Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Faktor čtyři v elektrotechnice (1)

Elektro 1/2001

prof. Ing. Václav Černý, CSc.

Faktor čtyři v elektrotechnice (1)

Cílem tohoto příspěvku je informovat o revolučním úsilí Římského klubu, vyjádřeném lapidárním heslem faktor čtyři. Tento program, zaměřený na odvrácení ekologické devastace a vyčerpání zásob surovin, usiluje o radikální zvýšení efektivnosti a nabízí dvojnásobný blahobyt při poloviční spotřebě energie a surovin. I v oblasti elektrotechniky jsou možnosti, které mohou podstatně přispět k revolučnímu zlepšení efektivnosti. Jistě jsme je všechny nevyčerpali nebo vyjádřili nedokonale, důležité však je nezůstat stát stranou a začít!

Panenskou přírodu může člověk jen zkazit.
Větru ani dešti neporučíš.
Neplýtvej!

                                    Ču-Li

1. Úvod
Člověk se stal zpupným, v bohy nevěří, přírodu devastuje, plýtvá, plýtvá, plýtvá! Člověk se opil průmyslovou revolucí. Americká národní strojírenská akademie v roce 1980 prokázala, že 98 % prodaných a spotřebovaných zdrojů se nikdy nepřemění v hotové výrobky a 80 % hotových výrobků se vyhodí po prvním použití. V odpad se do šesti týdnů změní 99 % materiálu použitého při výrobě a obsaženého ve výrobku.

Podobně je tomu u energie, vody a dopravy:

  • teplo uniká ze špatně utěsněných budov;
  • energie z velkých elektráren je často využita nedostatečně: v žárovce se na požadované světlo promění jen 3 % primární energie;
  • podobně v automobilu s benzinovým motorem se zmaří 80 až 85 % energie dříve, než se dostane ke kolům;
  • doprava je často úplně zbytečná: z Nizozemí se vozí rajčata do Maďarska a z Maďarska do Nizozemí.

Obr. 1.

Dominantním průmyslem je nyní výroba automobilů. Od roku 1973 do roku 1986 klesla spotřeba pohonných hmot amerických automobilů ze 17,8 na 8,7 l/100 km, tj. efektivita se zdvojnásobila. Od roku 1986 do roku 1991 však nastalo v tomto směru zlepšení o pouhých 10 %, přičemž experti tvrdili, že do konce tisíciletí je technicky možné přidat pouze dalších 5 až 10 %.

Proti americkým prognózám však nastoupila japonská a evropská realita. Honda Civic z roku 1992 spotřebuje 4,6 l/100 km a experimentální čtyřsedadlové až pětisedadlové Volvo a Peugot se při současné úrovni bezpečnosti, emisí a výkonu dostaly na 2 l a 3,5 l/100 km.

2. Římský klub a faktor čtyři

2.1 Římský klub
Římský klub je mezinárodní vědecké sdružení, jehož členové se zamýšlejí nad globálními perspektivami lidstva.

V roce 1972 vydal Římský klub publikaci Meze růstu, která kategoricky poukazuje na omezené možnosti přírodních zdrojů, na hrozivou populační explozi, neefektivní spotřebu a prudce se zhoršující devastaci životního prostředí. Prokazuje se, že pouze omezením spotřeby lze dosáhnout ekologické rovnováhy a trvale udržitelného rozvoje. Publikace Meze růstu kolovala již v roce 1973 mezi čtenáři v českých zemích, většinou společně se samizdatovými publikacemi. Bohužel se ještě dnes této problematice nevěnujeme dostatečně, a na té nejvyšší řídicí a rozhodující úrovni!

Na mezinárodním zasedání Římského klubu v roce 1995 v Madridu, kterého se zúčastnili i zástupci rozvojových zemí, byl projednán nový globální revoluční projekt nazvaný Faktor čtyři.

2.2 Co znamená faktor čtyři?
Autorem publikace Faktor čtyři je profesor biologie E. U. Weizsäcker z Essenu, působící jako ředitel centra OSN pro vědu a techniku v New Yorku, L. H. Lovisová a A. B. Lovins z Rocky Mountain Institut (RMI) v Coloradu.

Faktor čtyři lapidárně vyjadřuje reálnou možnost zečtyřnásobit produktivitu zdrojů, což znamená dvojnásobný blahobyt při poloviční spotřebě zdrojů.

Faktor čtyři (F4) tak udává nový směr technického pokroku: z jednoho barelu ropy nebo jedné tuny surovin je možné získat čtyřnásobný prospěch.

Současně je zřejmé, že:

  • bez celosvětového zvyšování blahobytu nelze překonat zvyšující se politické napětí a hrozivě se rozšiřující světovou chudobu,
  • bez omezování spotřeby přírodních zdrojů nelze dosáhnout ekologické rovnováhy a trvale zajistit přijatelné životní podmínky. Všimněme si pouze jednoho z důležitých kritérií, emise CO2. Tyto emise by bez regulace vzrostly v roce 2045 na dvojnásobek oproti roku 1995 (obr. 1). Je však nutné je čtyřnásobně snížit!

Obr. 2.

Navrhovaný projekt je nejen proveditelný, ale i rentabilní, což již začínají tušit i ty koncerny, jejichž jediným měřítkem je pouze zisk.

Ale ani jedinec své zvyky nezmění, nemá-li hmotnou nebo mravní motivaci. F4 i v tomto případě působí na obě tyto složky. Revoluční je tento projekt i tím, že je nutné ho realizovat dříve, než bude pozdě. Nyní ho lze uskutečňovat beze ztrát, dokonce se ziskem.

2.3 Jak dosáhnout F4?
Aby mohl být celosvětově dosažen F4 ve využívání energie a materiálů, je nutné v některých oborech zvýšit desateronásobně i vícenásobně efektivitu. Ovšem vyskytují se i činnosti či resorty, v nichž je možné zvýšit efektivitu jen o několik málo procent. Týká se to např. současných elektrárenských rotačních generátorů.

Podobně je tomu při elektrolýze chloru, pálení cihel, výrobě hnojiv a tavbě hliníku. (Přitom např. hliník je možné jednoduše recyklovat s vynaložením pouhé desetiny energie potřebné k jeho výrobě z bauxitu, spotřebu hnojiv lze omezit na zlomek nynější spotřeby atd.)

Naopak v řadě oborů lze F4 zvýšit podstatně více: u automobilů, domů, potravin, domácích spotřebičů, kancelářských strojů atd.

Teprve všechny tyto změny podmiňují možnost osvobodit energetiku od závislosti na uhlí a jaderné energii. Investice do efektivnosti využívání zdrojů by se měly přednostně daňově zvýhodnit. Očekává se i obchod s ušetřenými zdroji (tzv. negawatty).

Měřítkem úspěchu dosud je hrubý domácí produkt. Toto kritérium je nutné doplnit, ne-li zcela opustit. Volný trh a trvalá ochrana životního prostředí musejí fungovat vedle sebe, přičemž volný trh musí jen ustupovat.

Strukturální změny zasahují všechny hospodářské oblasti. Na těchto stránkách však můžeme stručně probrat pouze trendy, které se týkají oboru elektrotechnika. Podle potřeby se jen okrajově zmíníme o návazných oblastech.

3. Hybridní pohon automobilů

F4 lze dosáhnout i v dominantním automobilovém průmyslu, jestliže snížíme hmotnost vozidla a využijeme brzdnou energii.

3.1 Zmenšení hmotnosti
Hmotnost automobilu lze třikrát až čtyřikrát zmenšit zavedením nových materiálů na bázi uhlíku. Čtyřsedadlový až pětisedadlový automobil může mít hmotnost pouhých 400 kg.

Obr. 3.

V roce 1991 představila firma General Motors studijní čtyřsedadlový model „ultralit“ z uhlíkatých vláken. Při spotřebě 2,5 l/100 km byla zachována vysoká technická bezpečnost, vysoký komfort, elegantní vzhled a „sportovní charakter“ vozu. Zrychlení z 0 na 100 km/h během 8 s odpovídá zrychlení dvanáctiválcového BMW s výkonem 83 kW. Přitom je motor „ultralitu“ menší než motor Honda Civic.

3.2 Využití brzdné energie hybridním pohonem
Brzdnou energii lze naakumulovat elektricky. Hybridní pohon vznikne kombinací spalovacího motoru, baterie a elektrického stroje, který může pracovat jako generátor i jako motor. Takto lze při stoupání a zrychlování zužitkovat až 75 % brzdné energie.

Na obr. 2 je příklad paralelního hybridního pohonu. Tento elektronicky řízený pohon má jen malý elektrický stroj a malou baterii. Takové řešení vyžaduje úzkou spolupráci projektantů spalovacího stroje a elektronického pohonu. Elektrický stroj působí přímo na hřídelovém vedení mezi spalovacím motorem a převodovkou. Setrvačník ze šedé litiny S je otočně umístěn na hřídeli spalovacího motoru, po obvodu má vytvořeny zuby a je zároveň rotorem speciálního synchronního stroje. Stator EM segmentového tvaru má kombinované buzení: elektrické a permanentními magnety. Tento typ hybridního pohonu je výhodný zejména v městském provozu, v němž je spotřeba primární energie přibližně poloviční (obr. 3).

Podle analýzy RMI lze kombinací ultralehkosti a hybridního pohonu zvýšit efektivnost čtyřmísného až pětimístného automobilu až pětkrát. Tak by vznikl jakýsi „hyperautomobil“, jenž splňuje podmínky F4.

Kdybychom „ultralit“ firmy GM vybavili hybridním pohonem, zvýšila by se jeho účinnost ne dvakrát až třikrát, ale čtyřikrát až šestkrát, tj. spotřeba by klesla na 1,2 až 2,1 l/100 km. V RMI poté navrhli čtyřmístný až pětimístný rodinný automobil se spotřebou 0,4 až 1,6 l/100 km. Byl dokonce tak jednoduchý, že by mohl být vyráběn snadněji a levněji než dosavadní vozy z oceli, které vyžadující složité postupy při lisování, svařování a lakování.

V posledních dvou letech klesla cena materiálů z uhlíkatého vlákna čtyřikrát a již nyní se stává vážným konkurentem oceli.

Hyperautomobily při provozu znečišťují okolní prostředí méně než elektrárny, které produkují elektrickou energii potřebnou pro jejich výrobu. Legislativní deklarace hyperautomobilů jako „dopravních prostředků bez emisí“ by mohla být důležitým podnětem pro jejich výrobu. Některé prognózy v USA předvídají, že po roce 2005 bude mít většina nových automobilů hybridní pohon.

4. Elektrické spotřebiče v budovách

Obr. 4.

4.1 Zmínka o architektuře a vzduchotechnice
Superokna jsou klíčem ke snížení spotřeby energie v budovách. Neviditelné technologicky špičkové (high-tech) vrstvy propouštějí viditelné paprsky a odrážejí infračervené záření. Pro různé světové strany jsou k dispozici různě orientované typy, navíc i typy smíšené (obr. 4). V Rocky Mountains v Coloradu ve výšce 2 200 m nad mořem vybudoval RMI tzv. pasivně solární dům s banánovou farmou. Vnější teplota je zde až –44 °C, pouze 52 dnů v roce nemrzne. Kamna na dřevo uhradí 1 % tepelné energie, kterou potřebuje běžný dům v okolí. Zbylá energie je tzv. pasivně sluneční. Superokna propouštějí dovnitř tři čtvrtiny viditelných paprsků a polovinu sluneční energie, nenechají však uniknout téměř žádné teplo. Pěnová izolace stěn a střech omezuje v těchto prostorách tepelné ztráty na polovinu. Čerstvý vzduch proudí z výměníků tepla, které zužitkovávají tři čtvrtiny tepla z odpadního vzduchu. Celé zařízení bylo levnější než tradiční budova, protože nebyly nutné náklady na konvenční topení a rozvody.

4.2 Domácí spotřebiče
30 až 50 % elektrické energie v průmyslově vyspělých zemích spotřebují domácí a drobné spotřebiče v soukromém sektoru i v sektoru služeb. V Dánsku je to 45 %. Dánská Technická univerzita publikovala v roce 1989 studii, podle které lze stejného výkonu na chlazení, úklid, vaření a filtraci vzduchu dosáhnout jen s 26 % současné spotřeby, což je téměř splnění požadavků F4.

V roce 1988 byla průměrná spotřeba dánských dvousetlitrových chladniček asi 350 kW·h/rok. Nové modely chladniček z téhož roku již byly vybaveny dokonalejší izolací, kompresory, chladicími látkami i regulací, a proto vyžadovaly pouze 90 kW·h/rok. Další zlepšení motorů a využití vnějšího vzduchu v zimě znamená pokles spotřeby na 50 kW·h/rok, aplikací vakuové technologie RMI dokonce na 30 kW·h/rok.

Průměrná pračka na čtyři kilogramy prádla používaná dvěstěkrát za rok spotřebovala v roce 1988 400 kW·h. Spotřeba nového modelu z téhož roku činila pouze 240 kW·h/rok, vylepšený prototyp pouze 115 kW·h/rok. Využitím odpadního tepla a „inteligentní“ regulací dávkování pracího prostředku lze spotřebu snížit na 40 kW·h/rok. Podobně je tomu u myček a sušiček. V roce 1988 činila v Dánsku průměrná spotřeba elektrických sporáků 700 kW·h/rok, na trhu však již byly nové modely se spotřebou 400 a 280 kW·h/rok.

Zdánlivě zanedbatelným spotřebičem je oběhové čerpadlo teplé vody v ústředním topení. V Dánsku byla nejběžněji používána čerpadla o příkonu 65 W, ačkoliv z fyzikálního hlediska je potřebný výkon pouze 1 W. Menší a levnější čerpadla s příkonem 20 W a zlepšená regulace redukovaly jejich spotřebu ze 400 kW·h/rok na 100 kW·h/rok. Prototyp o příkonu 10 W a 5 W, v němž je použita nová generace elektromotorů, dovoluje dále snížit spotřebu na 50 kW·h/rok. Špatnou účinnost mají ventilátory, zejména malé. Účinnost běžných bytových ventilátorů pro koupelnu nebo digestoř je pouze 1 až 4 %. A přitom ve velkoměstech jich jsou statisíce! Pro současnou technologii by nemělo být problémem nahradit tyto motorky se stíněnými póly modernějšími motorky s účinností alespoň desetkrát vyšší! I centrální větrací systémy by modernizací mohly uspořit až 85 % elektrické energie. Ve velkých budovách v Singapuru dosahují tyto systémy účinnosti až 90 %; přitom jsou levnější než ty tradiční.

Podle dánských studií z roku 1988 by mohla uvedenými, již v současné době řešitelnými a přitom rentabilními inovacemi klesnout spotřeba domácích spotřebičů o 74 %, což již splňuje požadavky F4. A to bylo před deseti lety! Dánský model se od evropské i naší reality pravděpodobně mnoho neliší, mohl by být i pro naše výrobce pobídkou k tomu, aby nezaspali.

Obr. 5.

4.3 Světelné zdroje
Rozhodujícím parametrem světelných zdrojů je jejich účinnost, tj. poměr vyzářeného světelného toku (lm) ke spotřebovanému příkonu (W) čili měrný výkon zdroje udaný v lm/W. Na obr. 5 jsou měrné výkony jednotlivých skupin světelných zdrojů dosahované v současné době.

Obyčejné žárovky, vyráběné téměř beze změn již 60 let, jsou výsměchem efektivnosti: pouze 10 % spotřebované energie vyzařují v podobě světla. Ročně se jich ve světě prodá deset miliard! Více než 50 % elektrické energie používané pro osvětlení v rozvojových a postkomunistických zemích „zhltají“ právě obyčejné žárovky. V USA je to jen o málo méně, zato každý Američan často i tehdy, když není doma, svítí ve všech místnostech.

Halogenové žárovky mají oproti klasickým žárovkám dvakrát až třikrát lepší účinnost. Lze je aplikovat pro běžné napětí 220 V nebo – v případě reflektorových žárovek pro malá svítidla – pro napětí 12 V. Pro tyto typy svítidel jsou zvláště výhodné halogenové žárovky se studeným světlem nebo dichroickým zrcadlem, které usměrňuje viditelné záření na osvětlované místo a infračervené záření propouští směrem k objímce.

Kompaktní zářivku (obr. 6) je možné zašroubovat přímo do objímky místo obyčejné žárovky, čímž se dosáhne značné úspory elektrické energie: kompaktní zářivka o příkonu 20 W svítí stejně jako žárovka o příkonu 100 W, je ovšem podstatně dražší. Naproti tomu život kompaktní zářivky je 10 000 až 16 000 h oproti 1 000 h života klasické žárovky. Jsou-li kompaktní zářivky vybaveny elektronickými předřadníky, je eliminována i hlavní nevýhoda provozování zářivek, totiž zkracování délky života jejich častým zapínáním. Na obr. 7 je srovnání provozních nákladů kompaktní zářivky Wetra-XT 20 W, která se v ČR prodává za 312 Kč, a obyčejné žárovky 100 W. Dvě stě miliónů kompaktních zářivek, kterých bylo v roce 1994 ve světě prodáno, ušetří během svého života pět miliard dolarů. Tyto zářivky nahradí dvě miliardy obyčejných žárovek, což je pětina všech prodaných žárovek na světovém trhu. Kromě úspor elektrické energie vznikají použitím zářivek i úspory v údržbě osvětlení (obyčejné žárovky, které je třeba desetkrát častěji vyměňovat, se mnohdy při demontáži rozpadnou, „zapečou“ a poškodí celé svítidlo). Továrna, která vyrobí 5 000 kompaktních zářivek za den, má investiční náklady 7,5 miliónu dolarů. Vyrobené zářivky však při provozu ušetří několik elektrárenských bloků, které by stály čtyřikrát více.

Lineární zářivky jsou oproti žárovkám podstatně úspornější; v závislosti na typu použitého luminoforu lze dosáhnout různého barevného podání vyzařovaného světla a různé účinnosti zářivky. Pokrok v oblasti luminoforů a použití elektronických předřadníků způsobily, že měrný výkon zářivek v současné době dosahuje již více než 100 lm/W.

Ke zlepšení účinnosti osvětlení lineárními zářivkami lze dále přispět:

  • konstrukčním zdokonalením svítidel, v nichž jsou osazeny,
  • použitím dokonalejších typů luminoforů,
  • použitím elektronických předřadníků,
  • častějším čištěním svítidel,
  • náhradou starších typů zářivkových trubic za novější (ve stávajícím svítidle), menšího průměru, které při stejném příkonu produkují až o čtvrtinu světelného toku více.

Obr. 6.

Vysokotlaké výbojky se obvykle používají pro velké světelné soustavy, např. pro osvětlování průmyslových, venkovních a sportovních ploch, a pro zvláštní účely. Nejnovější typy vysokotlakých výbojek nízkých příkonů (35 W, 50 W, 75 W) se s úspěchem využívají pro osvětlování interiérů, např. obchodních hal, galerií apod. Vysokotlaké výbojky se vyrábějí v několika typových provedeních: rtuťové, halogenidové, sodíkové a xenonové. Všechny typy mají několikrát větší účinnost oproti obyčejným žárovkám. Jejich použití závisí na typu a charakteru osvětlovaného prostoru a požadavku na věrnost barevného podání. Pro jejich návrh je nutné provést výpočet v rámci světelnětechnického projektu.

4.4 Počítače
První počítač v Praze, který jsem viděl, byl reléový, tedy elektromechanický. Později se říkalo, že už měl umělou inteligenci a sám raději shořel.

Elektronkový počítač v jednom domě v Dlouhé třídě, který kdysi patřil zednářské lóži, jsem pomáhal asi v roce 1967 likvidovat. Měl tisíce destiček s klopnými elektronkovými obvody (ECC 2l), a jenom pro žhavení byl potřebný příkon asi 70 kW.

mají potřebný příkon podstatně menší, a zdálo by se, že se současným stavem počítačové techniky můžeme být spokojeni a že energetické nároky jsou zanedbatelné. Opak je pravdou!

Obr. 7.

Spotřeba elektrické energie pro počítače a související vybavení vzrůstá velmi rychle a nad efektivností se mnoho neuvažuje.

Zapnutý stolní počítač staršího typu vyžaduje trvalý příkon 150 W. Novější model s méně energeticky náročným monitorem má za 24 h spotřebu jen asi čtvrtinovou. Pět let staré harddisky spotřebují pětkrát až šestkrát více energie než současné, které jsou rychlejší a lepší. Pomalu se aplikují technologie používané pro přenosné počítače s minimalizovanou spotřebou. Moderní laptop (přenosný počítač) se stejným výkonem jako stolní počítač, má příkon jen 1,5 W, tj. 1 % spotřeby staršího stolního typu.

Velké rezervy jsou ve vnitřní organizaci spotřeby. Měřeno počtem úhozů, není 90 % provozního času využíváno. Existují však technické prostředky a software, které přepínají do stavu „spánek“ i během velmi krátké doby mezi dvěma údery do klávesnice. Takovéto zařízení by stolní počítače nijak neprodražilo.

Drahé jsou ploché obrazovky, které se používají u laptopů. Pokles ceny však lze brzy očekávat. Většina výrobců vyrábí stolní i přenosné počítače a z velké části používá pro oba druhy stejné součásti. Hlavní rozdíl je v typu obrazovky a v prostoru pro programové a paměťové rozšíření. Přenosné počítače mají významné přednosti: jsou malé, nejsou zapotřebí náklady na náhradní zdroje (UPS) a na kabely. Nyní lze vyrobit stolní osobní počítač, který by ušetřil 95 % příkonu! Měl by kompaktní podobu, plochou barevnou obrazovku, otvory velikosti kreditní karty pro rozšíření funkcí a přitom vyšší výkon. Nové čipy a mechanika mohou v současné době být již tak efektivní, že nevyžadují chlazení ventilátorem. Počítač bez větrací mřížky by nebyl ohrožován prachem a byl by méně poruchový. Takovýto počítač by ušetřil 95 % i více energie. Cena by byla jen o desítky procent vyšší.

Co tomu brání? Hlavní brzdou je krátkozraká ziskuchtivost výrobců. (Ale jeden chytrý to určitě začne.)

Na počítač navazují další přístroje. Inkoustové tiskárny a faxy spotřebují o 90 % méně elektrického proudu ve srovnání s laserovými, přitom pro většinu účelů jsou dostačující. Kromě toho jsou menší, lehčí, spolehlivější, a navíc je jejich cena asi poloviční. Podobně lze ušetřit desítky procent energie při používání kopírovacích strojů. Prášek z toneru lze přenášet na nevyhřívaný válec kompresním zahušťovacím válcem, toner lze přenášet i ultrafialovými paprsky apod.

Obr. 8.

Celkové energetické úspory týkající se počítačů a kancelářského vybavení by v ČR mohly dosáhnout několik stovek megawattů!

5. Elektrické motory
Elektrické motory spotřebují více než polovinu světové výroby elektrického proudu. Jejich účinnost je všeobecně považována za velmi dobrou. Ale ani toto není plně pravda, jak potvrzuje následující příklad:

Malé motorky se stíněnými póly mají účinnost menší než 10 %. Přitom ve světě jsou jich provozovány milióny, např. jako pohony malých ventilátorků pro koupelny nebo digestoře. Bylo by možné je nahradit již nyní motorky s příkonem podstatně menším a účinností podstatně vyšší. Například parametrické motory [5] stejného výkonu mohou mít účinnost několikrát vyšší.

Čínský inženýr Lee Eng Lock ze Singapuru vypracoval v roce 1989 pro RMI studii [1], v níž předkládá řešení, jak efektivněji vytvořit pohony s elektrickými motory a uspořit až 50 % elektrické energie. Navrhovaná zlepšení účelněji řeší systémy přívodu, systémy převodu točivého momentu na poháněný stroj (mj. minimalizací ztrát třením), systémy řízení a výběr druhu a velikosti motoru. Náklady na navrhovaná zlepšení by se v podobě úspor vrátily během jednoho roku. Realizace tohoto projektu by znamenala úsporu jedné čtvrtiny vyráběné elektřiny.

Připomeňme stručně, čím lze zvyšovat účinnost elektrických točivých strojů obecně, tj. motorů i generátorů:

  • zvýšením otáček,
  • zmenšením činných ztrát, zejména použitím supravodivých materiálů,
  • zmenšením ztrát v magnetických obvodech, např. využitím permanentních magnetů,
  • zmenšením ztrát třením, zejména v ložiskách a převodech,
  • zvětšením podílu hmotnosti „aktivního vinutí“ k celkové hmotnosti stroje. Je třeba objasnit význam „aktivní vinutí“. Na vodič, ve kterém teče elektrický proud, působí v magnetickém poli síla, která je úměrná magnetické indukci B, proudu I a délce vodiče l:
F = B I l (N; T, A, m)

Obr. 9.

Pro přeměnu elektrické energie na energii mechanickou a naopak má tedy význam pouze ta část stroje, kterým tento proud protéká, tj. „aktivní vinutí“. Například u klasického elektrického stroje s válcovým ferromagnetickým rotorem a vodiči umístěnými v drážce představuje „aktivní vinutí“ jen asi 1 % hmoty celého stroje.

U diskového alternátoru, patentovaného v roce 1987 americkou společností EML/KAMAN [6] (obr. 8 a obr. 9), je tento podíl plných 50 %! Hliníkové rotorové lamely jsou proloženy izolačními vrstvami a tvoří kompaktní rotující disk. Vinutí statoru nemá železné obvody. Takové uspořádání stroje je velmi výhodné i pro aplikaci vysokoteplotních supravodičů. Původně byl stroj navržen pro pulsní provoz a mohutné výkony, ale je jednou z nejvýhodnějších konfigurací i pro velké a malé pohony. Hodí se mj. pro pohon lodí, automobilů i pro miniaturní magnetofony a kancelářské stroje.

(pokračování)

Literatura:

[1] WEIZSÄCKER, E. U. – LOVINS, A. B. – LOVINSOVÁ, L. H.: Faktor čtyři. Překlad z němčiny. Ministerstvo životního prostředí ČR, 1996.

[2] FRIESE, W.: Motorová vozidla s hybridními pohony. ELEKTRO, 1996, č. 7, s. 228-231.

[3] Kompaktní zářivky Wetra. ELEKTRO, 1998, č. 2, příloha s. 1.

[4] HABEL, J. a kol.: Světelná technika a osvětlení. Praha, FCC PUBLIC 1995.

[5] ČERNÝ, V.: Parametrické motory. ELEKTRO, 1998, č. 7-8, s. 3-6.

[6] ČERNÝ, V.: Diskové alternátory velkých výkonů. EOm 1990, č. 4, s. 239-240.