijametralnim
rešenjima u izgradnji mreže – u naselju
Borča sa daljom izgradnjom mreže
35 kV i TS 35/10 kV/kV, u naselju
Kaluđerica sa desetostruko skupljiim
rešenjem (sa izgradnjom TS 110/10
kV/kV između naselja Kaluđerica i
Leštani, sa više od 20.000. stanovnika
), a u naselju Sremčica sa izgradnjom najsavremenije tronaponske TS
110/35/10 kV/kV/kV ( skuplje za još
30% nego rešenje sa TS 110/10 kV/kV
) za napajanje električnom energijom
naselja Sremčica i Železnik te vangradske opštine Barajevo, sa u svakoj
celini više od 20.000. stanovnika; na
taj način su se u periodu od 1991. do
2009. godine dostekla itekako značajna
iskustva,a koja su implicirala definitivnu odluku donešenu oko 2005.
godine da se ubuduće ne preinvestira
u izgradnju mreža i po svaku cenu
prigradski konzum izgrađuje najpre
putem TS 35/10 kV/kV ( dok to «dozvoljava» postojeća mreža 35 kV ) a
posle određenog perioda i stavljanjem
u težište opterećenja i nove TS 110/35
kV/kV !
I, na kraju ovih uvodnih napomena,
da napomenemo i to da su sva ova
rešenja prošla i kroz najozbiljnije
tehnoekonomske studije, i da su one
pokazale da je rešenje sa napajanjem
naselja Borča sa najmanjim ukupnim
aktualizovanim troškovima jer su na
taj način odložena za kasniji period
značajnija finansijska ulaganja u mrežu
( za izgradnju TS 110/35 kV/kV tada
vredne oko 12.000.000. nemačkih
maraka ), ali da zahtevaju nove investicije u TS 35/10 kV/kV za 10 godina,
da drugo rešenje predstavlja najperspektivnije rešenje – jer eliminiše
ponovne investicione intervencije u
naselju Kaluđerica dugoročno, a da
treće rešenje sa izgradnjom tronaponske TS u naselju Sremčica predstavlja
[019]
«iznuđeno rešenje» - jer sa najviše
finansijskih sredstava omogućava
najkvalitetnije dalje napajanje
postojećom mrežom 35 kV značajno
većeg broja potrošača - i naselja
Železnik ( sa tri TS 35/10 kV/kV ) te
i opštine Barajevo (sa, takođe, tri TS
35/10 kV/kV).
2. Osnovni naturalni pokazatelji o dosada{njem napajanju elektri~nom energijom
naselja Bor~a, Kalu|erica i
Srem~ica
U okviru ove tačke biće najpre
prikazan razvoj veličine svih naselja
u Srbiji u periodu od 1953. godine do
danas – kako bi se uvidelo da na konzumu EDB naselja sa više od 20.000.
stanovnika imaju značajno učešće u
svim naseljima ove veličine u Centralnoj Srbiji:
Dalje, u okviru ove tačke biće prikazano kretanje ukupnog broja stanovnika
i stanova u godinama popisa, kao i
ukupni kapaciteti u TS 10/0,42 kV/
kV u naseljima Borča, Kaluđerica,
Sremčica, Železnik i opštini Barajevo
(sa oko 20 manjih naselja). Očigledan
je veoma intenzivan razvoj svih ovih
naselja u novije vreme – kao posledica
doseljavanja iz drugih naselja iz Srbije
i drugih južnoslovenskih republika.
Očigledno je, kako kazuju tabele, da
instalisana snaga TS 10/0,42 kV/kV po
stanovniku u svim ovim naseljima ima
vrednost od 1,2 kVA/st. do 2,2 kVA/
st. , a specifično opterećenje u 2002.
godini u granicama od 680 do 1 425
W/stanovniku – što su itekako visoke
vrednosti; ovi pokazatelji govore o
tome da veliki broj potrošača u ovim
naseljima za grejanje koristi električnu
energiju sa termoakumulacionim
pećima ili čak i moćnim bojlerima sa
pripadajućim etažnim grejanjem cele
kuće.
3. Elektrodistributivne mre`e
za napajanje naselja Bor~a,
Kalu|erica i Srem~ica
Elektrodistributivne mreže za napajanje električnom energijom naselja
Borča, Kaluđerica i Sremčica su na
visokom naponu 110 kV i 35 kV
nadzemne, a na srednjem naponu 10
kV kablovske; na niskom naponu su
danas bezmalo u potpunosti izvedene
samonosećim kablovskim snopom 1
kV izvedenim na betonskim stubovima.
Jednopolna uprošćena shema mreže
35 kV na kompletnom konzumu EDB
je prikazana na Sl. 1, sa napomenom
da se naselje Borča nalazi na severnom delu konzuma EDB sa vodovima
energija
Tabela 1 Ukupno naselja u funkciji od veličine naselja u Centralnoj Srbiji u periodu od 1953. do 2002. godine
Tabela 2 Naselje Borča( površina konzuma 37 km2)
Tabela 3 Naselje Kaluđerica( površina konzuma 9 km2)
[020]
energija
Tabela 4 Naselje Sremčica (površina konzuma 22 km2)
Tabela 5 Naselje Železnik (površina 5 konzuma km2)
Tabela 6 Opština Barajevo(površina konzuma 206 km2)
35 kV dužine oko 5,7 km; naselje
Kaluđerica se nalazi na istočnom delu
konzuma EDB, a naselja Sremčica i
Železnik i opština Barajevo sa vodovima 35 kV dužina do 10 km – na
južnom delu konzuma EDB.
Priložena slika 1 govori da su i dužine
vodova i oblikovanje mreže 35 kV na
vangradskom konzumu EDB veoma
prihvatljivi, i da se sa zanemarljivim
finansijskim sredstvima mreža 35 kV
može učiniti još racionalnijom, a da
se izgradnjom novih izvora u njoj,
koji su na slici 1 prikazani praznim
kvadratićima, sve performanse njenog
pogona mogu dovesti na zaista najviši
mogući nivo!!!
4. Kvalitet napona u mre`ama
i kod potro{a~a
Kvalitet napona u mrežama 10 kV na
konzumu TS 110/10 kV/kV Kaluđerica
i TS 110/35/10 kV/kV/kV Sremčica je
na najvišem nivou – jer su energetski
transformatori 110/X kV/kV regulacioni.
Međutim, naselje Borča se napaja
električnom energijom preko nadzemne mreže 35 kV sa dužinama
[021]
dvosistemskih vodova oko 5,7 km i
maksimalnim padovima napona u njoj
pri opterećenju od 2x10 MVA oko 1,7
% ( Slika 2 ); Podešenjem regulacione
automatike u izvoru 110/35 kV/kV
kompenzovani su u potpunosti i ovi
padovi napona – jer se u mrežama
najviši naponi održavaju pri najvećim
opterećenjima a najniži naponi pri
minimalnim opterećenjima svih TS
35/10 kV/kV. Na taj način je postignut konstantan napon kod potrošača
u mreži 0,42 kV, maltene nezavisno
od godišnjeg doba i u toku svih dana i
meseci u godini.
energija
Slika 1 Geografski prikaz mreže 35 kV na konzumu EDB u 2010. godini
Napon se u sva tri ova slučaja kod
svakog pojedinačnog potrošača kreće
u petostruko užem opsegu od propisima dozvoljenog opsega ( dozvoljen
opseg kretanja napona je od 215 V do
235 V )!!!
5. Procentualni D`ulovi gubici
u svim mre`ama
U okviru ove tačke će biti prikazani
procentualni Džulovi gubici u svim
mrežama pri napajanju manjih gradova
mrežama 35 kV i 10 kV dužina do
[022]
10 km i 4 km respektivno (model
Borče), kao i putem TS 110/10 kV/kV
u naselju.
Očigledno je da su Džulovi gubici u
svim mrežama veoma prihvatljivi čak i
pri opterećivanju energetskih transfor-
energija
Slika 2 Nomogram padova napona u mreži 35 kV na banatskom području sa TS 35/10 kV/kV Borča pre izgradnje TS 110/35 kV/kV Padinska Skela (sa izgradnjom ove TS padovi napona u mreži 35 kV za sve TS 35/10
kV/kV će biti manji od 2 %)
Slika 3 Model mreže tipa «Borča» – jednopolna shema
mreže
[023]
Slika 4 Model mreže tipa «Borča» – procentualni
Džulоvi gubici
energija
Slika 5 Model mreže tipa «Kaluđerica» – jednopolna
shema mreže
madora nazivnom snagom. Naime, u
elektrodistributivnim mrežama ukupni
Džulovi gubici u modelu “Borča su
manji od 5 %”, odnosno 3 % u modelima mreže tipa Kaluđerica i Sremčica .
Ovim gubicima treba dodati i gubitke u
mreži 0,42 kV koji se u naseljima tipa
solitera, sa kablovima dužine do 50 m,
kreću u granicama od 0,5 % do 0,7 %,
a u dugačkoj mreži 0,42 kV mogu biti i
veći od 5 % .
Naselja sa centralnim grejanjem i
malom gustinom stanovanja - tip
porodi~na gradnja (slika 7 )
Jednopolna šema mreže niskog napona sa geografskim rasporedom TS
10/0,4 kV/kV i priključnih kutija (u
kablovskoj mreži) je prikazana na slici
7, a u tabeli 7 i rezultati proračuna
Džulovih gubitaka za razne dužine
vodova niskog napona i razne nivoe opterećenosti. Za svaki od ovih
slučajeva prikazane su raspodeljene
i maksimalne procentualne vrednosti
Džulovih gubitaka (za raspodeljeno
opterećenje i isto ukupno opterećenje
skoncentrisano na kraju niskonaponskog izvoda 0,4 kV). Pretpostavljeno
je da su kablvski izvodi 0,4 kV tipskog
preseka - kako je to prikazano na
jednopolnoj šemi mreže, i da je faktor
snage svih potrošaa cos ϕ = 0,95.
Treba napomenuti da su prosečne
dužine izvoda 0,4 kV oko 200 m, ali da
na konzumu EDB ima i izvoda 0,4 kV
koji su i duži.
Slika 6 Model mreže tipa «Kaluđerica» – procentualni Džulоvi gubici
Slika 7 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u
naseljima sa centralnim grejanjem i
malom gustinom stanovanja
Naselja bez centralnog grejanja,
sa malom gustinom stanovanja
(slika 8)
Jednopolna šema mreže niskog napona
sa geografskim rasporedom TS 10/0,4
[024]
kV/kV i priključnih
kutija (u kablovskoj
mreži) je prikazana
na slici 8, a u tabeli 8
i rezultati proračuna
Džulovih gubitaka za
razne dužine vodova
niskog napona i razne
nivoe opterećenosti. Za
svaki od ovih slučajeva
prikazane su raspodeljene i maksimalne
procentulane vrednosti
Džulovih gubitaka (za
raspodeljeno opterećenje
i isto ukupno opterećenje
skoncentrisano na kraj
niskonaponskog izvoda
0,4 kV). Pretpostavljeno
je da su kablovski izvodi
0,4 kV tipskog preseka
- kako je to prikazano na
jednopolnoj šemi mreže,
i da je faktor snage svih
potrošača cos ϕ = 0,95.
Treba napomenuti da su
prosečne dužine izvoda
0,4 kV oko 100 m, ali da
na konzumu EDB ima i
izvoda 0,4 kV koji su i
značajno duži.
Vangradska naselja sa manjom
gustinom stanovanja (slika 9)
Jednopolna šema mreže niskog napona
sa geografskim rasporedom TS 10/0,4
kV/kV i nadzemnih kućnih priključaka
energija
Tabela 7 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u naseljima sa centralnim grejanjem i malom gustinom stanovanja
Slika 8 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima bez centralnog grejanja i malom
gustinom stanovanja
je prikazana na slici 9,
a u tabeli 9 i rezultati poračuna Džulovih
gubitaka za razne
dužine vodova niskog
napona i razne nivoe
opterećenosti. Za svaki
od ovih slučajeva prikazani su raspodeljeni i
maksimalni procentualni Džulovi gubici (za raspodeljeno
opterećenje i isto
ukupno opterećenje
skoncentrisano na kraju
niskonaponskog izvoda
0,4 kV). Pretpostavljeno
je da su kućni priključci
realno manjeg preseka
nego magistralni izvod
0,4 kV i da je faktor
snage svih potrošača
cos ϕ = 0,95.
Treba napomenuti da
su maksimalne dužine
izvoda 0,4 kV koji su
punoopterećeni oko 500
m, ali da na konzumu
EDB ima i dužih izvoda
0,4 kV koji su značajno
manje opterećeni.
Tabela 8 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u naseljima bez centralnog grejanja
[025]
6. Pouzdanost napajanja
potro{a~a elektri~nom
energijom u naseljima Bor~a,
Kalu|erica i Srem~ica
Sistematizaciji pokazatelja pouzdanosti
napajanja potrošača električnom
energijom u EDB se oduvek poklanjala izuzetno velika pažnja, te danas
možemo da prikažemo ove podatke
preko uobičajenih pokazatelja SAIDI,
SAIFI, CAIDI i ASAI. Za periode
pre izgradnje TS 35/10 kV/kV Borča,
TS 110/10 kV/kV Kaluđerica i TS
110/35/10 kV/kV/kV Sremčica ovi
pokazatelji su prosečni, a za periode
posle izgradnje ovih objekata pokazatelji predstavljaju prosek za period od
1991. do 2008. godine;U priloženoj
tabeli 10 su prikazani svi pokazatelji
pouzdanosti za ova tri područja.
Očigledno je da su prekidi u napajanju potrošača pre izgradnje
kapitalne mreže na ovim područjima
bili brojniji u toku godine ( 7,8 ) i
sa ukupnim godišnjim trajanjem
oko 18,7 h, a da su sa izgradnjom
TS 35/10 kV/kV Borča redukovani
na 2,11, odnosno 2,95 h, sa izgradnjom TS 110/10 kV/kV Kaluđerica
energija
Tabela 9 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u vangradskim naseljima sa malom gustinom stanovanja
Slika 9 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima sa malom gustinom stanovanja
do 2,41, odnosno 5,61
h, te sa izgradnjom TS
110/35/10 kV/kV/kV
Sremčica do 2,6, odnosno 5,8 h. Najpouzdanije
napajanje električnom
energijom je u slučaju
Borče sa prosečnim
godišnjim trajanjem
prekida oko 1,4 h, a potom Sremčice sa 2,23 h
te na kraju i Kaluđerice
sa 2,33 h; reoni sa većim
instalisanim snagama
transformatora i
skoncentrisanim većim
brojem izvoda 10 kV su
manje pouzdani !!!
6. Komentar aktuelne
energetske situacije na
drugim delovima konzuma EDB
U okviru ove tačke
biće prikazani osnovni
energetski parametri
koji su korišćeni kod
izrade prognoza daljeg
rasta vršnih snaga za
naselja Krnjača, Obrenovac, Batajnica, Surčin i
Mladenovac. Očigledan
je stalni rast specifične
Tabela 10 Pokazatelji pouzdanosti napajanja potrošača za pojedina naselja
[026]
snage potrošača i površinskih gustina
opterećenja te i ukupnih vršnih snaga
u svim naseljima – što dovodi do
određivanja optimalnog srednjoročnog
perioda za investiranje u novu mrežu,
naravno stavljajući u odnos vršna
opterećenja naselja sa instalisanim snagama postojećih i perspsktivnih TS .
Imajući u vidu da naselje Mladenovac
danas napaja električnom energijom
pet TS 35/10 kV/kV sa instalisanim
snagama transformatora uglavnom
8 MVA, to dugoročno postepeno
povećanje instalisane snage transformatora predstavlja optimalno rešenje
sve dok to dozviljava visokonaponska
mreža ( transformacija 110/35 kV/kV i
mreža 110 kV ).
U naseljima Obrenovac i Batajnica,
međutim, potrebne su nove TS 110/10
kV/kV, a u naselju Surčin nova TS
110/35 kV/kV i nekoliko TS 35/10
kV/kV na konzumu ( pored postojećih
TS 35/10 kV/kV Surčin, Dobanovci i
Boljevci potrebne su i TS 35/10 kV/kV
Surčinski put, te Jakovo i Bečmen u
okolnim naseljima ).
Međutim, postojeće TS 35/10 kV/kV
Krnjača i Hemind ( ukupne instalisane
snage 41 MVA ) napajaju električnom
energijom i naselja Kotež i Ovča te
je vršno opterećenje ovih TS u 2001.
energija
Tabela 11 Naselje Krnjača (površina konzuma 28 km2)
Tabela 12 Naselje Obrenovac (površina konzuma 6 km2)
Tabela 13 Naselje Batajnica (površina konzuma 44 km2)
Tabela 14
Naselje Surčin (površina konzuma 61 km2)
[027]
energija
Tabela 15 Naselje Mladenovac (površina konzuma 11 km2)
godini oko 28,4 MVA !
Međutim postojeća TS 35/10 kV/kV
Obrenovac ( 2x 12,5 MVA ) napaja električnom energijom i naselja
Zabrežje, Urovci, Mislođin, Draževac i
Jasenak te je vršno opterećenje ove TS
u 2001. godini oko 24 MVA !
Ovo naselje napajaju električnom
energijom TS 35/10 kV/kV Batajnica I
i II ukupne instalisane snage 33 MVA !
Međutim postojeća TS 35/10 kV/
kV Surčin ( 2x 12,5 MVA ) napaja električnom energijom i naselja
Bečmen, Petrovčič i Jakovo te je vršno
opterećenje ove TS u 2001. godini oko
18,3 MVA !
Opštinu Mladenovac napaja
električnom energijom TS 110/35 kV/
kV Mladenovac ( 2x31,5 MVA ) i 6
TS 35/10 kV/kV sa ukupnim vršnim
opterećenjem u 2001. godini oko 50,9
MVA
7. Umesto zaklju~ka
Ovim radom su prikazane osnovne
karakteristike dosadašnjeg i perspektivnog napajanja električnom energijom nekoliko naselja sa oko ili više od
20.000. stanovnika na konzumu EDB,
a posebno naselja Borča, Kaluđerica
i Sremčica – gde su oko devedesetih godina prošlog veka primenjena tri različita rešenja u napajanju
električnom energijom. Naime, od tog
vremena naselje Borča se napaja putem
TS 35/10 kV/kV udaljene od izvora
110/35 kV/kV oko 5,7 km, naselje
Kaluđerica putem TS 110/10 kV/kV, a
naselje Sremčica putem TS 110/35/10
kV/kV/kV kojom se napajaju i blisko
naselje Železnik te opština Barajevo.
Svi pokazatelji kvaliteta napajanja
govore da su sva rešenja ista u pogledu
kvaliteta napona kod potrošača te
približno iste pouzdanosti u napajanju.Sa aspekta troškova investicija
najprihvatljivije rešenje je napajanje
putem više TS 35/10 kV/kV i jedne
perspektivne TS 110/35 kV/kV jer stvara najmanje aktualizovane troškove
investicija; Najperspektivnije rešenje
je napajanje putem TS 110/10 kV/kV,
dok napajanje putem TS 110/35/10 kV/
kV/kV predstavlja najskuplje iznuđeno
rešenje za veći broj naselja. Za čitav
niz drugih naselja slične veličine na
konzumu EDB preporučuje se izrada
kompletne planske dokumentacije i
realizacija rešenja sa najprihvatljivijim
aktualizovanim troškovima investicija
i dugoročne eksploatacije.
8. Literatura
1. T. Milanov, dipl. el. ing. – Odabrani
objavljeni stručni radovi vezani za
planiranje elektrodistributivne mreže
Beograda, kopirano u sto primeraka, u biblioteci EDB se nalaze tri
primerka
2. L.Radić,S.Belić,,A.
Drenković,Analiza događaja
na elektroenergetskom sistemu
«Elektrodistribucije Beograd» sa
posebnim osvrtom na 2002. godinu,
časopis Elektrodistribucija, 2003.,
broj 3
[028]
energija
Nenad Markovi}, Visoka tehnička škola strukovnih studija, Uroševac
Mom~ilo Vuji~i}, Tehnički fakultet, Čačak
Damnjan Radosavljevi}, Visoka poslovno-tehnička škola, Užice
UDC:621.316.34
Kompromisno rangiranje u
funkciji analize niskonaponske
mreže različitih grupa potrošača
za različite tipove elektrifikacije
gradskog područja
1. Uvod
Rezime
Optimizacijom se vrši izbor najbolje
varijante iz niza mogućih ili povoljnih
varijanti u smislu usvojenih kriterijuma. Takva najbolja varijanta naziva
se optimalno rešenje. Optimalno
rešenje predstavlja kompromis između
želja (kriterijuma) i mogućnosti
(ograničenja).
Pri analizi niskonaponske mreže
različitih grupa potrošača za različite
tipove elektrifikacije gradskog
područja koristićemo metodu kompromisnog rangiranja. Za ovu metodu neophodno je osnovno znanje i
iskustvo iz oblasti višekriterijumske
analize. Ciljevi ove metode su da nam
omogući da dobijemo najpovoljniju
alternativu u odnosu na one koje smo
upoređivali.
Metode za višekriterijumsku optimizaciju podrazumevaju objektivno
poređenje između većeg broja alternativa ocenjenih u sistemu većeg broja
različitih i raznolikih kriterijuma, koji
su dati u različitim jedinicama i koji
su sa različitim relativnim značajem.
Takođe, zahtevi za maksimizacijom i
minimizacijom su različiti. [2]
Ciljevi ovih metoda su sledeći: da
omogući donosiocu odlučivanja da sa
što više argumenata može obrazložiti
svoju odluku, kao i da dobije najbolju
(povoljnu) alternativu u odnosu na
druge upoređivane.
Osnovna uloga nosioca odlučivanja u
rešavanju problema višekriterijumske
analize je da u skladu sa ustanovljenim
ciljevima odlučivanja definiše kriterijume i formira bazu za odlučivanje,
kao i da definiše strukturu preferencija. Nosilac odlučivanja u rešavanju
ovakvih problema ima zadatak da
izvrši rangiranje većeg broja alterna-
U cilju povećanja kvaliteta donetih odluka, odnosno izbora najprihvatljivije
alternative iz skupa upoređivanih metoda, vrednovanih po osnovu više kriterijuma, mogu se koristiti različite metode višekriterijumske optimizacije. Jedna
od metoda koju ćemo koristiti za međusobno upoređivanje i rangiranje alternativa je metoda kompromisnog rangiranja. Metodom kompromisnog rangiranja
odredićemo vršnu snagu i presek provodnika analizom niskonaponske mreže
različitih grupa potrošača za različite tipove elektrifikacije gradskog područja,
gde pod različitim grupama potrošača podrazumevamo domaćinstva koja se
delimično, puno i totalno snabdevaju električnom energijom. [1]
Ključne reči: Električna energija, potrošači, kompromisno rangiranje, alternativa, kriterijum.
Compromised Ranking in the Function of Low-Tension Grid of
Different Consumer Groups for Different Types of Electrification of Urban Area
For the purpose of improvement of quality of made decisions, namely, the selection of the most acceptable alterative from the set of compared methods, evaluated according to several criteria, different methods of multi-criteria optimization
can be used. One of the methods we shall use for mutual comparison and rankings of alternatives is method of compromised ranking. Using the compromised
ranking method we shall determine peak power and conductor section by analysis of low-tension grid of different consumers groups for different types of electrification of urban area. Under different consumers groups we consider households
which are partially, fully, or completely supplied with electrical energy. [1]
Key words: Electrical energy, consumers, compromised ranking, alternative,
tiva ocenjenih po različitim kriterijumima. Različite ocene po svakom
od kriterijuma na skupu alternativa
uspostavljaju određena uređenja.
Potrebno je kao konačan rezultat dobiti
jedno uređenje skupa alternativa po
kom bi se upravljao donosilac odluke.
Kao što je u prethodnom delu teksta
rečeno, modeli za nalaženje optimuma
jedne kriterijumske funkcije su obično
samo aproksimacija realnih problema u
kojima donosilac odluke mora da vodi
računa o više ciljeva. Ovaj deo teksta
posvećen je matematičkim modelima
i metodama koje treba da pomognu
[029]
donosiocu odluke u analizi i izboru
rešenja na osnovu više kriterijuma koji
se istovremeno razmatraju. Pritom, kao
i u slučaju jednokriterijumske optimizacije, donosilac odluke implicitno
zadržava slobodu da prihvati, promeni
ili odbaci rešenje dobijeno na osnovu
matematičkog modela optimizacije. [4]
2. Primena metode kompromisnog rangiranja
Jedna od metoda koja se koristi za
višekriterijumsko rangiranje je i
metoda kompromisnog rangiranja. To
je metoda koja je najzastupljenija u
energija
Tabela 1 Ocenjivanje upoređivanih alternativa
rešavanju problema poslovnog odlučivanja.
Demonstraciju tehnike kompromisnog
rangiranja pokazaćemo na jednom
praktičnom problemu odlučivanja,
odnosno izbora najpovoljnije alternative (ponude). Posmatraćemo sedam
upoređivanih alternativa (a1, a2, a3,
a4, a5, a6, a7) od kojih ćemo izabrati
najpovoljniju alternativu. Sistematizacija alternativa izvršena je u sistemu
od tri kriterijuma (f1, f2, f3). Izabrani
su različiti značaji i različiti zahtevi sa
maksimizacijom, odnosno minimizacijom po ustanovljenim kriterijumima. Formiran je sistem kriterijuma:
tehničko-tehnološke, ekonomskofinansijske, tržišne i logističke prirode
i izvršeno ocenjivanje upoređivanih
alternativa što je prikazano u tabeli 1.
Za svaku od sedam upoređivanih
alternativa određujemo odstupanje
od “idealne” alternative, na osnovu
sledeće relacije: [1]
Zamenom odgovarajućih vrednosti
za svih sedam alternativa dobijaju se
grupna odstupanja.
Zahtev da jedna dobra alternativa ne
sme biti izrazito loša po bilo kom od
upotrebljenih kriterijuma računa se: [1]
U tabeli 2 prikazana je rang pozicija
svih sedam alternativa.
Tabela 2 Rang pozicija svih
sedam alternativa
wi – relativni značaj,
ako je
zahtev max to je
najveća vrednost
datog kriterijuma
od svih ponuđenih
alternativa, a ako
je zahtev min to je
najmanja vrednost
datog kriterijuma,
fij – vrednost
alternative za koju
računamo odstupanje,
najmanja
vrednost ako je zahtev max, ili najveća
vrednost ako je zahtev min.
”Metoda kompromisnog rangiranja
predstavlja veoma često korišćenu
metodu za višekriterijumsko rangiranje
pogodnu za rešavanje različitih problema odlučivanja. Posebno je pogodna
za rešavanje problema odlučivanja
kada su upotrebljeni kriterijumi kvantitativne prirode. Podrazumeva linearnost preferencija i minimizira subjektivni uticaj nosioca odlučivanja”. [1]
3. Visual basic, deo programa
metode kompromisanog rangiranja
4. Zaklju~ak
gde su:
, i = 1,..., n,
a7 → a6 → a5 → a4 → a3 → a2 → a1
Na sledećim dijalog prozorima prikazan je deo programa metode kompromisnog rangiranja koji je urađen u
Visual Basicu.
Kompromisna rang lista se dobija na
osnovu mere Q j: [1]
, i = 1,..., n,
_ _
S , R najveća vrednost iz
tabele 2.
U tabeli 3 prikazana je stabilnost rang liste upoređivanih
alternativa.
Kao što se iz izvršene analize
vidi, redosled svih sedam
alternativa se ne menja bez
obzira na težinu strategije odlučivanja.
On je uvek stabilan i iznosi:
gde su:
v - težina strategije odlučivanja i uzima
vrednosti 0 ≤ v ≤ 1,
S j, R j, veličina za koju računamo Q,
S*, R*, najmanja vrednost,
Tabela 3 Težina strategije odlučivanja
[030]
Pristupanje problemu višekriterijumske
optimizacije izvršeno je sa aspekta
kompromisnog rangiranja.
Redosled rešavanja ovih metoda je
sledeći: Izabere se kriterijum koji
sačinjava višekriterijumsku bazu za
odlučivanje i njihovog relativnog
značaja i izabere se odgovarajuća
metoda kojom se izvršava izbor
višekriterijumske optimizacije. Izbor
višekriterijumske optimizacije prvenstveno zavisi od vrste problema koji se
rešava, tehnologije problema koji se
energija
Slika 1 Stabilnost rang liste upoređivanih alternativa
razmatra, kao i od znanja i iskustva pojedinca koji se bavi ovim problemom.
Zadatak višekriterijumske optimizacije
je da pomogne donosiocu odluke
da izabere rešenje koje smatra
najboljim u datom problemu. Zato
se napori ka rešavanju postavljenog
višekriterijumskog problema često
nazivaju višekriterijumska analiza. [4]
Literatura
Slika 2 Rang pozicija svih sedam alternativa
Slika 3 Stabilnost rang liste upoređivanih alternativa, tj. težina strategije
odlučivanja (v)
[031]
[1] M. Radojičić, M. Žižović: “Primena metoda višekriterijumske
analize u poslovnom odlučivanju”,
Tehnički fakultet Čačak, 1998.
[2] M. Čupić V. M. R. Tummala i
M. Suknović: “Odlučivanje”,
formalni pristup, FON, Beograd,
2001.
[3] M. Suknović, M. Čupić:
“Višekriterijumsko odlučivanje”,
formalni pristup, FON, Beograd,
2003.
[4] N. Marković: “Analiza niskonaponske mreže gradskog područja”,
magistarski rad, Tehnički fakultet
Čačak, 2009.
[5] M. Tanasković, T. Bojković, D.
Perić, Distribucija električne energije, Akademska misao, Beograd,
2007.
energija
Mr. Du{an Vukoti}, dipl. el. ing.
Tomislav Milanov, dipl. el. ing.
UDC:621.722.1
Džulovi gubici u
niskonaponskim,
srednjenaponskim i
visokonaponskim mrežama
na konzumu „EDB“
1. Uvod
Rezime
Beogradski elektroenergetski čvor sa
mrežama 110 kV i 35 kV počeo je da
se izgrađuje pedesetih godina prošlog
veka sa prvom TS 110/35 kV¸/kV (TS
Beograd II, 2x20 MVA) i nizom TS
35/10 kV. Intenzivan razvoj elektrifikacije nametnuo je izgradnju prve TS
220/110 kV/kV oko 1960. godine (TS
Beograd III, 2x150 MVA) i prve TS
400/220 kV/kV oko 1970. godine (TS
Beograd VIII, 2x400 MVA).
Svakako da je intenzivnom rastu
potrošnje električne energije odgovarano planskom izgradnjom mreža te su u
tom smislu značajne dve tipske faze u
izgradnji mreža. Naime, prema prvom
koncepcijskom planu [1] beogradske elektroenergetski čvor se napaja
električnom energijom na naponu 110
kV (220 kV) a distribucija električne
energije obavlja putem mreža 35
kV, 10 kV i 0,4 kV. Prema drugom
koncepcijskom planu beogradski čvor
se napaja putem mreža 400(220 kV) i
110 kV a električna energija distribuira
preko mreža 10 kV i 0,4 kV.
Sa aspekta proračuna Džulovih
gubitaka u elektrodistributivnim i
prenosnim mrežama ovde će odmah
biti napomenuto da su ukupni tehnički
i komercijalni gubici u elektrodistributivnim mrežama na konzumu EDB
bili reda 10 % sve do 1995. godine,
a da potom ukupni godišnji gubici
enormno rastu.. U narednoj tabeli I. je
prikazano njihovo kretanje u periodu
od 1972. godine do 2008. godine, kao
procentualni odnos između kupljene i
prodate električne energije - a prema
zvaničnim podacima EDB.
Prema tome, kako kazuje tabela 1,
očigledne su značajne varijacije u
ukupnim procentualnim gubicima u
U radu se iznosi deterministički globalni pristup proračunima procentualnih
Džulovih gubitaka u svim elektrodistributivnim i prenosnim mrežama u funkciji
od opterećenja potrošača na konzumu »Elektrodistribucije-Beograd« (u daljem
tekstu EDB). Ovi zaključci su dobijeni preciznim proračunima na modelima
mreže koji su tipični za pojedine delove mreže na konuzumu EDB. Zaključuje se
da su tehnički gubici u mrežama u proteklim periodima razvoja mreže bili veoma
stabilni, ali da zbog sve većih razlika u potrošnji električne energije u zimskim i
letnjim uslovima treba Joule-ove gubitke prikazivati posebno za ova dva režima
pogona mreža, kako na gradskom tako i na prigradskom i vangradskom delu
konzuma EDB.
S obzirom na korelacije nivoa Džulovih gubitaka sa padovima napona u
mrežama, naglašava se da u sledećem investicionom ciklusu u EDB treba predvideti značajna finansijska sredstva radi eliminisanja načina napajanja sa visokim
nivoima Džulovih gubitaka i nezadovoljavajućim kvalitetom električne energije u
mrežama i kod potrošača.
Ključne reči: Elektrodistributivne mreže, Džulovi gubici
Joule Losses in Low-Voltage, Medium-Voltage and High-Voltage Consumer Supply Networks in the EDB Consumer Sector
The paper presents a deterministic global approach towards calculating percentages of Joule losses in all power distribution and transmission networks in the
function of the load in the consumer sector of »Elektrodistribucija-Beograd«
(hereinafter EDB). These conclusions result from precise calculations based on
network models typical for certain parts of the network in the EDB consumer
sector. The conclusion is that the technical losses in the networks were very
stable in the past network development, but due to growing differences in electric
power consumption during the winter and summer season it is necessary to present the Joule losses separately for these two network operation regimes, both in
the urban and suburban part of the EDB consumer sector.
Taking into account the correlation between the level of Joule losses and drop of
voltage in the networks, it is emphasized that significant funds should be foreseen
in the forthcoming EDB investment cycle in order to eliminate any power supply
resulting in high Joule losses and low quality of electrical energy in the networks
as well as unsatisfactory consumer supply.
Key words: Power distribution networks, Joule losses
desetogodišnjim periodima u odnosu
na prosek za posmatrani period, što
se u kompetentnim krugovima obično
komentariše kao posledica promenljive
vremenske dinamike očitavanja brojila
[032]
u toku godina u najbrojnijoj klasi
potrošača – domaćinstvima, kao i usled
nestabilnog i restriktivnog investiranja
u nove mreže (tabela 2).
Međutim, dosadašnji razvoj kupljene
energija
Tabela 1 Procentualni gubici u mrežama prema zvaničnim podacima EDB
Slika 1 Procentualni Džulovi gubici na nadzemnim i kablovskim vodovima na konzumu EDB po kilometru dužine voda
Slika 2 Procentualni Džulovi gubici na energetskim transformatorima na
konzumu EDB
[033]
električne energije i vršnog opterećenja
konzuma je veoma stabilan - kako to
kazuje tabela 3, a standardne karakteristike imaju i elementi elektrodistributivnog sistema, energetski transformatori i vodovi mreža (vidi slike 1
i 2 koje su oformljene na osnovu
podataka o mrežama EDB). S obzirom
na izrazitu zavisnost nivoa Džulovih
gubitaka u mrežama od dinamike i
trajanja potrošnje električne energije
na pojedinim naponskim nivoima
mreža (koji itekako utiče na ukupne
gubitke u električnoj energiji, a koji se
veoma teško može »pratiti« dovoljno
kvalitetno i ozbiljno) ovim radom će
se problematici određivanja nivoa
Džulovih gubitaka prići samo sa tzv.
»determinističkog aspekta«, tj. aspekta
očiglednog prikazivanja procentualnih gubitaka u funkciji od ukupnog
opterećenja manjih ili većih grupa
potrošača i njihove jednovremene
snage, a ne proračunima u kompletnoj mreži EDB. Ove relacije će biti
ispitane na tipičnim modelima elektrodistributivne mreže, posebno za mreže
niskog a posebno za mreže srednjeg
i visokog napona, sa komentarom
uticaja varijacije ulaznih parametara na
rezultate proračuna. Na to nas upućuje
i danas veliki broj nepoznanica o
dužinama vodova u mrežama niskog
i srednjeg napona, uklopnog stanja
rasklopnih uređaja u mrežama (tzv.
geografske granice ili zone napajanja
na nivou mreža niskog i srednjeg
napona), odnosi godišnje, sezonske,
mesečne, dnevne i satne potrošnje
električne energije u najbrojnijoj
klasi potrošača – u domaćinstvima,
dinamici potrošnje električne energije
većih potrošača u srednjenaponskim
mrežama, itd.
Prema tome, da zaključimo ova
uvodna razmatranja, ovaj rad nema
ambicija da »izračunava« tehničke
gubitke u obimnoj kompletnoj elek-
Tabela 2 Dosadašnji razvoj konzuma ”Elektrodistribucije Beograd” - prema zvaničnim podacima sa prognozom razvoja do 2020. godine
* Konzum “Elektrodistribucije Beograd” prostire se na teritoriji beogradske opštine bez opština Lazarevac i Mladenovac do 1985.godine a posle 1985.godine sa opštinom Mladenovac.
energija
[034]
trodistributivnoj mreži EDB (koja se
prostire na površini od cca 2800 km2 i
kojom se isporučuje električna energija
potrošačima kojih ima preko 600.000),
već će ovde biti prikazani gubici u
tipičnim modelima niskonaponskih,
srednjenaponskih i visokonaponskih
mreža, a na osnovu procene njihovog
učešća u mreži EDB biće prikazani gubici ukupnog konzuma EDB u funkciji
od opterećenja svih potrošača
2. D`ulovi gubici u mre`ama
niskog napona
Proračun Džulovih gubitaka u
mrežama niskog napona će ovde
biti prikazan putem tabela, pri tome
varirajući dužine izvoda 0,4 kV i
njihovo opterećenje kroz procentualno opterećenje reda 33,3%, 66,6% i
100% prenosne snage voda (obično 50
kW, 100 kW i 150 kW). Pri tome će
biti prikazani gubici sa raspoređenim
opterećenjem na “n” podjednako
opterećenih priključaka, kao i maksimalni gubici sa skoncentrisanim istim
opterećenjem na kraju izvoda 0,4 kV.
Sve deonice izvoda 0,4 kV su pri tome
istih karakteristika (istog preseka i
dužine).
Matematička relacija koja povezuje
raspodeljene i maksimalne gubitke je
sledeća(Lit. 2 ):
ΔPras=Kg . ΔPmax
gde je
Kg= (2+3/n +1/n2)/6
pri čemu je “n” ukupan broj
priključaka opterećenja pri
raspodeljenom opterećenju. Varirajući
“n” u realnim granicama došlo se do
sledeće tabele.
Prema tome, proračun Džulovih gubitaka u mrežama niskog napona biće
izvršen samo za slučaj skoncentrisanog
opterećenja na kraju izvoda 0,4 kV,
čime će biti izračunati tzv. maksimalni
gubici, a potom će se množeći ove
gubitke faktorom kg doći i do gubitaka
za raspodeljeno opterećenje na “n”
priključaka; pri tome će sve deonice
izvoda 0,4 kV biti istih karakteristika
(istog preseka i dužine). Na taj način
je proračun značajno pojednostavljen
a zaključci (brojne vrednosti procentualnih raspodeljenih i maksimalnih
Džulovih gubitaka) nisu izgubili u
opštosti; naprotiv.
A. U`e gradsko podru~je
Jednopolna šema mreže niskog napona sa geografskim rasporedom TS
10/0,4 kV/kV i priključnih kutija (u
energija
Tabela 3 Vršno opterećenje i kupljena električna energija za konzum
EDB u periodu od 1960. do 2005.
Tabela 4 Odnosi džulovih gubitaka pri skoncentrisanom i raspodeljenom
opterećenju
kablovskoj mreži)je prikazana na slici
3, a u tabeli V i rezultati proračuna
Džulovih gubitaka za razne dužine
vodova niskog napona i razne nivoe opterećenosti. Za svaki od ovih
slučajeva prikazane su raspodeljene
i maksimalne procentulane vrednosti
Džulovih gubitaka (za raspodeljeno
opterećenje i isto ukupno opterećenje
skoncentirano na kraj niskonaponskog
izvoda 0,4 kV). Pretpostavljeno je da
su kablovski izvodi 0,4 kV tipskog
preseka - kako je to prikazano na
jednopolnoj šemi mreže, i da je faktor
snage svih potrošača cos ϕ = 0,95.
Treba napomenuti da su prosečne
Tabela 5 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV na užem gradskom području
[035]
dužine izvoda 0,4 kV oko 100 m, ali da
na konzumu EDB na užem gradskom
području ima i izvoda 0,4 kV koji su i
značajno duži.
Potrebno je napomenuti da su
dužine vodova 0,4 kV u naseljima
tipa solitera dužina do 50 metara i
da su pripadajući Džulovi gubici u
granicama od 0,3 % do 1 %.
B - [ire gradsko podru~je
Jednopolna šema mreže niskog napona
sa geografskim rasporedom TS 10/0,4
kV/kV i priključaka potrošača je prikazana na slici 4, a u tabeli 6 i rezultati
proračuna Džulovih gubitaka za razne
dužine vodova niskog napona i razne
nivoe opterećenosti. Za svaki od ovih
slučajeva prikazane su raspodeljene
i maksimalne procentualne vredosti
Džulovih gubitaka (za raspodeljeno
opterećenje i isto ukupno opterećenje
skoncentrisano na kraju niskonaponskog izvoda 0,4 kV).
Pretpostavljeno je da je mreža 0,4 kV
izgrađena samonosećim kablovskim
snopom tipskog preseka 70 mm2) i da
je faktor snage potrošača cos ϕ = 0,95.
Treba napomenuti da su prosečne
dužine izvoda 0,4 kV oko 300 m, ali da
na konzumu EDB ima i izvoda 0,4 kV
koji su i značajno duži
V - Naselja sa centralnim
grejanjem - tip kolektivno
stanovanje (slika 5)
Proračun Džulovih gubitaka je
identičan kao u slučaju A - na
užem gradskom području, sa istim
dužinama, presecima i vrstom izvoda
niskog napona i iste pretpostavljene
varijantne opterećenosti.
G. Naselja sa centralnim grejanjem i malom gustinom stanovanja - tip porodi~na gradnja
(slika 6 )
Jednopolna šema mreže niskog napona
sa geografskim rasporedom TS 10/0,4
kV/kV i priključnih kutija
(u kablovskoj mreži) je
prikazana na slici 6, a
u tabeli VIII i rezultati
proračuna Džulovih gubitaka za razne dužine vodova
niskog napona i razne nivoe
opterećenosti. Za svaki od
ovih slučajeva prikazane su
raspodeljene i maksimalne
procentualne vrednosti
Džulovih gubitaka (za
raspodeljeno opterećenje
i isto ukupno opterećenje
skoncentrisana na kraju
niskonaponskog izvoda 0,4
kV). Pretpostavljeno je da
su kablvski izvodi 0,4 kV
energija
Slika 3 Jednopolna šema mreže 0,4 kV na užem
gradskom području
tipskog preseka - kako je to prikazano
na jednopolnoj šemi mreže, i da je faktor snage svih potrošaa cos ϕ = 0,95.
Treba napomenuti da su prosečne
dužine izvoda 0,4 kV oko 200 m, ali da
na konzumu EDB ima i izvoda 0,4 kV
koji su i duži.
D. Naselja bez centralnog
grejanja, sa malom gustinom
stanovanja (slika 7)
Jednopolna šema mreže niskog
napona sa geografskim rasporedom
TS 10/0,4 kV/kV i priključnih kutija
(u kablovskoj mreži) je prikazana na
slici 7, a u tabeli 9 i rezultati proračuna
Slika 4 Jednopolna šema mreže 0,4 kV na širem
gradskom području
Džulovih gubitaka za razne dužine
vodova niskog napona i razne nivoe opterećenosti. Za svaki od ovih
slučajeva prikazane su raspodeljene
i maksimalne procentulane vrednosti
Džulovih gubitaka (za raspodeljeno
opterećenje i isto ukupno opterećenje
skoncentrisano na kraj niskonaponskog
izvoda 0,4 kV). Pretpostavljeno je da
su kablovski izvodi 0,4 kV tipskog
preseka - kako je to prikazano na
jednopolnoj šemi mreže, i da je faktor
snage svih potrošača cos ϕ = 0,95.
Treba napomenuti da su prosečne
dužine izvoda 0,4 kV oko 100 m, ali da
Tabela 6 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV na širem gradskom području
[036]
na konzumu EDB ima i izvoda 0,4 kV
koji su i značajno duži.
\. Vangradska naselja sa ve}om
gustinom stanovanja - tip sremski (slika 8)
Proračun Džulovih gubitaka je
identiačn ako u slučaju B, sa istim
dužinama, prsecima i vrstom izvoda
niskog napona i iste pretpostavljene
varijantne opterećenosti.
E. Vangradska naselja sa manjom
gustinom stanovanja (slika 9)
Jednopolna šema mreže niskog napona
sa geografskim rasporedom TS 10/0,4
energija
Slika 5 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima
sa centralnim grejanjem
Slika 6 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima sa centralnim grejanjem i malom gustinom stanovanja
Tabela 7 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u naseljima sa centralnim grejanjem
Tabela 8 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u naseljima sa centralnim grejanjem i malom gustinom stanovanja
[037]
energija
Slika 7 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima bez
centralnog grejanja i malom gustinom stanovanja
Slika 8 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima
sa većom gustinom stanovanja
Tabela 9 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u naseljima bez centralnog grejanja
Tabela 10 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u vangradskim naseljima sa većom gustinom stanovanja
[038]
energija
Slika 9 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima
sa malom gustinom stanovanja
i da je faktor snage
svih potrošača cos
ϕ = 0,95.
Treba napomenuti
da su maksimalne
dužine izvoda
0,4 kV koji su
punoopterećeni oko
500 m, ali da na
konzumu EDB ima
i dužih izvoda 0,4
kV koji su značajno
manje opterećeni.
3. D`ulovi
gubici u srednjenaponskim i
visokonaponskim mre`ama
kV/kV i nadzemnih kućnih priključaka
je prikazana na slici 9, a u tabeli 11
i rezultati poračuna Džulovih gubitaka za razne dužine vodova niskog
napona i razne nivoe opterećenosti. Za
svaki od ovih slučajeva prikazani su
raspodeljeni i maksimalni procentualni Džulovi gubici (za raspodeljeno
opterećenje i isto ukupno opterećenje
skoncentrisano na kraju niskonaponskog izvoda 0,4 kV). Pretpostavljeno
je da su kućni priključci realno manjeg
preseka nego magistralni izvod 0,4 kV
Ukupni Džulovi
gubici i njihova
struktura su prikazani u ovom delu
rada na 7 modela mreže koji su
tipični za pojedine
delove konzuma
EDB.
Model mreže
1 je reprezent
najapanja na konzumu postojećih TS
110/10 kV/kV Beograd XIV, Beograd
XV, Beograd XXVIII i Beograd LX
sa pripadajućim kablovskim srednjenaponskim i visokonaponskim
mrežama. Jednopolna šema mreža i
procentualni Džulovi gubici u funkciji
od opterećenja konzuma prikazani
su na slici 10 i slici11.Učešće ovog
modela mreže u vršnom opterećenju
konzuma EDB je oko 27 % .
Model mreže 2 je reprezent najapanja
na konzumu postojećih TS 110/10
kV/kV Beograd XII, Beograd XIII i
Beograd XVI sa pripadajućim kablovskim srednjenaponskim i nadzemnim
visokonaponskim mrežamaUčešće
ovog modela mreže u vršnom
opterećenju konzuma EDB je oko 10%.
Model mreže 3 je reprezent napajanja
na konzumu postojeće TS 110/35 kV/
kV Beograd VI sa pripadajućim TS
35/10 kV/kV Podstanica, Zeleni Venac
i Viline Vode sa pripadajućim kablovskim srednjenaponskim mrežama.
Jednopolna šema mreža i procentualni Džulovi gubici u funkciji od
opterećenja konzuma prikazani su na
slici 12 i slici13. Učešće ovog modela
mreže u vršnom opterećenju konzuma
EDB je oko 8 % .
Model mreže 4 je reprezent napajanja na konzumu TS 110/35 kV/kV
Beograd I, Beograd II, Beograd XI i
Toplana sa pripadajućim TS 35/10 kV/
kV Tehnički fakultet, Bele Vode, Kanarevo brdo, Topčidersko brdo, Dobro
polje, itd., sa pripadajućim kablovskim
srednjenaponskim i visokonaponskim
mrežama. Učešće ovog modela mreže
u vršnom opterećenju konzuma EDB
je oko 30 % .
Model mreže 5 je reprezent napajanja na konzumu TS 110/35 kV/kV
Beograd VII, Beograd IX i Beograd
X sa pripadajućim TS 35/10 kV Borča,
Krnjača,Hemind, Obrenovac, Batajnica II, itd, sa pripadajućim kablovskim srednjenaponskim i nadzemnim
visokonaponskim mrežama. Jednopolna šema mreža i procentualni Džulovi
gubici u funkciji od opterećenja konzuma prikazani su na slici 14 i slici 15.
Učešće ovog modela mreže u vršnom
opterećenju konzuma EDB je oko 15 % .
Model mreže 6 je reprezent napajanja na konzumu TS 110/35 kV/
Tabela 11 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u vangradskim naseljima sa malom gustinom stanovanja
[039]
energija
Slika 10 Model mreže1 – jednopolna shema mreže
Slika 11 Model mreže 1 – procentualni Džulovi gubici
Slika 12 Model mreže 3 – jednopolna shema mreže
Slika 13 Model mreže 3 – procentualni Džulovi gubici
kV Beograd I, Beograd IX i Beograd
X sa pripadajućim TS 35/10 kV/kV
Vinča, Grocka, Batajnica I, Dobanovci,
Ugrinovci, Ratari, Zvečka, Stubline,
Vorbis, itd., sa pripadajućim nadzemnim srednjenaponskim i visokonaponskim mrežama. Jednopolna šema
mreža i porcentualni Džulovi gubici u
funkciji od opterećenja konzuma prikazani su na sl. 16 i sl. 17. Učešće ovog
modela mreže u vršnom opterećenju
konzuma EDB je oko 5 % .
Model mreže 7 je reprezent napajanja na konzumu TS 110/10 kV/kV
Beograd XVIII i Beograd XXXIII
sa pripadajućim nadzemnim sred[040]
njenaponskim i visokonaponskim
mrežama. Jednopolna šema mreža i
procentualni Džulovi gubici u funkciji
od opterećenja konzuma prikazani su
na sl. 18 i sl.19. Učešće ovog modela
mreže u vršnom opterećenju konzuma
EDB je oko 5 % .
U svim modelima mreža pripadajuće
energija
Slika 14 Model mreže 5 – jednopolna shema mreže
Slika 15 Model mreže 5 – procentualni Džulovi gubici
Slika 16 Model mreže 6 – jednopolna shema mreže
Slika 17 Model mreže 6 – procentualni Džulovi gubici
TS 110/35 kV/kV, 35/10 kV/kV i
110/10 kV/kV se opterećuju do cca
80% instalisane sange, a vodovi 35
kV i 10 kV do cca 10 MW, odnosno 2
MW. Pripadajuća TS 400/110 kV/kV
snage 2x300 MVA se opterećuje do ca
500 MW, kao i napojni vod 400 kV.
Posebno su analizirane i mreže 220 kV
sa pripadajućim TS 400/220 kV/kV i
220/110 kV/kV približno istih snaga
(2x400 MVA i 3x250 MVA respektivno).
Očigledno je da su procentualno
Džulovi gubici najveći u modelu
mreže 6 jer su jednostruki/jednosistemski vodovi 35 kV dužine 10 km
[041]
opterećeni do cca 10 MW što stvara
izuzetno visoke vrednosti ukupnih
Joule-ovih gubitaka u modelu mreže.
Takođe, očigledno je, da ukoliko
želimo da nivo Džulovih gubitaka u
modelima mreže sa TS 110/35 kV/
kV i TS 35/10 kV/kV bude isti kao u
modelima mreže sa TS 110/10 kV/kV,
energija
Slika 18 Model mreže 7 – jednopolna shema mreže
da tada treba opterećivati energetske
transformatore 110/35 kV/kV i 35/10
kV/kV u proseku za cca 10 - 20 %
manje nego energetske transformatore
110/10 kV/kV. Tako, na primer, na
konzumu EDB je isti nivo gubitaka
u mrežama na konzumu TS 110/35
kV/kV Beograd VI i TS 110/10 kV/
kV Beograd XIV i Beograd XV, jer je
vršno opterećenje TS 110/35 kV/kV
Beograd VI i pripadajućih TS 35/10
kV/kV oko 60 %, a vršna opterećenja
TS 110/10 kV/kV Beograd XIV i
Beograd XV tek nešto veća od 80 %
njihove instalisane/naznačene snage.
4. Kategorizacija delova
mre`e na konzumu EDB
prema nivoima procentualnih
D`ulovih gubitaka u njima
Ovde će opisno biti prikazana kategorizacija delova mreže na konzumu EDB
prema nivou procentualnih Džulovih
gubitaka u njima.
Naime, procentualni Džulovi gubici u
mrežama napajanih putem TS 110/10
kV/kV kao i putem TS 110/35 kV/kV i
35/10 kV/kV na područjima sa velikim
površinskim gustinama opterećenja
- gradske mreže, su manji od 5%
opterećenja konzuma, i to su
takozvane mreže prve kategorije.
Procentualni Džulovi gubici u
mrežama sa TS 110/35 kV/kV i TS
35/10 kV/kV pri vršnom opterećenju
TS 35/10 kV/kV su još uvek prihvatljivi i manji su od 8% operećenja
Slika 19 Model mreže 7 – procentualni Džulovi gubici
konzuma. To su takozvane mreže
druge kategorije karakteristične za
prigradska područja na konzumu
EDB.
I, na kraju, procentualni Džulovi gubici u mrežama sa TS 110/35 kV/kV i
35/10 kV/kV i dugačkim vodovima 35
kV kod kojih su Džulovi gubici pri
vršnom opterećenju veći od 10 %
opterećenja konzuma su mreže tzv.
treće kategorije i karakteristične su
za napajanje delova vangradskog
konzuma EDB.
Učešće mreža prve kategorije u
vršnom opterećenju konzuma EDB
je oko 70 %, mreža druge kategorije
oko 20%, te mreža treće kategorije
oko 10 %. Ciljne vrednosti za nivoe
Džulovih gubitaka u svim mrežama
na konzumu EDB su mreže prve i
druge kategorije kako su i prikazane
ovim radom.Ove vrednosti su prihvatljive i sa aspekta tehno-ekonomskih analiza.
5. D`ulovi gubici u svim
mre`ama u zavisnosti od
optere}enja ukupnog
konzuma EDB
U zavisnosti od načina napajanja
električnom energijom obrazovani su
modeli mreža koji su tipični za cca
7 manjih ili većih reona na konzumu
EDB. Najpre su oformljeni modeli
mreže sa dva nivoa transformacije
(putem TS 110/10 kV/kV i 10/0,4
kV/kV ) a zatim i modeli sa tri nivoa
[042]
transformacije (110/35 kV/kV, 35/10
kV/kV i 10/0,4 kV/kV). U prenosnom
sistemu su analizirane karakteristike
napajanja putem TS 400/110 kV/
kV kao i putem TS 400/220 kV/kV i
220/110 kV/kV.
Dužine vodova su varirane prema
učešću u mrežama na konzumu EDB i
kreću se do u proseku 20 km za mrežu
110 kV, cca 10 km za mrežu 35 kV i
cca 5 km za mrežu 10 kV. Procentualno opterećivanje vodova i transformatora u modelima mreža je najviše do
cca 80% kapaciteta svakog elementa
pojedinačno.Na taj način je, srazmerno učešću svakog modela mreže
u vršnom opterećenju konzuma EDB,
oformljen dijagram na slici 20, gde je
prikazana globalna procena zavisnosti
procentualnih Džulovih gubitaka u
svim prenosnim i elektrodistributivnim
mrežama u funkciji od opterećenja
ukupnog konzuma EDB.
Očigledno je da ukupni procentualni
Džulovi gubici u svim mrežama na
konzumu EDB iznose oko 10% pri
vršnom opterećenju konzma reda
1600 MW, a da su minimalni pri
opterećenjima konzuma EDB reda
500 MW. Pri minimalnim godišnjim
opterećenjima konzuma EDB reda
300 MW procentualni Joule-ovi gubici
iznose oko 6%. U elektrodistributivnim
mrežama Džulovi gubici pi vršnom
opterećenju konzuma iznose oko 7% a
pri minimalnom opterećenju konzuma
iznose oko 5%.
energija
Slika 20 Ukupni procentualni Džulovi gubici u svim
mrežama na konzumu EDB
Učešće procentualnih Džulovih gubitaka u mrežama
niskog napona je
dominantno, i kako
je to i prikazano
na dijagramu na sl.
20, iznosi oko 35%
ukupnih procentualnih Džulovih
gubitaka pri
vršnom opterećenju
konzuma EDB.
6. Mere koje
treba preduzeti
za eliminisanje
na~ina
napajanja sa
visokim
procentualnim
D`ulovim gubicima i
padovima
napona na
konzumu EDB
Kriva 1 – gubici u niskonaponskim mrežama
Kriva 2 – gubici u elektrodistributivnoj mreži
Kriva 3 – gubici u prenosnoj mreži
Slika 21 Geografski prikaz mreže 35 kV na vangradskom delu konzuma EDB
[043]
Kao što je već
rečeno, visoke
vrednosti procentualnih Džulovih
gubitaka i padova napona na
konzumu EDB
su na vangradskim područjima
sa dugačkim a
punoopterećenim
vodovima 35 kV
i 10 kV. Vršna
opterećenja ovih
reona danas iznose
oko 200 MW i
za njihovu sanaciju neophodna
je izgradnja 4 TS
110/35 kV/kV ,
3 TS 110/10 kV/
kV i cca 20-25
TS 35/10 kV/kV.
Za to su potrebna
značajna finansijska sredstva te bi u
narednim investicionim ciklusima
za izgradnju mreža
na konzumu EDB
trebalo intervenisati
najpre na ovakvim
područjima.
Očigledno je, kako
to kazuje priložena
Sl. 21, da u vangradsku mrežu 35
kV na konzumu
EDB treba uvesti
samo četiri TS
110/35 kV/kV do 2025. godine ( TS
Grocka, Surčin, Barajevo i Padinska
Skela ), pa da svi vodovi 35 kV budu
dužina do 5 km, eventualno 10 km, što
bi u interakciji sa opterećenjima TS
35/10 kV/kV impliciralo da maksimalni padovi napona i Džulovi gubici
u mreži 35 kV budu dovedeni na nivo
ispod 2 % , eventualno 3 %, na svim
pravcima, te će mreža 35 kV u tim
uslovima doživeti ponovnu afirmaciju
pri svim nastupajućim povećanjima
površinskih gustina potrošača;na taj
način će svako naselje sa preko 3000
stanovnika imati svoju TS 35/10 kV/
kV snage 2x4(8) MVA, a svako naselje
sa više od
10 000 stanovnika i svoju TS 110/X kV/kV snage 2x31,5 MVA
– što je itekako prihvatljivo rešenje i u
tehnoekonomskom smislu !
Svakako da dovođenje svih mreža na
nivo kvalitetnih mreža i mreža sa prihvatljivim performansama najapanja,
kako
su definisane ovim radom, treba da
bude realizovano u dogledno vreme,
jer starost gradskih mreža nameće
potrebu da se odmah posle ovakvih intervencija nastavi sa izgradnjom nove
mreže i na gradskim područjima - pre
svega na delovima gradskog konzuma na kojima su objekti već danas
stariji od 40 godina. Neminovan rast
specifičnog opterećenja i površinske
gustine opterećenja na konzumu EDB
to nameću u svim srednjoročnim planskim periodima do i posle 2020.godine.
8. Zaklju~ci
U radu su prikazane zavisnosti procentualnih Džulovih gubitaka u funkciji od opterećenja konzuma posebno
za sve mreže na konzumu EDB a
posebno za delove mreže sa različitim
načinima napajanja. Zaključuje se da u
tom smislu postoje izuzetno kvalitetne
mreže i mreže sa prihvatljivim nivoima
Džulovih gubitaka (do cca 5% odnosno 8 % respektivno), takozvane mreže
prve i druge kategorije, kao i, naravno,
i mreže sa značajno većim nivoima
procentualnih Džulovih gubitaka
(tzv. mreže treće kategorije, u kojima
su procentualni Džulovi gubici pri
vršnom opterećenju konzuma veći od
10 %).
Ciljne vrednosti procentualnih
Džulovih gubitaka u mrežama na konzumu EDB su kvalitetne mreže i mreže
sa pirhvatljivim nivoima gubitaka. Za
eliminaicju mreža sa visokim vrednostima procentualnih Džulovih gubitaka
potrebna su značajna finansijska sredstva, te bi trebalo izgraditi sve objekte
- izvore u mrežama u dogledno vreme.
To nameće starost gradskih mreža na
energija
konzumu EDB čija će zamena novom
mrežom uslediti posle saniranja mreža
sa enormnim Džulovim gubicima.
Za sada zadovoljava proncip da se
planiranje izgradnje novih mreža radi
za maksimalan pad napona na svakom
naponskim nivou mreža od 5% dok
Džulove gubitke u mrežama treba i
dalje adekvanto valorizovati u tehnoekomonskom delu studija razvoja
mreža; treba napomenuti i to da su
u tehnoekonomskom vrednovanju
Džulovi gubici invarijantni u ukupnoj
ekonomiji varijantnog rešenja i da nisu
odlučujući za favorizovnje određene
dinamike izgradnje mreže.
An|elka Milosavljevi}, Zoran Stameni}, Sr|an Uzelac,
Ratko Vrane{
Mašinski fakultet, Beograd
Suzana Poli}-Radovanovi}
Centralni institut za konzervaciju, Beograd
Biljana Gruji}
Inovacioni centar Mašinskog fakulteta u Beogradu d.o.o. Beograd
Literatura
Rezime
[1] Elektrosrbija Beograd, Perspektivni program investicione izgradnje
električne mreže grada i sreza
Beograd, studija, 1957.godina
[2] Gojko Muždeka, Osnovne koncepcije perspektivnog napajanja
Beograda električnom energijom do 2000.godine, Časopis
"Elektrodistribucija",1977.
god.,broj 3
[3] Tomislav Milanov,Slobodan
Maksimović, Džulovi gubici i
padovi napona u modelima elektrodistributivne i prenosne mreže,
JUKO CIGRE 1993.godine, R
31-16.
[4] Tomislav Bojković i saradnici,
Tehničke preporuke distribucija
Srbije, tom 1 i 2.
UDC:620.1 : 621.79 : 669.715
Višekomponentne legure
aluminijuma, primena u
energetici i ispitivanju
U ovom radu razmatrane su višekomponentne legure aluminijuma tipa:
AlMg4,5Mn i AlZnMgCu, sa različitim prethodnim obradama. Cilj ispitivanja je
bio da se pravilnim izborom hemijskog sastava, parametara zavarivanja, kao i
dozvoljenim nivoom zavarivanjem unete toplotne energije, obezbedi dobar kvalitet materijala konstruktivnih delova koji se primenjuju u energetici.
Izvedena mehanička ispitivanja uz razmatranje prelomnih površina zava-renih
spojeva skenirajućim mikroskopom (SEM) i energodisperzionom analizom (EDS)
ukazuju na značaj pravilnog izbora materijala, termomehaničke obrade, tehnologije zavarivanja i praktične primene.
Ključne reči: Legure aluminijuma, zavarivanje, mehaničke karakteristike,
optičke metode, struktura.
Multiple Component Aluminum Alloys, Applications in Power
Industry and Testing
In this white paper, multiple component aluminum alloys of the following types:
AlMg4,5Mn and AlZnMgCu, both subjected to the different kinds of treatment,
were investigated. Aim of this research was to provide and secure good material
quality of the structural parts, which are used in the power industry, by proper
selection of the chemical composition, welding conditions and allowed level of
thermal energy transfe-red to the material during the welding process.
Mechanical tests performed here, together with the fracture surfaces investigation of the welded joints by scanning microscope (SEM) and by energy dispersal
anlysis (EDS), indicate the significance of the proper material selection, thermomechanical treatment, welding technology and practical application.
Key words: aluminum alloys, welding, mechanical properties, optical methods,
structure.
Uvod
Nepodeljen je stav istraživača koji
se bave materijalima, sa literaturnog
i eksperimantalnog pristupa problemima, da je potrebno obezbediti
savremene tehnologije dobijanja i
ispitivanja, da bi se dobila povoljna
struktura za odgovarajuću primenu
materijala. Savremene finostrukturne
analize: termoemisione, transmisione,
skenirajuće mikroskopije i disperzione
[044]
analize, daju pokazatelje od značaja za
buduću razvoj proizvoda i industrije.
Primena novih tehnologija i ispitivanja
usmerena su na dobijanje i primenu
novih vrsta materijala i poboljšanja
osobina postojećih. Za to je potrebno
znanje i ulaganje da se na nano i mikro
nivou objasne makro promene i greške
nastale u proizvodnji i eksploataciji,
kao i da se poveća pouzdanost konstruktivnih delova i konstrukcija.
energija
Kinetika i mehanizam formiranja
strukturnih mikrokonstituenata legura
aluminijuma, koji nastaju kao posledica procesa ojačavanja [1,2,3],
naponsko-deformacionih stanja [4,5],
zavarivanja [6,7,8,9,10], teksture [11],
nisu dovoljno naučno objašnjeni. Zato
je, u ispitivanjima bez razaranja, koja
se koriste kao preliminarna, posebno
mesto pripalo holografskoj interferometriji [10] koja je potisnula klasične
metode naponsko-deformacione
analize, kao što su to fotoelastičnost
i tenzometrija. Takođe, primena
vakuumskih tehnika [12] i laserskih
obrada [13,14,15,16,17] u procesima
obrade imaju veliki praktični značaj.
U određivanju veličine zrna, uticaju
graničnih površina na osobine materijala, neizostavno je važna primena
transmisione mikroskopije. Pošto
materijal uvek menja osobine u toku
termičkih obrada i zavarivanja, i u
uslovima visokih radnih temperatura u
eksploataciji [18], termoemisioni mikroskop daje najoriginalniji dokaz. U
analizi prelomnih površina, identifikovanju mikro pora, prslina i sekundarnih
faza neophodna su fraktografska ispitivanja. Zbog velikog broja uticajnih
faktora koji dovode do nastanka i rasta
prsline, utvrđivanje mehanizma loma
je kompleksno. Najjednostavnije je da
se direktnim posmatranjem površine
preloma upravne na skenirajući snop
elektrona, utvrdi da li su prisutne jamice i kakvog su oblika, ima li u njima
uključaka, kojeg su tipa, da li postoje
transkristalni rascepi i da li mogu da se
identifikuju sekundarne faze. U ovom
radu prikazani su rezultati mehaničkih
ispitivanja, ispitivanja prelomnih
površina “scanning” (SEM) elektronskim mikroskopom i energodisperzionom analizom (EDS). Navedena
ispitivanja dala su značajne rezultate
vezane za materijale koji u eksploataciji rade u najodgovornijim i veoma
nepogodnim radnim uslovima [19].
Rezultati i diskusija
Ispitivanja su izvedena na legurama
tipa: AlMg4,5Mn i AlZnMgCu. Legure
AlMg4,5Mn su termički neobradive i
otporne su na koroziju. Primenjuju se
za izradu manje opterećenih zavarenih
konstrukcija. Legure AlZnMgCu su
deformabilne, termički obradive, pripadaju legurama visoke čvrstoće koja
se postiže rastvaranjem legirajućih
elemenata u osnovnoj površinski centriranoj rešetki aluminijuma, a potom
na temperaturi termičkog taloženja
formiranjem ojačavajućih mikrokonstituenata.
Legura AlMg4,5Mn dobijena je
klasičnom tehnologijom proizvodnje,
uz optimizaciju hemijskog sastava i
dopunskim ojačavanjem deformacijom, tj. dislokacionim mehanizmom.
Zato se kroz izbor odgovarajuće
tehnologije zavarivanja, uz prethodno
predgrevanje, želelo da se utiče na
optimizaciju mehaničkih i mikrostrukturnih karakteristika, a time i da se
omogući šira primena zavarivanih
delova napred navedenih legura.
Rezultati ispitivanja hemijskog sastava
su dobijeni kvantometrijskom analizom i dati su u tabeli 1. U tabeli 2.
prikazani su rezultati hemijskog sastava legure AlZnMgCu, koji su dobijeni
gravimetrijski. Svojstva otpornosti su
određena ispitivanjem na zatezanje,
za kaljeno (K) i termomehanički
obrađeno stanje (D+T) i dati su u tabeli 3, kao srednje vrednosti 5 merenja.
Deformabilna legura AlMg4,5Mn, bez
prethodne termičke obrade, pokazala
je da su vrednosti zatezne čvrstoće od
290 – 304 MPa, a vrednosti energija
loma od 190 – 200 J. Zato su sve
veći zahtevi za postizanjem optimalnih deformacionih uslova i izborom
odgovarajućih parametara zavarivanja.
Zavarivanje je izvedeno netopivom
elektrodom - TIG postupkom, u 4 prolaza, sa međuprolaznom temperaturom
od 110-125°S. Legura je zavarivana, u
zaštitnoj atmosferi argona. Na osnovu
odgovarajućih parametara zavarivanja
prema proračunu po formuli [6], uneta
količina toplote iznosila je od 17-26
kJ/cm. Ograničenje unete toplote pri
zavarivanju se postiže primenom što
manjeg inteziteta struje zavarivanja.
Za određivanje žilavosti ivice materijala bile su pripremljene sa „V“
zarezom, sa uglovima koji odgovaraju
korišćenom postupku zavarivanja.
S obzirom da je poznato da se kod
legura aluminijuma pri zavarivanju
javlja poroznost, bitno je bilo da
se izvede predgrevanje. Prisustvo
poroznosti koje se najčešće manifestuje formiranjem oksida aluminijuma
Al2O3 [20], kao i stvaranjem drugih
gasova u metalnom kupatilu i njihove
difuzije po celoj zapremini posledica je
i brzog očvršćavanja metala u procesu
zavarivanja.
U toku procesa zavarivanja, vodilo
se računa o uspostavljanju stabilnosti
luka, zaštite metalnog kupatila od
drugih gasova iz vazduha, dobijanje
što homogenijeg materijala vara i
kvalitetnog zavarenog spoja. Kao
dodatni materijal pri zavarivanju
korišćena je žica poprečnog preseka
Ø5mm, dužine 1000mm, sličnog hemijskog sastava – oznake AWS AC.10/
ER 518, tj. DIN 17256 – AlMg4,6Mn.
Posle izvedenog zavarivanja, određena
je žilavost na instrumentiranom
Šarpijevom klatnu. Za snimanje prelomnih površina primenjen je elektronski mikroskop (SEM) tipa JOEL
Tabela 1 Hemijski sastav legure AlMg4,5Mn
Tabela 2 Hemijski sastav legure AlZnMgCu
Tabela 3 Mehaničke osobine legure AlZnMgCu
Tabela 4 Parametri tehnologije zavarivanja u zaštitnoj atmosferi argona
[045]
energija
Slika 1 Površina preloma (SEM)
JSM35 pri naponu 25kV, a
takođe je izvedena energodisperziona analiza (EDS). Rezultati mikrostrukturne analize
su prikazani na slikama 1 – 5.
U literaturi nema značajnih
rezultata o formiranju faza
kod legura aluminijuma sa
manjim procentima legirajućih
elemenata, u odnosu na legure
sa većim težinskim udelom
legirajućih elemenata, gde postoje i značajni dijagrami stanja
koji to potvrđuju. Za leguru
AlZnMgCu pokazalo se da su
najčešće prisutna jedinjenja
(MgMn)3Al10 i Mg5Al8 koja se
obrazuju peritektičkom reakci-
Slika 2 Površina preloma (EDS)
su malih dimenzija i nisu bile
od značaja za dalju identifikaciju.
Različita koncentracija Al i
legirajućih elemenata na slici
3. (spectrum 1 i 2) govore
o preraspodeli legirajućih
elemenata, nastalih u procesu
zavarivanja. Ovo verovatno
nastaje usled neravnomerne
raspodele temperature u toku
hlađenja. Osim Mg2Al3 faze
od značaja je mogući uticaj
formiranja mikrokonstituenata na bazi Mg i Si, što je
česta pojava i kod drugih
legura aluminijuma [16, 17],
Slika 3 Površina preloma – mesto 1 i 2 (SEM)
Slika 4 Mesto 1 (EDS)
jom iz faze MnAl6 ili MnAl4. Identifikovane su i faze ZnAl i CrAl7. Činjenica
je da je navedena legura kompleksnijeg
sastava uz prethodnu termomehaničku
obradu: hladna plastična deformacija i
termičko taloženje.
Slika 5 Mesto 2 (EDS)
Kod legure AlMg4,5Mn, na slici 1.
data je prelomna površina snimljena
skenirajućim mikroskopom, a disperzionom analizom uočava se dominirajući
sadržaj aluminijuma uz eventualnu
mogućnost prisustva Mg2Al3 faze koje
[046]
a manifestuje se stvaranjem Mg2Si
mikrokonstituenta. S obzirom da se
na slici 4. uočava znatno prisustvo
silicijuma, moguće je da dolazi do
izdvajanja Mg2Si faze. Zato bi detaljnije mikroskopske analize pomogle
energija
u daljim razmatranjima i utvrđivanju,
kao i izračunavanju kvantitativnih
udela pojedinih mikrokonstituenata za
različite uslove deformacije, termičke
obrade, a uz pravilno odabrane parametre zavarivanja.
Zaklju~ak
Na osnovu rezultata ispitivanja bez
razaranja, određivanja mehaničkih
karakteristika i izvedenih mikrostrukturnih analiza može se zaključiti
sledeće:
Za legure AlMg4,5Mn i AlZnMgCu
pravilno su određeni: optimalni
hemijski sastav, deformacioni uslovi,
termička obrada i parametri zavarivanja.
Povećano prisustvo različitih hemijskih elemenata u pojedinim delovima prelomnih površina uzoraka
legure AlMg4,5Mn, posle ispitivanja
žilavosti, ukazuje na izvesnu nehomogenost strukture materijala, što
stvara mogućnost za formiranje i
koncentrisanje sekundarni faza, čiji
sastav nije još definisan. Na osnovu
rezultata ispitivanja se pretpostavlja
da su prisutne Mg2Al3 Mg2Si, u malim
težinski udelima.
Detaljnija mikro analiza za različite
parametre termomehaničke obrade
i zavarivanja, bila bi od značaja za
karakterizaciju ispitivane složene
višekomponentne strukture legure AlZnMgCu, što bi uticalo na
poboljšanje kvaliteta materijala, a sa
tim i na pouzdanost konstruktivnih
delova i konstrukcija u eksploataciji.
***
Učesnici Projekta 14025 i ostali
koautori rada, iskreno se zahvaljuju
Ministarstvu za nauku i tehnološki
razvoj Vlade republike Srbije.
Literatura
1. A. Milosavljević, V. ŠijačkiŽeravčić, M. Rogulić, V.
Milenković, R. Prokić-Cvetković,
Vlijanie temperaturi vtoričnogo
starenija na upročnenie i ostatočnie
uprugie naprjaženija splavov
AlMgSi i AlMgSiCu, Fizika metallov i metallovedenie, Vol.75, No4,
96-100, 1993.
2. Drecun S., Burzić Z., Milosavljević
A., Prokić – Cvetković R., Ispitivanje uticaja režima termičke
i termomehaničke obrade i
dinamičkog opterećenja na eksploatacijska svojstva legure 8090 u cilju
povećanja efikasnosti energetskog
sistema, Energija, Ekonomija,
Ekologija, 27 -35, 2005.
3. Blečić Ž., Milosavljević A.,
Radovanović R., Anđelić B.,
Rahović Z.: Modeling of crystallization process of continuously
casted strip of alluminium al 99.5
on the type “3s” installation, nbp,
Vol. III-1, p. 69 -81, Beograd, 1998.
4. A. Milosavljević, V. ŠijačkiZeravčić, M. Rogulić, N. NovovićSimović, The Influence of rolling
schedule and composition on the
residual elastic stress (RES) and
texture, J. Serb. Chem. Soc. Vol. 60,
N˚1, 61-68, 1995.
5. Milovanović A., Srećković M.,
Milosavljević A., Radovanović R.,
Ristić S., Ilić J.: Holographic And
Interferometric Methods In Pressure
Vessel Testing, Proceedings of the
International Conference on lasers
'99, Quebec, Canada, sts press,
McLean.
6. A. Milosavljević, A. Sedmak, R.
Prokić-Cvetković, R. Kerečki,
Vlianie pogonnoi energii svarki
na izmenenija svojstv niskolegirovankoi stali povišennoi pročnosti,
Svaročnoe proizvodstvo No9, 8-9,
1995.
7. Prof. L. M. Lobanov, The E. O. Paton Electric Welding Institute of the
National Academy of Sciences of
Ukraine – Ukraine, Problems of life
of welded structures, ASR International Conference, Bucharst, 2003.
8. John E. Hatch, Aluminium properties and physical metallurgy, 1983
9. R. Prokić-Cvetković, A.
Milosavljević, A. Sedmak, O.
Popović, The influence of the oxygen in a gas-mixture on the structure and toughness of microalloyed
steel weldments, J. Serb. Chem.
Soc. 71 (3) 313-321, JSCS – 3426,
2006.
10. Počuča E., Milosavljević A.,
Srećković M., Degradacija strukture lajnera komore sagorevanja
izrađene od Ni-superlegure Hastelloy X tokom dugog izlaganja povišenim temperaturama. Energija,
ekologija, ekonomija, Godina VII,
p. 070-074, Beograd 2007.
11. Milosavljević A., Srećković M.,
Sedmak A., Radaković Z., Radovanović R., Kovačević K., Anđelić
B., Nešić I., Drobnjak R.: Texture,
resistance, wear of bimetal and
[047]
laser influence, Proceedings of the
International Conference on LASERS ‘99, Quebec, Canada, STS.
12. A. Milosavljević, M. Srećković, S.
Bojanić, M. Dinulović, Laser beam
effects on Cu and Ti in vacuum
and in the air, Vacuum, volume 47,
number 12, pages 1416 – 1417,
1996.
13. S. Bojanić, M. Srećković, A.
Milosavljević, Ž. Blečić, V.
Rajković (Institut Vinča, Vinča), Z.
Fidanovski, Interakcija impulsnih
lasera sa teško obradivim materijalima, 40 Godina elektronske
mikroskopije, str. 181-182, 1997.
14. Miodrag Kirić, Milesa Srećković,
Modern approach to control and
nondestructive testing methods,
Fundamentals of Fracture Mechanics and Structural Integrity Assessment Methods, Belgrade 2009,
pages 237 – 260
15. Milosavljević A., Kovačević K.,
Miladinov M., Radovanović R.,
Nešić I., Đorđević D., Lekić S.:
Laser beam effects on multicomponent aluminium alloys, International Conference Welding & Joining
2000 - New Materials & New
Perspectives, Tel-Aviv, 2000.
16. S. Bojanić, M. Srećković, A.
Milosavljević, V. Rajković, S.
Ristić Laser treatment of Multicomponent alloys AlLi, Physics
of Low-Dimensional Structures,
85-94 Vol.12, No 4/6 1996
17. A. Milosavljević, M. Srećković,
V. Milenković, B. Ilić-Paul, P.
Citaković, S. Ristić, Aluminium –
International Journal for Industry,
Research and Application, Vol. 73.
N˚6, 434-438, 1997
18. Kovačević K., Petronić S.
Milosavljević A., Mrkić M., Pljakić
R., Promena u strukturi superlegura
u zavisnosti od temperature, No
3-4, Godina VII, 085 - 090. Energija, Ekonomija, Ekologija 2007.
19. R. Dimitrijević, J. Manasijević, M.
Živković, T. Pavlović, R. Prokić
– cvetković, A. Milosavljević,
Povećanje efikasnosti distributivnih transformatora primenom
materijala poboljšanih svojstava za
izradu magnetnih kola, Energija,
Ekonomija, Ekologija, 69 – 74,
2005
20. F. Shehata, A. Fathy, M. Abdelhameed S.F. Moustafa, Preparation
and properties of Al2O3 nanoparticle reinforced copper matrix
composites by in situ processing,
Elsevier Journal, Materials and
Design, 2008.
energija
Dr Andreja Todorovi}, van. prof.
Fakultet tehničkih nauka, Kosovska Mitrovica
Dr Branimir Grgur, van. prof.
Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd
UDC:620.93 : 621.35.001
Određivanje električne
provodljivosti vodenog
rastvora kalijum-hidroksida
i litijum- hlorida
modeliranjem sistema
diferencijalnim jednačinama
1. Uvod
Rezime
Na osnovu dostupnih literaturnih
informacija domaćih i stranih autora
iz oblasti elektrohemije [1-7], autorima ovog rada nije poznato kako se
na osnovu eksperimentalnih podataka
mogu formirati sistemi diferencijalnih
jednačina za određivanje dinamičkih
karakteristika elektrohemijskih
sistema. To pitanje je upravo obrađeno
u ovom radu na primeru određivanja
električne provodljivosti elektrohemijskog provodnog sistema vodenog
rastvora kalijum-hidroksida i litijumhlorida.
U radu je pokazano kako se na osnovu
podataka eksperimentalnih merenja
električne provodljivosti vodenog
kalijum-hidroksida i litijum-hlorida
mogu formirati sistemi njihovih
aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda sa dve ili
više jednačina, čijim se rešavanjem
pomoću odgovarajućih funkcija Matlab računarskih programskih paketa
dobijaju približne vrednosti navedenih
veličina [8-9]. Dobijeni rezultati se
veoma dobro slažu sa eksperimentalnim [1,6-7], što opravdava ovakav
pristup rešavanju ove problematike.
Takođe, upoređivanjem eksperimentalnih sa dobijenim podacima razmatranih
veličina, koji su u vidu numeričkih
vrednosti promenljivih dati tablično
i grafički, može se konstatovati da su
dobijeni podaci zadovoljavajući i za
praksu i za istraživanja.
Opravdanje za primenu predložene metode putem formiranja odgovarajućih
diferencijalnih jednačina ili njihovih
sistema za približno određivanje
električne provodljivosti navedenih
elektrolita, pokazano je na osnovu
ostvarenih relativnih grešaka. Naime,
U radu je predložen novi način modeliranja dinamičkih sistema, baziran na
formiranju sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog
reda za približno određivanje električne provodljivosti vodenih rastvora kalijumhidroksida i litijum-hlorida. Rešavanje ovog pitanja je od velikog značaja za
praksu i istraživanja u oblasti elektrohemije, a navedene jednačine se postavljaju
na osnovu eksperimentalnih merenja električne provodljivosti razmatranih elektrolita. Rešavanjem tako postavljenih jednačina metodom Runge-Kuta četvrtog
reda pomoću odgovarajućih funkcija Matlab računarskog programa, dobijaju se
veoma precizni, pouzdani i zadovoljavajući rezultati za relativno kratko vreme.
Na taj način se dobijaju karaktetistike elektrolita u vidu numeričkih vrednosti
promenljivih, što omogućuje analizu režima rada i spitivanje uticajnih parametara na osobine sistema.
Ključne reči: sistem, aproksimacija, jednačina, električna provodljivost, kalijum-hidroksid, litijum-hlorid.
Determinatiom of the Electrical Conductivity of Water Decompose Kalium-Hydroxside and Litium-Chloride Breadboarding
System Differential Equations
This work deals with problematical of approximate deterination of the electrical
conductivity water solutions kalium-hydroxide and litium-chloride with metod
of fermation system approximate differential equations of first order. The solution of the issue would be of great significance for practice and research in the
electrochemistry, since the above-mentioned equations are based on experimental measurements of electrical conductivity of the analyzed electrolytes. Very
precise, reliable and useful results are obtained in very short period of time if
such equations solved by Runge-Cute method of the forth order, using the appropriate functions of the Matlab Computer Program. Thus, the characteristics
of the electrolytes are expressed by the numerical values of the variables, which
enables the analysis of working regime and revision of the parameters’ or certain
quantity impact on system characteristics.
Key words: system, approximation, equations, electrical conductivity, kaliumhydroxide, litium-chloride.
te greške su bile minimalne, pa se
tako dobijeni rezultati i metoda mogu
smatrati prihvatljivim za primenu. Na
ovaj način autori ovog rada su dali svoj
skroman doprinos rešavanju navedenog pitanja, stim što se može istaći
da se ovakav pristup može primeniti
za rešavanje i sličnih problematika u
oblasti elektrohemije.
[048]
2. Metodologija formiranja
sistema aproksimacionih
linearnih diferencijalnih
jedna~ina za odre|ivanje
elektri~ne provodljivosti
elektrolita
Jedna od značajnih karakteristika
elektrolita – provodnika druge vrste, je
energija
električna provodljivost κ. Određivanje
ove veličine je od posebnog značaja za
praksu i istrživanja u oblasti elektrohemije, jer ovi elektrohemijski provodni
sistemi električne struje nalaze široku
primenu u mnogim granama nauke
i tehnike. S obzirom da električna
provodljivost elektrolita zavisi od
više veličina: koncentracije, stepena
disocijacije, naelektrisanja i stepena
pokretljivosti, temperature itd., njenim
određivanjem može se izvršiti analiza
njihovog režima rada, ispitati uticaj koncentracije ili bilo koje druge
veličine na osobine elektrolita, odrediti
brzina hemijskih reakcija, kao što su
esterifikacija, saponifikacija, diazotovanje itd. Zato se ovoj problematici
posvećuje posebna pažnja.
U elektrohemiji električa provodljivost
predstavlja ustvari njihovu specifičnu
električnu provodljivost, pa se s toga
izražava u S⋅m-1. Ova veličina može
se odrediti u zavisnosti od bilo koje
druge veličine, ali je od posebnog
značaja njeno određivanje u zavisnosti
od koncentracije c, koja se izražava
u mol/m3. U tom slučaju, kada se upotrebljava pojam mola, neophodno je
navesti vrstu elementarnih čestica, jer
ove čestice mogu biti: atomi, molekuli,
joni, elektroni, kao i druge čestice ili
specijalne grupe ovih čestica [1-5].
Mol bilo kog elektrolita je količina
supstance koja pri rastvaranju daje u
rastvor e⋅L i – e⋅L naelektrisanja koje
nose nastali joni, gde je: e - naelektrisanje protona, a L - Avogardova
konstanta, koja iznosi 6,022⋅1023 mol-1.
Za praktične svrhe i naučna
istraživanja u oblasti elektrohemije, posebnu važnost ima formiranje
sistema linearnih diferencijalnih
jednačina prvog ili višeg reda, sa dve
ili više jednačina, pomoću kojih se
mogu odrediti razne veličine. Od mnogo poznatih veličina, veliku važnost
ima određivanje električne provodljivosti elektrohemijskog provodnog
sistema vodenog rastvora kalijuhidroksida i litijum-hlorida. Ako je
formirani sistem linearnih diferencijalnih jednačina namenjen za određivanje
električne provodljivosti elektrohemijskog provodnog sistema električne
struje, onda on predstavlja matematički
model koji praktično opisuje dinamiku
procesa odnosno dinamičke osobine
tog sistema. S obzirom da u formiranom sistemu linearnih diferencijalnih
jednačina prvog ili višeg reda mogu
figurisati prvi ili viši izvodi nepoznatih
funkcija električne provodljivosti
vodenog rastvora kalijum-hidroksida i
litijum-hlorida, kao i same funkcije tih
veličina i njihovi argumenti – koncen-
tracije, njihovim rešavanjem se upravo
dobijaju navedene funkcije – koje
predstavljaju dinamičke karakteristike sistema. Pomoću tako dobijenih
dinamičkih karakteristika sistema,
može se izvršiti analiza njihovog
režima rada i odrediti odgovarajuče
osobine sistema.
Formiranje sistema linearnih diferencijalnih jednačina za određivanje
električne provodljivosti razmatranih
elektrolita, može se izvršiti na osnovu
odgovarajućih fizičkih zakonitosti i
aproksimacionom metodom na osnovu
podataka eksperimentalnih merenja
električne provodljivosti i koncentracije odgovarajućih elektrolita. Rešavanje
ovih linearnih diferencijalnih jednačina
ili njihovih sistema može se izvršiti
raznim metodama, ali se najčešće
koristi metoda Runge-Kuta četvrtog
reda i to pomoću odgovarajućih
funkcija Matlab računarskih programskih paketa. U tom slučaju su
dobijeni rezultati zadovoljavajući
i za praksu i za istraživanja u ovoj
naučnoj oblasti. S toga se ovom pitanju
formiranja sistema linearnih diferencijalnih jednačina za određivanje
električne provodljivosti elektrolita,
mora posvetiti posebna pažnja. Naime,
ako formirani sistem linearnih diferencijalnih jednačina razmatranog
elektrohemijskog provodnog sistema
vodenog rastvora kalijum hidroksida
i litijum-hlorida, koga u ovom slučaju
čine dve linearne diferencijalne
jednačine, sadrži jednu ili obe diferencijalne jednačine drugog ili višeg reda,
onda se te jednačine odgovarajućim
zamenama svode na linearne jednačina
prvog reda, pa se time dobija sistem
linearnih diferencijalnih jednačina
prvog reda sa više od dve jednačine.
Navedeno svođenje sistema linearnih
diferencijalnih jednačina višeg reda
na sistem linearnih diferencijalnih
jednačina prvog reda vrši se zato što je
Matlab računarski program prilagođen
da može rešavati samo takve sisteme
jednačina. S druge strane, tako dobijeni rezultati, koji se inače daju u vidu
numeričkih vrednosti promenljivih, su
veoma precizni, pouzdani i ostvaruju
se za relativno kratko vreme.
Na osnovu ovoga, ako formirani sistem
linearnih diferencijalnih jednačina za
određivanje električne provodljivosti
razmatranog elektrohemijskog provodnog sistema vodenog rastvora kalijuhidroksida i litijum-hlorida sardži obe
jednačine prvog reda, onda se on daje
u sledećem obliku:
(1)
[049]
gde su:
- prvi izvodi funkcija električne provodljivosti vodenog rastvora kalijumhidroksida i litijum-hlorida, respektivno, k1 = k1 (c), k2 = k2 (c) - funkcije
električne provodljivosti vodenog
rastvora kalijum-hidroksida i litijumhlorida, respektivno i c - koncentracija
navedenih elektrolita.
Međutim, ako formiran sistem linearnih diferencijalnih jednačina za
određivanje električne provodljivosti
razmatranog elektrohemijskog provodnog sistema vodenog rastvora kalijuhidroksida i litijum-hlorida sadrži, na
primer, jednu jednačinu trećeg reda a
drugu petog reda, onda, nakon njihovog svođenja odgovarajućim zamenama na linearne diferencijalne jednačine
prvog reda, dobija se sistem linearnih
diferencijalnih jednačina prvog reda od
osam jednačina. Tako dobijen sistem
linearnih diferencijalnih jednačina
prvog reda sa osam jednačina, daje se
u sledećem obliku:
,
,
.
.
.
(2)
Što se formiranja sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih
jednačina za približno određivanje
električne provodljivosti elektrohemijskog provodnog sistema navedinih
elektrolita tiče, može se reći da se i
ovaj sistem jednačina takođe svodi
na oblik sistema jednačina (1) ili (2),
zavisno od toga kog su reda aproksimacione linearne diferencijalne
jednačine sadržane u tom sistemu
jednačina. Formiranje ovog sistema
aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina vrši se tako, što se najpre
na osnovu podataka eksperimentalnih
merenja električne provodljivosti i
koncentracije razmatranih elektrolita
odrede njihove najbolje polinomne
aproksimacione karakteristike funkcija
električne provodljivosti. Aproksimacione karakteristike funkcija
električnih provodljivosti određuju se
aproksimacionom metodom najmanjih kvadrata u vidu polinoma onog
stepena za koji se dobijaju najbolje
aproksimacije, odnosno najbolja slaganja aproksimacionih sa izmerenim
vrednostima.
Ako je za razmatrani elektrohemijski
provodni sistem vodenog rastvora
energija
kalijum-hidroksida i litijum-hlorida
dobijen sistem aproksimacionih
linearnih diferencijalnih jednačina
prvog reda, ali da se sastoji od dve
aproksimacione linearne diferencijalne
jednačine, to znači da su prethodno
određene odgovarajuće aproksimacione karakteristike funkcija njihovih
električnih provodljivosti polinomi
najviše do trećeg stepena. Međutim,
ako su aproksimacione karakteristike
funkcija električnih provodljivosti
razmatranih elektrolita polinomi čiji
su stepeni veći od tri, onda se one
diferenciraju onoliko puta dok se ne
dobiju njihovi izvodi u vidu polinom
trećeg stepena. U tom slučaju se dobija
sistem aproksimacionih linearnih
diferencijalnih jednačina takođe od
dve jednačine, ali višeg reda, koji se
zatim odgovarajućim zamenama svodi
na sistem aproksimacionih linearnih
diferencijalnih jednačina prvog reda
sa više od dve jednačine. I konačno
se može reći da se tek tako dobijeni
sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda, bilo
da se sastoji od dve ili više jednačina,
može rešavati u Matlab računarskom
programu, koji je prilagođen da može
rešavati samo takve sisteme jednačina.
numeričke vrednosti električne provodljivosti za vodene rastvore kalijumhidroksida i litijum-hlorida pri raznim
koncentracijama i temperaturi od
18°C, date su u tabeli 1.
Sa podacima datim u tabeli 1,
određuje se najbolja aproksimacija
električnih provodljivosti vodenog
rastvora kalijum-hidroksida i litijumhlorida, koja se dobija u vidu polinoma
četvrtog stepena za oba elektrolita, što
je grafički prikazano na slici 2 i slici 3,
respektivno. Na navedenim slikama,
aproksimacione karakteristike funkcija
električnih provodljivosti vodenog
rastvora kalijum-hidroksida κ1a = κ1a(c)
i litijum-hlorida κ2a = κ2a(c) prikazane
su punim linijama; dok su izmerene
vrednosti istih funkcija κ1 = κ1 (c) i
κ2 = κ2 (c), inače uzete iz tabele 1,
prikazane zvezdicama.
Odgovarajuće aproksimacione karakteristike navedenih funkcija, daju se
sledećim jednačinama:
(5)
i
(6)
(3)
i
3. Eksperimenti i rezultati
Eksperimentalni podaci izmerenih
vrednosti električne provodljivosti i
koncentracije za vodene rastvore nekih
elektrolita pri temperaturi od 18°C,
inače uzetih iz literature [1, 6, 7], dati
su grafički na slici 1.
Prema podacima eksperimentalnih
merenja datim na slici 1, odgovarajuće
električnih provodljivosti vodenog
rastvora kalijum-hidroksida i litijumhlorida, respektivno, i
c11 , c12 , ⋅⋅⋅ , c16 , c21 , c22 , ⋅⋅⋅ , c25 konstantni koeficijenti proporcionalnosti aproksimacionih karakteristika
funkcija električnih provodljivosti
razmatranih elektrolita.
Numeričke vrednosti aproksimacionih
karakteristika funkcija električnih provodljivosti vodenog rastvora kalijumhidroksida i litijum-hlorida, određene
u 10 tačaka na podjednakim rastojanjima izabranog intervala kocentracije
c [1.25⋅10-3 – 1.0833⋅10-2], date su u
tabeli 2.
Daljim diferenciranjem jednačina (3) i
(4) do dobijanja njihovih izvoda u vidu
polinoma trećeg stepena, dobijaju se
prvi izvodi navedenih funkcija, koji se
daju sledećim jednačinama:
(4)
gde su: κ1a = κ1a (c), κ2a = κ2a (c) –
aproksimacione karakteristike finkcija
Zatim se jednačine (5) i (6) još jednom
diferenciraju, da bi se sa tako dobijenim izvodima navedenih funkcija u vidu
polinoma drugog stepena i izvodima
istih funkcija datim jednačinama (5)
i (6) moglo izvršiti formiranje dva
sistema aproksimacionih linearnih algebarskih jednačina od po tri jednačine
sa tri nepoznate, pri čemu se dobija:
Tabela 1 Eksperimantalni podaci izmerenih vrednosti električnih
provodljivosti i koncentracije vodenog rastvora kalijumhidroksida i litijum-hlorida pri temperaturi od 18°C [1, 6, 7]
Slika 1 Zavisnost električne provodljivosti od koncentracije za vodene rastvore nekih
elektrolita pri temperaturi
od 18°C
[050]
energija
Slika 2 Grafik aproksimacione i eksperimentalne karakteristike funkcije
električne provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida
(7)
i
(8)
Sada se sa jednačinama (5), (6), (7) i
(8) formiraju dvema kombinacijama
dva sistema aproksimacionih linearnih algebarskih jednačina od po tri
jednačinesa sa tri usvojene nepoznate
i to: c3, c2 i c. Prvi sistem aproksimacionih linearnih algebarskih jednačina
od tri jednačine čine jednačine (5), (6)
i (7), dok drugi sistem takvih jednačina
čine jednačine (5), (6) i (8).
Dobijeni sistemi aproksimacionih
linearnih algebarskih jednačina,
mogu se rešiti po bilo kojoj nepoznatoj. Međutim, dovoljno je te sisteme
jednačina rešiti po jednoj nepoznatoj,
na primer po c3, a onda iz tako dobijenih rešenja za c3 izraziti tražene
jednačine sistema aproksimacionih
linearnih diferencijalnih jednačina,
(9)
Slika 3 Grafik aproksimacione i eksperimentalne karakteristike funkcije
električne provodljivosti vodenog rastvora litijum-hlorida
koje su u ovom slučaju višeg reda,
tačnije drugog reda. Za navedeni
primer razmatranih elektrolita, dobijeni
sistem aproksimacionih linearnih
diferencijalnih jednačina višeg reda, tj.
u ovom slučaju drugog reda, daje se u
sledećem obliku (9).
S obzirom da je prethodno dobijeni
sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina (9) drugog reda,
neophodno je da se odgovarajućim
zamenama svede na sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih
jednačina prvog reda. Tako dobijeni
sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda, imaće
u ovom slučaju ukupno četiri jednačine
oblika sistema jednačina (2), koji se
daje u sledećem obliku:
(10)
Uvođenjem pogodnih zamena za
sniženje reda sistema aproksimacionih
[051]
energija
Tabela 2 Numeričke vrednosti aproksimacionih karakteristika funkcija električnih
provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida i litijum-hlorida
Usvajanjem sledećih poznatih početnih
uslova:
,
,
,
,
linearnih diferencijalnih jednačina
višeg reda (9), taj sistem jednačina se
svodi na sledeće jednačine:
se uvedena oznaka za prvi izvod prve
funkcije
, kao i za samu funkciju
k1a, slučajno poklopila sa oznakom
prvog izvoda prve funkcije od četiri
prethodno novoformiranih prvih izvoda funkcija.
Na osnovu prethodno usvojenih zamena, dobija se sledeće:
,
,
gde je dobijeno četiri novoformiranih
aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda, čiji su prvi
izvodi njihovih funkcija:
.
(11)
,
Zatim se uvode pogodne zamene za
prethodno dobijene novoformirane
prve izvode funkcija, i to u skladu sa
oznakama i redosledu kakav se ima
u sistemu aproksimacionih linearnih
diferencijalnih jednačina prvog reda
(10). Tada se ima sledeće:
S obzirom da se iz prethodno dobijenog sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog
reda (11) ima sledeće:
,
,
to se zamenom
u drugoj i četvrtoj jednačini
sistema jednačina (11), taj se sistem
jednačina svodi na oblik sistema
aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda (10). Znači,
konačan oblik sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina
prvog reda razmatranog elektrohemijskog provodnog sistema vodenog
rastvora kalijum-hidroksida i litijumhlorida, je sledeći (12).
,
,
gde su sa leve strane oznake novoformiranih funkcija i njihovih prvih
izvoda, a sve u skladu sa oznakama
i redosledu kakav se ima u sistemu
aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina (10). Uočljivo je da
a zatim rešavanjem sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih
jednačina prvog reda (12) pomoću
odgovarajućih funkcija Matlab
računarskih programskih paketa, dobijaju se tražene funkcije električnih provodljivosti razmatranih elektrolita. čije
su numeričke vrednosti date su u tabeli
3, a odgovarajući grafički dijagrami na
slici 4. i slici 5.
Diskusija
Formiranje aproksimacionih linearnih
diferencijalnih jednačina ili njihovih
sistema za približno određivanje
električne provodljivosti vodenog
rastvora kalijum-hidroksida i litijumhlorida, ima veliki značaj praktičnu
primenu i istraživanjima u oblasti
elektrohemije. S toga se ovom pitanju
treba posvetiti posebna pažnja. Ovo
je značajno tim pre, zato što se do
sada navedena i slične problematike
nisu rešavane ovakvim pristupom i
predloženim metodom modeliranja
dinamičkih sistema, a dobijeni rezultati su veoma precizni, pouzdani
i zadovoljavajući. To se može pokazati ostvarenim relativnim greškama
upoređivanjem dobijenih aproksimacionih sa izmerenim vrednostima
električnih provodljivosti razmatranih
elektrolita. Vrednosti relativnih
grešaka pri određivanju aproksimacionih vrednosti funkcija električnih
provodljivosti razmatranih elektrolita
za izabrani interval kocentracije c
[1.25⋅10-3 – 1.0833⋅10-2], dati su u
tabeli 4.
Zaklju~ak
Određivanje električne provodljivosti
vodenog rastvora kalijum-hidroksida
,
,
(12)
,
,
[052]
energija
Tabela 3 Numeričke vrednosti funkcija električnih
provodljivosti vodenog rastvora kalijumhidroksida i litijum-hlorida dobijene
rešavanjem sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda
Slika 4 Grafik funkcije električne provodljivosti
vodenog rasvora kalijum-hidroksida dobijen
rešavanjem sistema aproksimacionih linearnih
deferencijalnih jednačina prvog reda
Slika 5 Grafik funkcije električne provodljivosti
vodenog rasvora litijum-hlorida dobijen
rešavanjem sistema aproksimacionih linearnih
diferencijalnih jednačina prvog reda
i litijum-hlorida pomoću formiranih
sistema aproksimacionih linearnih
diferencijalnih jednačina prvog reda
predloženim novim načinom njihovog
modeliranja i njihovog rešavanja primenom odgovarajućih računarskih programa, ima veliku važnost za praksu
i istraživanja u oblasti elektrohemije.
Ovo je značajno tim pre, zato što se
ovakav pristup i način modeliranja
dinamičkih sistema nisu primenjivali
za rešavanje ovakvih ili sličnih pitanja,
a dobijeni rezultati su približni eksperimantalnim i zadovoljavajući i za praksu i za istraživanja. Takođe, dobijeni
rezultati prikazani u vidu numeričkih
vrednosti promenljivih tablično i
grafički su veoma precizni, pouzdani i
dobijaju se za relativno kratko vreme,
što opravdava primenu aproksimacionih linearnih diferencijalnih
jednačina ili njihovih sistema za
rešavanje ovakvih
ili sličnih pitanja. To je pokazano vrednostima relativnih grešaka, koje se za
primer razmatranih elektrolita kreću u
granicama:od 0 do 1.9868948e-005%
za vodeni rastvor kalijum-hidroksida i
od 0 do 8.3524109e-006 % za vodeni
rastvor litijum-hlorida.
Na primeru razmatranih elektrolita, dobijeni sistem aproksimacionih linearnih
diferencijalnih jednačina sastoji se od
dve jednačine, i to obe drugog reda,
gde se daljim svođenjem na sistem
aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda dobija sistem
od četiri jednačine prvog reda i koji se
tek kao takav može rešiti primenom
Matlab računarskog programa. Navedeni primer približnog određivanja
[053]
funkcija električnih provodljivosti
vodenog rastvora kalijum-hidroksida i
litijum-hlorida pomoću aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina
prvog reda ima opšti znača, što znači
da se predloženim novim postupkom i
načinom njihovog modeliaranja mogu
rešavati i ostala ista ili slična pitanja.
Literatura
[1] I. Doroslavački, S. Đorđević: Elektrohemijske metode, Rad, Beograd,
1985.
energija
Tabela 4 Relativne greške pri određivanju aproksimacionih vrednosti električnih provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida i
litijum-hlorida
[2] A. Despić, D. Dražić, O. TatićJanjić: Osnovi elektrohemije,
Naučna knjiga, Beograd, 1970.
[3] M. Šušić: Osnovi elektrohemije
i elektrohemijke analize, Naučna
knjiga, Beograd, 1980.
[4] E. Poter: Elektrokemija, Školska
knjiga, Ѕagreb, 1968.
[5] G. Kortum: Elektrochemia,
Varšava, 1966.
[6] A. Todorović, N. Rakićević, D.
Minić: Karakteristike elektrolita
sekundarnih hemijskih izvora
električne struje, Omo, 4-5/207217, Beograd, 1999.
[7] A. Todorović, N. Rakićević, D.
Minić:Odstupanja pri određivanju
približnih vrednosti funkcija
električne provodljivosti elektrol[055]
ita sekundarnih
hemijskih izvora
električne struje,
Omo, 6-8/342352, Beograd,
1999.
[8] L. Ćalasan,
M. Petkovska:
Matlab i dodatni
moduli Control
System Toolbox i
Simulink, verzija
4.2. za Windows,
Beograd, 1966.
[9] M. Cvetković,
R. Jančić, D.
Mitraković:
Matematički
programski
alati, Matlab 4.0.
Beograd, 1966.
energija
Dr Andreja Todorovi}, van. prof.
Fakultet tehničkih nauka, Kosovska Mitrovica
Dr Branimir Grgur, van. prof.
Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd
UDC:621.355
Tehno-ekonomski efekti
ostvareni paralelnim
vezivanjem nikal-kadmijum
akumulatora
1. Uvod
Rezime
U radu su opisani postupci, uređaji
i karakteristike procesa punjenja i
pražnjenja elektrohemijskog Ni-Cd sa
stanovišta njihove praktične primene.
To je pokazano na konkretnim primerima akumulatorskih baterija nominalnog kapaciteta 100 Ah, nominalnog
napona 220 V, sa rednom i paralelnom
vezom.
Najznačajnije primene akumulatora
su za stabilno i neprekidno napajanje
električnom energijom jednosmerne
struje elektroenergetskih objekata:
elektrana, transformatorskih stanica,
centara za daljinsko upravljanje,
razvodnih postrojenja, zatim zdravstvenih ustanova, škola itd. Akumulirana jednosmerna struja se posredstvom invertorskih uređaja pretvara
u naizmeničnu struju, obezbeđujući
rezervnu električnu energiju za potrebe
potrošača. Tako, nekoliko gradova
u polarnim oblastima, kao što su
Aljaska i Sibir, koriste velike Ni-Cd
akumulatorske sisteme za opskrbu
stanovništva, institucija i ustanova u
slučaju nestanka energije iz električne
mreže. Gradovi su sa oko deset hiljada
stanovnika, kojima bi život u polarnim uslovima skoro bio nemoguć bez
električne energije. Ovo pretvaranje
jednosmerne u naizmeničnu struju
omogućuje i tehnološke procese,
zaštitu uređaja od mogućih kvarova
i havarija, i veći stepen sigurnosti
rada potrošača. Osim ovoga, primena
akumulatora je moguća za snabdevanje
potrošača u domaćinstvima, kada se
postižu uštede u distributivnoj mreži
naizmenične struje [2].
Prednosti primene akumulatora su
u tome što daju električnu energiju
U radu je opisan značaj praktične primene reverzibilnog elektrohemijskog NiCd sistema sa akumulatorskim baterijama u ulozi izvora električne energije.
Pokazano je kako se izvodi postupak procesa paralelnog punjenja i pražnjenja
dve akumulatorske baterije i to pri idealnim i realnim uslovima karakteristika.
Krajnji rezultat daje pozitivne tehno-ekonomske efekte i za proizvođače i za
korisnike ovakvih baterija, što predstavlja suštinu i glavni cilj njihove praktične
primene. Za konkretan primer je razmatrana akumulatorska baterija nominalnog
kapaciteta 100 Ah i nominalnog napona 220 V.
Ključne reči: nikal-kadmijum akumulatorska baterija, punjenje, pražnjenje,
paralelno vezivanje.
Technical and Economic effects realized by parallel connections of Nickel-Cadmium batteries
The significance of the practical application of reversible electro-chemical Ni-Cd
system with batteries as a electric power source was described in this paper. The
procedures of parallel charging and discharging of two batteries in real and ideal
characteristics conditions were presented. The final result showed positive technical and economical effects for producers and consumers of these batteries, that
is the main purpose of their usage in practice. For this particular example, the
accumulation battery of nominal capacity of 100 Ah and volt6age of 220 V was
considered.
Key words: Nickel-cadmium battery, charging, discharging, parallel connection.
propisanog kvaliteta i kvantiteta,
saglasno usvojenim standardima.
Pravilna punjenja vrše se pomoću
odgovarajućih automatski regulisanih
ispravljača-punjača, koji moraju da
imaju odgovarajuće tehničke izlazne
karakteristike. Budući da su akumulatorske baterije sastavljene od više
akumulatora u rednoj, paralelnoj
ili kombinovanoj vezi, moguće su
korisne eksploatacione karakteristike,
uz neka ograničenja njihove primene.
Važno je preduprediti trajna oštećenja
pojedinih ćelija ili akumulatora u
složenim sistemima napajanja, jer se
ponekad teško vraćaju posle oštećenja
u pređašnje stanje.
[054]
2. Osnovne karakteristike
procesa punjenja i pra`njenja
elektrohemijskog Ni-Cd sistema
Imajući u vidu da su višećelijski elektrohemijski sistemi najčešće nehermetički, neophodno je uvažiti karakteristike procesa punjenja i pražnjenja:
krajnju vrednost napona punjenja,
napon održavanja i krajnju vrednost
napona pražnjenja. Krajnja vrednost
napona punjenja nehermetičke nikalkadmijum ćelije iznosi (1.5-1.68)
V, napon održavanja (1.4-1.42) V, a
krajnja vrednost napona pražnjenja, pri
normalnim uslovima upotrebe, iznosi
oko 1.0 V. Punjenje navedenih elek-
energija
Slika 1 Izlazna IUU karakteristika automatski regulisanih ispravljača
–punjača
trohemijskih sistema, kada su u ulozi
elektrolitičke ćelije, vrši se pomoću
automatski regulisanih ispravljačapunjača, čija je izlazna IUU-karakteristika prikazana na slici 1 [1-2].
To znači da automatski regulisani
ispravljači-punjači, zavisno od stanja
ispražnjenosti akumulatora, mogu da
rade stalnom strujom i stalnim naponom za dve vrednosti u toku čitavog
procesa punjenja akumulatora.
2.1 Primer procesa punjenja
elektrohemijskog Ni-Cd sistema
Neka se razmatra akumulator nominalnog kapaciteta 100 Ah, nominalnog
napona 220 V, sa rednom vezom ćelija.
Ako akumulator sadrži 190 ćelija,
imajući u vidu da je nominalni napon
jedne ćelije 1,2 V, dobija se zbirni napon od 190⋅1.2 = 228 V, što je za 3.6%
veći od nominalnog napona. Time su
ispunjeni uslovi za snabdevanje potrošača električnom energijom propisanog
kvaliteta i kvantiteta, jer naponi, u
pravilu, ne smeju da odstupaju više od
5% u odnosu na nominalne vrednosti.
U daljem postupku, priključivanjem
akumulatora na automatski regulisani
ispravljač-punjač prema principijelnoj
električnoj šemi prikazanoj na slici
2, u skladu sa izlaznom IUU-karakteristikom punjača na slici 1, dobija
Slika 2 Principijelna električna
šema veze automatski
regulisanog ispravljača
–punjača punjača i
akumulatora
se punjenje akumulatora hemijskom
energijom potencijalnog vida do
propisanog nivoa prema preporukama
proizvođača. U toku procesa punjenja
se, naravno, vrši neprekidno elektrolizno pretvaranje električne u hemijsku
energiju ćelije, odnosno akumulatora.
Pod pretpostavkom da je razmatrani
akumulator bio potpuno ispražnjen,
neka se proces punjenja vrši stalnom
strujom petočasovnog kapaciteta Ii = Ip
= 0.2C = 20 A = const., za vreme od t1
= 7 h, do postizanja krajnje vrednosti
napona punjenja od Up = 190⋅1.5 =
285 V. Pod ovim se uslovima dobija
napunjenost akumulatora hemijskom
energijom oko 90% od nominalne. Ova
struja punjenja prema principijelnoj
električnoj šemi prikazanoj na slici 2,
određuje se, prema Omovom zakonu,
sledećom jednačinom:
,
(1)
gde su: Ii – struja koju daje punjač;
Ui – izlazni napon punjača; E – elektromotorna sila akumulatora i Ru –
ukupna unutrašnja električna otpornost
akumulatora.
Da bi struja punjenja akumulatora
Ii bila konstantna, uzimajući da je
ukupna unutrašnja električna otpornost
jedne ćelije oko 0.5 mΩ = const., a
ukupna unutrašnja otpornost akumulatora Ru = 190⋅0.5 = 95 mΩ = const.,
razlika napona punjača i akumulatora
mora biti konstantna ΔU = Ui – E
= const. Pod tim uslovom se u toku
procesa punjenja napon akumulatora
postepeno povećava od minimalne do
svoje krajnje vrednosti, pri čemu će se
i napon punjača Ui takođe postepeno
povećavati za istu vrednost. U trenutku t1 punjač prelazi sa karakteristike
stalne struje na karakteristiku stalnog
napona sa vrednošću krajnje vrednosti
napona punjenja akumulatora od Ui
[056]
= Up = 285 V = const. U tom slučaju
se dobija veoma mala razlika između
napona punjača i napona akumulatora, tako da u pravilu, struja punjenja
opada približno eksponencijalno.
Kada struja punjenja opadne na 0.2⋅Ip,
punjač u nekom trenutku t2 prelazi sa
karakteristike stalnog napona punjenja
Up = const. na karakteristiku stalnog
napona održavanja (dopunjavanja), čija
je vrednost Udp = 190⋅1.4 = 266 V =
const. Od ovog trenutka t2 akumulator
se dopunjava hemijskom energijom pri
struji slabijoj od 0.2⋅Ip, pri čemu sistem
biva spreman za upotrebu, jer je u potpuno napunjenom stanju [1-3], [8].
Kada je u pitanju proces punjenja akumulatorskih baterija u paralelnoj vezi,
onda se njihovo punjenje, za slučaj
dve akumulatorske baterije, vrši prema
principijelnoj električnoj šemi prikazanoj na slici 3.
Slika 3 Principijelna električna
šema punjenja dve akumulatorske baterije u
paralelnoj vezi
Ako su obe akumulatorske baterije
potpuno istovetne, onda važi: Un1 =
Un2 = 220 V, qn1 = qn2 = 100 Ah, Ru1 =
Ru2 = 95 mΩ. U tom slučaju, punjenjem akumulatora prema principijelnoj električnoj šemi prikazanoj na
sl. 3 pomoću punjača čija je izlazna
karakteristika na slici 1, dobijaju se
potpuno napunjene obe akumulatorske baterije sa potrebnim svojstvima
i praktično bez odstupanja u pogledu
kvaliteta. Međutim, slučaj sa dve ili
više istovetnih akumulatorskih baterija
je u domenu teorije. S druge strane,
realno uvek postoje i najmanje razlike
između osobina akumulatora, makar u
unutrašnjim električnim otpornostima
i naponima, najčešće zbog različitih
stanja napunjenosti ili ispražnjenosti
ćelija. Neka se radi realnog analiziranja procesa punjenja akumulatorskih
baterija uzme da su im ukupne unutrašnje električne otpornosti različite i da
iznose: Ru1 = 100 mΩ i Ru2 = 90 mΩ, a
da su im elektromotorne sile: E1 = 190
V i E2 = 209 V [4-8].
energija
Jednačine koje određuju režim rada u
kolu na slici 3, su sledeće:
,
(2)
,
(3)
(4)
iz kojih se eksplicitno dobijaju struje
punjenja pojedinih akumulatorskih
baterija:
(5)
(6)
U ovom slučaju konstantna struja
punjenja koju daje automatski regulisani ispravljač-punjač iznosi I = 40 A
= const. Kada se punjač podesi da radi
na I karakteristici sa zadatom strujom,
struje punjenja pojedinih akumulatorskih baterija dobijaju vrednosti: I1
= 37.994 A i I2 = 2.058 A. Vidi se da
je struja I1 veća od struje normalnog
punjenja za skoro 90%, a struja I2
manja od struje normalnog punjenja
takođe za skoro 90%. Daljim tokom
punjenja konstantnom strujom, akumulatorska baterija koja je imala veći
stepen ispražnjenosti, tj. elektromotornu silu E1 = 190 V, uzimaće manju
struju od vrednosti I1 = 37.994 A koju
je uzimala u vremenu t = 0. Suprotno
se događa sa drugom akumulatorskom
baterijom čiji je stepen ispražnjenosti
manji u vremenu t = 0. Posle isteka
vremena t1 dolazi do približno istog
nivoa napunjenosti obe akumulatorske baterije, kada su njihove krajnje
vrednosti napona punjenja približne Up
= E1 = E2 = 190⋅1.5 = 285 V, a struje
punjenja, određene jednačinama (5) i
(6), iznose: I1 = 18.946 A i I2 = 21.054
A. Od tog trenutka punjač prelazi da
radi stalnim naponom od Up = 285 V =
const., pri čemu struje punjenja u obe
grane opadaju. Kada dostignu vrednost
oko 0.2⋅20 = 4 A, punjač prelazi da
radi duže vreme konstantnim naponom
održavanja od Upd = 266 V = const.,
pri čemu se akumulatorske baterije
pune slabom strujom, često vrednosti
miliampera.
Ovim načinom se ostvaruju skoro
potpuna napunjenost obe akumulatorske baterije i pogodne karakteristike.
Metoda paralelnog punjenja akumulatorskih baterija sa dve ili više grana
ima i svojih nedostataka, od kojih su
najbitniji: a) zahtev za većom snagom
punjača i b) struja punjenja akumulatorske baterije sa većim stepenom
ispražnjenosti može biti i do dva puta
veća od normalne, što može da prouzrokuje snažno gasiranje, opadanje
nivoa elektrolita, kao i jako zagrevanje,
koje je rizično za stanje akumulatorskih baterija. Zato se može istaći da je
metoda paralelnog punjenja akumulatorskih baterija pogodna za dopunjavanje, ali ne za punjenje potpuno
praznih akumulatorskih baterija. Najbolje je da su akumulatorske baterije
približno istih tehničkih karakteristika i
istog nivoa ispražnjenosti [4-8].
2.2 Primer procesa pra`njenja
elektrohemijskog Ni-Cd sistema
Što se procesa pražnjenja akumulatorskih baterija u paralelnoj vezi tiče, ono
se može ostvariti prema principijelnoj
električnoj šemi prikazanoj na slici 4.
Slika 4 Principijelna električna
šema pražnjenja dve
akumulatorske baterije u
paralelnoj vezi
Jednačine koje određuju režim rada u
kolu na slici 4, su sledeće:
,
,
(7)
,
(8)
(9)
iz kojih se eksplicitno dobijaju struje
pražnjenja u granama koje daju akumulatorske baterije:
, (10)
. (11)
Neka se uzmu dve potpuno istovetne
akumulatorske baterije identične u
pogledu fizičkog stanja i hemijskog
sastava. Kao u prethodnom primeru,
kada se razmatrale karakteristike pri
paralelnom punjenju, neka potrošač
ima sledeće nominalne vrednosti: Pn
= 4400 W, Un = 220 V, In = 20 A, Rn
= 11 Ω, koji se napaja električnom
[057]
energijom za vreme t = 10 h. Takav
idealan slučaj se izučava samo teorijski
kao idealni sistem. Tada akumulatorske baterije daju iste struje pražnjenja:
I1 = I2 = 10 A. Međutim, u stvarnosti
postoje razlike po stepenu napunjenosti i vrednostima ukupnih unutrašnjih
električnih otpornosti, pa se s toga
prazne različitim strujama. Ako je druga akumulatorska baterija sa manjim
stepenom napunjenosti od prve, onda
će pri paralelnom načinu pražnjenja,
prema slici 4, delovati kao potrošač
električne energije (elektrolitička
baterija), a prva kao izvor električne
energije (galvanska baterija). Ne mogu
se naći dve potpuno istovetne baterije.
To je u duhu Platona: ”dva isto nije
isto” [4-8].
Radi pojednostavljenja posmatranja
postupka paralelnog pražnjenja dve
akumulatorske baterije, neka se uzme
da su im unutrašnje električne otpornosti: Ru1 = 100 mΩ i Ru2 = 90 mΩ.
Tada se mogu u različitim vremenima
odrediti jačine struja u pojedinim
granama sa baterijama, prethodnim
određivanjem njihovih napona. Ako
se uzme da su elektromotorne sile
ovih dveju akumulatorskih baterija u
različitim vremenima sledeće: E1 = 228
V = const., a E2 = 190 V, 195 V, 200
V, 205 V, 210 V, 215 V i 200 V, onda
se prema jednačinama (10) i (11) mogu
izračunati njihove struje, koje su date u
tabeli 1. U tabeli 1 date su i vrednosti
ukupne struje, snage i napona potrošača, kao i njihovi odnosi u odnosu na
nominalne vrednosti.
Mada se izračunate vrednosti veličina,
date u tabeli 1, odnose samo na početak procesa pražnjenja akumulatorskih
baterija (uvažavajući činjenicu da se
naponi punjenja postepeno povećavaju, a naponi pražnjenja postepeno
opadaju), vremenom će, i pored razlike
u njihovim unutrašnjim električnim
otpornostima, doći do izjednačavanja
napona tj. njihovih elektromotornih
sila. I tada će kroz akumulatorske baterije proticati struje veće od nominalnih. Na ovu pojavu ukazuju vrednosti
izračunatih struja na početku procesa
pražnjenja, koje su date u tabeli 1.
Snage potrošača se postepeno povećavaju od minimalne do blizu nominalne
vrednosti.
Na osnovu rezultata datim u tabeli 1,
vidi se da pri paralelnom pražnjenju
akumulatorskih baterija struje kroz
baterije mogu biti i do 20 puta veće od
nominalnih, što je neprihvatljivo. Ako
se u granama sa akumulatorskim baterijama na slici 4 ugrade odgovarajuće
zaštitne poluprovodničke diode, tada
se paralelnim pražnjenjem ostvaruju
energija
Tabela 1 Vrednosti struja, snaga i napona pri paralelnom pražnjenju dve
akumulatorske baterije kada je E1 = 228 V = const. [7-8]
eksperimentalna ispitivanja, poštama,
bolnicama, za vojne potrebe itd., sa
znatnim smanjenjem troškova za
utrošenu električnu energiju [4-8].
3. Zaklju~ak
tehničke i ekonomske uštede. Principijelna električna šema paralelnog
pražnjenja dve akumulatorske baterije
sa ugrađenim zaštitnim poluprovodničkim diodama D1 i D2, prikazana je
na sl. 5. Pri ovom načinu pražnjenja ne
može doći do reverzibilnog punjenja
akumulatorske baterije sa nižim stepenom napunjenosti, kao i do proticanja
kroz nju jačih struja od nominalne, bez
obzira na razlike u nivoima njihove
napunjenosti hemijskom energijom,
odgovarajućih napona i unutrašnjih
električnih otpornosti. U ovom slučaju,
prvobitno opterećenje od strane potrošača preuzima akumulatorska baterija
sa većim stepenom napunjenosti i
višim naponom, dok ona druga ostaje
neopterećena. S obzirom da napon opterećene akumulatorske baterije opada
postepeno, u jednom trenutku dolazi
do izjednačenja napona, kada i druga
akumulatorska baterija počinje da daje
električnu energiju. Tada će struje
pražnjenja obe akumulatorske baterije
biti jednake ili približno jednake, a
iznosiće zbirno onoliko koliku struju
uzima potrošač. Na ovaj način vršiće
se kvalitetno snabdevanje potrošača
električnom energijom do postizanja
krajnje vrednosti napona pražnjenja
akumulatorske baterije, koja iznosi
190⋅1.0 = 190 V. Tada se u pravilu
prekida pražnjenje akumulatorskih
baterija, jer nastaju negativni efekti po
baterije i potrošače električne energije
[4-8].
2.3 Primer ostvarivanja pozitivnih tehno-ekonomskih efekata
u distributivnoj mre`i primenom
akumulatorskih baterija
Poznato je da se kod potrošača u
domaćinstvima, priključenim na distributivnu mrežu naizmenične struje,
približno podjednako utroši električna
energija u višoj i nižoj tarifi. S obzirom
da je cena 1 kWh utrošene električne
energije u višoj tarifi dva puta veća
od cene u nižoj tarifi, to znači da su
ukupni troškovi za utrošenu električnu
energiju u višoj tarifi T1 dva puta veći
od tih troškova u nižoj tarifi T2. Ako
se deo potrebne električne energije
za potrošače u višoj tarifi obezbedi
od akumulatorske baterije koja se
tolikom količinom električne energije
napunila u nižoj tarifi, ukupni troškovi
električne energije su:
Slika 5 Principijelna električna
šema paralelnog pražnjenja dve akumulatorske
baterije sa ugrađenim
zaštitnim poluprovodničkim diodama
gde se vidi da su ukupni troškovi
za utrošenu električnu energiju bez
upotrebe akumulatorskih baterija za
50% veći od ukupnih troškova sa upotrebom akumulatorskih baterija. Navedeni primer primene akumulatorskih
baterija za snabdevanje potrošača u
domaćinstvima električnom energijom,
u cilju ostvarivanja pozitivnih tehnoekonomskih efekata, ima opšti značaj.
To znači da se akumulatorske baterije
u istu svrhu i sa istim ciljem mogu
upotrebiti za snabdevanje električnom
energijom i ostalih potrošača, na
primer u industriji i drugim privrednim delatnostima, laboratorijama za
, (12)
,
(13)
gde su: Tuk1 – ukupni troškovi za
utrošenu električnu energiju u obe
tarife bez upotrebe akumulatorskih
baterija, a Tuk2 – ukupni troškovi za
utrošenu električnu energiju u obe
tarife sa upotrebom akumulatorskih
baterija.
Odnos jednačina (12) i (13), daje:
,
[058]
(14)
Zbog mogućnosti ostvarivanja pozitivnih tehno-ekonomskih efekata u
procesima paralelnog punjanja i
pražnjenja elektrohemijskog Ni-Cd
sistema, čime se dobija snabdevanje
potrošača električnom energijom propisanog kvaliteta i kvantiteta, navedeni
sistemi nalaze široku primenu u industriji, domaćinstvima, školama, bolnicama, sistemima za zaštitu, sigurnosno napajanje potrošača električnom
energijom itd. Mada je u paralelnim
vezama akumulatorskih baterija bilo u
procesima punjenja bilo u procesima
pražnjenja moguće proticanje nedozvoljenih struja, koje mogu izazvati u
najgorem slučaju njihovo oštećenje,
ovaj problem se rešava ugradnjom
odgovarajućih poluprovodničkih dioda,
pri čemu se nepoželjni efekti u akumulatorima ne dešavaju. To je i glavni
cilj, s obzirom da se ovi elektrohemijski sistemi mogu široko primenjivati
zbog svojih izuzetno dobrih osobina
i karakteristika. Na primer, ako se
primene u domaćinstvima, onda se
postiže ušteda u ukupnim troškovima
za utrošenu električnu energiju i do
50% u odnosu na slučaj bez njihove
upotrebe, pod uslovom da je cena
po jednom kilovatčasu za utrošenu
električnu energiju u višoj tarifi dva
puta veća od one u nižoj tarifi.
Literatura
[1] I. Memišević, M. Beoković:
Hemijski izvori električne energije,
Beograd, 1983.
[2] N. Rakićević, A. Todorović:
Hemijski izvori električne struje,
udžbenik, Prirodno-matematički
fakultet, Kosovska Mitrovica,
2005.
[3] G. Kortun: Elektrochemia, Varšava,
1966.
[4] N. Vujanović: Teorija pouzdanosti
tehničkih sistema, Vojnoizdavački
inovinski centar, Beograd, 1982.
[5] Elektrotehnički priručnik, Rade
Končar, Zagreb, 1988.
[6] S. Milić, B. Tomašević: Zaštita
kola jednosmerne struje u elektroenergetskim objektima Elektroistoka, Cigre, Opatija, 1983.
[7] A. Todorović, S. Bjelić, N. Jelić:
Pouzdanost napajanja sekundarne
energija
opreme u elektroenergetskim
sistemima, OMO, The journal of terotechnology, YU ISSN 0350-1647,
GOD XXVIII, br. 1, stranica 38-45,
Efektivnost tehničkih sistema,
Beograd, 1995.
[8] A. Todorović, S. Bjelić, D. Matić:
Ostvarivanje pozitivnih tehnoekonomskih efekata u distributivnoj
mreži naizmenične struje primenom
stacionarnih akumulatorskih baterija, OMO, The journal of terotechnology, YU ISSN 0350-1647, GOD
XXVIII, br. 2-3, stranica 126-133,
specijalna tema, Beograd, 1996.
D. @. \ur|evi}, M. Jevti}
Fakultet tehničkih nauka, Kosovska Mitrovica
UDC:621.243.001.6
Issues and Prospects of Solar
Power Engineering
Abstract
In this paper we focused on some key issues related to the solar power engineering, from world-wide technology and market aspects to the prospects of solar
engineering in Republic of Serbia. The objective of this paper is to stimulate professional and energy-producing community to pay more attention on the PV solar
power technology and solar energy production. Some introductory principles
from the photovoltaic cell theory are renewed, the current state of the world’s
solar cells technology is overviewed and grid-connected power systems are
briefly explained. The introduction of new feed-in tariffs in Serbia is discussed,
as well as the importance of the research and educational support in the field of
solar power engineering. Some practical data and considerations, from the point
of view of a customer who is keen to invest in the solar energy production, are
given.
Key words: Solar Energy, Solar Cells, Solar Energy Production.
Teme i perspektive razvoja slorane energetike
U ovom radu su obrađene neke važne teme iz oblasti solarne energetike, od
današnjeg stanja svetske tehnologije i tržišta do analize mogućnosti budućeg
razvoja solarne energetike u Republici Srbiji. Cilj ovog rada je podsticaj profesionalne i energetske javnosti da obrati veću pažnju na tehnologiju i proizvodnju električne energije iz energije Sunčevog zračenja. Obnovljeni su neki važni
uvodni principi iz teorije fotonaponskih uređaja, izvršen je pregled trenutnog
stanja tehnologije proizvodnje solarnih ćelija i modula i objašnjene su ukratko
elektrane na sunčevu energiju. Diskutovano je uvođenje novih podsticajnih
mera za proizvodnju sunčeve obnovljive energije, i istaknuta je potreba razvoja
istraživanja i obrazovanja u ovoj oblasti. Sa aspekta potrošača električne energije, zainteresovanog da investira u proizvodnju električne energije iz obnovljive
energije Sunca, dati su neki interesantni tehnološki i tržišni podaci.
Ključne reči: sunčeva energija, sunčane ćelije, proizvodnja energije
1. Introduction
The share or renewable sources of
energy in the EEC countries energy
consumption should double from 6%
in 2000 to 12% in 2010, but it was
predicted that by mid-21st century
would reach about 50%. The growth
of the installed solar power systems
capacity in the EEC countries, according to forecasts, should increase from
32 in 2000 to over 3000 MW of peak
[059]
power in 2010, [1-3]. Such predictions encourage us that humanity will
not suffer from an energy crisis in the
future due to the depletion of the conventional fossil resources (oil, natural
gas, coil) if it succeeds in mastering
technologies for using solar energy. So
far, all kinds of renewable sources of
energy (hydraulic energy, geothermal
energy, wind energy, biomass conversion energy, energy obtained from the
wastes, ocean and wave energy, tidal
energija
energy) seem to have been more attractive for exploitation than solar energy,
[1,4]. The share of energy produced
from the solar radiation in total world’s
energy production is at the moment
just about 0.1%.
To be competitive with other renewable and traditional power engineering,
solar photovoltaic engineering must
have certain performance characteristics, mainly rely on and associated
with the installation specific cost, the
conversion efficiency and service life
of solar power stations and effective full-power hours of operation.
Having in mind that the resources of
solar energy are huge and practically
endless, accessible to every country
and almost absolutely harmless and environmentally and ecologically clean,
the expected future improvements in
the solar technology and engineering promise that the goal should be
meet soon, perhaps in a few incoming
decades. The photovoltaic, or solar,
energy will in a future be an indispensable part of the energy system in
almost every country.
An inevitable questions we have to
face with are: where is the place of
the Serbian energetic and industry
sector in comparison with world’s
and EEC’s renewable solar energy
trends, and what are the key issues and
factors which have to be reached and
improved to allow the Serbian energy
sector to cope with modern and future
solar energy challenges. With a very
small portion of installed renewable
energy capacities from the total energy
production, the answers should have
be pretty pessimistic, however, the
recent changes in the government and
administrative course and policy, as
well as increased business interests in
the renewable energy engineering and
investments, might lead us towards
some promising and optimistic tones
and forecasts.
The aim of this paper is to review
some fundamentals of photovoltaic
cells and systems and to discuss the
key issues and essential factors determining the lines, potentials and prospects of the solar power engineering
development worldwide, and particularly in Serbia under new government
policy conditions.
2. Solar Energy and Photovoltaic Conversion - Basic
Highlights
The solar energy is the enormous
electromagnetic energy radiated by the
Sun and it is packed within the solar
spectrum which can be approximated
by a black body radiation of 5900 0K.
The range of solar spectrum is very
broad: from the ultraviolet to the near
infrared band, including the narrow
visible light portion.
Electricity can be produced directly
from solar energy using a device called
photovoltaic (PV) cell - also referred
as a solar cell. When electrons of the
surface region of the semi conducting
solar cell (usually made of silicon, or
silicon alloys, obviously with incorporated a pn junction) absorb enough
energy from photons (particles or
quanta of the shining incident light),
they separate from the atoms (leave
the valence energy band) and migrate
(enter the conducting energy band) to
the front surface of the PV cell causing
potential difference between front and
back surface of the cell (well-known
photovoltaic effect, noticed and
described for the very first time by H.
Becquerel in 1839., [1], and explained
later by A. Einstein in 1905.). So, an
electric current could flow through
the wire that connects front and back
cell contacts as long as the solar light
exposure lasts. From the optoelectronic
point of view, PV cell behaves like a
typical semi conductor diode. Each
individual cell only produces a small
direct current (DC) voltage (around 1
or 2 Volts), therefore they have to be
joined (connected in series) to create
higher and usable DC electricity within
the PV device. Large groups of series
connected individual PV cells are
called solar modules or arrays.
The conversion efficiency, the most
important property of the solar cell, is
the ratio of the PV generated electric
output power to the total electromagnetic light power radiated on the cell,
and for today’s market available cells
is in the range 10 to 17%, however,
module efficiencies are somewhat
lower. The first silicon solar cells were
developed at Bell Laboratories in
1954, while experimenting with semiconductors, and used in the late 1950s
to provide the energy to operate space
satellites; their efficiency was 6%, but
very soon#improved to 10%. Efficiency of the todays optimally designed
modern high efficiency cells are well
above 20%, [5-7]. Intensive nowadays
research in PV technology is characterized by slow but steady improvement
in cell conversion efficiency.
It is worth to highlight and explain
why the cell conversion efficiency is
well below 100% (total conversion).
We have already mentioned, at the
beginning of this section, that solar
wave spectrum is very broad, con[060]
sisting of the stream of photons with
different energies. The photon energy
Wph is represented via the frequency f
of the “travelling photon” striking at
the cell surface as Wph =hf where h is
the Plank’s constant. Electrons within
atoms placed very near struck semi
conductor cell surface can either be in
the valence energy level or band (within atom) or “jump” to the conducting
energy level or band (bonds with atom
are broken, electron can “travel” as an
conducting particle). Those two energy
levels are discrete values, different for
every specific atom or material. So,
there is an energy difference or gap between those two levels, in which there
can be no electrons. This energy gap
Wg is more often called the band gap.
The photon can only reacts with electron and gives him own energy if its
energy is at least equal to the electron’s
band gap, Wg#& Wph. It means that the
semi conductor is “transparent” only
for photons with energies over the
specific energy level, i.e. frequency,
from the broad solar spectrum. More
energetic photons will deliver to the
electron only a part of the energy, the
rest being thermalized, and for weaker
photons the semi conductor cell is
“opaque”, causing the photon reflection from the cell surface. Therefore,
the photon transparency, or the photon
absorption process, directly depends
on the semi conductor band gap, and
consequently just a portion of the solar
energy spectrum can be absorbed with
specific semi conductor material. The
ratio of this absorbed energy portion
to the total solar energy within the
radiated spectrum defines the PV cell
efficiency. On the other hand, if the
PV cell is exposed to monochromatic
light (for example the laser beam),
with the radiation frequency matching
exactly the semi conductor’s band gap,
the total conversion can theoretically
occurred with the 100% efficiency. Although this photon-electron interaction
model is very simplified, the holes and
phonons exist as well, pn junctions,
etc., (the passionate reader can consult
the Feynman’s QED - the brilliant and
amazingly exact Quantum ElectroDynamic theory of light and matter
interaction, if it helps!), it can serves as
the sufficiently clear explanation of the
energy absorbing process underneath
the semi conductor solar cell surface.
Knowing the exact value for the semi
conductor band gap and solar energy
distribution function, we could calculate the theoretical efficiencies for any
used semi conductor.
Obviously, the photovoltaic mechanism significantly differs from one
energija
material to another, and even it is not
clearly understood for some recently
developed and used solar cell technologies! Theoretical calculations and
experimental laboratory results have
predicted the maximal solar cell efficiency over 40%, however the practical market production of such cells can
be delayed for decades, [1], mainly because of their expensive and complex
technology, lack in understanding of
physical processes involved during the
PV conversion in those complex cells
and ohmic and other parasitic losses in
the overall solar module devices.
A PV technology is appealing from an
environmental point of view because
its impact on the environment is
minimal, does not produce harmful
by-products, enables direct conversion
of solar energy to electricity, there are
no high temperatures involved thus
cooling water devices are not required,
PV technology is modular and portable
in size, easy to assemble, soundless
because does not need any bulky
mechanical generators for the energy
conversion and it is a very flexible
power generator - ranging from mW
to MW.
3. PV Cells and Systems
Technologies
The main task in PV solar cell development is to increase PV conversion
efficiency and therefore to reduce solar
cell cost. Nowadays, the silicon solar
sells occupy the main share of the PV
market. Monocrystalline and polycrystalline (multicrystalline) solar cells are
the leading market products. However,
the huge investments and high costs
are mainly the lack of silicon production technology. PV semiconductor
research and industry have been very
intensive in the last decade, bringing more and more new concepts
and trends every year for solar cell
development and further improvements in established PV technologies.
A lot of research efforts have been
going into the search for new materials. The leading idea is to replace Si
and SiO2 (Si has very high melting
temperature, over 1400 0C, SiO2 about
1800 0C, therefore a huge amount of
energy is required during the PV cells
fabrication procedures) with alloys and
compounds of materials with low-temperature melting points (such as Ga,
Cd, In, Sb, etc.). This idea has made
the breakthrough of thin-film technologies (such as a-Si, GaAs, CIS, CIGS,
CdTe, and so on). The new concepts
and new trends, involving new principles of photon conversion process or
new classes of materials, are: thin-film
tandem cells, organic solar cells, polymer semiconductor solar cell, dye-sensitized solar cells, flexible solar cells
and other new conception solar cells.
Some of those technologies, [8-19], are
briefly highlighted below.
In an effort to save on materials and
processing cost, a few manufacturers
have turned to less pure silicon. Unlike
the nine 9s (99.9999999%) or even
the eleven 9s (99.999999999%) of
purity that is the result of the conventional Siemens process used in silicon
growth, solar modules that are manufactured using Upgraded Metallurgical
Grade silicon (UMG) technology are
of less purity, with a small effect on
conversion efficiency, but significant
cost reduction.
Mono Crystalline (Single crystal)
Silicon solar cells
Mono crystalline or single crystalline
cells are produced primarily by the
Czochralski (Cz) process. The large diameter single crystal silicon ingots that
are created from this process are cut
into thin wafers using thin wire saws.
Solar panels that utilize single crystalline cells still dominates and offer
among the highest efficiencies available on today’s market, however, about
50% of the cost of the module is due
to the cost of processed silicon wafers
with high purity. The cost reduction is
directly related with reducing the silicon content of the module, e.g. by use
of thinner wafers (0.2 mm thickness is
reached today). The best laboratory efficiencies for mono crystalline silicon
solar cells is 25%, and for production
solar cell modules 15 to 17%.
Poly Crystalline (Multi crystal)
Silicon solar cells
Cells that are created from polycrystalline or (multi crystalline) technology
are cut from a silicon boule that has
been casted from molten silicon and
allowed to cool. The multi crystalline
cell is grown from these silicon material forms multifaceted crystals that
grow in different directions. Conventional multi crystalline solar cells typically offer a slightly lower efficiency.
Ribbon Silicon solar cells
A process which cost less than traditional manufacturing techniques
(using costly silicon sawing process) is
known as “Ribbon Growth”. Silicon is
formed directly into thin wafers which
avoid the expensive process of sawing
silicon from a solid silicon boule. Solar
panels that that use this technology
are effective at saving material but
[061]
the quality of the material produced
is not as high as the Czochralski (Cz)
process. Cell efficiency is reduced,
about 15%.
Amorphous Silicon solar cells (thin
film solar cells)
Unlike crystalline silicon whose atoms
are arranged in a very orderly fashion,
the atoms in amorphous or thin film
solar panels are not arranged in any
specific pattern and in fact contain
many structural and bonding defects.
Amorphous solar panels are made by
utilizing a vapour deposition process
not unlike spraying the silicon which
deposits a microscopic thin layer of
doped silicon onto a glass substrate.
Although thin film is less costly to
manufacture than mono or poly crystalline technology they do suffer from
several drawbacks, among them is a
much lower efficiency. While mono
and poly crystalline solar technologies
typically produce power in the 12 to
15 percent efficiency range, thin film
technology’s efficiency range from 6
to 9 percent. Another drawback with
amorphous technology is an anomaly
known as the Staebler-Wronski effect
whereby the conversion efficiency
of amorphous solar panels has the
tendency to degrade causing a drop
in output of up to 20% when it is first
exposed to sunlight.
CdTe solar technology (Cadmium Telluride thin film)
Like their crystalline silicon thin film
cousins, Cadmium Telluride CdTe
solar suffers from the same stigma of
lower efficiency. The primary difference between both crystalline silicon
and amorphous silicon when compared
to CdTe is that CdTe does not utilize
silicon in its design. Instead CdTe
solar panels use a compound which is
formed by a combination of Cadmium
and Tellurium blended with Zinc.
Another difference between CdTe and
more traditional solar module technologies is that Cadmium is an extremely
toxic material with known cancer
causing effects, which raises concerns
among health officials, although CdTe
modules have been touted as being
safe especially once encapsulated in a
module. There is a wide-spread belief
that the price of PV will drop dramatically over the next decade because of
thin-film CdTe production. The First
Solar, the world’s leading producer
of thin-film PV, reported recently that
they have reduced the “direct manufacturing cost” to under $1/WP (“p” - peak
power) for the bare panels. However,
one of the lowest cost installations
recently completed costs about $4.3/
energija
WP. Part of the reason is that the lower
efficiency of CdTe (~10.5%) requires
larger panels, which require larger support structures.
Copper Indium Diselenide solar
cells (CIGS & CIS thin film solar
cells)
A very promising and challenging
technology, known as a “star performer” in the laboratory with near
20% conversion efficiency, is CIGS
solar cell technology based on the
ternary compound semi conductors
CuInSe2, CuGaSe2, CuInS2 and their
alloys. CIS is based on CuInSe crystal
technology. Although the properties
of these compounds are very promising, there are certain difficulties to be
commercialized. The main reason is
that In and Ga are very rare elements,
and nowadays research is finding a
way to replace indium with appropriate
element or compound.
Tandem solar cells (thin film
solar cells)
Multiple-junction stacked or tandem
solar cell is a structure where several
solar cell units with different band
gaps are stacked on top of one another
to absorb light of different wavelength.
Thus, each solar cell unit converts
appropriate part of solar radiation spectrum. With large number of stacked
cell units the efficiency over 50% can
be expected in the future. Tandem
structures are produced usually with
the sequence of thin layers (films).
With lens concentration of sunlight and
sun-tracking devices, the efficiencies
of 38% for tandem cells have been
reported. At the moment tandem cells
are used in satellite applications and
they are not presently manufactured in
any significant commercial quantities.
Heterojunction solar cells are tandem
solar cells introduced by the SANYO
Corporation. The SANYO HIT
(Heterojunction with Intrinsic Thin
layer) solar cell is made of a thin mono
crystalline silicon wafer surrounded
by ultra-thin amorphous silicon layers
and today it is market recognized as
the industry’s leading performance and
value product using state-of-the-art
manufacturing techniques with very
high conversion efficiency. Table 1.
shows the cell and module efficiencies for some SANYO solar module
products.
Flexible solar cells
Flexible solar cells are used in applications such as: airplanes, solar
vehicles, textiles, helmets, toys, and
in various products with surfaces like
curves, where traditional flat solar cell
modules can not be used. Flexible cell
technology is based on conductive
polymer semi conductors, although
today almost every type of solar cell
can be flexible to some extent.
Silicon solar cells with LightTrapping structures (thin film
solar cells)
Light-trapping structures (LTS) are
used to improve the low absorbance
of light for the thin-film silicon solar
cells. LTS are photonics devices, such
as diffractive gratings, distributed
Bragg reflectors, metal reflectors, etc.
Light can be highly efficiently trapped
into the solar cell material, about 70%,
[19], increasing significantly the solar
cell conversion efficiency, by reducing
reflection of the incident solar radiation from the cell.
Dye-Sensitized solar cells (DSC)
DSC are invented by M. Graetzel in
the early 1990’s and they are based on
the regenerative photo electrochemical process. DSC are nano-crystalline
devices with sensitizer (dye) used to
sensitize TiO2 thin film. At the very
beginning of the research with DSC
efficiency was just a few percent, but
at the moment their efficiency reached
11%. Advanced and expensive equipment, high-temperature treatment, high
vacuum conditions, and materials of
high purity are not required for DSC
fabrications. Their cost is just 1/5 to
1/3 of that for Si solar cells, so they
represent larger-area and low-cost solar
cell alternatives. Moreover, they can be
made transparent or in desired colour,
also can be made as flexible solar cells.
Predictions are that by 2030, DSC
would occupy more than 1/3 of the
market share.
Organic solar cells
These cells can be molecular or polymer organic solar cells, or flat-layer
systems with organic materials having
semi conducting properties. The possible number of such stable organic
compounds (polymers) is nearly infinite. Organic cells can be produced as
very thin devices, at low-temperature
processes and very low cost. Efficiencies are still low, about 3-4%, however,
the research interest in the organic
solar cells is growing because they offer an inexpensive solution.
Although the high manufacture cost,
crystalline silicon dominates the market today with prospects to continue so
in the immediate future. Silicon (mono
crystal, poly crystal, amorphous, ribbon, thin Si films, and tandem Si cells)
is still occupying more than 95% of
market share. The market shares of
different solar cell technologies are
shown in Fig. 1.
Away from the laboratory and technological solar cell scene, PV system
designers offer numerous useful applications, see for example [1,20], where
the module efficiencies, the produced
solar energy storage media, etc., are
Fig 1 Market shares of different solar cell technologies for 2008.
Table 1 Efficiencies of the SANYO HIP solar cells and modules
[062]
emphasized. Sun tracking PV systems
ensure the optimal operating conditions
for solar energy conversion enabling
continuously vertical irradiation on the
solar generator area. Concentrated PV
energija
Fig 2
Scheme of house installed grid-connected PV solar system
(about 15 years ago) was designed in
the thyristor technology, but today’s
inverters are more complex electronic
devices designed to fulfil various specific demands for GC PV applications,
with very high DC/AC transformation
efficiencies, e.g. 98% for inverters
using the HERIC (Highly Efficient &
Reliable Inverter Concept) technology,
[1].
5. Introduction of Feed-in
Tariffs
solar systems use optical lenses and
mirrors to increase the light intensity
and consequently the solar cell efficiency. Sun tracking PV systems are
mostly connected with concentrating
systems and best suited for very sunny
locations. Hybrid solar systems utilize
different types of electricity generators,
for example to guarantee the electricity supply reliability. Hybrid systems
exploit different sources of renewable
energy, sometimes in combination with
conventional fossil-fuelled resources.
Hybrid solar systems can combine PV
electricity and solar thermal effect to
increase the overall energy production,
[21]. PV solar systems can be used
for water desalination in desert areas,
[22], for hydrogen production as the
electricity storage mass media or for
fuel-cells electricity production. PV
solar modules are integrated into sound
barriers along motorways and railways,
[1], into the buildings facades establishing modern trends in architecture,
[20]. Number of ideas and practical
applications of PV systems usage is
growing and deserve the particular
attention and analysis, see for example
[23,24].
This paper describes only the typical
so-called grid-connected photovoltaic
system, in the next section.
4. Grid-Connected PV System
In a nutshell, apart from the space applications, terrestrial PV applications
can be grouped into stand-alone PV
systems (SPSs) or grid-off PV systems,
and grid-connected power systems
(GCs) or grid-tied systems. SPSs do
not have a connection to an external electricity grid. There is a broad
variety of their applications: from solar
calculators and watches (mW range)
to systems designed to supply remote
consumers and buildings (islands,
mountains or rural remote areas) with
electric power (kW range). They can
be DC or AC systems with or without
storage battery (e.g. for night use).
A grid-connected solar power system can be defined as an array of PV
modules connected via a suitable inverter to an external public electricity
network (grid) supplying network with
the produced electrical energy. A grid
plays a role of a large “storage unit”
for the produced energy. If GCs are decentralized they provide power for the
electrical appliances in the building,
with surplus production feeding into
the grid via the grid connect point distribution board connection. At night
the electricity comes from the public
grid. Central GCs are designed only
for feeding public grid. In countries
with favourable mandatory feed-in
tariffs it is more advantageous to feed
all GC produced energy into the public
grid. The installed GCs power can be
in the range from several kW up to the
MW range. GC systems are usually set
up on buildings facades, on the sloped
or flat (for bigger buildings) roofs, or
on otherwise unused land (e.g. rocky
mountain slopes).
GC PV system, Fig 2, consists of: PV
module array, an inverter, the electricity meter, cabling, a combiner box,
switching and protection elements. In
a combiner (junction) box the solar
panels cables are terminated and connected together (mainly in parallel
manner). A cable from the combiner
box feeds the DC electricity into a
GC inverter. An inverter is used to
convert the DC voltage output of the
PV module to the AC voltage needed
to be fed into the public grid. As well
as AC production, an inverter has additional important functions: the MPP
tracking (regulation of the DC input
resistance of on inverter, in order to
optimally operate the PV module, the
power matching), data acquisition and
monitoring, PV modules protection
(e.g. when a grid goes down GC PV
system must automatically and immediately turn off, for safety reasons),
etc. The first serial produced inverters
[063]
Feed-in tariffs (FITs) are widely
recognized nowadays as an effective
means to stimulate and to promote
growth of renewable energy capacity,
and certainly are the most effective
way to support the development of
the photovoltaic energy production.
FIT is a mandatory rate (in 1 cents per
kWh in Europe) at which the electricity retailers are obliged to purchase
the electricity from grid-connected PV
system.
FITs have been adopted in over twenty
countries, following Germany’s lead.
Some European countries are in the
process of introducing mandatory
FITs. Table 2. shows FITs for PV solar
energy in some European countries.
Even the UK government (UK is
well-known for its cloudy and rainy
weather) has announced the introduction of FIT for solar renewable
energy from April 2010 which could
be from £0.40 up to £0.50 per kWh,
[15], what is well above Germany’s
FIT standards. EU governments adopt
and change FITs regularly, according
to actual circumstances, and provide
the additional support with cheap bank
loans and public grid access, tax benefits of different magnitudes, and other
measures.
Serbian government had proposed FIT
at 1 0.354 per kWh of produced solar
energy, a year ago, however, FIT at 1
0.23 per kWh have been adopted recently, [25], applying from 01.01.2010.
Unfortunately, proposed FIT-unit cost
has been reduced about 35%, furthermore FITs are guaranteed for 12
years for all renewable energy power
plants, including solar power stations.
This short-term security period can be
potentially the source of little success
with FITs for solar energy in Serbia.
The FITs introduction in Serbia is
perhaps the most significant indicator
of the government determination to
catch-up with modern European trends
and standards in the renewable energy
sector. However, the government
remarkable step forward is good as far
as it goes but will not be sufficient to
energija
Table 2 Feed-in-tariffs for PV solar energy in some European countries,
[1]. The installed “peak” power of solar power station is given in
kWp.
get the PV power energy sector moving further and faster, unless there is
no intention to remove a lot of other
obstacles (administrative, educational,
for example), to provide the additional support including financial one
(loans, taxes) and if government fail
to improve FITs conditions if their
implementation are not successful in
practice.
Amongst other activities of Serbian
government, related closely to FITs
initiative, is the adoption of the European renewable energy Directives
2001/77/EC, 2003/30/EC and specially
2009/28/EC aimed to improve the renewable energy share to 20 % in total
EU energy consumption - up to 2020.
A year ago, Serbia has contributed to
the significant international political
impetus as the founder member of
the International Renewable Energy
Agency (IRENA).
6. Some Practical Data and
Considerations
An average power of the sun irradiance at the earth surface is about 1000
W/m2. The Sun irradiance can vary
from season to season, from year to
year, but it is mainly dependable on
the geographic latitude. More precisely, a square metre of horizontal
Earth surface receives, under Serbian
geographic and climatic conditions,
between 1200 kWh/m2 in the north
to 1500 kWh/m2 in the south solar
irradiance annually (on average 1400
kWh/m2), which is a daily average of
about 3.5 kWh/m2. In southern Europe
the annual irradiance can reach up to
1800 kWh/m2 (Spain) and in northern Europe the irradiance drops to a
low of 700 kWh/m2 (Norway). Direct
solar irradiance is about 50% and the
remainder is diffuse irradiance from
the atmosphere.
Table 3 Prices of some solar modules (panels), made by the world’s largest
PV manufacturers, in January 2010.
[064]
Module efficiencies of the state-of-the
art market available solar panels are
in the range 12 to 17%. So, a simple
calculation shows that 1kW of installed
PV power requires area of about 7 to
8m2 (around 2.75m x 2.75m the square
shaped solar module array).
The energy payback time of the PV
modules is an important property of
solar systems. Energy payback time
(EPBT) is defined as the time the
PV module has to operate in order to
recover the energy consumed for its
production (i.e. to recover the installation costs). EPBT differs for PV
modules made by different technologies and for complete installed PV
systems, and from country to country.
For mono- and multicrystalline cells,
EPBT for complete PV systems, in
Germany for example, is between 6
and 8 years, but for CdTe PV systems
is less than 3 years.
The lifetime of the PV modules
depends on the used technology as
well. For mono- and multicrystalline
silicon solar cells, most manufacturers
give a warranty of 10 / 90 and 25 / 80,
which means: 10 years warranty that
the module will operate above 90%
of nominal power and up to 25 years
with above 80%. Practical lifetime of
the silicon-made PV modules could be
expected to be at least 30 years. For
the newer thin-film technologies, ten
year guarantees are customary, but the
experiences with them are still limited.
The grid-connected PV solar system
with 1kW of installed PV power could
yields, under Serbian circumstances,
on average: 1400 kWh x 0.23 1 /kWh
o±320 1 /annualy. For the guaranteed
period of 12 years it is nearly 4000 1.
We explored the world’s PV market to
calculate the investment costs for 1 kW
of PV power at the very beginning of
2010. A lot of internet sites have been
browsed and investigated, as an example http://www.brightgreenenergy.
co.uk/ and http://www.pvsolarmodules.
com/. Table 3. shows prices of some
market available solar modules (panels), conversion rates (January 2010):
=0.705, 1£/11 =1.125 have been
used. It is interesting to note that the
US solar cell seller internet sites are
informing their costumers that “solar
modules are in high demand in the
European market which makes them
difficult to obtain in the U.S.”. Many
of manufacturers and dealers charge
less 10 to 15% for several modules
purchased (e.g. more than 8 modules).
Therefore, the installation price for 1
kW of PV power has been found to
energija
be roughly as follows: 1 3000 to 3500
for the solar panels, 1#500 to#1000
for an inverter + shipment + taxes +
solar modules mounting and installation. This gives the average investment price from 1#4000 to 5000
per installed 1 kW of PV power. So,
the energy payback time in Serbian
circumstances is at least 12 years. In
other European countries energy payback time varies from 6 t o 1 0 years,
depending on the specific country, used
solar cell technology, adopted FITs and
other conditions.
Over the last few years the solar PV
industry has seen a huge increase in
demand. In 2008, worldwide module production increased 80% on the
previous year. As a result of the global
economic slowdown in 2009, prices
are now at an all time low. Market
researchers found that the mean cost
of installed PV dropped 3.6% annually from 1998 through 2008, with a
decline of 4.6% from 2007 to 2008.
Some PV prices have dropped as much
as 35% in the last two years, which is
making it tough for manufacturers to
survive. Under present conditions it
seems likely that another 30% may fail
in 2011, and another 20% in 2012.
As a conclusion, the beginning of
2010. seems to be not the best moment
to invest in solar PV power station
in Serbia. Realistically, the energy
payback time is well above 12 (guaranteed) years, and significant solar modules decline in pricing can be almost
certainly expected over the course of
the year.
7. Educational Issues
In spite of the existence of numerous
proven and factual information about
PV solar cells and systems in scientific
and technical journals, with conferences, exhibitions, fairs, internet sites
providing specific information, there
is the opposition constantly attempting
to give false or negative information
about PV technology. False information is mainly about PV cell and
module costs, their destroyable effects
on the environment, etc.
As an example we could rewrite a consumer comment on the open-site www.
energija.wordpress.com/ appeared on
23. Dec. 2009, [25], just after media
announced the introduction the new
government policy, who concluded
the next: “Congratulation for moving
along with FIT initiatives! However,
the cheapest offer for the investment
in 100 kW solar power station I’ve arranged during a day with the Chinese
company with total investment cost
of $2,3 billion! Thus, pay-back time
would be about 36 years, so where is
the interest and the gain with 1 0.23/
kWh FIT then?”. The disappointment
of the uninformed costumer can be
understood, and his comment, albeit
false, as well. However, no-one have
made any correction on the site so far,
this can not be understood. Having
in mind that the false information are
spreading much faster then the true
one, a costumer willing to invest in
the photovoltaic system will run out
forever. This typical example can be
explained with widespread in Serbia
very-poor educational level in the field.
The investment price from $23.000,
per installed 1kW of PV solar module
is really too much, even if Chinese
steal the show!
It is very important to provide the true
scientific and comparable information
about PV cells and systems. Therefore,
the PV (as an every new technology) is
an educational issue. The broad educational campaign has to be launched in
Serbia, from basic schools to entering
new study programs and modules at
the University levels. Serbia has to
introduce research facilities, training
activities and the dissemination of
information about renewable energy.
In addition, the number of published
papers about PV cells and systems in
energy sector specialized domestic
journals and conferences is pretty low,
and has to be increased, no matter with review, engineering or scientific
article character. A primal objective of
this paper is to contribute in that sense.
Republic of Serbia is a founder member of the International Renewable
Energy Agency (IRENA), an intergovernmental organisation for promoting
the adoption of renewable energy
worldwide. IRENA was officially
established in Bonn, Germany, on 26.
January 2009. Up to the end of 2009.,
137 states and the European Union
signed the Statute of the Agency;
amongst them are 46 African, 36 European, 32 Asian, 14 American and 9
Australia/Oceania States. IRENA aims
to facilitate renewable energy technology transfer and provide experience
for practical applications and policies.
Moreover, the Agency intends to facilitate access to all relevant information,
including reliable data on the potentials
for renewable energy, best practices,
effective financial mechanisms, and
state-of-the-art technological expertise.
In IRENA Memorandum, [26, pp.10],
it is stated:
It is imperative that every nation in the
international community:
[065]
create research and development
facilities;
z begin using a wide range of solar
energy technologies, in order to
keep pace with new technological
developments;
z promote the education of scientists
and technicians and increase public
awareness as the basis for increasing self-sufficient production and
use of Renewable Energy and energy
efficiency methods;
z move quickly to introduce Renewable Energy technologies.
Bridging development gaps and
reducing deficits in the availability
of information is a crucial global,
environmental, economic and political
issue. ...
Those IRENA’s recommendations
clearly emphasized the role of the
research, education and true information policy in the international and
national frameworks in promoting and
introducing new technology for using
renewable energy, the role which is
particularly important to developing
and transitional countries.
z
Conclusion
Solar energy as a source of the renewable energy has vast potential and it is
the challenge facing the world’s energy
future. Insufficient awareness of the
opportunities for the solar energy may
be an obstacle which can significantly
limit and delayed its use. PV electricity
is expensive at the moment, but this is
just a transitory situation, one has to
be educated, trained and prepared for
the future almost certain scenario of its
favourable use and exploitation. The
goal could be achieved primarily with
steady as you go positive government
politics in the renewable energy sector,
broad and systematic costumers and
engineer’s education and extensive
further support in this field. The aim
of this paper is to contribute on the
increase of the public and professional
awareness as the basis for increasing
production and use of PV solar energy.
References
[1] A. V. Da Rosa, Fundamentals of
Renewable Energy Processes, 2nd
edition, Academic Press, Elsevier
Inc., 2009.
[2] A. Goetzberger and V. U. Hoffmann, Photovoltaic Solar Energy
Generation, Springer-Verlag 2005.
energija
[3] D.S. Strebkov, “The Role of Solar
Energy in the Power Engineering of
the Future”, Thermal Engineering,
2006, Vol. 53, No. 3, pp 224-230.
[4] T. Markvart and L. Castaner (eds.),
Practical Handbook of Photovoltaics: Fundamentals and Applications, Elsevier Inc., 2003.
[5] M. Razeghi, Technology of
Quantum Devices, Springer
Science+Business Media, 2009.
[6] S. M. Pietruszko, Phovoltaics in the
world, A. Vaseashta et al. (eds.),
Nanostructured and Advanced
Materials, Springer, 2005, pp. 241250.
[7] I. Haller and H. Grupp, «Demand
by product characteristics: measuring solar cell quality over time»,
J. Evol Econ, 2009, Vol. 19, pp.
487-506.
[8] H. Lin, W. Wang, Y. Liu, X. Li and
J. Li, «New trends for solar cell
development and recent progress of
dye sensitized solar cells», Front.
Mater. China, 2009, 3(4), pp. 345352.
[9] W. Fuhs, Silicon thin-film solar
cells, A. Vaseashta et al. (eds.),
Nanostructured and Advanced
Materials, Springer, 2005,
pp. 293-298.
[10] M. A. Green, “Thin-film solar
cells: review of materials, technologies and commercial status”,
J. Mater Sci: Mater Electron,
2007, V0l. 18, pp. 15-19.
[11] R. Hezel, “Progress in Manufacturable High-Efficiency Silicon
Solar Cells”, B. Kramer (Ed.):
Advances in Solid State Physics,
44, 2004., pp. 39-49.
[12] S. Kasap, P. Capper, Solar Cells
and Photovoltaics, Part E/46:
Novel Materials and Selected Applications, Springer Handbook of
Electronic and Photonic Materials, 2006, pp. 1095-1106.
[13] D. C. Senft, “Progress in Crystalline Multijunction and Thin-Film
Photovoltaics”, J. of Electronic
Materials, Vol. 34, No. 5, 2005,
pp. 571-574.
[14] Z. Fan et al., “Challenges and
Prospects of Nanopillar-Based
Solar Cells”, Nano Res., Vol. 2,
2009, pp. 829-843.
[15] S. Plater, “An initial analysis of
options for a UK feed-in tariff for
photovoltaic energy, from an array
owner’s viewpoint”, Environ. Res.
Lett., IOP Publish., Letter 4, pp.
1-10.
[16] V. P. Khvostikov et al., “HighEfficiency (49%) and High-Power
Photovoltaic Cells Based on Gallium Antimonide”, Semiconductors, Vol. 40, No. 10, 2006., pp.
1242-1246.
[17] S. S. Sun, «Polymer photovoltaic
optimizations from exciton level»,
J. Mater Sci: Mater Electron, Vol.
18, 2007, pp. 1143-1146.
[18] A. Hand (Ed.), “IMEC Mechanically Stacs GaAs/Ge Multijunction Solar Cell”, Semiconductor
Internacional, Oct. 2009.
[19] L. Zhao et al., “A highly efficient
light-trapping structure for thinfilm silicon solar cells”, Solar Energy, Vol. 84, 2010., pp. 110-115.
[20] U. Eicker, Solar Technologies for
Buildings, J. Wiley & Sons Ltd.,
2003.
[21] A. Elazari, G. Verilli and G.
Groce, “Design of New Generation Multi Solar Power Stations”,
Spec. Seminar: Energy managment and control and renewable
and alternative energy sources,
Lectures of A. Alazari, Millenium
Electric, Belgrade, Nov. 2008.
[22] A. Elazari, “Multi Solar Desalination Plant”, Spec. Seminar: Energy managment and control and
renewable and alternative energy
sources, Lectures of A. Alazari,
Millenium Electric, Belgrade,
Nov. 2008.
[23] A. Elazari, “The Multi Solar
Window”, Spec. Seminar: Energy
managment and control and renewable and alternative energy
sources, Lectures of A. Alazari,
Millenium Electric, Belgrade,
Nov. 2008.
[24] “Oerlikon discusses path to
$0.70/W thin-film PV panels”,
in: Solid State Technology, www.
solid-state.com, Aug. 2009.
[25] UREDBA o merama podsticaja
za proizvodnju električne energije
korišćenjem obnovljivih izvora
energije i kombinovanom proizvodnjom električne i toplotne
energije, Vlada Republike Srbije,
http ://www.enrgetika.gov.rs/ ,
December 2009.
[26] Memorandum for the Establishment of an International Renewable Energy Agency (IRENA),
http://www.irena.org/irena.htm,
2009.
[066]
energija
Dr Sne`ana Dragi}evi}, vanredni profesor
Univerzitet u Kragujevcu, Tehnički fakultet Čačak
Dr Miroslav Lambi}, redovni profesor
Univerzitet u Novom Sadu, Tehnički fakultet “Mihailo Pupin” Zrenjanin
UDC:627.329
Energetski efikasno
korišćenje masivnog
aktivnog solarnog zida za
grejanje prostora
i akumulaciju energije
1. Uvod
Sistemi solarnog grejanja prostora
baziraju se na korišćenju masivnih
solarnih zidova, koji mogu biti pasivni
i aktivni. Oba koncepta podrazumevaju
korišćenje zidova koji su prekriveni
sa transparentnim pokrivkama, čija
ozračena površina ima dobre apsorpcione karakteristike a masa zida
značajnu toplotno-akumulacionu
sposobnost. Konstruktivno i koncepcijski pasivni i aktivni solarni zidovi se
razlikuju. Masivni aktivni solarni zid
podrazumeva konstrukciju prikazanu
na slici 1, kod koje je izveden središni
kanal unutar zida. Ovakva konstrukcija
omogućava brži i intenzivniji prenos
toplote iz prijemnog prostora, u kome
se javljaju znatni gubici toplote, u
središni deo zida. Središni kanalski
deo zida može biti izveden bez i sa
ispunom materijala. Cirkulacija zagrejanog vazduha iz prijemnog u središni
kanalski prostor može biti prirodna
ili prinudna, koja zahteva ugradnju
ventilatora u donji otvor zida. Sistemi
solarnog grejanja koji se baziraju na
upotrebi solarnih zidova moraju predvideti gradnju zastora radi sprečavanja
toplotnog preopterećenja prostorije
koja se greje.
Prednosti aktivnog solarnog zida u
odnosu na klasičan Trombov zid su:
brže akumulisanje toplote u delu zida
koji je bliži unutrašnjoj površini zida,
otpor toplotnim gubicima od grejane prostorije i unutrašnjih slojeva
masivnog zida ka spoljnoj okolini je
veći, akumulacija toplote u vreme
grejanja prostorije je racionalnija i
omogućeno je bolje upravljanje korisnom toplotnom energijom.
Kod razmatranog modela zida
regulišući zatvarač omogućava istovremeno strujanje zagrejanog vazduha
Rezime
Zbog sve veće aktuelizacije korišćenja masivnih solarnih zidova za potrebe grejanja prostora sprovedena su istraživanja sa ciljem utvrđivanja uticaja relevantnih parametara na energetsku efikasnost sistema grejanja pomoću masivnog
solarnog zida. U radu su prikazani rezultati ispitivanja stacionarnog modela
aktivnog masivnog solarnog zida koji je izveden sa središnim kanalskim prostorom i otvorima za strujanje vazduha, a služi za istovremeno grejanje prostora
i akumulaciju energije u unutrašnjim slojevima zida. Na osnovu sprovedene
termodinamičke analize definisan je matematički model analiziranog sistema koji
obuhvata osnovne uticajne veličine u stacionarnim uslovima rada. Analiziran je
uticaj globalnog sunčevog zračenja, temperature i brzine strujanja vazduha na
ulazu u prijemni kanal zida na koeficijent korisnog dejstva razmatranog sistema
grejanja.
Ključne reči: solarni zid, grejanje prostora, akumulacija energije, energetska
efikasnost.
Energy efficient use of the massive wall of active solar space
heating and energy accumulation
Due to the increasing use of actualization of massive solar walls for space heating were carried out research aimed at determining the influence of relevant
parameters on the energy efficiency of a heating system with the massive solar
wall. The paper presents the results of stationary model of active massive solar
wall, which is derived from the central channel space and openings for air flow,
and is used for both space heating and energy accumulation in the inner layers
of the wall. Based on thermodynamic analysis carried out is defined mathematical model of the analyzed system, which includes basic influence the size of the
stationary conditions. Analyzed the impact of global solar radiation, temperature
and air velocity at the entrance to the entrance wall on the effective heat transfer
coefficients of analyzed heating system.
Key words: Solar walls, air heating, energy acumulation, energy efficiency.
iz prijemnog ka središnom kanalu
zida i grejanoj prostoriji. Njegovim
korišćenjem ostvaruje se grejanje
prostorije uz istovremenu akumulaciju
toplote u unutrašnjim slojevima zida.
Zid je izveden bez ispune središnog
kanalskog prostora i izložen je dejstvu
sunčevog zračenja. Radi intezivnijeg
procesa prenosa toplotne energije
iz prijemnog prostora ka prostoriji i
unutrašnjim slojevima zida ventilator
je uključen.
[067]
2. Matemati~ki model
aktivnog solarnog zida
Kada je razmatrani model aktivnog
solarnog zida izložen dejstvu sunčevog
zračenja zagrejani vazduh iz prijemnog kanala struji ka središnom
kanalu zida i ka grejanoj prostoriji. U
zavisnosti od položaja koji zauzima
regulišući zatvarač u gornjem otvoru
zida protok zagrejanog vazduha iz
prijemnog kanala se deli na dva dela.
energija
Slika 1
zagrejani vazduh iz prijemnog kanala,
qz,4 − p toplotni fluks koji se predaje
zračenjem sa unutrašnje površine zida
i qk,4 − p toplotni fluks koji se predaje
konvekcijom sa unutrašnje površine
zida na vazduh u prostoriji.
Jednačine masenog i energetskog
bilansa za dati model glase:
Model aktivnog solarnog zida
(2)
(3)
gde su:
[kg / m3] maseni protok vazduha
kroz prijemni kanal zida, wο [m / s]
brzina vazduha na ulazu u prijemni
kanal zida,
gustina
vazduha, b2 [cm] rastojanje između
absorbujuće površine zida i drugog
staklenog pokrivača, dužina aktivnog
solarnog zida Y = 3[m]:
(4)
(1 - dvostruko staklo, 2 - prijemni kanal, 3 - spoljašnji deo zida, 4 - ventilator, 5 - regulišući
zatvarač, 6 - unutrašnji deo zida i 7 - središni kanalski prostor)
Jedan deo odlazi direktno u prostoriju, a drugi deo zagrejanog vazduha
struji ka središnom kanalu zida, pri
čemu deo toplote predaje konvekcijom unutrašnjem delu zida, a ostatak
toplote se kroz donji otvor zida vraća
u prijemni kanal. Toplota predata
unutrašnjim slojevima zida se delom
akumulira, a delom provodi kroz zid i
predaje vazduhu u grejanoj prostoriji.
Toplotni fluks koji se predaje vazduhu
u grejanoj prostoriji, zanemarujući
korisni toplotni fluks koji se akumulira u unutrašnjem delu zida i predaje
vazduhu u prostoriji, iznosi:
(1)
gde su u [W / m2]: qv ukupan toplotni
fluks, qv,p toplotni fluks koji predaje
Slika 2 Mehanizmi prostiranja toplote kod aktivnog solarnog zida
[kg / m3] maseni protok
vazduha koji struji iz prijemnog kanala
zida u grejanu prostoriju;
koeficijent protoka vazduha koji definiše deo masenog protoka
vazduha koji struji iz prijemnog kanala
ka grejanoj prostoriji;
[kg / m3] maseni protok vazduha
koji struji iz prijemnog u središni kanal
zida, wSk [m / s] brzina vazduha u
središnom kanalu zida, b4 [cm] širina
središnog kanala zida:
(5)
- qv [W / m2] toplotni fluks koji zagrejani vazduh odnosi iz prijemnog
kanala, T1[K] temperatura apsorbujuće
površine zida, TS2[K] temperatura
unutrašnje staklene pokrivke, Tul,pk[K]
temperatura vazduha na ulazu u
prijemni kanal, Tiz,pk = Tul,Sk [K] temperatura vazduha na izlazu iz prijemnog
kanala, H = 3[m] visina zida, cp = 1005
[J / kgK] specifična toplota vazduha:
(6)
[W / m2] toplotni fluks
koji zagrejani vazduh iz prijemnog
kanala predaje vazduhu u grejanoj
prostoriji;
[W / m2] toplotni
fluks kroz središni kanal zida.
[068]
energija
Energetski bilans za vazduh koji struji
kroz središni kanal zida glasi:
(7)
gde su Tiz,Sk [K] temperatura vazduha
na izlazu iz središnog kanala zida,
toplotne karakteristike materijala zida
(ρz = 1700 [kg / m3], cz = 840 [J / kgK],
λZ = 0.45 [W / mK]), T3[K] temperatura
spoljašnje površine unutrašnjeg dela
zida, T4[K] temperatura zida koja je
u kontaktu sa vazduhom u grejanoj
prostoriji.
Koeficijenti prelaza toplote u prijemnom i središnom kanalu zida dati su
sledećim izrazima:
(8)
(9)
Za analizu energetske efikasnosti datog
koncepta grejanja koristi se koeficijent
korisnog dejstva:
vetra od wv = 0 m / s i temperaturu
okoline tοκ = 0 οC i za sledeće konstruktivne parametre aktivnog solarnog
zida: b4 = 5 cm i b1 = b2 = b5 = 10 cm.
Porastom brzine strujanja vazduha na
ulazu u prijemni kanal zida koeficijent
korisnog dejstva raste. Dijagram sa
slike 3. pokazuje da sa porastom koeficijenta protoka vazduha ka grejanoj
prostoriji koeficijent korisnog dejstva
raste, za sve analizirane vrednosti brzine vazduha na ulazu u prijemni kanal
zida. Za brzine vazduha do wο = 4 [m
/ s] koeficijent korisnog dejstva naglo
raste, nakon čega ima približno konstantnu vrednost. Kod zida koji je izveden bez ispune središnog kanala porast
brzine vazduha na ulazu u prijemni
kanal izaziva smanjenje toplotnog
fluksa koji se akumulira u unutrašnjem
delu zida, jer je pri velikim brzinama
vazduha i toplotni fluks kroz središni
kanal zida veliki.
Sa porastom temperature vazduha na
ulazu u prijemni kanal zida koeficijent
korisnog dejstva opada, za analizirane
masene protoke zagrejanog vazduha
koji struji iz prijemnog kanala ka grejanoj prostoriji. Za konstantu temperaturu vazduha na ulazu u prijemni kanala
koeficijent korisnog dejstva raste
kada raste maseni protok zagrejanog
vazduha koji cirkuliše iz prijemnog
kanala ka grejanoj prostoriji. Sniženje
temperature vazduha na ulazu u prijemni kanal zida prouzrokuje rast stepena korisnog dejstva: u sprovedenim
analizama pad temperature vazduha na
ulazu u prijemni kanal sa tul,pk = 28 [οC]
na tul,pk = 24 [οC] izaziva porast koeficijenta korisnog dejstva od oko 18%.
Dijagrami sa slike 5. pokazuje da za
sve analizirane masene protoke vazduha iz prijemnog kanala ka grejanoj
prostoriji koeficijent korisnog dejstva
raste sa porastom inteziteta globalnog
sunčevog zračenja. Porast globalnog
sunčevog zračenja izaziva porast koeficijenta korisnog dejstva i toplote koja
se akumulira u unutrašnjim slojevima
zida. Koeficijent korisnog dejstva intenzivnije raste kada globalno sunčevo
zračenje raste od G = 100 [W / m2] do
G = 600 [W / m2].
Položaj regulišućeg zatvarača, koji
je postavljen u gornjem otvoru zida,
definiše masene protoke vazduha
ka središnom kanalu zida i grejanoj
prostoriji. Koeficijent korisnog dejstva
je veći kada je maseni protok vazduha
koji struji iz prijemnog kanala ka
grejanoj prostoriji veći. Sa druge
strane, ako je maseni protok vazduha
iz prijemnog ka središnom kanalu zida
(10)
gde su G[W / m2] globalno sunčevo
zračenje, τ = 0.85 koeficijent transmisije zračenja kroz staklene pokrivke,
α = 0.95 koeficijent apsorpcije
materijala apsorbujuće površine zida,
εz = 0.95 koeficijent emisije materijala
zida, σ = 5.67 · 10–8 [W / m2K4] StefanBolcmanova konstanta i Tp [K] temperatura vazduha u grejanoj prostoriji.
Slika 3 Zavisnost koeficijenta korisnog dejstva od brzine vazduha na
ulazu u prijemni kanal zida wο (G = 1000W / m2, tul,pk = 26ο C)
3. Rezultati analize
energetske efikasnosti
Model aktivnog solarnog zida
koristi se za grejanje prostorije uz
istovremenu akumulaciju energije u
periodima dana kada je zid izložen
dejstvu sunčevog zračenja. Rezultati
ispitivanja su dobijeni za slučaj kada se
u grejanoj prostoriji održava temperatura vazduha od tp = 20[οC].
Rezultati su dati dijagramski i empirijski u funkciji odgovarajućih parametara zida za različite masene protoke
zagrejanog vazduha iz prijemnog
kanala ka grejanoj prostoriji.
Ispitivanja su sprovedena za brzinu
[069]
energija
Slika 4
Zavisnost koeficijenta korisnog dejstva od temperature vazduha
na ulazu u prijemni kanal (G = 1000W / m2, wο = 1 m / s)
sa aspekta postizanja veće energetske
efikasnosti sistema solarnog grejanja
prostora različite namene.
Literatura
Slika 5 Zavisnost koeficijenta korisnog dejstva od globalnog sunčevog
zračenja (wο = 1m / s, tul,pk = 26ο C)
veći više će se toplote akumulirati u
unutrašnjim slojevima zida, pri čemu
će koeficijent korisnog dejstva opadati.
4. Zaklju~ak
Na osnovu termodinamičke analize
masivnog aktivnog solarnog zida
dobijene su funkcionalne zavisnosti
između relevantnih parametara sistema
(globalnog sunčevog zračenja, temperature i brzine vazduha na ulazu u
prijemni kanal zida) i stepena korisnog
dejstva, za date uslove ispitivanja.
Rezultati istraživanja pokazuju dobre
mogućnosti korišćenja aktivnih
solarnih zidova za grejanje prostora
različite namene uz istovremenu akumulaciju energije u unutrašnjim slojevima zida, u periodima dana kada je
zid izložen dejstvu sunčevog zračenja.
Rezultati istraživanja su pogodni za dimenzionisanje aktivnih solarnih zidova
[070]
[1] Beck A., Korner W., Horn R.,
Kranl D., Pottler K., Fricke J.:
Energy Transport Through Transparently Insulated Colored Wall
System, EuroSun 98, Page: VI.1-1
- VI.1-6, Portoroz, Slovenia, 1999.
[2] Zrikem, Z., Bilgen, E.: Theoretical
Study of a Composite Trombe Michel Wall Solar Collector System, Solar Energy , Vol.39, No.5 ,
Page: 409-19, 1987.
[3] Khedari J., Hirunlabh J., Fabre B.:
Theoretical Management of the
Deferred Heat supplied by a Composite Trombe Wall Using a porous
concrete, Energy and Buildings,
17(1991), Page: 201-211, 1991.
[4] Khedari J., Lertsatitthanakorn C.,
Pratinthong N., Hirunlabh J.: The
Modified Trombe Wall: a Simple
Ventilation Means and an Efficient
Insulating Material, International
Journal of Ambient Energy, Vol.
19, No. 2, Page: 104-110, 1998.
[5] Dragićević S., Lambić, M.: Uticaj
radnih i konstruktivnih parametara
na energetsku efikasnost aktivnog
solarnog zida, Naučno-stručni
časopis «Energetske tehnologije»,
Broj 1, ISSN 1451-9070, str 3-7,
2004.
[6] SmolecW., Thomas A.: Theoretical
and Experimental Investigations
of Heat Transfer in a Trombe Wall,
Energy Conversion and Management, Vol. 34, No. 5, May 1993.,
Page: 385-400, 1993.
[7] Bhandari, M.S., Bansal, N.K.:
Solar Heat Gain Factors and Heat
Loss Coefficients for Passive
Heating Concepts, Solar Energy,
Vol.53, No.2 , Page: 199-208 ,
Aug. 1994.
[8] Mootz F., Bezian J.: Numerical Study of a Ventilated facade
Panel, Solar Energy, Vol. 57, No.
1, Page: 29-36-208, 1996.
[9] Dragićević, S.: Optimizacioni
model konstruktivnih i radnih
parametara aktivnog solarnog
zida sa aspekta veće energetske
efikasnosti, Doktorska disertacija,
Tehnički fakultet «M. Pupin»,
Zrenjanin, 2003.
[10] Torcellini, P., Pless, S., Trombe
Walls in Low-Energy Buildings:
Practical Experiences, World
Renewable Energy Congress VIII
and Expo Denver, Colorado,
August 2004.
energija
Dr Sre}ko ]ur~i}, dr Sne`ana Dragi}evi}
Tehnički fakultet, Čačak
Mr Dragana Labovi}
Visoka škola za poslovnu ekonomiju i preduzetništvo, Beograd
UDC:662.63
Logistički sistemi za
korišćenje biomase
i otpadnog drveta kao
energenata u komunalnim
sistemima
1. Uvod
Opšti pojam biomase veoma je širok
i podrazumeva organsku materiju
biljnog i životinjskog porekla. Prema
procenama od ukupno nastale biomase
na planeti Zemlji iskoristi se manje
od 4 % (za hranu ljudi i životinja,
za proizvodnju papira i kartona,
u energetske svrhe -gorivo, itd).
Energetska primena biomase većim
delom ograničena je na drvo kao
gorivo za loženje, što uglavnom nije
ekološki opravdano i ne može biti
osnov za dalje povećanje upotrebe
biomase
Osnovne karakteristike pri upotrebi
biomase kao energenta iste su
kao kod svakog goriva: hemijski
sastav, toplotna moć temperatura
samozapaljenja, temperatura
sagorevanja, fizička svojstva koja utiču
na toplotnu moć (npr. gustina, vlažnost
i dr). Osnovna veličina za proračun
energije iz određene količine biomase
jeste njegova toplotna moć. Najveći
uticaj na nju ima vlaga (vlažnost,
udeo vlage), potom hemijski sastav
i gustina. Na toplotnu moć nedrvne
biomase podjednako utiču udeo vlage
i pepela. Udeo pepela u nedrvenim
biljnim ostacima može iznositi i do
20% pa značajno utiče na toplotnu
moć. Iskustva iz razvijenih zemalja,
u Europi, posebno Danske, pokazuju
kako se radi o vrednom izvoru energije
koji se ne bi trebao zanemariti.
Jedan od najbitnijih faktora koji
određuju potencijalnu ulogu biomase
u energetskoj industriji, predstavlja
jaka konkurencija koja postoji
između vrednosti biomase i zemljišta
neophodnog za njen uzgoj, što
nije slučaj sa ostalim obnovljivim
izvorima. Biomasa može da se koristi
Rezime
Biomase predstavljaju biološki razgradive materije koje se formiraju u poljoprivredi, stočarstvu i sa njima povezanim granama industrije, kao i biološki
razgradivi deo industrijskog i gradskog otpada. Ona je potencijalni energent
raspoloživ u ogromnim količinama, koji se veoma malo ili uopšte ne koristi. U
današnje vreme kada količina organskog otpada neprestao raste čovek treba da
shvati da je taj isti otpad istovremeno i nepresušni izvor energije. Tehnologije u
kojima se može koristiti biomasa kao gorivo, pogotovu tehnologije sagorevanja
su relativno jednostavne, dok je priprema biomase (sakupljanje, briketiranje,
paletiranje, pakovanje, distribucija, skladištenje) nešto složeniji proces.
Korišćenje biomasa i otpadnog drveta kao energenata u komunalnim sistemima
ima niz pozitivnih efekata: poboljšanje stanja životne sredine lokalne zajednice,
povećanje tehnološkog razvoja u energetici, kao i razvoj slabo razvijenih oblasti
koje su bogate biomasom.
Ključne reči: biomasa, logistički sistemi, energent.
Abstract
Biomass is biological material derived from living, or recently living organisms. The term biomass is most often intended to refer to the organic materials
produced from agricultural wastes, wood materials and municipal waste. Currently, it is available renewable energy sources but still insufficiently used. While
amount of organic waste permanently increase today, at the same time biomass
presents the inexhaustible energy source. Available technologies for usage of
biomass energy are relative simple, as combustion of biomass, but preparation of
biomass is more complex process (collection, brick and palette making, packing,
distribution, storage).
Usage of biomass and wood waste as energy sources in municipal communal system has following advantages: environment improvement of local areas, increase
growth of the energetics technology, and development of low developed regions
with abundantly available biomass.
Key words: biomass, logistic system, energy source.
kao hrana, đubrivo, za proizvodnju
papirnih vlakana i kao gorivo. Čak
i među derivatima biomase postoji
konkurencija koja može da smanji
njen značaj kao potencijalnog goriva:
stajnjak je važno đubrivo, papir može
da se reciklira, ljuspice pamuka mogu
da se koriste u naftnim bušotinama,
piljevina može da se koristi kao
[071]
zaštitini sloj plodnog zemljišta, a
otpadne masti iz restorana kao hrana
za domaće životinje. Iako mnogi
stručnjaci smatraju da biomasa može
da se uzgaja isključivo za energetske
potrebe, njihova dvostruka ili
višestruka uloga se ne može zanemariti
uključujući i ulogu sekundarnih
proizvoda žetve.
energija
Koncept upotrebe biomase obuhvata
veliki broj izvora kao što su:
• Poljoprivredni otpaci: slama, lišće,
delovi voćaka,
• Poljoprivredne žitarice kao što su
različite vrste šećerne repe, šećerna
trska, kukuruz,
• Energetske žitarice: žitarice koje brzo
rastu ko što su repa, krompir i drveće,
• Šumski otpaci: neiskorišćeno drvo,
ostaci klada i panjeva, poludivlje
drveće
• Industrijski otpad,
• Gradski otpad: iako ovaj tip otpada
često sadrži toksične materijale, kao
što su hemijski obrađivano drvo,
baterije koje sadrže živu i druge
opasne materije, ima otpada kao što
su papir i biljni ostaci koji se mogu
iskoristiti kao izvor biomase.
2. Biomase i otpadno drvo
kao vredan resurs
Na osnovu sprovedenih istraživanja
utvrđeno je da trenutno na teritoriji
opštine Čačak postoje dva javna
preduzeća JKP «Gradsko zelenilo»
i JKP «Komunalac» koja sakupljaju
određene količine biomase i otpadnog
drveta. Najveći deo sakupljene
biomase i otpadnog drveta odnosi se na
deponiju. Količine biomasa i otpadnog
drveta koje se sakupljaju na godišnjem
nivou na teritoriji Čačka date su u
tabeli 1. Ukoliko bi javna preduzeća
održavala sve delove grada, škole,
predškolske ustanove i druge površine
koje su na teritoriji urbanog i ruralnog
dela Čačka količine sakupljene
biomase bi mogle biti značajno veće,
prema procenama oko (2-3) puta.
Toplotna moć biomase zavisi od
mnogo faktora: drvo ima toplotnu moć
MJ , a biljni
od 8,2 do 20 kg
MJ . Ako se
ostaci od 5,8 do 16,7 kg
usvoji da je toplotna moć otpadne
MJ , za prosečnu masu po
biomase 15 kg
metru kubnom razmatranih biomasa iz
urbanog i ruralnog dela Čačka od
kg
150 m
3 dobija se da je toplotna moć
1m3 otpadne biomase 2250 MJ
.
m3
Na osnovu toga količina
toplote potencijalne otpadne biomase
koja se skupalja iz urbanog i ruralnog
dela Čačka iznosi:
(1)
Ako se usvoji da je toplotna otpadnog
MJ , za prosečnu masu po
drveta 15 kg
metru kubnom otpadnog drveta iz
urbanog i ruralnog dela Čačka od
kg
500 m
3 dobija se da je toplotna moć
MJ
3
1m otpadnog drveta 7500 m
3 .
Na osnovu toga količina toplote
potencijalnog otpadnog drveta koja
se skuplja iz urbanog i ruralnog dela
Čačka iznosi:
(2)
Na osnovu sprovedenih istraživanja
konstatovano je da ostala preduzeća
na teritoriji opštine Čačak, koja imaju
potencijal i mogućnosti za korišćenje,
veoma malo, ili uopšte ne koriste
biomase i otpadno drvo.
2.1 Skladi{tenje biomasa
i otpadnog drveta
Biomasa koja mora da se sakuplja i
prevozi do skladišta ima svoju cenu
zbog transporta. Ovi troškovi u strukturi nabavne cene mogu da se kreću
od 35 do 50% u nabavnoj ceni. Oni
su uslovljeni udaljenošću na koju se
biomasa transportuje, vrstom tran-
sporta, veličinom kapacitetne jedinice
u transportu, stepenom korišćenja
transportnih sredstava, organizacijom
utovara i istovara i dr. Kako bi se
pronašlo optimalno rešenje, tj. da bi se
tranportni troškovi sveli na minimum
poželjno je slediti funkciju minimalnih
transportnih troškova koja glasi:
pri čemu je X količina otpada, dok Cij
predstavlja jediničnu cenu koštanja
otpada i njegovog transporta za komunalno preduzeće.
Za optimizaciju skladišta treba uzeti u
rezmatranje dva osnovna oblika:
z optimizacija (racionalizacija)
postojećih tehničko-tehnoloških
rešenja realizacije skladištenja;
z optimizacija novoprojektovanih
tehničko-tehnoloških rešenja realizacije skladište-nja.
Primer izbora tipa skladišta za komunalna preduzeča koja tretiraju otpad
dat je na slici 1.
Postupak optimizacije skladišta u
uslovima novoprojektovanih rešenja
karakterišu sledeća obeležja:
z moguće je formirati znatno veći skup
varijantnih rešenja s obzirom na
manje prisustvo limitirajućih faktora;
z investiciona ulaganja koja predstavljaju dominantnu karakteristiku skupa
kriterijuma za optimizaciju.
Postupak vrednovanja varijantnih
rešenja realizuje se na osnovu tehnoekonomskih kriterijuma usvojenih za
konkretnu situaciju.
2.3 Odre|ivanje vremena sakupljanja i transporta biomasa i
otpadnog drveta koje se sakupljaju na teritoriji ^a~ka
Da bi biomase imala široku upotrebu
potrebno je proizvesti energiju što
jeftinije, u dovoljnoj
Tabela 1 Godišnje količine biomasa i otpadnog drveta koje se sakupljaju na teritoriji Čačka količini i propisanog kvaliteta.
Biomasa koja mora
da se sakuplja i
prevozi do skladišta
ili prerađivačkog
kapaciteta što svoju
cenu zbog sakupljanja, pripreme i
transporta.
Za povećanje stepena iskorišćenja
korisnosti otpadnih
biomasa i otpadnog
drveta na prvom
mestu treba voditi
računa o transportnim troškovima. Da
[072]
energija
Slika 1 Tip skladišta za komunalna preduzeća koja
tretiraju otpad
Qi - količine
biomasa u i-tom
izvoru
Za analizu vremena
i troškova za sakupljanje i transport
biomasa i otpadnog
drveta iz dela
Čačka razmatrano
je 11 lokacija na
teritoriji urbanog
dela opštine Čačak
[7,8].
Zbog troškova
transporta za biomasu su pogodna
postrojenja manje
snage, koja imaju
niži stepen delovanja (npr. za
termoelektrane
na biomasu snage
5 MW η = 15 do
20%, za gasne
turbine veći stepen
delovanja η= 45
do 50%).
se proizvod priprema i/ili koristi prema
nameravanoj upotrebi. To podrazumeva da proizvodnja, obrada, distribucija,
skladištenje i rukovanje bimasom i otpadnim drvetom i njihovim sastojcima
od primarne proizvodnje do potrošnje
treba da bude u funkciji žaštite životne
sredine.
Značajan potencijal energije od
biomasa i otpadnog drveta komunalnih
sistema treba pravilno koristiti. Izbor
tehnologije za iskorišćenje biomasa
i otpadnog drveta zavisi od mnogih
faktora, a najvažniji su količina, vrsta i
lokacija nastanka.
3.1 Identifikacija problema tretmana tipi~ne biomase i otpadnog drveta
Projektom EE-243005A, u sadržaju
istraživanja, kao ključna stavka predvidjena je definicija koncepta programa
za korišćenje nekih vrsta otpadnog
drveta i biomasa, kao energenata u
funkciji minimalnih troškova na nivou
gradskih područja.
U predmetnom smislu, istražuju se
karakteristike sirovog-netretiranog
materijala (fizičke, hemijske, mehabi bili minimalni transportni troškovi
ničke, tehničko-tehnološke, energetske
3. Logisti~ka podr{ka za
sakupljenih biomasa, lokaciju za
i ekološke) i analiziraju mogućnosti
kori{}enje biomase i
sve prikupljene biomase bi trebalo
za pogodnim tretmanima u pogledu
otpadnog drveta
izračunatui prema izrazima:
smanjenja vlage i gabarita materijala i
Logistički koncept za upravljanje
stvaranja pogodnosti za njegovo skladištenje i manipulaciju, kao i unapre(3) zaštitom životne sredine (od pripreme
proizvodnje do upravljanja otpadom)
djenja njegovih energetskih karakterirazvijaju organizacije koje su direktno
stika nakon presovanja (baliranja i/ili
ili indirektno uključene u proizvodbriketiranja).
(4) nju ili za održavanje javnih površina.
Biomase i drvni otpad kod komunalOsnovna ideja kod razvoja logističkog
nih sistema spadaju u čvrsti otpad.
sistema za upravljanje zaštitom životne Biomasa na nivou komunalnog otpada
gde su:
sredine jeste da biomase i otpadno
(trava nakon uredjenje travnjaka,
Xi, Yi - koordinate i-tog izvora biomasa drvo ne naškode životnoj sredini kada
parkova i igrališta, kao i opalo lišće,
u km,
lišće i grane nakon obrade
gradskog
drveća, posečeno
Slika 2 Količine razmatranih energenata i njihove udaljenosti od skladišta, sa
sitno
rastinje,
žbunje i sl.)
potrebnim radnim časovima za sakupljanje i transportza 11 lokacija na
takodje spada u čvrsti otpad,
teritoriji opštine Čačak [7,8]
pa se za obe vrste otpada
može primeniti procedura
razrešenja za identifikovane
probleme čvrstog otpada,
kako je to i u slučaju procedure sa skupom uredjenih
aktivnosti i dokumenata za
čvrsti industrijski otpad.
Globalno gledano, na svim
proceduralnim i manipulaciono-tehnološkim nivoima
potrebna je odgovarajuća
oprema, bilo da se radi o
nadgradnji na postojeće
mašine, vozila i opremu ili
se radi o specijalizovanoj
opremi za tretman otpada.
Na primer, za proizvodnju,
manipulaciju i transport
[073]
energija
Slika 3 Proces upravljanja otpadom
Slika 4 Procesi upravljanja otpadom u sistemu za proizvodnju energije
otpada postoje odgovarajuća komunalna vozila, kao i vozila opšte namene
sa potrebnom nadgradnjom (mehaničkom, elektro, hidrauličkom i pneumatskom), a za tretman prikupljenog
sirovog otpada postoje odgovarajuće
linije i procesna oprema koja podržava
potrebne aktivnosti.
3.2 Tokovi biomase i otpadnog
drveta u komunalnim sistemima
Kretanje biomasa i otpadnog drveta
u komunalnim sistemima, od mesta
nastanka do mesta konačnog zbrinjavanja, podrazumeva sledeće aktivnosti:
postupak skupljanja, prevoza, isko[074]
rišćavanja, obrađivanja i konačnog
odlaganja naziva se tokom otpada.
Tokovi otpada zavise od njegovih svojstava, mesta nastanka, kao i obaveza
i odgovornosti onih koji su dužni da
zbrinjavaju otpad.
Pravna i fizička lica čijom aktivnošću
nastaje otpad učestvuju u sistemu
upravljanja otpadom na nivou države,
jedinice regionalne i lokalne samouprave zavisno od načina i stepena
organizovanosti, znanja, svesti i informisanosti.
Proces upravljanja biomasa i otpadnim
drvetom može se podeliti na ćetiri osnovna podprocesa, kao što je prikazano
na slici 4.
Plan upravljanja otpadom mora imati
proizvođač otpada koji proizvodi
godišnje određene količine bezopasnog
i/ili opasnog otpada. Plan, koji se donosi za određeno vremensko razdoblje
i dostavlja nadležnoj organizaciji,
sadrži podatke o:
z vrsti, količini, mestu nastanka i
trendu promene količine otpada,
z postojećem i predviđenom načinu
upravljanja otpadom,
z sopstvenim građevinama i uređajima
za upravljanje otpadom.
Sa aspekta logistike kao funkcije, njeni
zadaci kod komunalnih sistema su:
z da pomoću logističkih metoda radi
na rešavanju problema u oblasti
transporta, skladištenja-odlaganja i
upravljanja otpadom,
z da prati i analizira primenjivost
logističkih metoda u poslovanju
komunalnih sistema,
z da obezbedi povratni uticaj primene
logističkih metoda na dalji razvoj
logistike kao discipline i nauke.
Model zadataka logistike uopšte čine:
z minimizacija troškova proizvodnje,
z minimizacija vremena ciklusa proizvodnje,
z minimizacija zaliha,
z maksimizacija dobiti,
z maksimizacija iskorišćenosti kapaciteta i
z tačno određivanje rokova.
Logisitčki sistem se sastoji iz više
elemenata koji su međusobno povezani
i koji utiču na troškove transporta,
skladištenja i rukovanja proizvodima. Logistički sistem komunalnog
preduzeća ima sledeće osnovne
elemente:
z transport,
z skladištenje,
z zalihe,
z distribuciju,
energija
održavanje,
z manipulaciju,
z ljudske resurse,
z informacioni sistem i
z integraciju.
Dakle, logistički sistem komunalnog
preduzeća počinje da funkcioniše
prikupljanjem otpada, zatim se prikupljeni otpad smešta-odlaže, a odatle se
prebacuje do definisanih mesta zavisno
od namene, odnosno usvojene metodologije upravljanja otpadom.
z
4. Razvoj sistema za
kompostiranje
Kompost se može koristiti u poljoprivredi samo pod uslovom da su
ispoštovana sva sanitarna pravila i
ukoliko je izvršena kontrola komposta u smislu postojanja patogenih
mikroorganizama i štetnih hemikalija.
Vrednost komposta ogleda se u postojanju mikroorganizama i materija koje
mogu naneti štetu zdravlju čoveka pri
njegovom kontaktu sa zemljištem, kroz
biljne kulture koje služe za ishranu
ljudi i stoke, kroz vodu, vazduh i insekte. Kompost iz otpada sadrži teške
metale i retke elemente, što dovodi u
pitanje upotrebljivost komposta kao
stajskog đubriva na poljoprivrednim
površinama. S druge strane, neki mikro
elementi, koji se nalaze u kompostu, su
fiziološki neophodni za razvoj biljaka
(bakar, cink, mangan, hrom, bor).
Teški metali, kao što su živa, kadmijum i olovo iz komposta mogu dospeti
u zemljište.
Kompostiranje, kao savremeni vid
tretmana čvrstog komunalnog otpada
je egzoterman proces biološke oksidacije, u toku kojeg se organski supstrat
podvrgava aerobnoj biodegradaciji pod
uticajem mešane populacije mikroorganizama u uslovima povećane temperature i vlažnosti.U procesu biodegradacije organski supstrat trpi fizičke,
hemijske i biološke transformacije,
uz stvaranje stabilnog humifikovanog
krajnjeg proizvoda. Ovaj proizvod
je dragocen za poljoprivredu – kao
organsko đubrivo i kao sredstvo koje
poboljšava strukturu zemljišta.
Kompostirati se mogu:
- biootpad bogat azotom (50%): ostaci
voća i povrća, kore voća i povrća, talog kafe i čaja, pokošena trava, korov
i ostaci biljaka iz bašti, uvelo cveće;
- biootpad bogat ugljenikom (50%):
lišće, usitnjeno suvo granje, slama
i seno, ostaci kod orezivanja voća i
vinove loze, piljevina, iglice četinara.
Na proces kompostiranja utiče puno
činilaca, ali najznačajniji činioci
termofilnih organizama, što utiče na
brzinu razgradnje organskih sastojaka.
Zbog toga se mikrobiološko disanje
može koristiti kao indikator dekompozicije i stabilnosti komposta. Proces
samozagrevanja kompostne mase ima
određenu dinamiku pa se kriva temperature može podeliti na mezofilnu
(<45°C) i termofilnu zonu (>45°C) u
okviru kojih se mogu razlikovati 4 faze:
1. inicijalna faza (mezofilna),
2. faza porasta temperature (termofilna
faza),
3. faza maksimuma (termofilna faza),
4. rashlađivanje.
Kiseonik je neophodan za
mikrobiološku aktivnost, jer je kompostiranje aerobni proces. Izlaganje
svetlosti i obezbeđenje kompostne
mase kiseonikom može se sprovoditi preokretanjem mase, strujanjem
vazduha i mehaničkim osvetljavanjem.
Pasivno izlaganje svetlosti konvekcijom vrlo je zavisno od poroznosti
kompostne mase. Nedostatak kiseonika
rezultira procesima truljenja. Utrošak
kiseonika tokom kompostiranja
zavisi od vlažnosti koja bitno utiče na
mikrobiološku aktivnost, a maksimalan
utrošak je uz 65% vlažnosti.
razgradnje organskih sastojaka su
kiseonik i voda. Temperatura je,
takođe, vrlo značajan faktor, ali ona
je rezultat mikrobiološke aktivnosti.
Pored navedenog, stepen povećanja
temperature je u direktnoj vezi i sa
vrstom materijala koji se kompostira,
jer je poznato da se transformacijom
organskih materije sa većim sadržajem
azotnih jedinjena oslobađa veća
količina toplote od onih koje sadrže
više ugljeno-hidratnih komponenti.
Ostali značajni činioci koji mogu limitirati proces kompostiranja su ugljenik
i kiseonik (imaju značajnu ulogu jer su
neophodni za mikrobiološku aktivnost
i rast) i pH reakcija. Fosfor i sumpor
su, takođe, značajni, ali je njihova
uloga u procesu kompostiranja manje
poznata. Mikroelementi kao Cu, Ni,
Mo, Fe, Zn, zatim makroelement Mg i
korisni Na, neophodni su za enzimske
aktivnosti, ali se malo zna o njihovoj
ulozi u procesu kompostiranja.
Navedene mineralne materije imaju ulogu u poboljšanju pufernosti
komposta i brzine fermentacije, kao i
na delimično vezivanje oslobođenog
amonijaka koji u tom procesu nastaje
(recimo neki fosfati, karbonati i sl.), a
čiji bi gubitak izazvao “azotnu depresiju“ u kompostnoj masi.
Prema Wiley and Pierce (1955)
osnovni proces kompostiranja može
se prikazati i sledećom hemijskom
jednačinom:
5. Zaklju~ak
Korišćenje biomase za proizvodnju
energije je alternativno, tehnički i
C H O N × aH O + bO = C H O N × cH O + dH O + eH O + CO
p
q
r
s
2
2
t
u
Samozagrevanje organskih sastojaka tokom kompostiranja rezultat je
mikrobiološkog disanja. Povećanje
temperature utiče na mikrobiološku
populaciju promenama mezofilnih i
v
w
2
2
2
(5)
ekonomski opravdano rešenje, jer postoje bitne količine biomase na mestima
gde je neophodna toplotna energija
koja je po kvalitetu ista kao energija
proizvedena sagorevanjem klasičnih
Slika 5 Proces kompostiranja (E p s t e i n, 1997)
[075]
2
energija
fosilnih goriva. Razvoj ekonomičnog
gorivnog lanca od mesta formiranja
otpadne biomase do mesta korišćenja
prioritetni je zadatak da bi se biomasa
pojavila kao značajno gorivo na
tržištu. Perspektiva korišćenja energije biomase zasniva se na kontrolisanoj i stimulisanoj upotrebi izvora
na pojedinim lokacijama kako bi se
izbeglo neracionalno korišćenje ovog
značajnog prirodnog resursa.
Korišćenje biomasa koje sakupljaju
komunalni sistemi, kao sirovine za dobijanje energije, ima sigurnu budućnost
jer:
z doprinosi održivom razvoju,
z doprinosi smanjenju emisije gasova
sa efektom staklene bašte,
z doprinosi otvaranju novih radnih
mesta,
z smanjuje stopu migracije
stanovništva iz ruralnih sredina,
z podiže opštu svest o potrebi očuvanja okoline i
z predstavlja važan faktor stabilnosti
zajednice povećanjem nezavisnosti
od uvoza energenata.
Rad je nastao kao rezultat istraživanja
u okviru projekta «Razvoj i primena
logističkih sistema za korišćenje
biomasa i otpadnog drveta kao energenata u domaćinstvima i industriji»
(Nosilac projekta: Tehnički fakultet
Čačak; Rukovodilac projekta: dr
Srećko Ćurčić, vanr.prof; Finansira
Ministarstvo nauke i zaštite životne
sredine Republike Srbije; Program
istraživanja u oblasti energetske
efikasnosti, 2006-2009.; Evidencioni
broj ugovora: 451-01-03059/2005-01/
EE-243005A).
[4] Ćurčić, S., Bjekić, M., Dragićević,
S., Energetski potencijal biomase
i otpadnog drveta iz urbanog dela
Čačka, Naučno-stručni časopis
“Energetske tehnologije”, Godina
4, Broj 1, str. 26-28, Januar 2007.
[5] Cehlar, M., Management technology of wood waste for energetic
purposes, METABK 43 (4), pp.
339-342, 2004.
[6] STRATEGIJA RAZVOJA ENERGETIKE REPUBLIKE SRBIJE
DO 2015. god., Beograd, 2002.
[7] Interna dokumentacija “JKP Gradsko zelenilo” Čačak, 2007.
[8] Interna dokumentacija “JKP Komunac” Čačak, 2007.
[9] Basic information regarding
decentralised CHP plants based on
biomass combustion in selected
IEA partner countries, Final report, BIOS ENERGIESYSTEME
GmbH, Graz, Austria, 2004.
[10] M. Mesarović, Sustainable energy
from biomass, Thermal Science,
Vol. 5 (2), pp 5-32, 2001.
[11] Epstein, E. (1997): The science of
composting. Technomic Publishing Company. Lancaster, Pennsylvania, USA.
Literatura
[1] Srećko Švaić: „Proizvodnja toplinske energije iz drvne biomase“,
Međunarodno savjetovanje i
radionica „Izazovi strategije zaštite
okoliša i održivog razvoja“,
Fakultet strojarstva i brodogradnje
Zagreb, Zagreb, 2005.
[2] Bruno Motik: „Zelena energija“,
Zagreb, 2005.
[3] Demirbas, A.H., Demirbas, I.,
Importance of rural bioenergy
for developing countries, Energy
Conversion and Management, 48
(2007), pp. 2386-2398, 2007.
[076]
energija
Milenko B. Jevti}
Nedeljko Stojni}
Institut “Jaroslav Černi”, Beograd
UDC:621.314.2 : 621.932
Istraživanje nove originalne
metode električnog
impulsnog pražnjenja u vodi
za revitalizaciju drenova
filtera Ranny bunara
1 Uvod
Rezime
Suština ELHIM tehnologije je utemeljena na korišćenju visokovoltne
električne instalacije sa transformatorom, ispravljačem, baterijom
specijalnih kondenzatora za impulsna
električna pražnjenja, kompletom
sklopki i komutatora i komorom sa
vodom koja ispunjava radnu zonu
mašinskog podsistema. Impulsna
električna pražnjenja, sa efektom
kontrolisane električne eksplozije,
se realizuju pomoću komutatora i
bakarnih elektroda postavljenih u
vodi i manifestuju se formiranjem
snažnih električnih lukova i gasnovarničnim trenutnim (proces traje od
40 do 80 μs) udarnim talasima između
električnih polova. Navedeni udarni
talasi se prema Paskalovom zakonu
prenose na sve strane podjednako,
a tehničkim rešenjima je moguće
usmeriti ih na željene zone i pravce
gde izvode potreban koristan rad
prema projektovanoj nameni. Zavisno
od geometrijskog rastojanja između
električnih polova u komori sa vodom
4
se ostvaruje udarni pritisak do 10
bara sa brzinom udarnog talasa od 100
m/s i ubrzanjem nestišljivog fluida kao
nosioca udarnih talasa od 107 m/s2, kao
i frekvencija udarnog talasa od 104 Hz.
Ove vrednosti su verifikovane sprovedenim inicijalnim eksperimentalnim
istraživanjima.
Shodno savremenim tendencijama i razvoju novih metoda i tehnologija istražena
je i koncipirana nova i originalna tehnologija na bazi nekonvencijalnog procesa
električnog impulsnog pražnjenja u komori sa vodom, koju smo nazvali ‘’ ELHIM
tehnologija”. Posle sprovedenog teorijskog i eksperimentalnih istraživanja
dobijeni su izuzetno pozitivni i ohrabrujući rezultati koji preporučuju ELHIM
tehnologiju za dalji nastavak radova na njenom usavršavanju i primenu u
praksi. Ovo je saglasno sa tvrdnjama vodećih svetskih tehničkih futurologa koji
predviđaju da će za narednih dvadeset godina preko 50 % raspoložive tehničko
tehnološke opreme biti potpuno nove prema principu rada, formi, tehnologiji i
prema radnim karakteristikama.
Ključne reči: ELHIM tehnologija, električno pražnjenje
2 Teorijska istra`ivanja
Nova tehnologija elektrohidrauličkog
impulsnog pražnjenja, ELHIM, predstavlja aplikaciju teorijskih postavki
relevantnih naučnih disciplina i njenu
osnovu čine relevantne teorijske
postavke matematičke fizike i teorije
elektromagnetike. Suština fizikal-
Investigation of the new original method of electrical pulse
discharge in water for drain filter of Ranny well revitalization
According to the new tendency in methods and technologies development, the
new original technology, based on unconventional process of electrical pulse
discharging inside the water chamber, is investigated and designed. It is named
“ELHIM technology”. After theoretical and experimental investigations had
been carried out, very positive and encourage results were obtained which
recommended ELHIM technology for farther development and application in
practice. Development of the technology is in agreement with prediction of the
leading world technical futurologists who have predicted that in 20 years, more
then 50 % of the available technical-technology equipment is going to be completely new according to the principles of work, design, technology and working
characteristics.
Key words: The ELHIM technology, electrical discharge
nosti procesa ELHIM je zasnovana
na korišćenju visokovoltne električne
instalacije sa visokovoltnim transformatorom i električnim pražnjenjima
koja se odvijaju u tečnom fluidu. Kao
tečni fluid koristi se voda sa kojom se
ispunjava radna zona u kućištu eksperimentalnog uređaja. Sa druge strane
radne zone nalazi se zona sa objektom
primene. Visokovoltna električna
instalacija je povezana sa elektrodama, koje se nalaze u tečnom fluidu.
Impulsno električno pražnjenje u formi
električne eksplozije se izvodi preko
[077]
navedenih elektroda u tečnom fluidu
pri čemu se stvara snažan električni
luk. Fizička posledica pomenutog
impulsnog električnog pražnjenja
se manifestuje nastankom strujnih
odnosno varničnih gasnih mehurova
i kanala između električnih polova
u tečnom fluidu. Shodno postojećem
Paskalovom zakonu nastali varnični
kanali i gasni mehurovi se trenutno šire
u radnoj zoni tečnog fluida prenoseći
pritisak u formi udarnog talasa.
Navedeni prikaz na slici 1 predstavlja
mogućnost dobijanja korisne energije
energija
sa usmeravanjem dejstva udara talasna
shodno formi šupljine 7 suda 6, u koji
je stavljen tečni fluid 7 sa uronjenom
elektrodom 9. Držač elektrode 9 je
sačinjen od izolatora 8. Pritiskivač
5 obradka 2 koristi dejstvo udarnog
talasa za ostvarivanje sile držanja.
Matrica 3 postavljena u telo 1 i pod
dejstvom udarnog talasa oblikuje
pripremak 2. Prsten 4 služi kao vezni
element između pritiskivača 5 i matrice 3. Elektroda se napaja impulsom
električne struje iz instalacije koju
sačinjavaju: izvor struje sa naponom U, kondenzatorska baterija 10 i
prekidač 11. Električnim vodom 12
je povezan sud 6, koji služi kao drugi
električni pol (negativni pol).
Energija E koja se oslobađa pri
električnom pražnjenju u radnoj zoni
na osnovu teorijskih postavki se
definiše prema izrazu (1) kao zavisnost napona električnog pražnjenja U i
kapacitivnosti kondenzatorskih baterija
C.
(1)
(3)
U izrazu (3) Lo predstavlja ukupnu
početnu induktivnost celog sistema za
električno pražnjenje ELHIM sistema.
Vrsta materijala elektrode i njen
poprečni presek utiču na efekte procesa
električnog pražnjenja i na vremenski interval t od početka proticanja
struje iz kondenzatora do početka
eksplozivnog pražnjenja u radnoj zoni.
Ova zavisnost je predstavljena izrazom
(4) u kome k predstavlja konstantu
materijala elektrode, a ostale veličine
imaju ista značenja kao i u izrazu (2)
i (3).
(4)
Empirijska zavisnost optimalne
vrednosti prečnika elektrode dop se
predstavlja izrazom (5) u kome se
uvrštava kapacitivnost C u F, električni
napon U i V i induktivnost instalacije
za električno pražnjenje L u H.
(5)
Analitička zavisnost električnih parametara elektro podsistema se definiše
izrazom (2) u kome oznake imaju
sledeća značenja: d, l - prečnik i dužina
elektrode potopljene u tehničku vodu,
C - kapacitivnost kondenzatora, U početna vrednost električnog napona
pri pražnjenju kondenzatora k,α,β
- oeficijenti koji predstavljaju konstante koje zavise od vrste materijala
elektrode i f -sopstvena frekvencija
instalacije za električno pražnjenje,
koja se definiše izrazom (3).
Analizom energetskog bilansa u
radnoj zoni u okviru ELHIM može
se doći do izraza (6) koji predstavlja
nivo energije E dobijene električnim
pražnjenjem u zavisnosti od dimenzije i vrste materijala komponenata sistema. U izrazu (6) veličina D
predstavlja prečnik otvora matrice u
kome se dobija korisna energija, a h
predstavlja debljinu nepoželjnog sloja ,
veličine k i α predstavljaju koeficijente
naponskih stanja materijala obradka
i za martenzitni čelik imaju vrednost:
(2) k=190 i α=0,16 dok za materijal od
aluminijuma navedeni koeficijenti
imaju vrednost k=32,7
Slika 1 Uprošćen prikaz ELHIM tehnologije
i α=0,24. Pored toga
u izrazu (6) parametar
φ predstavlja
veličinu ugla sa
temenom na vrhu
elektrode i kracima
koje sačinjavaju osa
simetrije u radnoj
zoni i poteg koji spaja
vrh elektrode i tačke
na otvoru matrice,
tako da ugao φ zavisi
od prečnika otvora
matrice i rastojanja
između matrice i vrha
elektrode. U izrazu (6)
veličina f predstavlja
veličinu deformacije
nepoželjnog sloja.
[078]
(6)
Sledeća empirijska zavisnost (7)
definiše veličinu energije E kao
funkciju parametara sa relevantnim
značenjima:
(7)
U izrazu (7) veličina M predstavlja
masu nepoželjnog sloja i vode u
radnoj zoni, k v -koeficijent brzine
deformisanja nepoželjnog sloja, kd koeficijent udarnog talasa i njegovog
širenja, ψ - koeficijent sferičnosti udarnog talasa koji zavisi od visine R vrha
elektrode od matrice, Sο - poprečni
presek matrice, a parametar Adef predstavlja potreban koristan rad.
U okviru aktivnosti istraživanja
teorijskih postavki i faza teorijskih
istraživanja kompletno je istražena i
proučena teorija matematičke fizike,
teorija elektromagnetike i teorija elektrotehnike, pri čemu je posebna pažnja
posvećena fenomenima i efektima
impulsnog električnog pražnjenja u
vodi sa pojavama električnih lukova
i nastalih hidrodinamičkih udarnih
talasa koji se po Paskalovom zakonu
i zbog nestišljivosti fluida prenose
na sve strane i moguće ih je usmeravati na željena mesta shodno zadatim
ciljevima. Ovde je izvršena teorijska
analiza analitičkih modela i zavisnosti ukupne količine energije koja se
oslobađa ovim efektima od relevantnih
parametara elektropodsistema ELHIM
i to od kapacitivnosti baterije paralelno
vezanih kondenzatora sa otporničkim
modulom i od napona električne struje
pražnjenja. Druga istražena i analizirana teorijska zavisnost je problematika definisanja veličine dužine
elektrode u zavisnosti od prečnika
elektrode, kapacitivnosti kondenzatora,
napona električne struje, frekvencije pražnjenja i pratećih konstanti i
koeficijenata materijala. Posebno je
istražena problematika definisanja
frekvencije pražnjenja u zavisnosti od
kapacitivnosti kondenzatora i induktivnosti instalacije elektropodsistema
sa električnim vodovima. Naredni
korak u teorijskim istraživanjima je
bio istraživanje i definisanje optimalne
vrednosti prečnika elektrode u zavisnosti od kapacitivnosti kondenzatora,
energija
električnog napona pražnjenja i induktivnosti elektro instalacije.
Ovo istraživanje je veoma važno za
određivanje prečnika elektrode eksperimentalnog ELHIM sistema. Sledeći
konkretan rezultat u ovom teorijskom
istraživanju je izvedena energetska
analiza pri električnom impulsnom
pražnjenju u radnoj zoni mašinskog
podsistema pri čemu je izvedena
analitička zavisnost nivoa raspoložive
količine energije u funkciji parametara,
dimenzija sistema i vrste ugrađenih
materijala, a pre svega u zavisnosti od
prečnika komore sa vodom, prečnika
i dužine elektrode, koeficijenata naponskog stanja materijala, rastojanja
između polova električnog pražnjenja i
frekvencije pražnjenja. Sa ovim rezultatom teorijskog istraživanja možemo
proračunati potrebnu količinu energije
u ELHIM sistemu. U narednom koraku
teorijskog istraživanja energestka
analiza je proširena i sa uticajima masa
ugrađenih materijala, mase očekivanih
poremećaja koje trebamo otkloniti sa
ELHIM sistemom, zatim u analizu su
uključeni koeficijenti brzine uklanjanja
poremećaja, koeficijenti širenja udarnog hidrodinamičkog talasa i njegovog
prostornog širenja koji zavise od rastojanja između električnih polova.
Na kraju aktivnosti teorijskih
istraživanja kao konkretan rezultat,
a na osnovu ranije dobijenih rezultata teorijskih zavisnosti sačinjena
je konkretna teorijska zavisnost
pritiska hidrodinamičkog udarnog
talasa u funkciji raspoložive energije pražnjenja i rastojanja između
električnih polova i to za a = 100 mm,
a = 150 mm, a = 200 mm, a = 250 mm,
a = 300 mm. Ova zavisnost je dobijena
proračunom, originalnog je karaktera i prvi put je publikovana. Ona je
predstavljena u dijagramskoj formi
i konkretno nam govori o teorijskim
mogućnostima ELHIM tehnologije.
Tako na primer samo za prvi slučaj
rastojanja između električnih polova a
= 100 mm za E = 5 kwh proračunom
se dobija p = 700 ata, za E = 10 kwh
dobija se p = 1350 ata, za E = 15 kwh
dobija se p = 1720 ata, za E = 20 kwh
dobija se p = 2010 ata, za E = 25 kwh
dobija se p = 2240 ata, za E = 30 kwh
dobija se p = 2430 ata, za E = 35 kwh
dobija se p = 2680 ata, za E = 40 kwh
dobija se p = 2860 ata, za E = 45 kwh
dobija se p = 2980 ata i za E = 50 kwh
proračunom se na osnovu dobijenih
teorijskih rezultata dobija p = 3120
ata.
Proračunom dobijene zavisnosti
su paraboličnog karaktera i sa
povećanjem rastojanja a vrednost
Slika 2 Dijagramski prikaz zavisnosti p = f (E,a) za U = 18kV i C = 30 μF
ostvarenog pritiska udarnih talasa
opada za iste vrednosti E. Tako za a
= 150 mm i E = 50 kwh proračunom
dobijamo vrednost p = 2120 ata, za a
= 200 mm i E = 50 kwh dobijamo p =
1180 ata, za a = 250 mm i E = 50 kwh
dobijamo p = 1380 ata za a = 300 mm
i E = 50 kwh dobijamo p = 1096 ata.
Za vrednosti E ispod 5 kwh sa
različitim vrednostima a dobijamo
vrednost p do 700 ata. Ovaj rezultat teorijskih istraživanja je kasnije
korišćen kod razvoja realnog sistema
ELHIM za tražene primene pri eksperimentalnim ispitivanjima. Proračunom
dobijene vrednosti zavisnosti p = f
(E,a) za slučaj U = 18kV i C = 30 μF
su date na na slikama 2 i 3.
Slika 3 Prostorni prikaz proračunom dobijenih zavisnosti
p = f (E,a) za U = 18kV i C = 30 μF
[079]
energija
3 Eksperimentalni ELHIM
sistem
Realna i originalna varijanta idejnog
rešenja, u oblasti mašinstva koju su
autori sačinili u cilju izvođenja eksperimentalnih istraživanja i verifikacije
fizikalnosti procesa i koja je načinjena
u okviru rada na ELHIM istraživanju
je prikazana na slici 4. Ova varijanta
predstavlja realnije rešenje i bliži
pristup konkretnoj verziji eksperimentalne instalacije za ELHIM i služi za
dobijanje konačne verzije rešenja.
Rešenje sa slike 4. se sastoji iz dva
podsistema i to iz elektropodsistema
i tohnološko-mašinskog podsistema.
Elektropodsistem se sastoji iz modula
za punjenje, instalacije koji sačinjavaju
visokovoltni transformator i ispravljač
električne struje. Instalacija-modul
za punjenje se napaja iz standardne
električne mreže. Instalacija-modul
za punjenje preko preklopnika 1 i 2
puni i napaja kondenzatore C1 i C2
sa električnom strujom modulisanih
parametara. Sa druge strane modul za
punjenje je preko upravljačke jedinice
povezan sa komutatorima K1 i K2
koji obezbeđuju trenutno pražnjenje
navedenih kondenzatora C1 i C2.
Impuls električne struje iz kondenzatora C1 i C2 preko komutatora K1 i K2
odlazi u radnu zonu sistema ELHIM
u kojoj nastaje električno pražnjenje
sa formiranjem električnog varničnoeksplozivnog luka sa udarnim talasima.
Radnu zonu u tehnološko-mašinskom
podsistemu sačinjavaju tečni fluid
(tehnička voda), kućište sistema
i elektroda. Relevantni elementi
tehnološko-mašinskog podsistema
su vijčanim vezama povezani u
tehnološku celinu. Na slici 4. je
prikazana konačna i usvojena verzija
varijante idejnog rešenja eksperimentalnog sistema za oblikovanje obradaka
pomoću ELHIM u oblasti mašinstva.
Tehnološko-mašinski podsistem
sačinjavaju: obradak 1, zaptivni
element 2 koji ostvaruje neophodno
zaptivanje pri visokim vrednostima
pritisaka udarnih talasa u fluidu u
Slika 4 Detaljni prikaz konačno usvojene varijante idejnog rešenja
eksperimentalnog sistema za oblikovanje materijala sa ELHIM
[080]
radnoj zoni, zatim element 3 koji
predstavlja matricu za oblikovanje i
deformisanje obradaka 1, kućište 4
tehnološko-mašinskog podsistema koje
objedinjava sve relevantne elemente
tehnološko-mašinskog podsistema,
potom elektroda 5 kao vitalni element celog sistema, donja ploča 6 od
izolacionog materijala koja predstavlja
vezu između matrice 3 i osnovne ploče
7, potom izolaciona čaura 8, izolaciona čaura 10 za držanje i fiksiranje
elektrode 5 sa gornje strane, radni
fluid – tehnička voda u radnoj zoni,
električni provodnik 12 sačinjen od
izolovanih bakarnih traka 1 ×10 mm
u sklopu od 5 traka, koje se napajaju
električnim impulsom iz elektro
podsistema, drugog provodnika 13
koji spaja elektro podsistem sa masom
kućišta 4 tehnološko-mašinskog
podsistema, električnog-varničkog
luka 14 u radnoj zoni, navrtke 15 za
fiksiranje elektrode, podmetača 16 od
izolatora, zaptivača od gume 17, vijka
18 i podloške 19, zaptivnog prstena od
gume 20, zaptivača na čelu elektrode
20-a i podloške 22 za fiksiranje
elektrode 5, navrtke 23, vijka 24 i
podloške 25 za vezu kućišta 4, matrice
3 i donje izolacione ploče 6, zatim
podloške 26, navrtke 27 i vijaka 28 za
vezu donje izolacione ploče i osnovne
ploče 7 sistema ELHIM, potom
podloške 29, navrtke 30 i vijka 31 za
vezu celog tehnološkog podsistema
sa fundamentom, odnosno za vezu
osnovne ploče 7 sa fundamntom.
Elektro podsistem sačinjavaju sledeći
elementi i komponente: modul za
punjenje, (punjač 32), sastavljen
od visokovoltnog transformatora i
ispravljača električne struje, prekidači
33 i 34 za punjenje kondenzatora 35 i
36, upravljačkog modula 37, komutatora 38 i 39, i električnih provodnika
od bakra 40 (5 traka preseka
1 × 10mm), kao i samih kondenzatora
Laboratorijsko eksperimentalna
ELHIM tehnološko mašinska instalacija je istražena, razvijena i projektovana
za potrebe vodoprivrede i prikazana je
na slici 5. I kod ovog tehničkog rešenja
elektropodsistem je ostao isti kao u
prethodnom rešenju. U donjem delu
mašinskog podsistema ispod komore
sa vodom i elektrodom nalazi se ugaoni element na kome je priključena
čelična cev Ø200x5000mm.
Ova cev simulira i zamenjuje kanalizacioni sistem odvođenja otpadnih voda.
Na kraju ove cevi će se simulirati
zapušenje kanalizacionog cevovoda
u formi veštački izvedenog čvrstog
zatvaranja cevi. Efektima impulsnog
električnog pražnjenja odnosno dobi-
energija
Slika 5 ELHIM Eksperimentalna instalacija za potrebe vodoprivrede
jenim hidrauličkim udarnim talasima
će se izvoditi probijanje simuliranog
začepljenja cevovodnog sistema i
time simulirati otpušavanje zapušenih
kanalizacionih sistema. Ista eksperimentalna ELHIM instalacija sa slike
5 će se koristiti i za drugu primenu u
Vodoprivredi odnosno za revitalizaciju
zapušenih perforacija drenova Ranny
bunara, koji obezbeđuju vodu za piće.
Iza ugaonog cevnog segmenta pomoću
prirubnice je postavljena perforirana
cev Ø200x5000mm koja predstavlja cev drena Ranny bunara i koja je
veštački zapušena na svim mestima
perforacije. Izgled ove cevi sa simuliranim veštačkim zapušenjem perforacija je prikazan na slici 6 a izgled
noseće konstrukcije experimentalnog
sistema je prikayan na slici 7.
Eksperimentalnim ispitivanjima ćemo
pomoću ELHIM tehnologije impul-
Slika 6 Izgled segmenta simulirane cevi drena Ranny bunara za potrebe
eksperimenta
[081]
snog električnog
pražnjenja u vodi
odnosno sa nastalim
hidredinamičkim
udarnim talasom
izvršiti probijanje
veštački zapušenih
perforacija cevi drena
i time eksperimentalno
simulirati revitalizaciju drenova Ranny
bunara. Cilj ovog
istraživanja je eksperimentalna revitaliazcija
ELHIM tehnologije i
njene fizikalnosti procesa, a potom u narednim istražiavnjima će
se izvršiti ispitivanje
na realno izvedenim
i postojećim Ranny
bunarima kojima je
revitalizacija drenova
neophodna. Na osnovu
tih istraživanja će
se razviti i projektovati realna industrijska variajnta ELHIM
sistema za navedene
primene, koje će se industrijski
proizvoditi i prodavati na tržištu širom
sveta uz obezbeđiavnje komercijalnih
efekata i zapošljavanje radnika.
Na osnovu do sada sprovedenih
elektrohidrodinamičkih (ELHIM)
istraživanja autori ovoga rada su
razvili i koncipirali konkretno tehničko
rešenje za revitalizaciju mostičavih
filtera drenova u realnom slučaju
postojećeg Ranny bunara koje je
prikazano na slikama 8. i 9. Na slici
8. u realnom slučaju ugradnog drena
uvučena je glava ELDH sistema sa
vođenim i ukrućenim električnim
polovima između kojih nastaje impulsno električno pražnjenje i formiranje
elektrohidrodinamičkog udarnog taslasa. Električni provodnici su ukrućeni
i vođeni pomoću zglobno vezanih
segmenata koji omogućavaju uvlačenje
i vođenje glave ELDIH sistema od
površine Ranny bunara do kraja
mostičavog drena. Navedeni zglobno
povezani segmenti poseduju elemente
sa točkićima na bočnim stranama, tako
da se sa trenjem kotrljanja mogu lakše
uvlačiti i izvlačiti iz drenova Ranny
bunara. Zglobnim elementima nosača
električnih provodnika omogućeno
je spuštanje i vođenje ELHIM glave
navedenog sistema za revitalizaciju
drenova od površine Ranny bunara
i njegovo uvlačenje u horizonzalne
drenove, a što je pokazano na slici
9, na kojoj je predstavljen i sitem za
fiksiranje, ukrućivanje i prihvatanje
povratnog dejstva elektrohidrauličkih
energija
Slika 7 Izgled nosača konstrukcije eksperimentalnog
udarnih talasa kao i sistem za zaptivanje sa gumenim zapzaptivačima.
4 Zaklju~ak
U okviru ovog istraživanja izvršena
su teorijska, razvojna, aplikativna i
eksperimentalna istraživanja nove
i originalne ELHIM tehnologije u
oblasti mašinstva i vodoprivrede.
Takođe u radu je predstavljena idejna
verzija ELHIM tehnologije, kao i
razvijene i projektovane varijante
ELHIM sistema za izvođenje laboratorijsko-eksperimentalnih ispitivanja za
revitalizaciju i otpušavanje zapušenih
perforacija drenova Ranny bunara.
Kao osnova za istraživanje i razvoj ove nove visoko-brzinskoproduktivne metode služi korišćenje
efekta impulsivnog visokovoltnog
električnog pražnjenja u tečnom fluidu.
Istraživanjem je ustanovljeno da se
navedeno električno pražnjenje manifestuje nastankom strujno-varničnih
mehurova i kanala između električnih
polova, čije trenutno širenje u formi
eksplozije kao udarni talas deluje u
celokupnoj zapremini fluida i na usmerenom segmentu izvodi koristan rad.
U okviru ovih radova utvrđen je i
identifikovan čitav niz prednosti i
preimućstva u odnosu na klasične
metode. Istraživanjem se došlo do osnovnih uticajnih parametara. Moguće
je ostvariti pritiske u radnom fluidu na
nivou od 103 do 104 bar, brzinu od 100
m/s, ubrzanje pri deformisanju strukture obradka od 106 do 107 m/s2, kao i
mogućnosti dobijanja visoko-frekventnih udarnih talasa sa frekvencijom od
103 do 104 Hz.
U radu je dat opis dela istraživanja u
matematičkoj fizici i teoriji elektrotehnike, efekta impulsnog električnog
pražnjenja u vodi (ELHIM) i
mogućnosti primene tako razvijene
tehnologije za revitalizaciju i čišćenje
zapušenih perforacija mostičavih
drenova Ranny bunara. Istražen i
razvijen ELHIM sistem se sastoji od
elektro podsistema i mašinskog podsistema. Elektro podsistem sačinjavaju:
visokovoltni transformatori sa
ispravljačem, baterija kondenzatora
sa paralelnom vezom, baterija komutatora, upravljačka jedinica, sistem
preklopnika i kablovska instalacija sa
elektrodom koja je potopljena u vodu.
Mašinski podsistem sačinjavaju: komora sa vodom i elektrodom, izolatori,
nosač ELHIM postrojenja, mostičavi
perforirani dren Ranny bunara, sistem
prirubnica i elemenata za vezu, komora u koju se postavlja dren Ranny
bunara oko koga se postavlja 300 mm
debeli sloj peska granulacije 2-4 mm,
[082]
energija
Slika 8 Izgled tehničkog rešenja glave ELHIM sistema za revitalizaciju
Ranny bunara u realnim uslovima
u cilju uvođenja u široku industrijsku
primenu.
Literatura
zaštitni element i druge mašinske
komponente. Proces impulsnog
električnog pražnjenja traje 40-80 μs
i manifestuje se nastankom trenutnih
električnih lukova sa mehurovima koji
proizvode snažne hidrauličke udarne
talase. Ovako dobijeni udarni talasi se
trenutno šire i usmeravaju ka zonama
gde izvode koristan rad, a u ovom
slučaju je to revitalizacija zapušenih
perforacija mostičavog drena Ranny
bunara. Ova tehnologija i ELHIM
metoda je potpuno nova i originalna i
predstavlja prve korake nove naučne
discipline koja se može nazvati elektrohidrodinamika. Količina energije
ovako nastalih udarnih talasa zavisi od
veličine električnog napona, veličine
kapacitivnosti baterije kondenaztora,
rastojanja između električnih polova
i od drugih električnih i mašinskih
parametara. Veličina ostvarenog
pritiska udarnih hidrodinamičkih talasa
opada sa porastom rastojanja između
električnih polova i zavisi od drugih
električnih i mašinskih parametara, .a
sa druge strane može se kontinualno
podešavati pomoću potenciometra na
upravljačkoj jedinici od 0 do maksimalne vrednosti jer se tako i dozira
oslobađanje energije iz kondenzatora.
Ilustracije radi navešćemo podatke da
prema teorijskom proračunu sa parametrima od 30 μF, 18 kV i rastojanjem
između polova od 100 mm možemo
sa 50 kWh ostvariti pritisak udarnog
hidrauličnog talasa od 3120 bar za a
= 100mm.
Dobijeni rezultati ohrabruju, atraktivni su i daju puno opravdanje za
dalja istražiavnja i dalju koncentraciju
istraživačkih napora usmerenih ka
daljem usavrašavnju ove nove tehnologije prema njenoj konkretizaciji
Slika 9 Prikaz detaljnog rešenja ELHIM sistema za revitalizaciju Ranny
bunara zgled tehničkog rešenja glave ELHIM sistema u realnim
uslovima
[083]
1. Jevtić, M. B., Miljanić, P., Investigation of electro-dynamicand
electromagnetic puls unconventionaltechnology, Proc., 27th Con. on
Productive Mechanical Engineering
of Yugoslavia, Niska Banja, CDSPMJ, 2000.
2. Jevtić, M. B., Investigation of
modeling and simulation of subsystem for pulse electrical discharge
in water and in the special inductor, Proc., on 25th JUPITER Con.,
Belgrade, 1999, pp. 3223.
3. Jevtić, M. B., Investigation of a high
velocity unconventional procedure
and technology, Proc., on 21st
JUPITER Con., Faculty of
Mechanical Engineering of
Belgrade, Belgrade, 1996, pp. 3217.
4. Jevtić, M. B., Miljanić, P., Investigation and development of the hihg
velocities technologies, Proc., Con.
on Productive Mechanical Engineering of Yugoslavia, Budva, 1996,
pp. 339.
5. Jevtić, M. B., Metal forming by
electrohydraulic technology, Proc.,
on 1st Inter. Sym. of Industrial
Engineering-SIE-96, Faculty of Mechanical Engineering of Belgrade,
Belgrade, 1996, pp. 325.
6. Jevtić, M. B., Electrohydraulic
method, Proc., on 1st Inter. Sym.
of the Heavy Machine Building
Industry, Faculty of Mechanical
Engineering of Kraljevo, Vrnjacka
Banja, 1993, pp. 382.
7. Jevtić, M. B., Miljanić, P., Results
of investigation and development of
the puls technology, Proc., Con. on
Productive Mechanical Engineering
of Yugoslavia, Beograd, 1994, pp.
113.
8. Jevtić, M. B., , Miljanić, P., Investigation and development of electomagnetic technology, Proc., on 25st
Con. on Productive Mechanical
Engineering of Yugoslavia, Beograd,
1994, pp. 120.
9. Jevtić, M. B., Investigations,
development and application of
new theory of vibrations caused by
temperature for turbogenerators,
Proc., on XL Int. Sym. on Electrical Machines-SME 2004, Polish
Academy of Science and Warszawa
University, Electrotechnical Faculty,
Hajnovka, Poland, 2004, pp. 123.
energija
10. Jevtić, M. B., Thermal influence on
turbogenerator dynamic behavior, Proc., on XLII Int. Sym. on
Electrical Machines-SME , Polish
Academy of Science and AGH
University of Science and Technology, Cracow, Poland, 2006, pp.
195.
11. Jevtić, M. B., Research development and application of new theory
of vibration, Int. Jour. of Engineering and Automation Problems,
ISSN 0234–6206, Moscow, 2004,
Vol. 2, pp. 44.
12. Jevtić, M. B., Thermal influence on
turbogenerator dynamic behavior,
Int. Jour. IEEE, Electrotechnics
and Electronics Electronics, Vol.
25, ZESZYT2, Cracow, Poland,
2006, pp. 157.
Dr Du{ko \ukanovi}, dipl.in`.rud.
JP PEU, Biro za projektovanje i razvoj – Beograd
Dragomir Ze~evi}, dipl.in`.rud.
Popovi} Milan, dipl.in`.rud.
JP PEU, Ibarski rudnici kamenog uglja – Baljevac
UDC:622.015 (497.1)
Rekultivacija degradiranog
zemljišta na površinskom
kopu kamenog uglja
Progorelica, Ibarski rudnici
kamenog uglja - Baljevac
Rezime
Eksploatacijom kamenog uglja na površinskom kopu Progorelica doći će do
degradacije zemljišta koje je morfološkog i biološkog karaktera. Oštećenje
terena će se ogledati u stvaranju novog reljefa zemljišta po završenoj eksploataciji
uglja. U ovom radu data su rešenja za rekultivaciju degradiranih površina.
Ključne reči: površinska eksploatacija, degradirano zemljište, rekultivacija.
Abstract
Exploitation of coal on the surface Progorelica quarry will come to soil
degradation by morphological and biological characters. Hearing the field will
be reflected in the creation of a new relief after completion of land exploitation of
coal. In this paper, given solutions for recultivation of degraded areas.
Key words: surface extraction, degraded land, rekultivation.
Uvod
Ibarski rudnici kamenog uglja Baljevac, u ležištu kamenog uglja Progorelica otvaraju površinski kop, gde će
doći do oštećenja zemljišta. Oštećenja
terena će se ogledati u stvaranju
depresije, kao posledice površinske
eksploatacije, a u cilju smanjenja
oštećenja zemljišta projektovano je
unutrašnje odlagalište. Odabrana
tehnologija rada na površinskom kopu
ne predviđa formiranje spoljašnjeg
odlagališta, čime se smanjuje uticaj na
okolinu. U ovom radu daje su rešenja
rekultivacije unutrašnjeg odlagališta i
završne kosine kopa.
Op{ti podaci o le`i{tu uglja
Progorelica
Ležište uglja Progorelica se nalazi u
jugozapadnom delu Republike Srbije,
na prostoru između planina Kopaonik
na istoku, Golije na jugozapadu i
Čemerna na severo-zapadu. Teritorijalno ležište Progorelica pripada SO
Kraljevo od koga je udaljeno 55 km.
Do ležišta Progorelica se dolazi iz
Ušća, makadamskim putem u dužini
[084]
od 7 km. Kroz Ušće prolazi magistralni
put Beograd – Kraljevo – Raška, kao i
železnička pruga Beograd – Raška.
Teren gde se nalazi ležište, u
morfološkom pogledu čini blago
zatalasanu udolicu koja se od Zapada
na k+460 m lagano penje ka istoku na
k+560 m. U delu gde se nalazi ležište
kosina terena je oko 10° sa padom
I-Z, tj. skoro generalno prati pad
ležišta uglja.
Rezerve uglja u ležištu iznose
1.276.271 t.
Op{ti uslovi eksploatacije
Uslovi eksploatacije kamenog uglja
iz ležišta Progorelica su povoljni, a
ogledaju se u sledećim konstatacijama:
- ležište je geološki definisano u
pogledu prostornog razvića, broja i
debljine ugljenih slojeva;
- dubina ležišta je mala, do 60 m ;
- obzirom na razviće I i II sloja blizu
površine terena, ležište je predisponirano za otkopavanje tehnologijom
površinske eksploatacije čvrstih
mineralnih sirovina;
energija
- fizičko-mehaničke karakteristike
radne sredine i način zaleganja
ugljenih slojeva garantuju stabilnost
površinskog kopa i sigurnost ljudi i
opreme ;
- blizina aktivnog rudnika Tadenje i
povezanost Progorelice sa separacijom u Baljevcu, vazdušnom žičarom
za prevoz uglja, predstavlja dodatnu
povoljnost.
Tehnologija rada na
povr{inskom kopu
Progorelica
Ugalj se otkopava od mesta istražnih
radova sa etaže 500 m. Radove na
otkopavanju investicione otkrivke
obavlja bager dreglajn M-7200
radeći dubinski i delom u visinskom
bloku otkopavajući do krovine prvog
ugljenog sloja. Od mesta istražnih
radova počinje otkopavanje masa
otkrivke izradom useka dubine 8 do
15 m u zavisnosti koliko zaleže prvi
ugljeni sloj. Otkopane mase se odlažu
van granice kopa na gomile koje će
se isplanirati buldozerom. Odlaganje
se vrši do visine 10 m u odnosu na
niveletu stajanja bagera a šema izrade
useka i tehnologija otkopavanja sa
dimenzijama poprečnog preseka useka
i odlagališta, koje zavise od parametara
bagera i fizičko-mehaničkih karakteristika materijala koji se otkopava,
dati su na tehnološkim šemama. Da bi
se ubrzali radovi na otvaranju useka
za ugalj po koti 485 m, prebacivanje
masa otkrivke van granice kopa bilo
je neophodno. Da bi se izvoz uglja
i radni planum M-7200 podigli na
niveletu 500 m tokom godine i na 510
m, pored rada na neposrednoj otkrivci
i prebacivanju iste, na zapadno krilo
polja Progorelica, bager će raditi i na
otkopavanju povijenog dela ugljenog
sloja, što dovodi do zaostajanja u
napredovanju jalovinskih etaža. Deo
ugljenog sloja otkrivaće se bagerom
M-7200, naročito onaj u povijanju do
završne kosine i isti će biti prebačen
na nižu etažnu ravan. Isti ugalj će
se utovariti hidrauličnim bagerom u
kamione.
Geometrijski elementi površinskog
kopa: visina etaže na uglju 5 m, a na
otkrivci 10 m, sa uglovima etažnih
ravni od 60° i završnim uglom kosine
kopa od 37°.
U toku pvre godine eksploatcije projektovano je formiranje unutrašnjeg
odlagališta, na koje će se direktno odlagati mase prve otkrivke (otkrivke iznad I ugljenog sloja) bagerom M-7200,
a međuslojna, podinska i intraslojna
jalovina se odvozoiti kamionima .
Međuslojnu, podinsku i intraslojnu jalovinu će otkopavati bager BGH-1000.
Ukupne količine jalovine na kopu
iznose 2.583.511 m3 č.m. i istaće se
odložiti na unutrašnje odlagalište.
Zapremina materijala na odlagalištu je
veća za 33% usled rastresitosti materijala. Smeštajni prostor na unutrašnjem
odlagalištu iznosi 3.194.507 m3
č.m. što znači da će se na unutrašnje
odlagalište odložiti 2.401.884 m3 č.m.
dok je 181.626 m3 č.m. predviđeno
za presipanje i održavanje lokalnih
puteva.
Geometrijski elementi unutrašnjeg
odlagališta: visina etaže 10 m, sa
uglom etažne ravni od 35°, ukupnom
visinom odlagališta od 85 m i
generalnim uglom nagiba od 26°.
Hidrografske karakteristike
terena
Područje ležišta Progorelica ne obiluje
pojavama voda (izvori, prištevi, kopani
bunari) kao ni površinskim tokovima.
Reka Raduša je jedini vodotok u bližoj
okolini ležišta i protiče na hipsometrijski nižoj tački od ležišta.
Klimatske karakteristike sa
odgovaraju}im parametrima
Na području ležišta zastupljena je kontinentalna klima sa izrazitim godišnjim
dobima. Prisutan je uticaj vlažnih
i hladnih struja sa Golije, Željina
i Kopaonika. Najhladniji mesec je
januar sa prosečnom temperaturom od
-0,5°C dok je najtopliji mesec juli sa
prosečnom temperaturom od 20,8˚C.
Srednja godišnja temperatura je 11°C.
Pedolo{ke osobine otkrivke
Pedološke osobine odloženog jalovinskog materijala određene su preko
geoloških karakteristika, teksture,
karaktera (vrsta, dimenzije, tvrdoće,
fizičko – hemijske osobine) skeletnog materijala, fizičkih i hemijskih
pogodnosti deposola za rekultivaciju.
Odložena jalovina je neujednačenog
granulometrijskog sastava sa većim
sadržajem sitnijih frakcija. U
tercijarnoj seriji Progoreličkog ležišta
izdvojeni su sledeći litološki članovi:
glinci, laporci, krečnjaci, peščari,
tufovi i slojevi uglja.
Pedološke osobine prirodnog zemljišta
Prirodno zemljište sa pozajmišta prema
klasifikaciji pripada rankerima.
Humusni sloj pilikom otkrivanja
ležišta se otkopava u sloju visine 20
cm i odlaže se na deponiji na koti +435
m odakle će se koristiti za zapunjavanje jama za sadnice na površinama
koje će se rekultivisati posle završetka
eksploatacije uglja.
Tabela 1
Tabela 2
[085]
Povr{ine za rekultivaciju
Ukupne površine za rekultivaciju
prikazane su u tabelama 1 i 2:
Struktura povr{ina po nameni
kori{}enja
Struktura površina po nameni
korišćenja data je u sledećoj tabeli 3:
Izbor metode rekultivacije
Za ozelenjavanje degradiranih površina
formiranih rudarskim radovima
na površinskom kopu Progorelica
primeniće se optimalna rekultivacija
(eurekultivacija). Radovi na
eurekultivaciji se odvijaju po sledećem
redosledu:
- Agrotehnička faza eurekultivacije,
- Tehnička faza eurekultivacije i
- Biološka faza eurekultivacije
Faza agrotehničke eurekultivacije
predstavlja etapu u kojoj se sprovode
pripremni radovi koji omogućavaju
energija
4. D. Đukanović, D. Dragojević,
(2007): „Rekultivacija degradiranih
terena nastalih podzemnom eksploatacijom uglja“, Savetovanje Energetika 2007, Zlatibor, Savez energetičara Beograd, str. 169-171.
Tabela 3
izvođenje tehničke i biološke
rekultivacije. U slučaju degradiranih
površina površinskim kopom
Progorelica potrebno je prvo osposobiti pristupne puteve za dovoz humusa
za zapunjavanje jama sadnica, zatim
sadnog materijala, mineralnog đubriva,
i stajnjaka. Pod agrotehničkom fazom
eurekutivacije podrazumeva se i
naknadno nivelisanje ravnih površina
buldozerom koje treba rekultivirati.
Tehnička faza eurekultivacije uključuje
utova i transport humusa.
Biološka faza eurekultivacije podrazumeva kompleks biotehničkih i
fitomeliorativnih mera na degradiranim
površinama u cilju stvaranja stabilnih
ekosistema.
Rekultivacija degradiranih površina
trajala bi dve godine, a ukupni troškovi
rekultivacije bi iznosili: 91.378 EUR.
i zaštiti od dalje erozije. Očekivana dobit od bagrema može se ostvariti posle
40 godina, od oko 9410,0 EUR/ha .
Zaklju~ak
Izbor načina i uslovi sprovođenja
rekultivacije primereni su fizičko-mehaničkim, hemijskim i konstruktivnim
karakteristikama odlagališta. Tehničko
rešenje rekultivacije predstavlja sintezu
dosadašnjih iskustava na rekultivaciji
sličnih objekata, lokacionih specifičnosti odlagališta, materijalno-tehničkih
mogućnosti Rudnika, kao i ostalih
postojećih uslova.
Realizacijom primenjenog koncepta
rekultivacije degradiranih površina površinskog kopa osim očuvanja životne
sredine, stvara se i mogućnost ostvarenja povoljnih ekonomskih efekata.
O~ekivani rezultati krajnjeg
cilja
Rekultivacija degradiranih površina
je u cilju očuvanja životne sredine
i primenom predviđenih tehničkih
i bioloških mera mogu se očekivati
dobri rezultati i pored nepovoljne
osnovne podloge.
Uspeh u toku podizanja šumskih
zasada određen je ispravnošću odluka
donetih u vreme sadnje, negovanje
zasada i održavanja u toku leta, odnosno snabdevanja biljaka potrebnom
vlagom. Preduzimanjem svih ovih
mera osiguravaju se investicije uložene
u ozelenjavanju degradiranih površina.
Greške koje se čine u vreme sadnje,
nege i održavanja biljaka povećavaju
ukupne troškove rekultivacije degradiranih površina. Očekivana dobit od
biološke rekultivacije na odlagalištu
jalovine može se ostvariti od bagema.
Bagrenac se sadi samo na kosinama
odlagališta i ima ulogu da ih stabilizuje
Literatura
1. S. Ilić (2006): „Prilog izučavanju
revitalizacije i rekultivacije završne figure površinskog kopa gline
DD „Sloga“ Petrovaradin- Zbornik
radova IV Simpozium od oblasta
na rudarstvoto so megunarodno
učestvo-Ohrid, RGF-Štip;
2. D. Đukanović, D. Miković, (2006):
Predlog rekultivacije degradiranih
površina u RMU „Soko“- Sokobanja, Rudarski radovi 02/06, Komitet
za podzemnu eksploataciju mineralnih sirovina, Bor;
3. I. Ristović, G. Slepčev, M. Čolić,
D. Bogdanović, (2001): “Zavisnost
očuvanja životne sredine od nivoa
rudarske proizvodnje”, Zbornik
radova Treći Međunarodni simpozijum Rudarstvo i zaštita životne sredine, (MEP’01, Vrdnik), str. 69-73.,
RGF-Beograd.
[086]
energija
Dr Slavko \uri}
Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad
UDC:621.311.22.621.186.8
Eksperimentalno
ispitivanje odsumporavanja
dimnih gasova suvim
postupkom pomoću kreča
1. Uvod
Kod suvih postupaka odsumporavanja
dimnih gasova (ODG) suve čestice
reagensa se injektiraju u struju dimnih
gasova koji kroz hemijske reakcije
vezuju SO2. Kao reagensi najčešće se
koriste kalcijumova jedinjenja CaCO3,
CaO ili Ca(OH)2. Mesto injektiranja
reagensa u struju dimnih gasova (ložište kotla, konvektivni deo kotla, dimni
kanal termoelektrane), vreme kontakta
gasovite i čvrste faze, kinetika procesa
ODG još predstavlja predmet teorijskih
i eksperimentalnih ispitivanja. U realnim uslovima stepen izdvajanja SO2iz
struje dimnih gasova je dosta nizak i
prema nekim istraživačima kreće se
od 25-50% [1].
Proces vezivanja SO2 iz dimnih gasova
za čestice reagensa CaO može se predstaviti hemijskom reakcijom [2,3] :

(1)
U uslovima oksidacione atmosfere pri
procesu ODG suvim postupkom pomoću CaO odvijaju se sledeće hemijske
reakcije[4-6]:

(2)



(3)
(4)
(5)
Veliki broj teorijskih i eksperimentalnih
studija istražuje kinetiku reakcije
sistema CaO-SO2-O2 [7-10]. Mnogi
Rezime
U radu je opisano eksperimentalno ispitivanje odsumporavanja dimnih gasova
(ODG) pomoću kreča CaO. U reaktoru u uslovima oksidacione atmosfere
varirane su mase kreča od 174, 348 i 522g frakcija od 500 – 2000μm u
temperaturskim opsezima od 298 do 308oC i 589 do 607oC. Dobijeni rezultati
pokazuju da je najveći stepen izdvajanja SO2 iz dimnih gasova oko 93%
ostvaren pri
3
masi kreča od 522g, zapreminskom protoku dimnog gasa od 2.59 m , reakcionoj
h
temperaturi od 306oC i vremenu proticanja dimnih gasova kroz reaktor za ODG od
10 minuta. Najmanji stepen izdvajanja SO2 iz dimnih gasova oko 8%3 ostvaren je pri
masi kreča od 174g, zapreminskom protoku diimnog gasa od 2.97 m , reakcionoj
h
temperaturi od 589oC i vremenu proticanja dimnih gasova kroz reaktor
za ODG od
18 minuta. Proračun termodinamičkih funkcija (ΔH, ΔS, ΔG, Kp) reakcije
CaO+ SO2+ 21 O2  CaSO4 pokazuje da je reakcija egzotermna i termodinamički
povoljna u temperaturskom intervalu 25 do 1300 oC (ΔG < 0). Do 900 oC konstanta ravnoteže reakcije sinteze CaSO4 je vrlo velika, Kp >> 1, što znači da je reakcija
pomerena u pravcu stvaranja produkata reakcije. Pri višim temperaturama (iznad
900 oC) konstanta ravnoteže reakcije sinteze CaSO4 opada kao posledica pomeranja
ravnoteže reakcije u smeru reaktanata. Ovo znači da je pri procesu ODG suvim
postupkom opravdano injektiranje reagensa CaO u zonama niskih temperatura kao
npr. konvektivni deo kotla ili dimni kanal termoelektrane.
Ključne reči: Odsumporavanje dimnog gasa, kreč, reakciona temperatura, stepen
izdvajanja SO2
Experimental Investigation of Dry Type Flue Gas Desulphurisation
Process Using Lime
The experimental investigation of dry type flue gas desulphurisation process (FGD)
using lime CaO is shown in the paper. In the reactor within condition of oxidation
atmosphere lime masses vary from 174, 348 and 522g fractions from 500 – 2000μm
within temperature scope from 298ºC to 308 ºC and 589ºC to 607 ºC.
The obtained results show that the highest degree of SO2 removal from flue gases,
about 93%, is reached at lime mass of 522g, volumetric flow of dry flue gases of 2,59
m³/h, reaction temperature of 306 ºC, and the time of flue gases flowing through the
reactor for flue gas desulphurisation of 10 minutes. The lowest degree of SO2 removal
from flue gases, about 8%, is reached at lime mass of 174g, volumetric flow of dry
flue gases of 2,97 m³/h, reaction temperature of 589 ºC, and the time of flue gases
flowing through the reactor for flue gas desulphurization of 18 minutes.
Calculation of thermodynamic functions (ΔH, ΔS, ΔG, Kp) reaction
CaO+ SO2+ 21 O2  CaSO4 indicates that the reaction is exothermic and is
thermodynamically favourable within the temperature interval from 25 to 1300ºC
(ΔG < 0). Up to 900ºC, equilibrium constant of CaSO4 synthesis reaction is very
high, Kp >> 1, signifying that the reaction is moved to the direction of forming
products of the reaction. At higher temperatures (above 900ºC), equilibrium constant
of CaSO4 synthesis reaction decreases as the consequence of equilibrium reaction
moving in the direction of the reactants. This signifies that during the process of dry
flue gas desulphurisation, injection of reagent CaO in the areas of low temperature,
such as a convective part of a boiler or a flue gas channel of thermo-electric power
plant, is justified.
Key words: Dry flue gas desulphurisation, lime, reaction temperature, degree of SO2 removal.
[087]
energija
istraživači kinetike reakcije sistema
CaO-SO2-O2 zaključuju da je proces
sinteze CaSO4 omogućen stvaranjem
međuproizvoda CaSO3 koji zavisno od
reakcione temperature i zapreminskog
udela O2 u dimnom gasu oksiduje u
CaSO4 ili CaS. Prema nekim drugim
istraživačima [11] predložena su dva
mehanizma sinteze CaSO4. Prvi
mehanizam uključuje stvaranje međuproizvoda CaSO3, a drugi mehanizam
stvaranje SO3. Za oba mehanizma
dovoljne su reakcione temperaure oko
850oC, ali reakcione temperature koje
su iznad 850oC favorizuju stvaranje
CaSO4 samo za drugi mehanizam.
Mehanizam 1:

(6)

(7)
svako ispitivanje reakciona temperatura bila je podešena na približno 300
i 600 oC. Kada je dostignuta ciljana
temperatura (≈ 300 odnosno ≈600 oC
kreč je injektiran u reaktor mehaničkim
putem. Gasnim analizatorom kontinualno su merene koncentracije sumpor
dioksida, kiseonika, ugljen monoksida
i ugljen dioksida u ulaznom i u izlaznom dimnom gasu. Brzina dimnog
gasa kroz reaktor za ODG je bila od
0.18 do 0.20 m
s . Tom brzinom dimnog
gasa je obezbeđena konstantnost mase
uzorka kreča u reaktoru. Masa uzorka
kreča se merila pre i posle procesa
ODG sa analitičkom vagom. Tokom
ispitivanja zapreminski protok dimnog
gasa kroz reaktor
za ODG iznosio je
3
2.59 do 2.97 m
.
h
Tokom eksperimentalnog ispitivanja
procesa ODG pomoću kreča korišćeni
su sledeći merni instrumenti:
Merenje protoka goriva
- Instrument:
menzura
Opseg merenja:
0-1000ml
Podela:
10ml
Merenje temperature dimnih gasova
- Instrument:
termoelement
NiCr-Ni sa
pokaznim instrumentom
Slika 1 Šema eksperimentalnog postrojenja za ODG suvim postupkom
pomoću CaO
Mehanizam 2:


(8)
(9)
Kompleksna interakcija raznih otpora
(difuzija preko filma gasa, difuzija u
sloju proizvoda i površinsku reakciju
SO2) jeste glavni uzrok
nekonzistentnosti mehanizama i
rezultata koji su dali razni istraživači.
Eksperimentalno ispitivanje prikazano
u ovom radu imao je cilj ispitivanje
uticaja reakcione temperature (temperature dimnog gasa), mase reagensa
CaO i vremena kontakta gasovite i
čvrste faze u reaktoru za ODG na
stepen izdvajanja SO2 iz dimnog gasa.
Dobijeni rezultati ODG suvim postupkom pomoću CaO mogu predstavljati
polaznu osnovu u fazi projektovanja
opreme za ODG kao i opreme za
izdavjanje čvrstih čestica.
1 - menzura za tečno gorivo, 2 - gorionik, 3 – rotaciona peć, 4 – vod parcijalne struje dimnih
gasova, 5 – električni grejač, 6 – uređaj za ODG, 7 – filtar za prečišćavanje dimnih gasova od
čvrstih čestica, 8 – merač protoka dimnih gasova, 9 – vakum pumpa
Slika 2 Šema reaktorske posude za ODG
2. Eksperimentalno ispitivanje
procesa ODG
Šema eksperimentalnog postrojenja
i reaktora za ODG prikazana je na
slikama 1 i 2. Ispitivanje je vršeno sa
tečnim gorivom (dizel D-2) sa masenim udelom sumpora od 0,70. Ostale
karakteristike (tehnička i elementarna analiza) korišćenog goriva su:
W=0.15%, A=0.02%, C=85.73%,
H=13.00%, O=0.30%, N=0.10%,
S=0.70%. Kao reagens korišćen je
komercijalni kreč CaO frakcija od
500 – 2000μm. Tokom eksperimentalnog ispitivanja ODG masa kreča u
reaktoru iznosila je 174, 348 i 522g.
Grejanje reaktora i kreča u reaktoru
ostvareno je električnim grejačima. Za
1 – cilindrična posuda, 2 – cev za dovod neprečišćanih dimnih gasova, 3 – pod, 4 – cev za
prolaz neprečišćenih dimnih gasova, 5 – zvono, 6 – sloj kreča, 7 – cev za odvod prečišćenih
dimnih gasova
[088]
energija
Opseg merenja:
Podela:
0.5%
Zapreminski udeo CO 2 i CO u suvim
dimnim gasovima (na ulazu i izlazu iz
uređaja za odsumporavanje)
- Instrument:
Gasni analizator
“Uras 10E ”
(proizvođač “Hartman & Braun”)
Opseg merenja: 0-10% 0-50% (CO 2 )
0-0.5%, 0-2% (CO)
Podela: 0.1% (CO 2 ), 0.005% (CO)
Zapreminski udeo O 2 u suvim dimnim
gasovima (na ulazu i izlazu iz uređaja
za odsumporavanje)
- Instrument:
Gasni analizator
“Magnos 5T”
(proizvođač “Hartman & Braun”)
0-21%
Opseg merenja:
Podela:
0.5%
Koncentracija SO 2 u suvim dimnim
gasovima (na ulazu i izlazu iz uređaja
za odsumporavanje)
- Instrument:
Infracrveni analizator
gasa
“MAIXAK”, model UNOR 6R
Opseg merenja:
0-2000ppm
Merenje mase uzorka kreča
- Instrument:
analitička vaga
(model AGN 200C)
Opseg merenja:
0-200g
Greška instrumenta:
0.1mg
Slika 3 Smanjenje koncentracije SO2 u dimnom gasu u zavisnosti od
reakcionog vremena, mase uzorka CaO i reakcione temperature u
okolini 300 oC
Slika 4 Smanjenje koncentracije SO2 u dimnom gasu u zavisnosti od
reakcionog vremena, mase uzorka CaOi reakcione temperaure u
okolini 300 oC
3. Rezultati i diskusija
Na slici 3 i 4 prikazano je smanjenje
koncentracije SO2 u dimnom gasu koji
struji kroz reaktor za ODG od
reakcionog vremena (vremena proticanja dimnog gasa), mase uzorka CaO
i reakcione temperature. Početna koncentracija SO2 u dimnom gasu iznosila
je 232ppm (slika 3) i 188ppm (slika 4).
U okolini 300 oC i 600 oC porast mase
uzorka od 174, 348 i 522g rezultuje
povećano smanjenje koncentracije SO2
u dimnom gasu.
Kao što se i očekivalo pri izotermskim
uslovima, približno 300 i 600 oC,
stepen izdvajanja SO2 iz dimnog gasa
veći je za veće mase uzorka CaO (slika
5 i 6).
Pri istim masama uzorka CaO u
reaktorskom prostoru od 174 i 348g i
pri porastu reakcione temperature od
300 do 600 oC stepen izdvajanja SO2 u
dimnom gasu iznosi približno isto. Pri
masi uzorka u reaktorskom prostoru
od 522g porast reakcione temperature
od 300 do 600 oC rezultuje smanjenje
stepena izdvajanja SO2 iz dimnog gasa
(slika 7). U toku prvih 10 minuta ispiti-
Slika 5 Stepen izdvajanja SO2 u dimnom gasu u zavisnosti od reakcionog
vremena, mase uzorka CaO i reakcione temperaure u okolini 300 oC
vanja procesa ODG svi uzorci kreča su
brzo apsorbovali SO2 pri razmatranim
reakcionim temperaturama.Iznad 10
[089]
minuta apsorpcija SO2 počinje da se
stabilizuje i uzima približno konstantnu vrednost.
energija
Slika 6 Stepen izdvajanja SO2 u dimnom gasu u zavisnosti od reakcionog
vremena, mase uzorka CaOi reakcione temperaure u okolini 600 oC
(Kp > > 1) .To znači da su produkti
reakcije SO2+ 12 ·O2 +CaO  CaSO4
u višku u odnosu na reaktante, odnosno reakcija je pomerena u pravcu
građenja produkata reakcije. Povećanjem reakcione temperature (iznad
900 oC) konstanta ravnoteže reakcije
sinteze opada kao posledica pomeranja
ravnoteže reakcije u smeru reaktanata
tabela 1.
1) Konstanta hemijske ravnoteže
reakcije svedena na pritisak
p0 = 1.013 · 105Pa.
2) Zavisi od reda hemijske reakcije (za
1
reakciju SO 2 + ⋅ O 2 +CaO CaSO 4
3
2
je K p , Pa 2 )
4. Zaklju~ak
Slika 7 Stepen izdvajanja SO2 u dimnom gasu u zavisnosti od vremena
proticanja dimnig gasa kroz reaktor za ODG, mase uzorka CaO i
reakcione temperature
Eksperimentalno ispitivanje ODG suvim postupkom pomoću reagensa CaO
prikazano u ovom radu imalo je za cilj
utvrđivanje zavisnosti stepena izdvajanja SO2 iz dimnog gasa od reakcione
temperature, mase uzorka (kreča) u
reaktoru za ODG i reakcionog vremena (vremena proticanja dimnih
gasova kroz reaktor za ODG). U tom
cilju varirane su mase uzorka kreča od
174, 348 i 522g u reaktoru za ODG
i reakcione temperature od približno
300 do 600 oC i došlo se do sledećih
zaključaka:
1) U toku prvih 10 minuta odvijanja
1
reakije SO 2 + ⋅ O 2 + CaO CaSO 4
2
i u okolini 300 oC (298 – 308oC) i pri
promeni mase uzorka od 174, 348 i
522g stepen izdvajanja SO2 iz dimnog
gasa dostiže vrednost i do 93%. Iznad
10 minuta apsorpcija SO 2 počinje da
usporava i da se stabilizuje i uzima
približno konstantnu vrednost.
Tabela 1 Zavisnost termohemijskih veličina reakcije
SO2+ 1
2 ·O2 +CaO  CaSO4 od reakcione temperature [10]
2) U toku prvih 10 minuta odvijanja
1
reakije SO 2 + ⋅ O 2 + CaO CaSO 4
2
i u okolini 600 oC (589 – 607oC) i pri
promeni mase uzorka od 174,348 i
522g stepen izdvajanja SO2 iz dimnog
gasa dostiže vrednost 60%. Iznad
10 minuta apsorpcija SO2 počinje da
usporava i da se stabilizuje i uzima
4. Termodinamika reakcije
pri procesu ODG suvim
postupkom
Reakcija sinteze CaSO4 je egzotermna
sa negativnom promenom entropije, pa
je znak ΔG određen relativnim odnosom entalpijskog i entropijskog člana.
Pri nižim reakcionim temperaurama
konstanta ravnoteže reakcije sinteze
CaSO4 je mnogo veća od jedan
[090]
približno konstantnu vrednost.
3) Pri izotermskim uslovima, približno
300 i 600 oC, stepen izdvajanja SO2
iz dimnog gasa veći je za veće mase
uzorka CaO.
4) U toku prvih 10 minuta odvijanja
reakcije adsorpcija SO2 je nešto malo
veća pri masi uzorka od 174 i 348g
energija
i pri promeni reakcione temperature od približno 300 do 600 oC. Veće
adsorpcije SO2 zabilježene su pri masi
uzorka kreča od 522g. Iznad 10 minuta
proticanja dimnog gasa kroz reaktor za
ODG porast reakcione temperature od
približno 300 do 600 oC nema bitnog
uticaja na apsorpciju SO2.
Vrednosti stepena izdvajanja SO2 iz
dimnog gasa dobijeni eksperimentalnim ispitivanjem uglavnom se slažu sa
stepenima izdvajanja preuzetim iz citirane literature. Visok stepen izdvajanja
SO2 od 93% pri masi kreča od 522g
rezultat je velike mase kreča u odnosu
na zapreminski protok vlažnih dimnih
gasova od 2.59 koji struji kroz reaktor
za ODG.
Rezultati dobijeni eksperimentalnim
ispitivanjem prikazani u radu mogu
predstavljati polaznu osnovu u fazi
projektovanja opreme za ODG kao i
opreme za izdavjanje čvrstih čestica
čija bi praktična primena unapredila
energetsku i ekološku efikasnost termoenergetskih postrojenja.
[9] Chan, R.K., Murthi, K.S., Harrison, D.: Thermogravimetric analysis of Ontario Limestones and
dolomites II., Reactivity of sulfur
dioxide with calcined samples,
Department of Chemistry, University of Western Ontario, London
72, Ontario, 1070.
[10] Đurić, S.: Uticaj karakteristika
ugljeva (masenog udela sumpora,
pepela i sastava pepela) i temperature dimnih gasova na odsumporavanje dimnih gasova suvim
aditivnim postupkom, Magistarski
rad, Mašinski fakultet, Beograd,
1998.
[11] Moss, G.: In „Fluidized combustion“, Symposium Series N0.1,
Institute of fuel, London, 1975,
pp.D2-1-D2-9.
Literatura
[1] Klingspor,J., Cope,D.R.: FDG
Handbook, IAE Coal Research,
London, 1987.
[2] Landolt-Bornstein: Eigenschaften
der Materie in ihren Aggregatzustanden, 4. teil, Bandteil-a, Berlin,
Springer- Verlag, 1961.
[3] M.J. Muœoz-Guillena, A.LinaresSolano and C.Salinas-Martinez de
Lecea, Appl. Surf. Sci. 81 (1994)
409-415.
[4] Ghardashkhani, S., Cooper,
D.A.:Thermochimica Acta,
(1990), 161, pp. 327-337
[5] Ghardashkhani, S., Cooper, D.A.
:Thermochim. Acta, (1992), 195,
pp. 113.
[6] Munoz-Guillena,M.J.,Linares-Solano, A.,Salinas-Martinez de Lecea, C.: Appl. Surf. Sci., (1994),
81, 417.
[7] Talukdar, J., Basu, P., Greenblatt,
J.H.: Reduction of calcijum sulfate in a coal-fired circulating fluidized bed furnace, Fuel, (1996), 75
(9), pp. 1115-1123.
[8] Hallaj, R., Nikazar, M., Dabir,
B.: Thermogravimetric Study
and Modeling of Direct Sulfation
of Limestone by Sulfur Dioxide,
Chem. Eng. (2004), 12 (4), pp.
566-569.
[091]
ENERGETIKA 2010
Međunarodno savetovanje
u organizaciji Saveza energetičara
pod pokroviteljstvom
Ministarstva rudarstva i energetike,
Ministarstva nauke i tehnološkog razvoja,
Ministarstva životne sredine i prostornog planiranja,
Ministarstva ekonomije i regionalnog razvoja,
PKS, JP EPS, NIS a.d. Novi Sad, JP EMS, JP Srbijagas
Zlatibor, 23.03. – 26.03.2010.
Tematika savetovanja Energetika 2010 u globalu posvećena je prioritetima energetskog sektora
Srbije:
„ pokretanju investicionog ciklusa u termoenergetici, hidroenergetici, obnovljivim izvorima,
energetskoj efikasnosti i naftno-gasnom sektoru;
„ strateškom pozicioniranju Srbije u odnosu na zahteve EU, sa procenama naših potencijala;
„ jačanju ekonomske osnove energetskog sektora sa uvođenjem tržišta i
„ unapređenju pravno-regulatorne osnove energetskog sektora.
Kao posebne teme na predstojećem Savetovanju ENERGETIKA 2010 izdvajaju se:
„ strateško planiranje razvoja energetike i energetska politika (sigurnost snabdevanja, ublažavanje
klimatskih promena, društvena i državna podrška planovima rasta energetske efikasnosti,
masovna primena obnovljivih izvora energije, razvoj „energetske poljoprivrede i šumarstva“,
korišćenje domaćih neobnovljivih resursa, cene energenata i energije, podsticaji, generisanje
zapošljavanja u energetskom sektoru, socijalni aspekti);
„ analiza energetskih sistema (savremene analitičke metode i alati za modeliranje energetskih
sistema, energetske ankete, sistemske analize, rezultati);
„ povezanost politike zaštite životne sredine, energetske efikasnosti i optimalnog energetskog
razvoja (saobraćajna politika i politika upravljanja vodama u službi poboljšanja energetske
efikasnosti, upravljanje otpadom i otpadnim vodama, klimatske promene, postupci smanjenja
zagađenja vazduha, vode i zemljišta), međunarodna i regionalna saradnja za razvoj (razvojni
mehanizmi u oblasti održivog razvoja, energetike i zaštite životne sredine, mehanizmi čistog
razvoja, itd).
„ prenos toplote i mase i modeliranja procesa u energetici (CFD i drugi programski paketi u
službi povećanja efikasnosti energetske opreme i postrojenja),
„ savremeni tehničko-tehnološki izazovi
U okviru Međunarodnog savetovanja ENERGETIKA 2010 planiraju se:
„ uvodna pozivna predavanja, oralne prezentacije, poster prezentacije, promotivno-marketinške
prezentacije i izložbe o energo-dostignućima u energoprivredi, industriji, komunalnim
sistemima, saobraćaju, zgradarstvu, obnovljivim i novim izvorima energije itd.,
„ studentski akademski projekti, i
„
„
„
„
četiri okrugla stola sa sledećim temama:
Može li energetski sektor Srbije da normalno funkcioniše i ispunjava strateške zadatke sa važećom
politikom cena energije i energenata?
Ostvarenja i zadaci na planu podizanja energetske efikasnosti i korišćenja novih i obnovljivih izvora
energije u Srbiji.
Nuklearna energija na Balkanu: gde se nalazimo i kuda idemo?
Studentski energetski forum (prezentacija studentskih radova i ostvarenja i selekcija najuspešnijih).
energija
ekonomija
ekologija
Download

ekonomija ekologija - savez energetičara