Tento web obsahuje aplikace Google Adsense a Google analytics, které využívají data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokie lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.

1. Historie transformačních technologií

Autor: Jiří Škorpík twitter, skorpik@fme.vutbr.cz

Člověk pro přímé či nepřímé uspokojování svých potřeb od fyziologických, sociálních až po kulturní potřebuje energii. Energii spotřebovává v různých formách například vnitřní tepelnou energii okolního prostředí ho zahřívá, kinetická energie mu pomáhá prostřednictvím dopravních prostředků a rozmanitost využívání elektrické energii netřeba připomínat. Požadovanou formu energie je nutné obvykle "vyrábět" přesněji transformovat z nějaké primární energie1 například tepelný stroj s elektrickým generátorem transformuje energii paliva na elektrickou energii prostřednictví elektrického generátoru, prostřednictvím soustrojí vodní turbíny a elektrického generátoru se transformuje potenciální energie vody na elektrickou energii a pod. Žádný primární zdroj energie není nevyčerpatelný. Ne každý druh energie, ať už z jakéhokoliv důvodu, je dostupný v místě spotřeby v požadované formě, proto většinu energie je třeba vyrábět (ve smyslu zpracovat ho pro spotřebitele) a dopravovat ho i do místa spotřeby.

1Primární energie
Původní forma energie na začátku transformačního procesu.

Oheň

Obvykle je takto nazývána forma hoření2 (chemická reakce), při které "vzniká" teplo a světlo. V tomto článku je hořením myšlena rychlá oxidační exotermická reakce respektive reakce kyslíku s jinou látkou (nejčastěji se využívá reakcí kyslíku s uhlíkem, CO, vodíkem, sírou, chlórem, sodíkem...):

Některé exotermické chemické reakce, které se nazýváme hoření. 1.199 Některé exotermické chemické reakce, které se nazýváme hoření.
Druhá rovnice je rovnice tzv. nedokonalého spalování úhlíku. Uvedené rovnice se nazývají rovnice spalování a podle složení paliva mluvíme například o rovnicích pro spalování biomasy, rovnicích spalování uhlí apod. Pomocí takových rovnic lze vypočítat výsledné množství uvolněné energie při hoření.
2Poznámka
Hoření je transformace vnitřní chemické energie vstupních produktů na vnitřní tepelnou energii výstupních produktů a energii elektromagnetického záření (tzv. sálavé teplo). Podíl vnitřní chemické energie transformované na vnitřní tepelnou energii či energii záření se mění podle způsobu hoření a podmínek, obvykle platí, že tím nižší je teplota hoření tím nižší je podíl energie záření a naopak.
reklama

Zájem předchůdců člověka o oheň pravděpodobně způsobila jeho schopnost plašit velké šelmy, které je ohrožovaly především v noci. Možná právě proto se dnes v lidech u malých ohnišť či krbu objevuje pocit klidu a bezpečí, i když stále má z ohně respekt. Rozdělávání a udržování ohně je jedna z nejstarších lidských dovedností a pravděpodobně to byl i silný stimul podporující rozvoj technického myšlení člověka. V současnosti lidstvo převážně využívá jiné efektivnější zdroje světla a hoření využívá pouze k výrobě tepla. Teplo z hoření je dnes dominantním uměle vyráběným teplem.

Oheň využívali již předchůdci člověka. 2.200 Oheň využívali již předchůdci člověka.
Poprvé začali předchůdci člověka (člověk pekingský-Homo erectus pekinensis) využívat oheň ve svůj prospěch přibližně před 0,5 mil lety jako ochranu před šelmami [1]. V té době ještě dokázal oheň pouze udržovat nikoliv rozdělávat o čemž svědčí mnohametrová nepřerušená vrstva popela v objevených pravěkých ohnišť. Rozdělávat oheň se člověk naučil někdy mezi 9 až 40 tis. lety před n. l. Obrázek: Zdeněk Burian.

U otevřeného topeniště (ohniště) ve volném prostoru je možné využito pouze sálavé teplo plamene a spalin (jestli-že primárním důvodem je výroba tepla). Tento způsob je velice neefektivní a nepřispívá příliš k tepelné pohodě člověka, protože je zahříván pouze ze strany ohniště. To se poněkud zlepšilo přenesením ohně do krytých prostor (jeskyně, obydlí), kde oheň ohříval sáláním i prouděním spalin po stěnách i stěny obydlí. Zároveň byl ohříván efektivněji i vzduch kolem ohniště spalinami, což také přispělo k tepelné pohodě, ale za cenu horší kvality vzduchu v prostoru. Později se oheň přenesl do uzavřených ohnišť např. krb. Oheň a spaliny tedy přímo zahřívaly tělo krbu, který ohříval okolní vzduch. Pro vyšší efektivitu využití energie v palivu (menší spotřeba paliva) je nejlépe zachytit veškeré sálavé teplo a co nejvíce vychladit spaliny. Proto se odvod spalin od krbu co nejvíce protahoval (spalinovod-komín). Tento princip lze ještě dnes spatřit u některých typů kamen. Také se zvětšovala teplosměnná plocha mezi spalinovodem a vzduchem. Ještě větší efektivitu a možnosti využití nabízel ohřev vody. Tato ohřátá voda může být rozváděna do potřebných prostor. Zařízení, ve kterém dochází k ohřevu vody se nazývá kotel, podle druhu paliva se rozlišuje kotel na dřevo, kotel na uhlí atd.

Vynálezem parního stroje (viz jedna z následujících kapitol) na přelomu sedmnáctého a osmnáctého století vznikala potřeba vyrábět vodní páru. Nejdříve se pro tyto účely používal žárotrubný kotel určený pro výrobu syté páry. Pojem žárotrubný souvisí s konstrukčním uspořádání kotle, ve kterém je ohniště a spalinovod obklopen druhým pláštěm a objem mezi plášti je vyplněn vodou (oheň uvnitř, voda okolo):

Smeatonsův žáro-trubný kotel pro výrobu syté páry 1765 [2]. 3.201 Smeatonsův žárotrubný kotel pro výrobu syté páry 1765 [2].

Tento typ kotlů byl ve své době velice nebezpečný (materiálové hledisko, úroveň zpracování) často docházelo k výbuchům, proto byl nahrazován na konci 18. století mnohem bezpečnějšími vodotrubnými kotly, ve kterých horké spaliny proudí spalinovody vyplněné potrubím (i žebrované) s ohřívanou vodou/párou. Vodotrubný kotel obvykle obsahuje i parní buben, ve kterém dochází k oddělení syté páry od syté kapaliny (odparem na volné hladině):

Barlowův vodo-trubný kotel 1793
4.202 Barlowův vodo-trubný kotel 1793.
Lze ho považovat za jednoho z předchůdců velkých elektrárenských kotlů dnešní doby, i když v té době byl pouze na horkou vodu. Úspěšnou konstrukci vodo-trubného kotle pro mobilní aplikaci jako generátoru páry vyrobil až v roce 1826 britský vědec Goldsworthy Gurney (1793–1875) [43]. Zdroj obrázku [2].

Velký rozvoj žárotrubných kotlů nastal s příchodem parních lokomotiv – mobilní aplikace parního kotle. Zásadním impulsem byla Stevensonova lokomotiva s žárotrubným kotlem. Tato koncepce kotle se u parních lokomotiv používala po celou dobu jejich historie a obecně lokomotivní kotel se stal postupem času jedním z nejpropracovanějších technických zařízení vůbec:

Koncepce moderních parních lokomotiv zůstala po celou dobu jejich historie prakticky nezměněna.
5.203 Koncepce moderních parních lokomotiv zůstala po celou dobu jejich historie prakticky nezměněna.
vlevo Stevensonova lokomotiva z roku 1829; vpravo pouze parní motor nebyl v další fázi vývoje umisťován šikmo dozadu ale vodorovně dopředu. Dobový obrázek [2].
Pohled do útrob kotle parní lokomotivy přes otevřenou dýmnici. 6.219 Pohled do útrob kotle parní lokomotivy přes otevřenou dýmnici.
Lze spatřit vyústění žárového potrubí a v horních řadách potrubí jsou umístěny přehříváky páry. Obrázek je kopií z díla "1922 Locomotive Cyclopedia of American Practice" vydané při "Simmons-Boardman" [3].

Kotle vodotrubné se prosadily především u stacionárních aplikací. Na rozdíl od žárotrubných kotlů jsou bezpečnější, menší a účinnější. Mají pouze stížené možnosti čištění než kotle žárotrubné.

Ve 20. století s příchodem velkých kotlů pro energetiku se začaly používat i nové typy ohnišť (granulační kotle, práškové kotle s  fluidním topeništěm...). Pro výrobu páry v elektrárnách se používají nejčastěji dvoutahové kotle s jednotlivými sekcemi teplosměnných ploch:

Schéma konstrukce elektrárenského dvoutahového kotle na kapalné palivo pro výrobu přehřáté páry.
7.204 Schéma konstrukce elektrárenského dvoutahového kotle na kapalné palivo pro výrobu přehřáté páry.

Podobným bouřlivým vývojem prošly i zařízení využívající hoření pro svícení. Od zapálených větví, přes louče, svíčky, olejové lampy po plynové lampy. Především plynové lampy poněkud zbrzdily nástup elektrických žárovek tím, že částečně nahrazovali i topení v místnostech, ale elektrická žárovka místnost vytopit nedokázala, i když její světelné vlastnosti byly do příchodu "plynové žárovky" mnohem lepší:

Vrcholem vývoje hořákových svítidel je tzv. plynová žárovka. 8.198 Vrcholem vývoje hořákových svítidel je tzv. plynová žárovka.
Jádrem plynové žárovky je tzv. Auerova punčoška tvořená látkou, která se při zahřívání spalinami o teplotě až 2100 °C rozzáří jasným světlem. Některé zdroje uvádí, že vynález tohoto svídidla výrazně zbrzdil v té době již probíhající elektrifikaci [21, s. 148], protože svým jasným světlem se vyrovnala tehdejším elektrickým žárovkám. Tento princip hořákového svítidla vynalezl rakouský chemik Karl Aurer (1858-1929) kolem roku 1886 a poté následovala i léta zlepšování pro hromadné využití [20, s. 248]. Obrázek z [3].

Nejdříve se jako palivo využívala biomasa (dřevo, tráva....) později člověk objevil rašelinu a uhlí následoval objev využívání ropy ve velkém měřítku (19. století) a zemní plyn tj. fosilní paliva. Tyto zdroje se někdy souhrnně označují jako přírodní zdroje paliva. Zejména v posledních letech se začaly spalovat i různé druhy odpadů a různé zdroje umělých paliv tzv. druhotné zdroje paliva. Obecně jsou palivem látky obsahující vysoký podíl uhlíku nebo vodíku a jejich sloučenin a společných směsí.

Při zvyšování efektivity hoření a řízení procesu hoření je nutné dokonale znát děje, které při hoření probíhají. Ještě v 18. století byl proces hoření zahalen tajemstvím. Vědělo se pouze to, že k hoření je potřeba paliva a z nějakého neznámého důvodu i vzduch. Tato záhada byla pomalu odhalována prvními vědci a vyvrcholila objevem kyslíku v roce 1772 respektive 1774, kdy byl objeven kyslík (nezávisle na sobě Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) a Joseph Priestley (1733-1804) [22, s. 441]) a že hoření podporuje právě tento plyn. To byl počátek studia statiky hoření [8], což umožňovalo daleko lépe regulovat samotný proces hoření.

Ve vzduchu reaguje na svém povrchu prakticky každá hořlavá hmota se vzdušným kyslíkem (dřevo, lidská pokožka a pod.), ale vzhledem k nízké teplotě okolí se jedná o velmi pomalou oxidaci. Aby začalo hoření, což je naopak rychlá oxidace, musí se k předmětu, který má hořet, přiložit např. hořící zápalka. Ani zápalka se však nezažehne sama, musí se zapálit o krabičku třecím teplem. Důvod je celkem pochopitelný: oxidace je chemická reakce, při které dochází k přetvoření molekuly. K tomu je potřeba, aby její atomy vykonávaly energický tepelný pohyb – dosáhli aktivační energie. Proto rychlost chemické reakce závisí na teplotě. Jestliže se například rychlost reakce zvyšuje 3x při zvýšení teploty o 10 °C, potom zvýšení teploty o 100 °C zvýší rychlost hoření asi 60 000krát. Reakce, která probíhá normální rychlostí např. při 500 °C, při pokojové teplotě nenastane. Je nutné počátečním ohřátím vytvořit teplotu potřebnou k reakci. Vysokou teplotu pak už udržuje teplo uvolňované při reakci. Počáteční místní ohřátí musí stačit na to, aby teplo, které se uvolní při reakci, převyšovalo teplo odváděné do okolního prostoru. Proto má každá reakce svoji teplotu hoření, při které vnější inciacíí (např. jiskrou) dojde hoření. Hoření začíná jen tehdy, je-li počáteční teplota rovna nebo vyšší než teplotě hoření. Zápalná teplota dřeva je např. 610 °C, benzínu asi 200 °C. Popřípadě lze ještě definovat teplotu vznícení, která je vyšší než teplota hoření a při které dojde hoření i bez vnější inciace. Obě teplotu jsou také funkci tlaku a souhrně se nazývají zápalnou teplotou.

Sloupec hořících plynných látek (největší teplotu má na svém povrchu) se nazývá plamen.

Při hoření vznikají produkty hoření nazývané spaliny. Spaliny jsou horká směs plynů a jejich složení lze určit z Rovnic 1. Vnitřní tepelnou energii spalin lze využít například v tepelných výměnících, ve kterých se ochlazují a naopak chladící médium (kapalná voda, vodní pára, vzduch, olej...) se ohřívá teplem ze spalin. Pro návrh teplosměnných ploch, především jejich velikost, je třeba znát jaké množství spalin se při hoření paliva uvolní a jakou mají teplotu. Toto množství se liší podle druhu paliva:

látka       objem spalin [m3n·kg-1] (0 °C)
---------------------------------------
Dřevo       7,5...8,0                  
Černé uhlí  7,5...8,0                  
CO          2,88                       
CH4         10,52                      
H2          2,88                       
9.207 Množství spalin vzniklých při stechiometrickém spalování3 některých paliv.
α [-] součinitel přebytku vzduchu (poměr množství přiváděného vzduchu ku stechiometrickému množství vzduchu).
3Stechiometrické spalování
Z příslušných chemických reakcí hoření lze přesně vypočítat spotřebu kyslíku pro spálení určitého množství paliva. Pokud při spalování shoří požadované množství paliva a přitom se do spalovacího procesu přivedlo přesně spočítané množství kyslíku hovoříme a stechiometrickém spalování. Při podstechiometrickém spalování je zřejmé, že nemůže shořet veškeré palivo. Při nadstechiometrickém spalování se do spalovacího procesu přivádí více kyslíku než odpovídá výpočtu, ale z technických důvodů nemusí ani tak veškeré palivo shořet. Nejčastěji se pro spalování používá vzdušný kyslík respektive se do spalovacího zařízení přivádí vzduch a nikoliv pouze kyslík. Pokud je do spalovacího procesu přiváděno tolik vzduchu, že obsahuje právě stechiometrické množství kyslíku, potom toto množství nazýváme stechiometrické množství vzduchu.

U pevných paliv začíná hoření na jejich povrchu a pokud neshoří povrchová vrstva nemůže hořet další. Tím se vysvětluje naříklad relativně pomalý průběh hoření dřeva. Zvýšení výkonu při hoření tj. množství hořící látky na jednotku objemu je možné, když se zvýší plocha paliva (např. drcené/rozemleté uhlí, které má mnohokrát větší povrch než uhlí kusové, štěpka namísto kusového dříví apod). Palivo tak lépe i prohoří, tím se zmenší i nedopal a sníží obsah škodlivých emisí ve spalinách. Pro plynná a kapalná paliva je pro rychlé a účinné hoření nutné důkladné promíchání s kyslíkem.

Podstatně jiná je situace tehdy, když není při takovéto reakci potřebný vzdušný kyslík a všechno potřebné je uvnitř palivové směsi. Příkladem takové směsi může být směs vodíku a kyslíku, tzv. třaskavá směs. Reakce zde neprobíhá na povrchu látky, ale uvnitř směsi. Na rozdíl od hoření se v tomto případě veškerá energie uvolňuje prakticky okamžitě. Tím se zvýší tlak a nastává výbuch. Bohatá zápalná směs a následná prudká oxidace se používá u spalovacích motorů (výbušných motorů) apod. Existují také pevné výbušné látky např. střeliviny, které tvoří náplně do nábojnic (složení střeliviny například v [23, s. 74]).

Při spálení 1 kg paliva lze transformovat určité množství energie, toto množství se nazývá spalné teplo nebo výhřevnost paliva. Spalné teplo je množství transformované energie při dokonalém spálení paliva. To znamená oxidačním převedením ve finální produkty, kterými jsou nejčastěji podle druhu paliva oxid uhličitý, voda, oxid siřičitý a dusík, případně i vykonaní práce spojené s nárustem objemu finálních produktů spalin v plynném prostředí (více v kapitole 3. Spalovaní biomasy). Pokud obsahem paliva je i vodík (nebo okysličovadla) budou spaliny obsahovat vodní páru, proto se definuje ještě výhřevnost paliva4 – množství transformované energie získané při vychlazení spalin (finální produkty hoření) pouze do teploty rosného bodu vody ve spalinách při atmosférickém tlaku.

4Poznámka
Ideální je vychladit spaliny pod teplotu rosného bodu a získat ze spalin výparné teplo, které se při kondenzaci par uvolni. Většina tepelných výměníků nedokáže technicky vychladit spaliny pod teplotu rosného bodu právě kvůli vzniklému kondenzátu (poškození výměníku korozí, odvod kondenzátu apod.).

Množství energie uvolněné při dokonalém spalování za jednotku času z dodávaného množství paliva se nazývá tepelný výkon:

Výkon při dokonalém spalování
10.206 Výkon při dokonalém spalování.
mpal [kg·s-1] dodávané množství paliva; Qir [J·kg-1] výhřevnost paliva (výhřevnost některých paliv je uvedena v [44]).

Při skutečném spalování paliva nedochází k dokonalému hoření (palivo neshoří všechno-nedopal). Např. reakce C s O skončí u tvorby CO a nevznikne tedy CO2. Což je podle Rovnice 1 přibližně ztráta 283,2 kJ·mol-1. Další ztráty vznikají při využití vzniklého tepla. Míru dokonalosti využití tepla v daném zařízení se nazývá účinnost. Například u kotle je účinnost vyjádřena podílem vyrobeného tepla Q a energie dodané do ohniště kotle v palivu Qir. Účinnost takového zařízení velice ovlivňuje efektivita samotného procesu hoření. U špičkových parních kotlů dosahuje účinnost využití tepla v palivu i více jak 95% podle typu paliva a konstrukce kotle.

Živá síla

Přibližně 3,5 tisíce let př. n. l. vynalezl člověk stroje a postroje pro zvířata, tím je mohl začít využívat i ke konání práce (tzv. animální síly). Ze začátku byly postroje primitivní a stroje např. pluh či vůz se přivazoval k ohonu zvířete. Mezi 6 a 7. století n.l. byl v Číně vynalezen tažný popruh skládající se z chomoutu a prsního popruhu [19, s.220] (tento vynález se v západní Evropě začal používat až kolem roku 1000 n.l.). Postupně se zvířecí síla stala nepostradatelnou v ekonomice zapádní Evropy a tím zůstala v některých oblastech přibližně do konce 19. století než ji vystřídaly jiné technologie.

Olivový mlýn pohaněný oslem – Maroko, 2007. 11.211 Olivový mlýn pohaněný oslem – Maroko, 2007.
Foto: Jerzy Strzelecki [3].

Výkon jednoho koně

Mechanický výkon zvířat (velikosti člověka) a lidí se pohybují pouze v desítkách až několika málo stovkách wattů. Asi jako první se problémem definice mechanického výkonu zabýval skotský vynálezce James Watt. Watt spočítal výkony koní, kteří poháněli pumpy v dolech, tak že sledoval do jaké výšky dokáže kůň průměrně za jednu sekundu vyčerpat určité množství vody, a vyšlo mu, že 500 liber (~226,8 kg) vody za jednu sekundu zvedne do výšky jedné stopy (0,3048 m), což odpovídá výkonu 678,14 W. Watt se snažil sestrojit parní stroj, který by měl přesně stejný výkon tj. výkon jednoho koně [22, s. 412]. Nakonec se mu podařilo sestrojit stroj, který dokázal vyčerpat 550 liber vody za jednu sekundu do výšky 1 stopy, což je přibližně 745 W. Tato jednotka se na dlouhou dobu stala jednotkou výkonu pod názvem kůň. Výkon jednoho koně je mezinárodně definován 735 W (Britský kůň vychází z definic liber což v přepočtu dělá cca 745 W). Mechanický výkon člověka nepřesahuje 350 W, což je ale výkon špičkového cyklisty, kterého ho je schopen dosáhnout jen po dobu několika minut. Průměrný mechanický výkon člověka je jen 35 W [30, s. 21]. Samozřejmě samotný Watt tuto jednotku výkonu nenazval Watty, ale používal pojem footlibry.

Transformace energie v živé buňce

Transformace energie v živé buňce nemůže probíhat přímým způsobem jako u tepelných strojů pomocí tepelného oběhu [4, s. 168]. Tj. transformace neprobíhá na základě silového působení pracovní látky na okolí při velké změně tlaku a teploty, ale transformace probíhá přímým přetváření molekul pomocí volných elektronů. Živé buňky, ve kterých transformace probíhá, totiž existují jen v určitém malém rozsahu teplot, a proto chybí v živém těle velké gradienty teplot. Při tak malých teplotních gradientech by byla i tepelná účinnost klasických tepelných oběhů velice nízká. Navíc primární energie, využívaná při transformaci v buňkách, pochází z oxidace, ale jak je výše uvedeno, pro smysluplnou energetickou hustotu by bylo nutná rychlá oxidace jako při hoření a tedy při vysokých teplotách. To se také neslučuje s životem buňky. Ovšem potřebnou teplotu oxidace lze snížit použitím katalyzátoru v živé buňce, kterými jsou enzymy [4, s. 168] (druh bílkoviny, která podstatně urychluje chemickou reakci například oxidaci probíhající mezi teplotami 20 °C40 °C urychlí i o několik řádů [17, s. 137]). Živý organismus nezískává energii přímo ze "surové potravy", ale potravu nejdříve zpracuje do energeticky bohaté sloučeniny ATP (adenozintrifosfát: makroergická sloučenina-energeticky bohatá sloučenina vzniklá ze stravy-cukry, tuky, bílkoviny). Samotná přeměna energie uložená v ATP probíhá za přítomnosti enzymů v buňce procesem, při kterém se přímo vyrobí potřebný druh energie (tepelná, elektrická, mechanická). Jedná se tedy o ekvivalent procesu při přímé výrobě elektřiny a tepla. ATP reaguje s kyslíkem za vzniků spalin CO2 (anaerobní respirace). Kyslík se do těla dostává při dýchání vzduchu, který obsahuje cca 21% kyslíku z celkového objemu. V těle se část kyslíku spotřebuje při reakci s uhlíkem a vodíkem za vzniku CO2 a vodní páry, takže vydechovaný vzduch obsahuje už jen 15% kyslíku ve prospěch zvýšení podílu CO2 a vodní páry:

Transformace energie v živé buňce. 12.210 Transformace energie v živé buňce.
ATP adenozintrifosfát.

Člověk získává energii z potravy

Člověk získává energii z potravy. V dnešní době je velice jednoduché si zjistit možný energetický přínos jednotlivých druhů potravin. Na obalech bývá energetická hodnota na jednotku hmotnosti nebo objemu popřípadě lze využít obecných tabulek např. [4, s. 496]. Uvedená hodnota je množství energie, které je člověk schopen získat z dané potraviny. Je tam uvedena i výživová hodnota, což je hodnota potraviny, která udává, kolik bílkovin, tuků, sacharidů, cholesterolu, vlákniny nebo vitaminů či minerálních látek obsahuje. Existují tedy potraviny z výživového hlediska hodnotné (například jogurt, který je zdrojem kvalitních bílkovin, vitamínů a vápníku) a přitom dodávající jen málo energie. Na druhé straně jsou potraviny s vysokou energetickou hodnotou, ale malým nebo žádným přínosem pro zdraví, o těch se mluví jako o potravinách, které poskytují prázdné kalorie například sladkosti, koncentrované lihoviny, smažené brambůrky a podobně.

Každý člověk musí v potravě přijmout tolik energie kolik spotřebuje "spálí", pokud dojde k nerovnováze mezi dodávkou a příjmem energie, potom musí být případný nedostatek hrazen z rezerv těla (tuky) nebo je naopak přebytečná energie v těle formou tuků ukládána. Přičemž postup spalování jednotlivých typů energetických zásob v lidském těle je u špičkového závodníka následující: Zásoby ATP vystačí cca na 10s intenzivní svalové práce. Pokud tělo dále pokračuje v intenzivní činnosti, musí již přistoupit k odbourávaní cukrů (sacharidů), které jsou ve svalech a játrech (glukóza a glykogen). S cukernými substráty vydrží asi hodinu svalové činnosti podmaximální intenzity. Po vyčerpání těchto zdrojů již jako zdroj energie převažují tuky (spotřeba vzduchu vyšší než u cukrů). V krajním případě-dlouhodobý nedostatek tuků dochází ke spalování bílkoviny-hmota svalů (velká spotřeba kyslíku). Ve skutečnosti probíhá spalování (cukrů, tuků a bílkovin) současně, ale vždy s velkou převahou jednoho z uvedených typů [5, s. 93]. Velice tedy záleží na energetických výdajích člověka. Průměrný podíl základních složek v potravě, z pohledu zpracování energie, by měl přibližně být 60% sacharidů, 28% tuky, 15% bílkoviny [4, s. 493]. Se zvyšujícím se fyzickou zátěží se zvyšuje podíl tuků na úkor sacharidů.

Porovnání spotřeby energie při spánku a jízdě na kole. 13.212 Porovnání spotřeby energie při spánku a jízdě na kole.
(a) spánek 80 W, 300 kJ·hod-1; (b) cca 1,5 kW, 6038 kJ·hod-1.

Minimální přísun potravy pro člověka, který je v klidu je cca 2 kWh denně, což je asi 7200 kJ. Práce člověka za jeden rok je cca 250 kWh což odpovídá asi 110 W mechanického výkonu během pracovní doby. Ovšem průměrný obyvatel ČR spotřebuje pro své žití tj. bydlení dopravu vaření zábavu až 150 kWh denně. Tato spotřeba je ve velké většině kryta fosilními palivy. Např. moderní zemědělec spotřebuje více energie než vypěstuje. To vše umožňuje nahromaděná energie během miliónů let ve fosilních palivech. Jednou z posledních zemí, kde zemědělec více energie vypěstuje než spotřebuje je Indie, protože se v této zemi používá mechanizaci založená na spotřebě fosilních paliv daleko v menší míře než například v Evropě.

Množství energie za rok přijímané v potravě jednoho člověka lze vypěstovat přibližně na 0,070,2 ha půdy (vyšší číslo zahrnuje vyšší podíl vyvážené stravy, včetně vláknin, vitamínů a živočišných bílkovin). To odpovídá potřebě přibližně 20 tis. km2 zemědělských ploch pro 10 mil. bez rezerv (ČR disponuje 25 tis. km2 zemědělské plochy).

Termoregulace živých organismů

Z poměru spotřebované energie k vykonané mechanické práce člověka se dá stanovit i mechanická účinnost lidského těla, která je do 10...15...20%, zbývající energie je ve formě vnitřní tepelné energie látek v organismu jejíž množství v těle musím být, v ideálním případě, konstantní tak, aby teplota lidského těla byla 36 °C (jinak hrozí narušení rychlosti metabolismu a při vyšších teplotách dokonce rozpad některých důležitých sloučenin). Termoregulace lidského těla je složitý proces, který využívá reflexů těla (při snížení teploty samovolná svalová činnost, při zvýšení teploty pocení) případně lze vědomě ovlivňovat sdílení tepla s okolím regulací pokrytí těla oblečením, vystavení se proudu vzduchu, skrytí se do chladnějšího prostředí a pod. Sdílet teplo s okolím lze na povrchu těla kam se dostává pomocí krevního oběhu a vedením tepla v těle nebo obráceně směrem od povrchu těla dovnitř organismu. Na povrchu těla se teplo sdílí sáláním, vedením (kondukcí) do okolního prostředí, prouděním (konvekcí) prostředí kolem lidského těla a vypařováním v případě ochlazování. Chlazení odparem je účinné pokud se jedná o prostředí, kde parciální tlak vodní páry ve vzduchu je menší než odpovídá tlaku syté páry při dané teplotě prostředí, protože vypařování vody na lidské pokožce probíhá při teplotě odpovídající teplotě varu parciálního tlaku páry okolí5. Například i při tropickém dni, kdy je teplota vzduchu 35 °C, ale parciální tlak respektive vlhkost vzduchu odpovídá 25 °C, bude teplota potu na pokožce mnohem nižší.

5Poznámka
Na podobné principu fungují chladící věže tepelných elektráren. Největší vlhkost vzduchu je na podzim, proto je teplota chladící vody někdy i větší než v létě, protože se chladí pouze ohřevem okolního vzduchu. Naproti tomu v létě, kdy je vzduch suchý dochází i k vypařování vody z chladící věže při teplotě parciálního tlaku páry ve vzduchu, který může být velice nízký a chladící voda se může vychladit na teplotu nižší než teplota vzduchu v okolí chladící věže.
Princip chlazení odparem.
14.213 Princip chlazení odparem.
(a) stanovení teploty kapky potu na pokožce z teploty vlhkého vzduchu jeho relativní vlhkosti a tlaku; (b) funkce chladící věže a její parametry při dokonalém chlazení odparem pro parametry vzduchu stejné jako v případě a a teplotu chladící vody 36 °C. tvz [°C] teplota vzduchu; p"p [Pa] tlak, při kterém dojde k varu vody již při teplotě tvz; pat [Pa] atmosférický tlak (tlak okolních vzduchu); pvz [Pa] parciální tlak suchého vzduchu; pp [Pa] parciální tlak vodní páry ve vzduchu; φ [-] relativní vlhkost vzduchu; tv [°C] teplota kapky; tch [°C] teplota chladící vody; 1 komín chladící věže; 2 proud vzduchu vyvolaný komínovým efektem; 3 přívod ohřáté chladící vody a sprchový systém pro důkladné promíchání vody se vzduchem; 4 bazén na ochlazenou vodu a její odvod.

Střípky z historie větrné energetiky

Větrné mlýny se v Evropě objevují poprvé na přelomu 1. a 2. tisíciletí našeho letopočtu. Nejstarší zmínka využití větru (lodní plachta) pochází přibližně 1000 let př. n. l.) [6]. V 19. století se větrné turbíny používaly i pro čerpání vody ze studní a v druhé polovině 20. století se začaly používat i pro výrobu elektřiny.

Větrný mlýn u Ruprechtova s Halladayvou turbínou. 15.215 Větrný mlýn u Ruprechtova s Halladayvou turbínou.

Pravděpodobně první vážně míněný pokus vyrábět elektřinu z větru učinil v 1887 Skotský profesor James Blyth (1839-1906), když na své zahradě postavil větrnou turbínu pohánějící elektrické dynamo pro dobíjení akumulátoru. Účelem byl výzkum elektřiny a elektrických akumulátorů. Větrná turbína byla konstruována jako klasické mlýnské kolo s plátěnými lopatkami. První větrnou elektrárnu určenou pro pohon elektrických zařízení postavil a provozoval Americký vynálezce Charles Francis Brush (1849-1929) od roku 1888. Tato elektrárna už byla plně automatizována a poháněla dynamo o výkonu 12 kW, vyrobená elektřina sloužila pro pohon elektrických strojů ve vynálezcově laboratoři. Opravdu prvnímu systematickému výzkumu možností výroby elektřiny pomocí větru se věnoval Dánský profesor Poul La Cour (1846–1908) v letech 1885-1908. La Cour postavil několik experimentálních elektráren a především regulátor výkonu, nicméně jeho prvotní myšlenkou bylo vyrábět pomocí energie větru a elektrolýzy levně vodík pro plynové lampy. Jeho práce byly základem dalšího vývoje, kterým se zabývalo mnoho vědců a techniků z různých koutů světa [18]. Za skutečnou předchůdkyni dnešních velkých moderních větrných elektráren lze považovat větrnou elektrárnu Američana Palmera Putnama (1900-1984) vyrobenou společností S. Morgan Smith Company (výrobce vodních turbín USA) a spuštěnou v roce 1941 v USA. Tato větrná elektrárna byla již plně automatizována a obsahovala i zařízení pro práci v elektrické síti (automatické odpojení od sítě i přifázování), regulaci pomocí natáčení lopatek a otáčení gondoly proti větru [18]. Putnam, tak komplexní a přelomovou konstrukci netvořil sám, ale přemluvil ke spolupráci i vědce a techniky z Massachusetts Institute of Technology mezi nimiž byl skvělý termodynamik Theodore von Kármán (1881-1963), který provedl aerodynamický návrh rotoru:

Historické větrné elektrárny. Historické větrné elektrárny.
16.216 Historické větrné elektrárny.
vlevo větrná elektrárna Ch. Brushe (průměr rotoru 18 m, počet lopatek 144 při hmotnosti rotoru 4 tuny) [3]; vpravo větrná elektrárna Smith-Putnam (průměr rotoru 53,3 m, při jmenovitém výkonu 1250 kW se jednalo o první větrnou elektrárnu přesahující výkon 1 MW).

Pokračování příběhu o větrné energetice je v článku 4. Využití energie větru.

Vodní kola a vodní turbíny

Energie vodního spádu se pro konání práce začala poprvé využívat pravděpodobně v Mezopotámii v 6. století př. n. l. k zavlažování pomocí vodního kola. Vodní kola pro pohon mlýnů a hamrů se začaly používat na území ČR přibližně ve 12. století. Mlýny byly jedny z mála technicky relativně vyspělých zařízení a mlynáři a sekernící (tesaři) byli po staletí nositeli technického umu a pokroku na našem území [7].

Vodní kolo na spodní vodu Velkopřerovského mlýna na Čertovce, [7]. 17.220 Vodní kolo na spodní vodu Velkopřerovského mlýna na Čertovce, [7].

Pakliže vynálezci vodních kol už zřejmě navždy zůstanou v anonymitě vynálezci vodních turbín známi přeci jen jsou. První zařízení, které pracovalo na reakčním principu a lze ho tedy nazvat vodní turbínou bylo Segnerovo kolo sestrojené Jánem Segnerem (1704-1777) kolem roku 1750. Tento princip zaujal geniálního fyzika a matematika Leonharda Eulera (1707-1774) a poprvé rozpracoval koncept vodní turbíny, která již obsahovala klasické části jako rozváděcí a oběžné kolo. Tento koncept údajně zapadl ve zprávách akademie věd a technicky nebyl realizován [20, s. 66-67], co bylo však důležitější Euler odvodil základní rovnice této turbíny a založil tak teorii lopatkových strojů. Prakticky uplatnitelnou vodní turbínu sestrojil v roce 1827 Benoît Fourneyron (1802-1867) o výkonu 4,47 kW80% účinností. Poté následovaly vynálezy dalších turbín přičemž pro současnou energetiku mají význam tři: Peltonova turbína 1884 poprvé sestrojená Lesterm Peltonem (1829-1908), Francisova turbína 1849 poprvé sestrojená Jamesem Francisem (1815-1892) a Kaplanova turbína 1912 poprvé sestrojená Viktorem Kaplanem (1876-1934). Každá z uvedených turbín je vhodná pro konkretní rozsah spádů a průtoků. Velké vodní turbíny dosahují účinností větší jak 95% a z tohoto hlediska patří mezi nejen nejdokonalejší lopatkové stroje ale i motory obecně.

Vodní turbíny se používájí ve vodních elektrárnách. První vodní elektrárny pro výrobu stejnosměrné elektřiny byly dány do provozu v roce 1881 s výkony menšími jak 1 kW pro napájení žárovek [21, s. 144]. První elektrárna pro výrobu střídavého proudu byla dána do provozu 26. srpna 1896 (myšleno komerčního provozu) na Niagaraských vodopádech [38, s. 356]. Výkon této vodní elektrárny byl 2x5000 koňských sil [38, s. 340].

Současnost: Turbosoustrojí s Kaplanovou turbínou. 18.221 Současnost: Turbosoustrojí s Kaplanovou turbínou.
Turbínu vyrobila společnost Voith [9, s. 591]. U klasických vodních elektráren bývá turbína a generátor na jedné hřídeli (turbosoustrojí).

Historie strojů na páru

Vodní pára (dále jen pára) je v energetice nejrozšířenější pracovní médium. Pára se pro parní motory (parní turbína, Pístový parní motor...) vyrábí v parním kotli. Odtud je potrubím přiváděna k příslušnému parnímu motoru. Její expanzí v parním motoru se koná práce, která je z motoru odváděna otáčející se hřídelí. Pára je z motoru nejčastěji odváděna do kondenzátoru, odkud je čerpána do parního kotle a celý oběh se opakuje. Takový oběh se nazývá parní oběh nebo také Rankine-Clausiův oběh.

Předehrou k vývoji plnohodnotného parního stroje byl zdánlivě nesouvísející objev tlaku vzduchu a jeho účinky Evangelistem Torricellim (1608-1647) z roku 1643. Důsledky takového objevu pochopilo hned několik vzdělanců a vynálezců té doby. Stačí tedy sestrojit nádobu s pístem, přičemž z nádoby "vysát" vzduch a okolní tlak zatlačí píst do nádoby a přitom může zdvihnou užitečnou zátěž. Za účelem "vysátí" vzduchu z nádob vynalez roku 1650 Otto von Guericke (1602-1686) vývěvu. Ta v té době byla málo účinná a tak se konaly pokusy vytlačit vzduch pomocí výbuchu střeného prachu (Christian Huyghens, Denis Papin (1647-1712)). Nakonec zvítězila myšlenka použít k vytěsnění vzduchu v nádobě vodní páru, která následně zkondezuje a tím vytvoří v nádobě hluboký podtlak. Podrobněji o ranných vynálezech předcházející parnímu stroji např. [20, s. 29], [21, s.65..71].

Za první plnohodnotný parní stroj lze považovat parní čerpadlo Thomase Saveryho (1650-1715). Tento muž si patentoval v roce 1698 stroj s názvem "Nový vynález k zvedání vody a k uskutečnění pohybu pro všechny druhy rukodílen hybnou silou ohně; bude velmi důležitý pro vysoušení dolů, k zásobování měst vodou a k pohonu rukodílen všeho druhu, které nemají vodní síly ani stálého větru" [20, s. 34]. Jedná se o typ čerpadla, který neobsahuje pohyblivé díly (kromě přepouštěcích ručně ovládaných kohoutů). Voda je čerpána střídavě atmosférickým tlakem a párou. Takový stroj se dnes nikde nepoužívá a parním čerpadlem je obvykle myšleno čerpadlo poháněné pístovým parní motorem.

Saveryho parní čerpadlo. 19.224 Saveryho parní čerpadlo.
Hlavní částí Saveryho čerpadla byla tlaková nádoba opatřená přívodem páry z kotle ve své horní části a zaústěným sacím a výtlačným potrubím ve svém dnu. Zařízení fungovalo tak, že přívodním potrubím se do nádoby pustila pára načež se přívod uzavřel ventilem 1 a nádoba se osprchovala studenou vodou ovládané ventilem 4. Během sprchování vodní pára uvnitř nádoby kondenzovala. Kondenzací páry se v nádobě snížil tlak (téměř do vakua podle teploty a množství chladící vody), toto snížení tlaku způsobilo po otovření ventilu 2 na sacím potrubí nasátí vody. Až se voda přestala nasávat vetil byl uzavřen a otevřel se ventil 3 a ventil 1 a voda z nádoby se vytlačila pomocí páry do požadované výšky. Pak se celý cyklus opakoval. Pro čerpací výšku menší než cca 8 m postačil tlak páry atmosférický.

V roce 1705 Savary společně s Thomasem Newcomenem (1663-1729) poprvé představili parní motor s pohyblivým pístem. Jednalo se o atmosférický parní motor, který rozvinuli z myšlenky Saveryho čerpadla. U tohoto typu parního motoru koná práci atmosférický tlak působící na plochu pístu v okamžiku, kdy pod pístem kondenzuje pára a využívá tak vznikající podtlak vyvolaný zmenšováním objemu kondenzující páry. U prvních motorů způsobovalo kondenzaci páry odvod tepla pomocí chladící vody proudící kolem válce, ovšem za několik let tento sytém kondenzace Newcomen zdokonalil (urychlil) a studenou vodu přímo vstřikoval do válce motoru:

Newcomenův a Savaryho atmosférický parní stroj.
20.225 Newcomenův a Savaryho atmosférický parní stroj.
1; 2; 3 ventily, které jsou střídavě otvírány a zavírány. p [Pa] tlak páry ve válci; A [m2] plocha pístu; Fat [N] síla působící na píst od rozdílu mezi atmosférickým tlakem a tlakem páry ve válci; m [kg] hmotnost závaží; g [m·s-2] gravitační zrychlení; Fg [N] síla, kterou působí závaží. Zdroj dobové kresby vlevo [12].

V druhé polovině 18. století scot James Watt (1736-1819) Newcomenův parní motor podstatně zdokonalil. Válec již nebyl nad kotlem, ale mimo kotel. Zjistil také, že vstříknutím studené vody do válce ochladí nejen páru ale i válec, což způsobí, že na jeho ochlazených stěnách v dalším cyklu zbytečně kondenzuje čerstvě vstříknutá pára. Jeho úsilí tento problém vyřešit vedlo k vynálezu kondenzátoru. Kondenzátor byl umístěn zcela mimo válec. Dalším jeho velkým vylepšením bylo zavedení přivádění páry i pod píst, čímž parní motor velice zefektivnil a vznikl dvojčinný parní motor. Poprvé také tímto zlepšením byl zvýšen tlak na 1,5 at, tedy vyšší než je atmosférický tlak. Tento tlak zvýšil pomocí dalšího pístu, který vháněl vodu do kotle – napájecí čerpadlo kotle. Také zmechanizoval regulaci výkonu tzv. odstředivým regulátorem dnes známý jako Wattův regulátor. Watt mimo jiné vynalezl planetovou předovku pomocí, které převáděl posuvný přímočarý pohyb pístu na pohyb rotační. Kliková hřídel byla již tehdy sice známa, ale patentována již někým jiným a proto ji Watt nemohl použít [20, s. 45]:

Dvojčinný parní stroj Jamesa Watta.
21.226 Dvojčinný parní stroj Jamesa Watta.
vlevo verze z roku 1774 – samočinným ovládání uzávěrů odvodu páry, kondenzátor a vývěva; vpravo verze z roku 1781 – Watt přidává samočinný regulátor (odstředivý regulátor) otáček. Zdroj obrázků [2].

Parní stroj byl používán pro pohon stacioárních i mobilních jednotek (pohony transmisí, elektrických generátorů, pohon lodí, lokomotiv...). Co do velikosti produkce byl vrcholem jeho využívání začátek 20. století. Postupně byl vytlačován parními turbínami (v případě větších výkonů) a spalovacími motory (menší výkony) až přibližně 50. letech 20. století byl pístový parní motor vytlačen na okraj technického zájmu a jeho produkce a vývoj téměř ustaly. V současnosti je možné nalézt pouze několik, především historických, pístových parních motorů v činnosti. Přesto se k němu některé firmy vrací kvůli jeho výhodám při malých výkonech (cca pod 100 kW) oproti turbínám (vyšší termodynamická účinnost).

Počáteční vývoj pístového parního motoru byl založen především na experimentálním bádáním a to dost často čistě náhodným pozorováním nějakého jevu. Postupem času, především ke konci 18 a v první polovině 19. století, byly položeny i teoretické základy studia chování látek při změně jejich stavu zvané termodynamika. Na základě zákonů termodynamiky mohl být parní motor nejen dále vylepšován způsobem, na který se bez teoretických základů pravděpodobně nepřišlo, ale vznikaly i zcela nové tepelné stroje jako například parní turbíny.

Praktické konstrukci parní turbíny předcházelo zpracování teorie proudění stlačitelné látky kanály. Přičemž asi nejzásadnější je rovnice pro rychlost plynu na výtoku z trysky a Hugoniotův teorém, který zdůvodňuje rozdílné chování podzvukového a nadzvukového proudění. První rovnici společnými silami odvodili Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant (1797-1886)-francouzský inženýr a Pierre Wantzel (1814-1848)-francouzský matematik v roce 1839 [25, s. 350], tedy v době, kdy nebyl ještě formulován první zákon termodynamiky pro otevřenou soustavu ani definována entalpie, proto k odvození použili rovnici kontinuity a diferenciální tvar Bernoulliho rovnice [25, s. 5]. Druhou rovnici zveřejnil Hugoniot někdy v roce 1886 [29, s. 43]. Vynálezci parních turbín stály před obtížnou úlohou, protože tento nový druh stroje se musel, minimálně svými prametry, vyrovnat již propracovanému pístovému parnímu motoru nebo nabízet jinou upotřebitelnou výhodu. V tomto případě těmito výhodami byly vyšší otáčky, jednoduchost a klidný chod, díky kterým se parní turbína mohla uplatnit a dále rozvíjet. První funkční parní turbínu v roce 1882 představil švédský inženýr a průmyslník Carl Gustava P. de Laval (1845-1913)-sestrojil turbíny s jedním rovnotlakým stupněm. Později tento typ turbíny vylepšil o konvergentně-divergentní dýzami6 pomocí nichž dosahovala pára nadzvukových rychlostí a turbína velkých otáček.

6Poznámka
Podle [25] uvedený typ vynalezl systémem pokus omyl, což by znamenalo, že Hugoniotův teorém v té době ještě neznal.
Sschématické znázornění funkce Lavalovy turbíny. Soustrojí s Lavalovou turbínou z roku 1888 v řezu.
22.227 Lavalova turbína
vlevo schématické znázornění funkce Lavalovy turbíny [13]; vpravo soustrojí s Lavalovou turbínou z roku 1888 v řezu (el. generátor chybí jsou dobře viditelné regulační ventily dýz, oběžné kolo i převodovka uprostřed) [3]. U této turbíny probíhá nejdříve expanze páry z vysokého tlaku ve statoru (v tomto případě se jedná o čtyři Lavalovy trysky). Po expanzi má pára vysokou rychlost a prouděním v kanálech rotoru ho roztáčí (kanály jsou tvořeny lopatkami viz pojem lopatkový kanál). Když v roce 1888 Gustav Laval představil světu svou turbínu dosahovala díky divergentní části vstupních trysky neuvěřitelných 30 000 ot. za minutu a při průměru 15 cm rotoru dosahovala výkonu 5 koňských sil.

Laval tuto turbínu nejprve zamýšlel pro pohon odstředivek na mléko, ale nakonec po nezdařených pokusech se zaměřil na propojení parní turbíny a dynama přes převodovku [20, s. 69].

Pro hospodárný provoz je nutné dosahovat tlak páry před turbínou co nejvyšší, což u jednostupňové konstrukce turbíny Lavalova typu vede na vyšší otáčky. Problémem konstrukce parní turbíny s velkým výkonem a hospodárností se zabýval také brit Charles Algernon Parsons (1854-1931), který nakonec v roce 1884 navrhl a sestrojil vícestupňovou parní turbínu a na rozdíl od Lavala s přetlakovými stupni. Jeho první turbína sice dosahoval 18000 otáček za minutu, ale jeho další konstrukce už měly otáčky mnohem menší. Nejprve jednu parní turbínu dodal do elektrárny v Chicagu a definitivně prosadil výhody parních turbín jejich instalací do parníku Turbinia:

Jedna z prvních konstrukcí soustrojí Parsonsovy turbíny s elektrickým generátorem. Turbinia.
23.480 Představení prvních aplikací Parsonsových parních turbín.
vlevo jedna z prvních konstrukcí soustrojí Parsonsovy turbíny s elektrickým generátorem [20]; vpravo Turbinie (Autor fotografie: Alfred John West, River Tyne, 1897 [3]). K Turbinii: V roce 1897 Parsons demonstroval na námořní přehlídce v Portsmouthu revoluční plavidlo poháněné třítělesovou parní turbínou (vysokotlaké, středotlaké a nízkotlaké). Každé těleso mělo svůj vlastní rotor, na němž byly tři lodní šrouby. Z počátku bylo uvažovánou pouze jednotělesová turbíny s trojnásobným výkonem, ale výkon a otáčky byly tak velké, že i při použití tří lodních šroubů docházelo k jejich přetěžování a ke kavitaci, proto byl výkon rozdělen na tři tělesa a tři hřídele [27, s. 166]. V době spuštění Turbínie se lodě pohybovaly maximální rychlostí do 27 uzlů ovšem Turbinia dosahovala rychlosti 34 uzlů. To byl také důvod rychlého zavádění turbín u vojenských plavidel7.
7Poznámka
Především zpočátku měly parní turbíny větší spotřebu páry než parní stroje ale tím, že se loď pohybovala mnohem rychleji byla na větší vzdálenost plavby spotřeba uhlí s parní turbínou nižší než u lodí s parním strojem [20, s. 115], takže s konstrukcí nízkotáčkových turbín se brzy začaly turbíny instalovat i do civilních lodí. Další výhodou u civilních lodí bylo snížení vibrací, které parní stroje v podpalubí způsobovaly.

V současnosti jsou parní turbíny nejvýkonnější zdroje práce a dosahují jednotkového výkonu až 1500 MW. Jestliže pístový parní motor umožnil průmyslovou revoluci, potom parní turbíny umožnily elektrofikaci a jsou prakticky nenahraditelnými, i když existují i jiné technologie, ale jejich provoz je dražší.

Jde to i bez páry

Na začátku 19. století se parní pohony intenzivně bezkonkurenčně rozšiřovaly pro svůj výkon a vytrvalost. Přesto měly spoustu nevýhod včetně nízké spolehlivosti, dlouhá doba startu ze studeného stavu (rozdělání ohně, nahřátí vody v kotli..), velký zastavěný prostor apod. Přitom v některých provozech byl požadavek pouze na občasný provoz, rychlý start důležitější než třeba účinnost, a tak se hledal alternativní pohon malého výkonu byť s vyšší spotřebou paliva oproti parnímu motoru. To byl rozhodující podnět k vývoji spalovacích či výbušných motorů [20, s. 50].

Od Huyghensových pokusů s pístovým motorem poháněný střelným prachem či jiným pevným palivem dál tuto myšlenku rozvíjelo mnoho vynálezců, ale bez úspěšných realizací pro praktické použití. Postupně začaly experimenty i s kapalnými a plynnými palivy, žel opět bez uplatnitelných výsledků. Ale během této doby byly vynalezeny plnící mechanismy a elektrické zapalování, tyto dílčí vynálezy zkombinoval Jean Lenoir (1822-1900) ve svém dvojčinném motoru z roku 1859 na svítiplyn s elektrickým zapalováním a přímým plněním (současné nasávání vzduchu a plynu bez předchozího promíchání). Motor byl výbušný bez předchozí komprese směsi, na rozdíl pístového parního motoru musel být válec chlazen proti přehřátí:

Lenoirův plynový motor. 24.974 Lenoirův plynový motor.
Motor byl velmi tichý díky šoupátkovým rozvodům a malým rozdílům tlaků. Ideální oběh tohoto motoru se nazývá Lenoirův oběh. Zdroj [20, u s. 48].

I když Lenoir svůj motor dále vylepšoval a cyklus motoru rozdělil na čtyři doby (tzv. čtyřtaktní motor) dosahoval bez komprese jen malých výkonů a vysoké spotřeby. To byla příležitost pro jiné typy spalovacích motorů. Konstrukcí a jejich konstruktérů bylo velké množství, ale přesto jsou většině lidí známá pouze dvě jména Nikolaus A. Otto (1832-1891) a Rudolf Diesel (1858-1913) obě patří Německým konstruktérům.

Po zlepšování konstrukce motoru Lenoirova i jiných konstruktérů se střídavými úspěchy nakonec dospěl Otto k závěru, že výkon i snížení spotřeby lze pomocí komprese palivové směsi před jejím zapálení8. Celý cyklus motoru rozdělil na čtyři doby a v roce 1877 se svým společníkem Eugenem Langenem (1833-1895) představil plynový motor nové konstrukce, jenž se v principu neliší od dnešních benzínových motorů [20, s. 53-55] s výbušným oběhem. Ottovu konstrukci pro mobilní aplikace na kapalná paliva výrazně nezávisle na sobě upravili Němečtí konstruktéři Gottlieb Daimler (1834-1900) a Carl F. Benz (1844-1929).

8Poznámka
Před tím významně zdokonalil tzv. atmosférický spalovací motor. Jednalo se o stojatý pístový motor, ve kterém byl píst z dolní úvrati vytlačen směrem nahoru explozí směsi. Po vyhoření směsi vznikly ve válci podtlak a tmosférický tlak zatlačil píst zpět do dolní úvrati a přitom vykonal práci [41, s. 60-63]. Jedná se o podobný princip, který navrhli dříve Huyghens a Papin viz. výše dvěstě let před Ottou.
První Ottův respektive Dieselův motor. První Ottův respektive Dieselův motor.
25.975 První Ottův respektive Dieselův motor.
vlevo čtyřtaktní Ottův motor z roku 1878; vpravo první motor Dieselův (1894). Obrázky z [20, u s. 48].

Diesel svůj spalovací motor cílevědomě konstruoval pro co největší účinnost, tedy se záměrem dosáhnout co nejvyšší střední teploty přívodu tepla do oběhu tak jak tvrdí zásady Carnotizace tepelného oběhu. To vyžadovalo co největší kompresi a palivo s vyšší zápalnou teplotou při daném tlaku než je například benzín. Diesel nejdříve musel vyřešit problém samozapálení palivové směsi během potřebné velké komprese9. To vyřešil, tak že ve válci jeho motoru docházelo ke kompresi pouze vzduchu a až na konci komprese se vstříknulo pod vysokým tlakem palivo, které se okamžitě vzňalo. V roce 1895 spatřil světlo světa nový spalovací motor s rovnotlakým oběhem. Dieselovou konstrukci motoru v následujících desetiletí systematicky zdokonaloval Hugo Junkers (1859-1935) se záměrem jej použít nejprve v lodní dopravě a pak i v letectví, což se mu podařilo ve 20. letech dvacátého století, kdy jeho podnik jako první na světě začal dodávat takové motory pro nákladní automobily a velká letadla, přičemž spotřeba paliva byla asi o 80% menší než u stejně výkoných benzínových motorů [28, s. 151].

9Historické způsoby zapálení hořlavé směsi ve spalovacím motoru
Dříve se používalo u plynových motorů k zapálení směsi ve válci otevřeného ohně. Stále hořící plamen byl mimo válec vkomůrce, ze které se část plamene nasála do další komůrky v pohyblivém šoupátku, které dopravilo tento plamen do válce [41, s. 78, 84, 134]. To omezovalo otáčky motorů cca na 200 min-1. Výrobní problémy s tímto druhem zapálení rostly s kompresí, protože se zvyšoval požadavek na těsnost šoupátek. U prvních plynových motorů se také používalo zapálení elektrickou jiskrou. Motor vyžadoval elektrickou baterii a přerušovač, ale díky stavu elektrotechniky tento způsob byl nespolehlivý a dovoloval otáčky motoru jen asi 250 min-1. Pro malé kompresní poměry a vyšší otáčky vymyslel Daimler zapálení směsi kombinací vysokohého tlaku a vysoké teploty speciální vložky ve válci. V takovém případě byl válec a píst tepelně izolovaný od okolí [41, s. 120] – při rozjezdu ze studeného stavu motoru se vložka zahřála plamenem zvenčí (tzv. žárovou trubkou). Nakonec na dlouhé desetiletí se používalo magnetové zapalování vynalezené německým elektrotechnikem Robertem Boschem (1861-1942). To bylo založeno na generování elektrického pulzu o vysokém napětí pomocí dynama synchronizovaného s otáčkami motoru [42]. Takový způsob umožňoval vyšší otáčky motoru. Spolehlivost poněkud klesá s klesajícími otáčkami motoru kvůli poklesu napětí a tak se dnes používá dynamoelektrické zapalování pomocí kondenzátorů a elektrických baterií.

První komerčně úspěšné soustrojí se spalovacím motorem a elektrickým generátorem nabízel až Daimler [41, s. 150, 188]. Od roku 1890 jeho továrna nabízela dokonce i pojízdné zařízení pro elektrické osvětlení, ve kterém elektrický generátor byl poháněn spalovacím motorem [41, s. 298].

Záložní dieselagregát servovny. 26.973 Záložní dieselagregát servovny.
Dieselagregát Phoenix Zeppelin CAT o výkonu 400 kW, objem motoru 14,6 l, objem palivové nádrže je 950 l, spotřeba paliva při 100% zátěži 99,9 l·h-1, při 50% zátěži 52,7 l·h-1. Ve vypnutém stavu palivo neustále cirkuluje a je předehříváno na teplotu kolem 50 °C, kvůli rychlejšímu startu (převzetí jmenovité zátěžeji již 20 s po startu [40]). Zdroj [24].

Ještě před Ottou a Diselem přišel s myšlenkou zvýšení účinnosti plynových motorů pomocí komprese vzduchu Američan George Brayton (1830–1892), který v roce 1873 zkonstruoval spalovací motor se dvěma pracovními válci. V jednom válci probíhala komprese výbušné směsi, která na konci komprese byla přefouknuta do druhého válce, kde byla zápalena a vykonala expanzi. Tento oběh je podobný Dieselovu, ale rozšířený o izobarický výfuk. Oběh se dnes běžně nazývá Braytonovův oběh podle Američana. Samotný tepelný oběh už ale znal Prescott James Joule (1818-1889) [31, s. 255] a John Ericsson (1803-1889), který ho použil ve svém teplovzdušném motoru [26, s. 310] v 1833. Braytonův patent přispěl k vývoji Ottova čtyřdobého spalovacího motoru [41, s. 78].

Braytonův oběh je ale ve skutečnosti pro pístový motor nevhodný, protože vyžaduje velké zdvihy. Lépe je tento oběh realizovat v točivém stroji tj. soustrojí s turbokompresorem a turbínou – plynová turbína a pokud toto soustrojí obsahuje spalovací komoru je v Česku používán pojem spalovací turbína. Ve spalovací turbíně se vzduch stlačuje v turbokompresoru, následuje smíchání s palivem a spalování ve spalovací komoře, a horké spaliny expandují v turbíně podobně jako pára v parní turbíně. Práce z turbínové části je využita pro pohon turbokompresoru a přebytek práce může pohánět například elektrický generátor. Takové soustrojí se spalovací turbínou si poprvé patentoval Franz Stolze a to již v roce 1872, i když myšlenka plynových turbín je mnohem starší, ale bez kompresní části [33, s. 3]. Takové soustrojí sice nevypadá složitě, ale vyrobit skutečně funkční stroj byl problém především v realizaci turbokompresoru a nízké teploty spalování dané materiály turbíny. O stavbě použitelné spalovací turbíny bylo možné uvažovat až po dopracování teorie turbín a turbokompresorů a zvládnutí jejich konstrukce.

První turbokompresor radiálního typu byl zprovozněn v roce 1906 Francouzem Augustem Reteauem (1863-1930) [32, s. 22]. Byl sice hospodářsky využitelný pro kompresi vzduchu o velkém objemu, ale jeho příkon byl stále velký. To nezabránilo rozšíření turbokompresorů v průmyslu (stlačený vzduch byl čistý), ale pro využití ve spalovací turbíně to stále nestačilo a první reálně využitelnou spalovací turbínu postavili a spustili ve švýcarském podniku Brown Boveri až v roce 1939 [33, s. 4]. Soustrojí dosahovalo výkonu 4000 kW. Soustrojí obsahovalo jednu velkou, několik metrů dlouhou, spalovací komoru. Jednalo se tedy, z denšního pohledu, o konstrukci spalovací turbíny se samostatnou spalovací komorou:

Ve strojovně první spalovací turbíny. Hans von Ohain vedle repliky proudového motoru své konstrukce He S 3B, který byl jako první použit k pohonu letounu.
27.980 Obrázky ke stavbě prvních spalovacích turbín.
vlevo ve strojovně první spalovací turbíny 1939 – pán s buřinkou je Aurel Stodola – velká trubka nad hlavou pracovníka úplně vpravo je spalovací komora; vpravo Hans von Ohain vedle repliky proudového motoru své konstrukce HeS3B, který byl jako první použit k pohonu letounu-při výslechu, po konci války, na otázku, kde vzal teoretické základy pro stavbu proudových motorů se odvolal právě na teorii Aurela Stodoly [34, s. 144] – všimněte si velikosti spalovací komory u jeho levého ramene. Obrázky byly převzaty z [36] respektive [37].

První spalovací turbína byla zprovozněna na začátku druhé světové války. Ve stejné době už probíhal intenzivní vývoj proudového motoru především v Německu a ve Velké Británii. Asi největšími problémy bylo spalování-přesněji velikost spalovací komory, vysoké teploty a velká spotřeba paliva [34, s. 137]. Především bylo nutné vytvořit malou spalovací komoru a o velkém výkonu a zajistit chlazení lopatek prvních stupňů turbínové části. Zprovoznit první letouny s proudovým motorem se podařilo téměř současně na německé straně Hansu von Ohainovi (1911-1998) v srpnu 1939 a Franku Whittlemu (1907-1996) v květnu 1941 na Britské straně [37, s. 83]. Co bylo zajímavé, takové motory byly časově méně náročné na výrobu, oproti spalovacím motorů pro letadla zabrala výroba proudového motoru téměř desetkrát méně času (30005000 člověkohodin versus 700 člověkohodin) [34, s. 119]. Dnes je spalovací turbína tradiční strojírenský produkt.

reklama
Kniha-Turbíny pro luftwaffe.

Elektřina

Elektrická energie je relativně snadno transformovatelná mnoha způsoby na mnoho druhů energií, proto je považována za tzv. "ušlechtilou energii", přesto uplynula dlouhá doba než bylo pro ni nalezeno využití.

První generátorem nabitých částic byl žlutooranžový jantar. Filosof antického Řecka Tháles z Milétu (625-546 př. n. l.) popsal jeho schopnost dočasně přitahovat lehké předměty (pírka, lístky...) poté co ho třel hadříkem . O další větší pokrok se postaral Angličan Stephen Gray (1670-1736), který objevil někdy v letech 1727 až 1729, že nabité částice respektive elektřinu lze přenášet pomocí vodiče elektřiny (nejlépe kovový drát) z tělesa na těleso a klasifikoval i nevodiče elektřiny. Nizozemec Pieter van Musschenbroek (1692-1761) v roce 1745 objevil, že elektřinu lze hromadit a skladovat například ve skleněné nádobě s vodou s kovovým povlakem (elektrický kondenzátor). S pečlivým využitím všech poznatků o vlastnostech elektrických jevů, a to především na základě experimentů Itala Luigiho Galvaniho (1737-1798), sestrojuje jiný Ital Alssendro Volta (1745-1827) v roce 1800 elektrickou baterii (tzv. Galvanický článek). Podrobněji o objevech z oblasti elektrofyziky populárně naučnou formou v [38, s. 27-62].

Galvanický článek byl zdrojem stáleho elektrického proudu a otevřel cestu vynálezu elektrických spotřebičů. Nejdříve se elektřina používala v elektrochemii k rozkladu vody a výrobě vodíku či jiných prvků rozkladem dalších chemických sloučenin, a k pokovování. Pomocí elektrolýzy byly objeveny i některé nové prvky. Započaly experimenty s různými typy elektrických svítidel. V roce 1831 objevuje Angličan Michael Faraday (1791-1867) elektromagnetickou indukci a sestrojuje magnetoelektrický generátor (buzení zajišťují permanentní magnety). Následují další vynálezy spotřebičů jako telegraf, elektrický motor a obloukové lampy, které se využívali na majácích a příležitostně ve společenských budovách šlechty. Musí se však pro napájení těchto spotřebičů stále užívat baterií, protože elektrické generátory Faradayova typu poskytují střídavý proud nestálé intenzity usměrňovaný v komutátoru na stejnosměrný proud [20, s. 61]. Teprve v roce 1870 Belgičan Zénobe Theofil Gramme (1826-1901) sestrojuje komerčně úspěšné a spolehlivé dynamo (generátor stejnosměrného proudu). Využil objevu elektromagnetu Němce Wernera Siemense (1816-1892) a prstencovou kotvu Itala Antonia Pacionttiho (1841-1912). Později byly dynama respektive alternátory konstrukčně zlepšována, ale už nešlo o revoluční řešení.

4. září 1882 Američan Thomas Alva Edison (1847-1931) zprovozňuje první veřejnou elektrickou síť v New Yorku v Perlové ulici tj. veřejnou elektrárnou je myšlen centrální zdroj stejnosměrného proudu, který je rozváděn do budov po celé ulici pomocí zakopaných vodičů. Do té doby bylo nutné v budově, která měla mít elektrické spotřebiče instalovat parní stroj s dynamem, což přinášelo velké komplikace (hluk, vibrace, kouř) především u soukromých rezidencí bohatých osob, které jediné se mohli vybavit svá sídla drahým elektrickým osvětlením.

Za první elektrárnu na území Česka je považována instalace dynama v Žižkovské plynárně v Praze za přispění Františka Křižíka (1847-1941) v roce 1888 (spuštěna 1889). Vyrobená elektřina byla využívána k osvětlení. 7. dubna 1900 byla spuštěna první elektrárna na našem území – elektrárna Holešovice 5x800 kWe.

Strojovna Budapešťské elektrárny 1895, [14]. 28.229 Strojovna Budapešťské elektrárny 1895, [14].

K přenosu elektřiny z místa výroby do místa spotřeby se využívá především střídavý proud. V počátcích elektrifikace se využíval stejnosměrný proud prosazovaný Edisonem. Zakrátko se ale prosadil proud střídavý, kvůli tomu, že jej bylo možno distribuovat o vysokém napětí, což vyžadovalo změnu stejnosměrných dynam na generátory střídavého proudu, které nezávysle na sobě sestrojili, s využitím myšlenky točivého magnetického pole, Srb Nikola Tesla (1856-1943) v roce 1885 a Galile Ferraris (1841-1897) v téže době. Pro dálkový přenos elektřiny se vyplácí vysoké napětí vzhledem k menšímu poměru ztrát k přenesenému množství elektřiny. Stejnosměrný proud bylo také možné vyrábět o vysokém napětí kvůli účinnějšímu přenosu jenže konečný spotřebič musel být také konstruovaný na vysoké napětí – v té době nebylo možné efektivně transformovat stejnosměrný proud na nižší napětí10. Pricip transformátoru střídavého proudu byl popsán a experimentálně ověřen už Faradayem, ale prakticky využitelný transformátor pro dálkový přesnos elektřiny sestrojili až v roce 1882 Lucien Gualard (1850-1888) a John Dixon Gibbs (1834–1912). Komerční výtězství používání střídavého proudu znamenalo vybudování vedení střídavého proudu od vodní elektrárny na Niagraských vodopádech do blízké zatím účelem vybudované průymslové zóny a především do města Buffalo vzdálené 40 km [38].

10Poznámka
Proto se zpočátku elektrifikace používal pro přenos stejnosměrný proud o nízkém napětí, což měl za následek ztráty v přenosové soustavě až 80% a spotřebič mohl být nejdále asi 0,75 km od zdrojového dynama. Podobně jako za oceánem, tak i u nás byly zastánci jak stejnosměrného přenosu (František Křižík) tak střídavého (Emil Kolben (1862-1943), i když bývalý Edisonův zaměstnanec).

V současnosti se elektřina (ve velkých elektrárnách) vyrábí v rotační generátorech střídavého proudu11 v rozmezí 6,3 kV ...20 kV, potom se jeho napětí v trafostanici zvyšuje na 400 kV k dálkovému přenosu tato vysokonapěťová soustava se nazývá přenosová soustava. Nízkonapěťová soustava od trafostanic ke spotřebiči o různých napětí se nazývá distribuční soustava. Ztráty v přenosu jsou až 6% (závisí na hustotě zdrojů). Přenosová soustava na našem území je velice hustá, ale i přesto se občas nějaké vedení vysokého napětí ještě staví např. kvůli nové elektrárně nebo k posílení tranzitní kapacity přes naše území.

11Poznámka
Pro sítě 50 Hz se používají generátory pro 3000 min-1 (dvoupólový generátor), 1500 min-1 (čtyřpólový) případně 750 min-1 (osmipólový) u turbosoustrojí vodních elektráren i vícepólové generátory pro nižší otáčky.
Schéma distribučních a přenosových sítí ČR 110 až 400 kV, stav k 1.1. 2007, [10].
29.230 Schéma distribučních a přenosových sítí ČR 110 až 400 kV, stav k 1.1. 2007, [10].

Vysoké napětí je většinou realizováno jako nadzemní zavěšené na sloupech, v některých případech je vedeno podzemím. Výhodou nadzemního vedení je, že je levnější než podzemní. Nevýhodou je narušení rázu krajiny a vodič je neustále vystaven přírodním vlivům. Především námrazy v posledních letech trápí rozvodné závody. Běžně bývá navrženo na nosnost do 3 kg·m-1 námrazy. Ale například v zimě 2005 dosahovala námraza až 18,9 kg·m-1, což poškodilo zejména v Německu mnoho kilometrů vedení. Dokonce pokud nedojde k přetržení lana může dojít k deformaci sloupu. Naopak podzemní vedení je před přírodními živly obvykle dobře chráněno, ale je velice nákladné a realizuje se pouze v husté zástavbě ve městech a obvykle je ve společném tunelu s dalšími inženýrskými sítěmi.

Elektrické spotřebiče (alespoň ty pro domácnosti) nejsou konstruovány na vysoké napětí (technické řešení, cena, bezpečnost). Proto je nutné v cílové oblasti vysoké napětí snížit na požadované napětí, pro případ domácností a běžné zástavby se jedná o nízké napětí 400 V se třemi vodiči.

Jaderná energetika

V jaderné energetice je využíváno exotermických procesů v jádrech atomů. V energetice se využívá energie uvolňované při štěpení jader atomů. Energetické využití energie uvolňované při jaderné syntéze lehkých jader (slučování lehkých jader tzv. termonukleární reakce) lehkých jader je v současnosti pouze předmětem výzkumu. Uvolňování velkého množství energie při jaderné syntéze se uplatnilo v neřízené podobě u termonukleárních zbraní:

Příklady jaderných reakcí, při kterých se uvolňuje energie.
30.232 Příklady jaderných reakcí, při kterých se uvolňuje energie.
(a) štěpná reakce; (b) jaderná syntéza jader vodíku.

Štěpná reakce byla objevena německých fyzikem Otto Hahnem (1879-1968) v roce 1938, a teoreticky správně zdůvodněna byla v témže roce rakouskou fyzičkou Lise Meitnerová (1879-1968) [39, s. 122]. Řízená štěpná reakce probíhá v palivu umístěného v jaderném reaktoru. První štěpný reaktor byl spuštěn 2. prosince 1942 v Chicagu, projekt řídil Enrico Fermi (1901-1954). Reaktor měl výkon přibližně necelý kilowatt:

1942 Chicago kresba zachycuje spouštění prvního jaderného reaktoru.
31.233 2 prosinec 1942 Chicago – kresba zachycuje spouštění prvního jaderného reaktoru.
Autor: Gary Sheehan (1957) [3].

První komerční jaderné elektrárny se začaly uvádět do provozu v padesátých letech dvacátého století. První jaderná elektrárna spuštěná v ČSSR byly Jaslovské Bohunice v roce 1972 (Slovensko, blok A1, palivo: přírodní uran). V současnosti jsou v ČR v provozu dvě jaderné elektrárny u Dukovan a u Temelína, jejich výkon představuje 22% celkového instalovaného výkonu a cca 30% procent netto vyrobené elektřiny v ČR (data platná k pololetí roku 2005).

Příklad tlakovodního reaktoru (VVER 1000), [11]. 32.234 Příklad tlakovodního reaktoru (VVER 1000), [11].

Tepelný výkon reaktorů se pohybuje od několik kilowatttů (experimentální) přes několik desítek megawattů (lodě, ponorky) až po jednotky GW (elektrárny).

Čerstvé palivo pro reaktory bývá obohacený přírodní uran, který není příliš nebezpečný (velmi nízká radioaktivita). Ale při štěpení vznikají radioaktivní produkty, které palivo "znečišťují" a jeho objem dělají nebezpečným radioaktivním odpadem. Tento odpad je nutné skladovat bezpečně i po dobu několika stovek tisíc let. Proto posledním vývojovým stupněm reaktorů založených na štěpení jader jsou rychlé reaktory schopné udržovat štěpnou reakci i v použitém palivu (tento typ jaderného reaktoru je zatím v provozu v Rusku – BN 600 a Francii – Superphénix). Tímto se podstatně snižuje objem nebezpečných látek nutné k dlouhodobému uskladnění.

V současnosti se také intenzivně pracuje na vývoji termonukleárního reaktoru. V červnu 2005 podepsali zástupci Evropské unie, USA, Japonska, Číny, Ruska a Jižní Koreje smlouvu o společné spolupráci na budování jaderného reaktoru založeného na principu jaderné syntézy pod pracovním názvem ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) o výkonu 500 MW:

Termonukleární reaktor typu TOKAMAK. 33.235 Termonukleární reaktor typu TOKAMAK.
Popis funkce termonukleárního reaktoru je uveden v [47, nad id79]. Obrázek [15].

Počátky přímé transformace sluneční energie

Je to hlavní a nezbytný zdroj energie, který se vyskytuje celoplanetárně. Vyjma jaderné, geotermální a slapové energie je to jediný zdroj energie, která je přeměňována přírodními procesy na další druhy energií, které člověk dále využívá (fosilní paliva, biomasa, vodní energie..).

Sluneční energie se na Zemi dostává ve formě elektromagnetického záření o vlnové délce odpovídající viditelnému spektru. Na hranici atmosféry Země dopadá přibližně 1350 W·m-2.

Sluneční energii lze pomocí technologií využívat i přímo a nespoléhat se tedy pouze na přírodní procesy (růst energetických plodin a pod.). Například ohřev vody pomocí solárních kolektorů už není výjimkou ani v našich zeměpisných šířkách. Možnou konstrukci stroje, který by využíval přímo sluneční energii na energii mechanickou představil John Ericsson v roce 1872. Jednalo se o sluneční parabolu v jejíž ohnisku byl Stirlingův motor. Realizace se tato koncepce dočkala v roce 1901 s tím rozdílem, že Stirlingův motor byl nahrazen parogenerátorem na výrobu páry pro parní stroj. Velice rychle se rozšiřuje i výroba elektřiny pomocí fotovoltaických systémů (přímá přeměna elektromagnetického vlnění na energii elektrickou):

Přímé využití slunečního záření pomocí Stirlingova motoru. 34.237 První sluneční parobola, USA, Pasadena, Calif 1901.
V ohnisku paraboly je umístě parogenerátor na výrobu páry pro parní stroj. Obrázek [16].

V současnosti přímá výroba energií ze sluneční energie netvoří podstatný podíl na celkové energetické výrobě, ale lze očekávat významný růst v této oblasti.

Pár slov na závěr

Mimo uvedené zdroje energií a nástroje k jejich transformaci existuje i mnoho dalších. Například vodíková energetika, geotermální energie a pod. Pro zajištění spolehlivých dodávek energie s ohledem na hospodářské, politické a ekologické dopady není důležité nalézt jeden dominantní universální zdroj, ale hledat rovnováhu mezi využíváním jednotlivých zdrojů a technologií tzv. energetický mix. V současnosti se toto potvrzuje především z geopolitického hlediska.

Odkazy

  1. PATURI, Felix, STRAUCH, Friedrich, HERHOLZ, Michael. Kronika Země, 2003. 3. vydání. Praha: Fortuna Print, ISBN 80 – 7321 – 070 – 3.
  2. THURSTON, Robert. A History of the Growth of the Steam-Engine, 1878. New York: D. Appleton and company, 549 AND 551 Broadway.
  3. Wikimedia Commons – uložiště volného multimediálního obsahu. [on-line]. [2013]. Dostupné z http://commons.wikimedia.org.
  4. ROSYPAL, Stanislav, a kol. Přehled biologie, 1994. 2. upravené vydání.Praha: Scientia, spol. s.r.o. pedagogické nakladatelství, ISBN 80 – 85827 – 32 – 8.
  5. SOULEK, Ivan, MARTINEK, Karel. Cyklistika, 2000. 1. vydání. Praha: Grada Publishing, spol. s. r. o., ISBN 80-7169-7169-951-9.
  6. JANOŠKA, Martin. Větrné mlýny v Čechách, na Moravě a ve Slezku, 2003. 1. vydání. Praha: Libri,ISBN 80-7277-153-1.
  7. ŠTĚPÁN, Luděk, KŘIVANOVÁ, Magda. Dílo a život mlynářů a sekerníků v Čechách, 2000. 1. vydání. Praha: Argo, ISBN 80-7203-254-2.
  8. KÓL, Přemysl. Statika hoření, Spalovací procesy, 2011. [on-line]. Dostupné z http://Spalovaci-procesy.wz.cz/Statika horeni.html.
  9. MILLER, Rudolf, HOCHRAINER, A., LÖHNER, K., PETERMANN, H. Energietechnik und Kraftmaschinen, 1972. Hamburg: Rowohlt taschenbuch verlag GmbH, ISBN 3-499-19042-7.
  10. ČEPS, a.s., 2012. Přenosové služby, systémové služby, tranzity elektřiny, vyhodnocování odchylek. Adresa: Praha 10, Elektrárenská 774/2, PSČ 101 52, http://www.ceps.cz.
  11. ČEZ, a.s., 2011. Majitel a provozovatel elektráren. Adresa: Praha 4, Duhová 2/1444, PSČ 140 53, Česká republika, http://www.cez.cz.
  12. HEBERT, Luke. The Engineer's And Mechanic's Encyclopaedia, vol 2, 1849. London: Thomas Kelly, 17, Paternoster Row.
  13. PARSONS, Charles. The Steam Turbine, 1911. Cambridge: Printed by John Clay, M.A. at the University Press 1911, kopie uvedena http://www.history.rochester.edu/steam/parsons, dostupnost 2010.
  14. NIETHAMMER, Friedrich. Ein- und Mehrphasen-Wechselstrom-Erzeuger, 1906. Leipzig: Verlag S. Hirzel.
  15. Project: International Thermonuclear Experimental Reactor. [on-line]. [2010]. Dostupný z http://www.iter.org.
  16. MILLARD, F. B. Harnessing the Sun, The World's Works, Nov. 1900 to April 1901, Vol. I.
  17. PACÁK, Josef. Úvod do studia organické chemie, 1982. 1. vadání. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, vydání první.
  18. HAU, Erich, Wind Turbines – fundamentals, technologies, Applications, Economics, 2006. 2. vydání. Springer Berlin Heidelberg New York, ISBN – 10-3-540-24240-6.
  19. HOBHOUSE, Henry. Šest rostlin, které změnily svět, 2004. Praha: Academia, ISBN 80-200-1179-X. Přeloženo z anglického originálu Seeds of Change, Six Plants That Transformed Mankind.
  20. HOCH, A., Vynálezy, které změnily svět, 1941. Druhé rozšířené vydání. Praha: Orbis. Vázaná kniha, 324 stran.
  21. JÍLEK, František, KUBA, Josef, JÍLKOVÁ, Jaroslava. Světové vynálezy v datech, 1980. 2. vydání. Praha: Mladá fronta. Vázaná kniha, 288 stran.
  22. BERNAL D. John. Věda v dějinách, 1960. První vydání. Praha: SNPL. Jedná se o český překlad anglického originálu Science in History, London: 1954, vydalo Watts and Comp.
  23. CARAS, Ivo. Střelivo, 1995. Příbram: ARS-ARM. ISBN 90-900833-8-2.
  24. VÍTEK, Aleš. Kde a jak bydlí webové servery v Česku, Computer, 2004 č. 21. Brno: Computer Press a.s., ISSN 1210-8790.
  25. NOŽIČKA, Jiří. Osudy a proměny trysky Lavalovy, Bulletin asociace strojních inženýrů, 2000, č. 23. Praha: ASI, Technická 4, 166 07.
  26. KALČÍK, Josef, SÝKORA, Karel. Technická termomechanika, 1973. 1. vydání, Praha: Academia.
  27. HYNEK, Vladimír, KLUČINA, Petr. Válečné lodě 2, 1986. Vydání I. Praha: Naše vojsko. 280 stran, 56 stran příloh.
  28. BLUNCK Richard. Hugo Junkers jeho život a dílo, 1942. Praha: Orbis.
  29. HOŠEK, Josef. Aerodynamika vysokých rychlostí, 1949. 1. vydání. Praha: Naše vojsko.
  30. FRIDRICH, Alexander. Neviditelná armáda, kniha o energii, 1942. Praha: Orbis.
  31. ELSNER, Norbert. Grundlagen der technischen thermodynamik, 1973. Akademie-Verlag, Berlin, 2., berichtige auflage.
  32. MISÁREK, Dušan. Turbokompresory, 1963. Vydání první. Praha: Statní nakladatelství technické literatury, n.p.
  33. BATHIE, William. Fundamentals of gas turbines, 1984. John Wiley&Sons, Inc. ISBN 0-471-86285-1.
  34. CONNER, Margaret. Hans von Ohain, Elegance in Flight, 2001. American Institute of Aeronautics and Astronautics, ISBN 1-56347-520-0.
  35. Autor neuveden. Early Gas Turbine History, [cit. 2013-08-26]. MIT Gas Turbine Laboratory, web: http://web.mit.edu/aeroastro/labs/gtl/early_GT_history.html.
  36. Autor neuveden. Origins of German jet power, 2007. [cit. 2013-08-27]. Web: http://cnnews.wordpress.com/2007/09/page/9/
  37. STEVER, Guyford, HAGGERTY James. Flight, 1966. První vydání. Time Inc.
  38. JONNESOVÁ, Jill. Říše světla, 2009. Vydání 1. Praha: Academia, ISBN 978-80-200-1664-5.
  39. EINSTEIN, Albert. Z mých pozdějších let, Jak vidím svět II, 1995. z anglického originálu Out of My Later Years. Praha: Lidové noviny. ISBN 80-7106-116-6.
  40. KUCHTA, Karel. Nouzové napájení elektrickou energií pro ostrovní provoz energetických zdrojů, Technický týdeník, č. 25, 2013. Praha: Business Media CZ, ISSN 0040-1064.
  41. SIEBERTZ, Paul. Gottlieb Daimler. 2. vyd. Přeložil Alois Adalbert HOCH. Praha: Orbis, 1942.
  42. DOBROVOLNÝ, Bohumil. Motory a pracovní stroje, 1962. Vydání první. Praha: SNTL.
  43. REMEK, Branko. Automobil a spalovací motor: historický vývoj, 2012. Praha: Grada. ISBN 978-80-247-3538-2.
  44. IBLER, Zbyněk, KARTÁK, Jan, MERTLOVÁ, Jiřina, IBLER, Zbyněk ml. Technický průvodce energetika-1. díl, 2002. 1. vydání. Praha: BEN-technická literatura, ISBN 80-7300-026-1.

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Historie transformačních technologií, Transformační technologie, 2006-08, [last updated 2016-10-27]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/01.html.

©Jiří Škorpík, LICENCE
reklama
www.transformacni-technologie.cz