Energija-Ekonomija-Ekologija-5-2009

List Saveza ener geti~ara geti~ara Broj 2009. Broj 5 / Godina XI / Decembar Decembar 2009. UDC 620.9 620.9

ISSN br. 0354-8651

ekonomija ekologija

ekonomija ekologija

energija

REČ GLAVNOG I ODGOVORNOG UREDNIKA Da bi časopis ENERGIJA bio sadržajan i tematski bogat neophodno je da se stalno proširuje krug saradnika i čitalaca koji će obaveštavati o novostima iz njihovih organizacija i institucija, o ostvarenim rezultatima i uspesima u oblasti energetske privrede. Svi smo jednodušni u oceni da časopis treba da bude bogatiji u stručnim prilozima, da broj rubrika treba stalno povećavati, da kroz sažete informacije afirmiše ostvarene rezultate u zemlji i inostranstvu. Međutim sa žaljenjem moram da konstatujem da časopis retko prima priloge i informacije od svojih čitalaca, i pored stalnih apela i poziva za saradnju. Naša je želja da otvorimo nove rubrike kao što su»Informacije iz naših preduzeća», »Novosti iz regiona i sveta», »Drugi pišu», «Novi proizvodi i tehnologije», «Prikaz knjiga i disertacija iz energetike» i dr. Da bi smo to ostvarili neophodna je Vaša pomoć i stalna saradnja. Redakcija ostaje otvorena za tu saradnju i unapred je zahvalna za svaki prilog i informaciju. Samo uz Vašu pomoć zajednički ćemo se izboriti za sve sadržajniji i kvalitetniji časopis. Takođe, iako je časopis ENERGIJA jedini u oblasti kompleksne energetike u Srbiji, nije dovoljno izražen interes energetskih kompanija, proizvođača opreme i uređaja i izvođača radova, za oglašavanje u njemu. Time gube šansu da oglašavanjem i reklamiranjem obaveste potencijalne investitore, kojih će biti sve više, o svojim mogućnostima projektovanja, izvođenja i izrade energetskih instalacija i postrojenja. Imajući u vidu da vršimo i razmenu našeg časopisa sa mnogim zemljama regiona i sveta, oglašavanjem se stvara mogućnost informisanja stručne javnosti tih zemalja o mogućnostima naših preduzeća, a time i lakši prodor na njihova tržišta. Beograd, januar 2010. godine

Glavni i odgovorni urednik Prof. dr Nenad Đaji

ekonomija ekologija

energija

Energija/Ekonomija/Ekologija

IZDAVA^KI SAVET

Broj 5, mart 2009.

Dr Petar [kundri}, ministar rudarstva i energetike Mr Boìdar \eli}, ministar za nauku i tehnolo{ki razvoj Mr Mla|an Dinki}, ministar ekonomije i regionalnog razvoja Dr Oliver Duli}, ministar ìvotne sredine i prostornog planiranja Dr Kiril Krav~enko, gen.direktor NIS ad Milo{ Bugarin, predsednik PKS Dragomir Markovi}, gen.dir. JP EPS-a Dr Dimitrij Mali{ev, predsednik UO NIS a.d. Dr Aca Markovi}, predsednik UO EPS Prof. dr Milo{ Nedeljkovi}, dràvni sekretar Du{an Mraki}, dràvni sekretar Prof.dr Ivica Radovi}, dràvni sekretar Dr Slobodan Ili}, dràvni sekretar Neboj{a ]iri}, dràvni sekretar Ljubo Ma}i}, direktor Agencije za energetiku Srbije Dr Milo{ Milankovi}, gen.dir. JP Elektromreà Srbije Du{an Bajatovi}, gen.dir. JP Srbijagas Sr|an Mihajlovi}, gen.dir. JP Transnafta Mr Zlatko Dragosavljevi}, gen. dir. JP PEU Branislava Mileti}, gen.dir. EP Republike Srpske Drago Davidovi}, predsednik SE Republike Srpske Dr Tomislav Simovi}, gen.dir. Montinvest ad Dr Vladan Pirivatri}, gen.dir. Energoprojekt Holding Zoran Predi}, gen.dir. JKP Beogradske elektrane Dr Bratislav êperkovi}, predsednik UO JP Transnafta Stevan Mili}evi}, direktor PD EDB, doo Petar Kneèvi}, dir. PD TENT, d.o.o. Dragan Stankovi}, direktor PD HE \erdap, d.o.o. Mijodrag îtakovi}, dir. PD Drinsko-Limske HE Dragan Jovanovi}, dir. TE-KO Kostolac Predrag Radanovi}, iz.direktor NIS Naftagas Arkadij Jerizarjan, iz.direktor NIS Petrol Sa{a Ili}, iz.direktor NIS TNG Slobodan Mihajlovi}, direktor PD Elektrosrbija, d.o.o. Neboj{a ]eran, direktor PD RB Kolubara, d.o.o. Tomislav Papi}, direktor PD Elektrovojvodina, doo Milo{ Samardì}, direktor PD Panonske TE-TO Janko ôbrda, direktor Novosadske toplane Dragoljub Zdravkovi}, direktor PD Jugoistok, d.o.o. Boban Milanovi}, direktor PD Centar, doo Ra{a Babi}, direktor Termoelektro, ad Dr Nenad Popovi}, ABS Holding

Osniva~ i izdava~ Savez energeti~ara Predsednik SE Prof. dr Nikola Rajakovi} Sekretar SE Nada Negovanovi} Glavni i odgovorni urednik Prof. dr Nenad \aji} Adresa Redakcije Savez energeti~ara 11000 Beograd Knez Mihailova 33 tel. 011/2183-315 faks 011/2639-368 E-mail:[email protected] www.savezenergeticara.org.rs Kompjuterski prelom EKOMARK Dragoslav Je{i} [tampa „Akademska izdanja“, Beograd Godi{nja pretplata - 8.000,00 dinara - za inostranstvo 16.000,00 dinara Teku}i ra~un SE broj 355-1006850-61

Radovi su {tampani u izvornom obliku uz neophodnu tehni~ku obradu. Nijedan deo ove publikacije ne moè biti reprodukovan, presnimavan ili preno{en bez prethodne saglasnosti Izdava~a.

Milorad Markovi}, predsednik HK Minel Marko Pejovi}, potpredsednik SE Dr Dragan Kova~evi}, gen.dir. EI „Nikola Tesla“ Dr Vladan Batanovi}, gen.dir. Institut „Mihajlo Pupin“ Dr Zlatko Rako~evi}, gen.dir. Instituta Vin~a Prof.dr Miodrag Popovi}, dekan Elektrotehni~kog fakulteta Beograd Prof.dr Du{an Gvozdenac, Tehni~ki fakultet Novi Sad Prof.dr Milun Babi}, Ma{inski fakultet u Kragujevcu Dr Svetislav Bulatovi}, EFT Group Slobodan Babi}, Rudnap Group Dr Vladimir @ivanovi}, SE Dragojlo Baàlac, SE REDAKCIONI ODBOR Slobodan Petrovi}, sekretar Odbora za energetiku PKS Prof. dr Ozren Oci} Prof.dr Petar \uki}, TMF Dragan Nedeljkovi}, novinar Dr Vojislav Vuleti}, gen.sek. Udruènje za gas Radi{a Kosti}, direktor Elektroistok izgradnja Savo Mitrovi}, direktor Sever Subotica Dr Branislava Lepoti}, dir. JP Transnafta Mom~ilo Cebalovi}, dir.za odnose s javno{}u EPS Dr Predrag Stefanovi}, Institut Vin~a Dr Du{an Unkovi}, NIS a.d. Jelica Putnikovi}, novinar Miroslav Sofroni}, PD TENT d.d. Mile Danilovi}, dir. Termoelektro Enel Prof.dr Vojin ôkorilo, RGF Krstaji} Sekula, novinar Roman Muli}, SE Rade Borojevi}, Privredna komora Beograda Nikola Petrovi}, dir. ENERGETIKA d.o.o.

ekonomija ekologija

energija

Sadràj [005] M. Sre}kovi}, A. Kova~evi}, A. Milosavljevi}, S. Ostoji}, S. Jevti},

D. Kneèvi} Energetika, kvantna elektronika, nelinearna optika i laserska tehnika [018] T. Milanov Tri razli~ita dugoro~na re{enja na konzumu «Elektrodistribucije Beograd» u izgradnji elektrodistributivne mreè u naseljima sa vi{e od 20.000. stanovnika [029] N. Markovi}, M. Vuji~i}, D. Radosavljevi} Kompromisno rangiranje u funkciji analize niskonaponske mreè razli~itih grupa potro{a~a za razli~ite tipove elektrifikacije gradskog podru~ja [032] D. Vukoti}, T. Milanov Dùlovi gubici u niskonaponskim, srednjenaponskim i visokonaponskim mreàma na konzumu „EDB“ [044] A. Milosavljevi}, Z. Stameni}, S. Uzelac, R. Vrane{, S. Poli}-Radovanovi}, B. Gruji} Vi{ekomponentne legure aluminijuma, primena u energetici i ispitivanju [048] A. Todorovi}, B. Grgur Odre|ivanje elektri~ne provodljivosti vodenog rastvora kalijum hidroksida i litijum- hlorida modeliranjem sistema diferencijalnim jedna~inama [054] A. Todorovi}, B. Grgur Tehno-ekonomski efekti ostvareni paralelnim vezivanjem nikalkadmijum akumulatora [059] D. @. \urdjevi}, M. Jevti} Issues and Prospects of Solar Power Engineering

ekonomija ekologija

energija

[067] S. Dragi}evi}, M. Lambi}

Energetski efikasno kori{}enje masivnog aktivnog solarnog zida za grejanje prostora i akumulaciju energije [071] S. ]ur~i}, S. Dragi}evi}, D. Labovi} Logisti~ki sistemi za kori{}enje biomase i otpadnog drveta kao energenata u komunalnim sistemima [077] M. B. Jevti}, N. Stojni} Istraìvanje nove originalne metode elektri~nog impulsnog pra`njenja u vodi za revitalizaciju drenova filtera Ranny bunara [084] D. \ukanovi}, D. Ze~evi}, M. Popovi} Rekultivacija degradiranog zemlji{ta na povr{inskom kopu kamenog uglja Progorelica, Ibarski rudnici kamenog uglja - Baljevac [087] S. \uri} Eksperimentalno ispitivanje odsumporavanja dimnih gasova suvim postupkom pomo}u kre~a

energija

M. Sre}kovi}, Elektrotehnički fakultet Univerziteta u Beogradu, Beograd A. Kova~evi}, Institut za fiziku, Zemun A. Milosavljevi}, Mašinski fakultet, Beograd S. Ostoji}, Tehnološko-metalurški fakultet Univerziteta u Beogradu, Beograd

S. Jevti}, Arhi.pro d.o.o, Beograd D. Kneèvi}, VTI, Beograd UDC:620.9 : 620.1.08

Energetika, kvantna elektronika, nelinearna optika i laserska tehnika Uvod Mnogo je napisanih i izgovorenih misli i reči, koje savremenici nisu uzimali ozbiljno, dok se nisu susreli sa posledicama.To su iskusili mnogi, pa i naš Nikola Tesla. Danas se čovečanstvo bori za kvalitet vazduha, vode, šuma i Kosmosa i traži konstantno nove izvore energije. Izvori, koji su nekada stavljani u kategoriju (školski): nekonvencionalni izvori energije, sada postaju “sasvim obični”. I dalje se vrše analize i vode diskusije na temu kvalitetnih izvora, kvalitetnih smerova kretanja pretvaranja energije i u kategoriji koherentno-nekoherentno, filozofski-tehnički i teoretski shvaćeno, koherentnoj energiji bi trebalo da pripadne sofisticirano visoko mesto po “kvalitetu”. Takvi su i svi stimulisani procesi i kvantni generatori [1–4]. Odnosi energetika-kvantna elektronika-nelinearna optika i laserske tehnike su složeni i prepliću se [3–6]. Jedni ne mogu bez drugih. Pitanja pumpe (napajanja kvantnih generatora), ako se ne poveže sa ne tako čestim tehničkim rešenjem napajanjem putem solarne energije ili prirodnih nuklearnih zračenja, traži specifične visokonaponske generatore i postrojenja, zavisno od opsega elektromagnetnog zračenja u kome je postignuto stimulisano zračenje, zadire u razne oblasti fizike i tehnike (uključujući nuklearnu tehniku, reaktore, itd.) Tako se i kvantni generatori-laseri povezuju sa problemima energetike i traženja teorijskih i optimalnih praktično izvodljivih koncentratora sunčevog zračenja i specifične aktivne materijale (rešenja su vezana i za aktivne materijale kojima pripada sredina CO).

Elektično aktivni oblak sa grmljavinom može da se posmatra kao elektrostatički generator, koji lebdi u atmosferi sa malom električnom provodnošću. Nalazi se između dva koncentrična provodnika površine Zemlje i visokojonizovanog sloja atmosfere na visinama 50-60km. D. J. Malan, 1967. Iniciranje munje po volji na određenom mestu i u određeno vreme je stari Prometejev san, što je izgleda više vezano za legendu, nego za nauku. P. Hubert, 1984.

Apstrakt Koncept lasera, ključan za kvantnu elektroniku, iako uobičajeno asociran sa primenama gde se efekti uočavaju ili pri malim energijama ili na malim rastojanjima, može se povezati i sa pojavama u kojima postoje transferi velike elektromagnetne energije. Optička nelinearnost nekih sredina, koja dolazi do izražaja za veće energije elektromagnetnog zračenja koje propagira kroz njih, igra važnu ulogu u razmatranju povezanosti energetskih tematika i prilaza sa stanovišta kvantne elektronike. Određena pitanja akumulacije energije, propagacije laserskog zračenja kroz transparentne i kondenzovane sredine i njihove modifikacije će biti izložena u ovom radu. Ključne reči:energetika, kvantna elektronika, laserska tehnika.

Energetics, Quantum Electronics, Nonlinear Optics and Laser Technics The laser concept, a key concept for quantum electronics, though commonly associated with implementations where the effects are noticeable either for low energies or for short distances, could also be linked to phenomena where transfers of high electromagnetic energy occur. Optical nonlinerity of some media, appearing for greater energies of the electromagnetic spectrum propagating through them, plays an important role in considering the connection between the topics of energetics and the approaches from the quantum electronics point of view. Particular issues of energy accumulation, the propagation of laser radiation through transparent and condensed media and their modifications will be presented in this work. Key words:energetics, quantum electronics, laser tehnics.

Pitanja koncentracije i usmerene energije

magnetnog zračenja u fs i atosekundnom području.

Sledeća teza bi bila vezana za sadašnje stanje koncentrovanih energija i tu se u vrlo kratkim trenucima vremena nalaze laseri sa najkraćim impulsima elektro-

Verovatno je munja i gromova bilo na Zemlji dugo pre nastanka života na našoj planeti (pre 3 milijarde go

[005]

energija dina). Imali su ulogu u proizvođenju organskih molekula neophodnih za formiranje svih formi života. O tom vremenskom periodu i procesima svedoče fosilne staklene cevi stakala fulgarita, stvorene pre 25 miliona godina putem procesa atmosferskih pražnjenja sa munjama. Nećemo sada pričati o istorijskim stavovima humane populacije u odnosu na gromove i razne forme atmosferskih pražnjenja. Sve stare civilizacije od Egipta, Mesopotamije iz 2299-te p.n.e, Veda, Indije, Grčke, Rima, Skandinavije su u mnogo prilika podsećali stanovnike Zemlje na moguće munje i gromove. Istorija, geografija, meteorologija su snabdele sadašnje tehničke nauke podacima, koji ne mogu da zaobiđu ozbiljnost postojanja atmosferskih pražnjenja. Detaljno praćenje uslova povreda od atmosferskih pražnjenja pokazalo je da je Campanile St. Marka u Veneciji (100 m visoki toranj) oštećena gromovima 1388, 1417, 1489, 1648, 1565, 1653,1745, 1761, 1762 godine. Prema nekim autorima sistematsko proučavanje je počelo u Francuskoj u selu Marly la Ville, blizu Pariza. Onda slede Benjamin Franklin, James Clark Maxwell, naš Nikola Tesla... I u prošlosti su se mešala otkrića vezana za maglene komore (C. T. Wilson) i nuklearnu fiziku sa drugim oblastima [5, 6]. Sa ovih nekoliko crtica smo samo pokušali da podsetimo, iako je svako od živih bića imalo mnogo susreta sa intenzivnijim ili manjim atmosferskim pražnjenjima i sa pražnjenjima, koja se dešavaju kao akcidenti sa električnim uređajima, centralama, sa malim eksplozijama sijalica, kratkim spojevima, ali i da nije mislilo na one energije, koje se kriju iza pojava za vreme grmljavima i munja. Na slici 1a, b i u tabeli 1 su teze o kojima bi moglo da se diskutuje. Profesionalni prilaz tehnikama visokog napona i atmosferskim pražnjenjima je odavno ustanovio procedure, uređaje, stavove i mnoštvo zaštitnih mera, koje se godinama neguju [7–9]. Napredak ultrabrze optike u fs i atosekundnom području je ponovo pobudio interes za laserski indukovanim dielektričnim probojima. Femtosekundni laserski impulsi sa vršnim snagama reda GW mogu da propagiraju desetinama metara u laboratorijskim uslovima. Dinamika vezana za ovaj visokonelinearni fenomen još uvek nije jasno modelovana (i razumljiva). Istraživanja su počela sa IC laserima (rubinski i Nd3+: YAG), laserskim okidanjem pražnjenja, ali čini se da oni

nisu najpogodniji da iniciraju munje. Sadašnja literatura i eksperimentalno stanje favorizuju upotrebu UV laserskih impulsa, kao pogodnih sredstava za laserski indukovane munjepražnjenja. Analitičko rešenje bazirano na Maxwellovim jednačinama postoji za UV filamentaciju u vazduhu, usled dinamičke ravnoteže iz 420 nm, 200 ps laserski impulsi sa vršnim snagama 50 MW (ili 12,5 mJ ulazne energije), a dimenzijom snopa 100 μm su, čini se, optimalna oruđа da se trigeruju spoljašnja pražnjenja-munje (na terenu). Dimenzija laserskog snopa ostaje relativno mala (manja od 0,3 mm) posle propagacije 200 m u uslovima normalne oblačnosti i vlažnosti pod atmosferskim uslovima. Fotojonizacija vazduha, efikasnost kratkih impulsa, izbor talasne dužine, UV model, trajanje, gubici snage, evolucija snopa, simulacija rezultata i diskusija: UV snop i varijacija dimenzija snopa, optimalni parametri lasera, izbor laserske dimenzije i ulazne snage lasera su potrebni za razumevanje problematike [10]. Odavno se čovečanstvo sa velikim strahopoštovanjem odnosi prema munji i gromu. Destruktivne posledice udara munje - groma, nisu nikom nepoznate. Bezbrojne ljudske nesreće, smrti i oštećenja (živi inventar, domaća stoka), hiljade šumskih grmova je paljeno, kao i nebrojeno

mnogo oštećenja građevina, komunikacionih sistema, električnog prenosa i uopšte energetskih sistema su uglavnom direktni rezultati munje-groma. Istočno-malezijski sistem distribucije električne energije je bio pogođen munjama-gromom, koji je onesposobio energetske uređaje nacije, nanoseći veliku štetu! Letelice i svemirski shuttle nisu imuni na udare munja. 1969-te je NASA-in Apollo-12 svemirska letilica pogođena sa dva bljeska munje, jednom sa tla i drugom iz pražnjenja među oblacima za vreme lansiranja. Srećom, letelica je preživela smetnje glavnog sistema, a posada je uspela da održi kontrolu i završi misiju na Mesecu. Sa ovim potencijalnim opasnostima i pretnjama, koje predstavlja munja, naučnici su pokušali da deluju kontrolisano raznim tehnikama, koje potiču od raketno trigerovanih munja do laserom-indukovanih pražnjenja [10]. Eksperimenti sa raketnim okidanjem atmosferskih pražnjenja, koji se smatraju savremenom verzijom pionirskih eksperimenata, su potvrdili uspešna pražnjenja elektrificiranih oblaka do 60% u Novom Meksiku. Ovom tehnikom, raketa pričvršćena za veliki kalem žice vezane za Zemlju, bila je lansirana u olujne oblake.Vreme lansiranja je određeno posmatranjem električnog polja. Tehnika, koja se činila izvodljivom, je imala nekoliko

Slika 1 Slika 1a. Električna provodnost δ i vreme relaksacije τ= ε0δ, gde je ε0=8,85•1012F/m u odnosu na visinu, u raznim geofizičkim uslovima

LL-niske latitude, talasasti; MLPS-srednje latitude pre sunčevog izlaska (neuobičajeno); MLTN-srednje latitude tipično noću (visoka latituda, mirno); AZTDN-zona aurore, tipična noć sa nepogodama; MLD-dan sa srednjom latitudom, miran; MHL-srednje visoka latituda, tipično 100 merenja; REP-relativistička energija elektrona (nekoliko MeV do10 MeV), događaji sa padavinama; PCA-polarna apsorpcija (neuobičajeno), veliki energetski fluksevi (100MeV) solarnih protona.

[006]

energija Proučavane su i merene veličine električnih vektora i zavisnosti od visine iznad Zemlje, analize su vršene na “klasični način” na odnose: elektricitet i potencijal Zemlje (tabela 1 i slika 1a), provodnosti, vremena relaksacije. Definicija se smatra subjektivnom. Podaci leže blizu prave-linije regresije [10]. Karakteristike impulsa električnog polja asociranih sa raznim procesima sa munjama se daju u μs skali [10]. Polarnost početnog poluciklusa u slučaju bipolarnih impulsa i tipične vrednosti su bazirane na velikom broju autora i nepublikovanih podataka o vremenima trajanja totalnog impulsa i intervalima između impulsa od μs do 60•103 s.

Slika 1b Trajanje pražnjenja prema zemlji u Tampa Bay, na Floridi; u postavljanju pravolinijskih zavisnosti (koeficijent korelacije ρ=0,78) podaci o olujnim sistemima su predstavljeni kao kombinacija oluja sa jednim i više maksimuma.

po jedinici otpora 106 As2, ocenjuje se da je opseg bljeska energije dovedene do pogođene tačke od MJ do 10 MJ, što je samo 10-2 do 10-4 totalne energije.

Tema iniciranja pra`njenja uklju~uju}i i atmosferska sa aktivno{}u sa Zemlje

Sada dolazimo na naše želje, da laserom iniciramo proboj. Analiziraće se i neka rešenja, koja su već odavno predlagana, sadašnja rеšenja i modeli. Neće se diskutovati drugi paralelni načini: sa satelita, sa detektorima na satelitima (primenom optičkih i dručih detektora), itd [10]. Pre 1995-te, radilo se pomoću analize fotografija. Nastupalo se sa mnogo radiofrekventnih detekcija. Postizalo se 2% efikasnosti detektora, a posebno bi trebalo diskutovati o načinima detekcije. Neki podaci o veštački izazvanim pražnjenjima su bili vezani za žice od bakra ili ćelije dijametra 0,2 mm na Zemlji ili na raketi (dužina i 1 m). Bilo je neuspešnih eksperimenata u zimskom periodu (Japan). Neće se govoriti o raketnim lansiranjima trigera, tehnikasmetnji. One su vezane za lansiranje ma klasičnog iniciranja, zavisnostima mnogo projektila u nebo i potencijalne od visine, optičkim karakteristikama, opasnosti za osetljiva mesta podstanica oblicima strujnih talasnih oblika, i za mreže za distribuciju energije, za Prilaz: iskori{}enje energije parametrima povratnih strujnih oblika. odgovarajuće brzine raketa u odnosu atmosferskog pra`njenja Mnogobrojne su analize interakcije na prostorni tovar i akumulaciju, koja Čini se da je nepraktično (stav mass munja sa objektima i sistemima, kao i može efikasno da se štiti (brzina raketa medija) da se koristi energija mu5 -1 povrede (oštećenja). Interesantne su i mora da bude veća od 2•10 ms , i nje. Svako pražnjenje oblak-zemlja analize povreda materijala laserom sa 9 10 vezana je za brzine drugih postojećih uključuje energiju 10 do 10 J. Za i bez izazvane plazme i čisto plazma atmosferskih formacija pražnjenja) poređenje, sijalica od 100 W za mesec povreda materijala iz eksperimenata 9 [10]. Ove nezgode bi mogle da se dana potroši 1,3•10 J (360 kWh), što sa pražnjenjem laserskih elektroda lako prevaziđu laserski indukovanim se može uporediti sa jednim udarom (pobuda električnim pražnjenjem i sl.) pražnjenjima – munjama. Kolimisani groma. Snaga jednog pražnjenja je [11]. laserski snop jonizuje vazduh i stvara visoka, ali se otpušta u impulsima Pregledima raznih programa iniciranja -4 -5 preferentni provodni kanal za slobodne vrlo kratkog trajanja reda 10 –10 pražnjenja, eksperimentima, mnoštvom nosioce u atmosferi da “doplove” do s. Kao rezultat munje, integral snage propisa i administracije [7–9], koji su Zemlje po bržoj i bezbednijoj putanji. u kratkom periodu vremena je kroz stremili što sigurnijim zaštitama od srednju vrednost moguće uporediti sa U tabeli 1a i b i na slici 1a, b i c mogu atmosferskih pražnjenja, ispunjena je mesečnom potrošnjom 5 sijalica od se propratiti tipovi i stanje sa efektima mnogobrojna literatura i velike su isto100 W. Ne dospevaju sve olujne pražnjenja na Zemlji, rasprostranjenosrijske promene nastale u gledištima od (munje) energije bljeska do tačke ti nepogoda sa električnim atmosfersnuklearnih gromobrana do današnjih udara. Sa tipičnom vrednošću energije kim efektima (pražnjenjima). standardnih mera zaštite [9]. Postoje mešani eksperiTabela 1 Maksimalne brzine munja u raznim tipovima oluja [10]: a) Pražnjenja sa menti: pored linija prenosa Zemlje b) Trajanje 0,6-30 minuta. testirane su interakcije sa mešanim objektima i sistemima sa test transformatorima, pregrejanim žicama, štapovima, eksplozivnim materijalima, avionskim sistemima. Monogo je različitih radova bilo sa lutkama-modelimafantomima i kolima sa metalnim krovom sa živim zecom i pravljenjem fulgarita. Druge tehnike [007]

energija Slika 1c Svetska mapa godišnjih oluja sa atmosferskim pražnjenjem

iniciranja su vezane za: laserske i mikrotalasne snopove, vodene mlazeve, nestacionarne procese gorenja. Sve se to smatra za nekonvencionalne načine iniciranja [10]. Laser-plazma kanali, vodeni mlazevi i procesi gorenja su relativno slabiji u odnosu na žice u smislu distorzija električnog polja i osetljivosti na meteorološke faktore (vetar, kiša, sneg). Provodnost kanala plazme stvorene laserom je 10-3 Sm-1 slično provodnosti vode, a za Cu je 5,8•107 Sm-1. Motivacija za proučavanje je želja da se razviju zaštitni sistemi od

munja, koji bi sprečili pražnjenje i udare kod kritičnih sistema ili strukture sa pražnjenjem olujnih oblaka do označene tačke na Zemlji. Rakete i tehnike sa žicom, vrlo efikasni u istraživanju, nisu uvek praktični. Proučavanje raznih parametara procesa, objekata i sistema, distribucija snage su tematike, koje se otvaraju. 1958-1961 počinje se sa eksperimentima sa Zemlje [10]. Laserska istraìvanja Više tipova lasera se koristi u pokušajima da se iniciraju at-

Slika 2a Jedna od prvih eksperimentalnih aparatura za proboj vazduha

[008]

mosferski procesi u IC području: visоkoenergetski tipično 10–100 J po impulsu (IC laseri), male energije mJ ili manje (CO2 ili Nd3+:YAG). Radilo se na snižavanju probojnog napona u procepu i posmatranju vođenja pražnjenja, koji nisu direktno pogodni za ostvarljivost iniciranja munja. UV laserski sistemi su primenjeni u ranim stadijumima 1992-ge, a radilo se i sa više snopova. IC laser fokusiran u vazduh je i izazvao prvi proboj vazduha [11–14]. Na slikama 2a, b i c su date neke od prvih šema eksperimenata sa probojem vazduha laserom i interesantne razvijene formacije (sablja). Na slici 2d su data tri pražnjenja izazvana klasičnim električnim naponom, spregnutom plazmom i laserski indukovanom plazmom [15]. Ovakvi procesi i viši harmonici su prirodno i doveli do modela višefotonskih efekata. Niz tačaka proboja postoji po snopu. Aerosolne čestice veće od 1 μm deluju kao jezgra za optički proboj. Tako se dobijaju plazma kanali do 60 m i više. Provodnost 1 Sm-1 je reda provodnosti morske vode (4 Sm-1) i opada eksponencijalno sa rastojanjem. Pojavljuju se i procesi detonacija. Neki podaci su vezani za CO2 laser (70 J i početni impuls ispod μs, a ceo impuls je 6 μs) kada su razvijane plazme u opsegu 4 i 17 m. Neka rešenja su bila i sa kombinovanim X zracima, predjonizacionim procesima itd. Eksperimenti su vezani za toranj od 50 m na vrhu brda od 200 m, CO2 laser, koji je emitovao dva puta po 1 kJ – 50 ns impuls i teleskop sa fokusiranjem sa velikom aperturom (slika 3a). Pod vedrim nebom, dobijeno je 13 m plazma kanala

energija UV laseri IC laseri procesima lavinske jonizacije proizvode visoku plazmu, koja može da blokira prolaz snopa materijala uopšte, a posebno laserskih elektroda iz pumpe [16]. Mi smo nekad i poredili povrede pri električnim pražnjenjima na elektrodama sa povredama laserskim snopovima na istim materijalima i kombinacijama. Slika 2c Laserska sablja sa dve mete; laserska sablja Laseri stvaraju je dobijena pri propagaciji snopa od prve do putem višefotonske druge mete; debljina liskuna 10 μm, na 4cm; jonizacije i plazmu Nd 3+:YAG laser: I/interval između dva fotosa male koncenje 1μs, II/integral bočni ove fotografije, III tracije, transparoscilogram laserske snage, IV ma; propagira entnu za laserski brzinom 3 Mcm/s. snop. Provodnost mora da se drži spoljašnjom energijom. Oslobođeni elektroni vezuju kiseonik da formira spore jone O-2 i jone O- sa nekoliko ns. Primena drugog snopa u vidljivoj oblasti od nekoliko μs je predložen za odvajanje elektrona od ova dva jona. Nije jasno da li sistem može da napravi dovoljno na vrhu, sa dve sekcije, sa dva snopa dug provodni laser-plazma kanal, od 8 i 5 m. Kada je bilo snega, broj posebno u vreme padavina i vetra “perlica“ plazme po jedinici zapremine (uobičajeni uslovi oluja). Laboralaser-plazma kanala opada 20% ili torijski 200 fs bursti UV zračenja više. Radilo se o redukciji aerosola. (248 nm sa 0,2 mJ) su inicirali i Eksperiment je vršen i sa 4 snopa. vodili električna pražnjenja kroz 25 Slika 2b Fotografija jednog od prvih proboja vazduha (Maker, Terhune Savage), 1963.

cm vazdušni interval. Postoji mnogo drugih eksperimenata gde su intervali mnogo duži i mereni sa desetinama i stotinama metara. Televizija, film, mass medija su odavno ovo pretočili u svemirske vitezove, Jedi-je i svetlosne sablje. Mikrotalasni snopovi Razmatrani su i laseri na slobodnim elektronima (FEL) koji su slali snopove između Zemlje i olujnog oblaka. Radilo se na 35, 90, 140 i 270 GHz, jer atmosfera ima prozore na ovim frekvencijama. Sakupljanje energije pražnjenja se može vršiti i na nekoliko mesta provodnim elektrodama i sprovoditi u banke kondenzatora, slika 3b [17]. Kada se stvori plazmeni filament putem jonizacije, rasuta naelektrisanja se sakupljaju sa elektrificiranih oblaka za vreme oluje ili jonosfere za vreme lepog vremena. Naelektrisanja se “sprovode” kroz provodnu elektrodu ka Zemlji da se spreči mogućnost veštačkog okidanja-iniciranja pražnjenja sa pratećim procesima, koji mogu da unište laserski sistem. Naelektrisanja se prenose do banke kondenzatora, gde će ih sakupiti i zadržati. Sa ovim pogledom na atmosferski elektricitet postoji nova aternativa kao izvor energije za budućnost, a pražnjenje olujnog oblaka redukuje mogućnost verovatnoće da potencijalno pražnjenje pogodi osetljivi rad letilica i instalacije na Zemlji. Efekti i modelovanje Fotojonizacija u vazduhu. Vazduh trpi mnogo optičkih proboja pri velikim intenzitetima lasera, 1014 Wcm-2. To je posledica brze depozicije energije u malu zapreminu interakcije ili žižnu oblast. Smatra se da su dva

Slika 2d Fotografija konvencionalnih pražnjenja: elektrodnog luka, induktivno spregnute plazme i laserom indukovanog luka; skale su različite [15].

[009]

energija Slika 3a Ilustracija predloga da se dobije okidanje pomoću visokog tornja sa laserom

Slika 3b Predloženi izgled laserskim okidanjem hvatanja energije pražnjenja [17]

energija i prelazi jonizacioni potencijal vezanih elektrona, da udarom jonizuju čak i više molekula što vodi do lavine sa rezultantnom formacijom plazme. Procesom inverznog Bremmstrhlunga slobodni elektroni apsorbuju fotone iz laserskog polja kada se sudaraju sa atomima ili molekulima. Slobodni elektroni ne apsorbuju fotone lasera direktno bez sudara. Oni prosto osciluju u električnom polju pridruženom laserskom snopu a kada se posmatra srednja vrednost dolazi se do zaključka da elektroni ne dobijaju dodatnu energiju. Bazirano na klasičnom modelu oscilatora, prag za intenzitet jonizacije za lavinsku jonizaciju It se ocenjuje po [17]. (1)

glavna mehanizma odgovorna za fotojonizaciju vazduha: lavinska fotojonizacija (kaskadna jonizacija) vazduha i višefotonska jonizacija [16, 17]. Kod lavinskih procesa, vezani elektroni u valentnoj ljusci molekula vazduha imaju energetski procep veći od energije upadnih laserskih fotona. Mali broj slobodnih elektrona postoji. Oni generišu na visokim visinama jonizaciju molekula vazduha, radikala, prekid aerosolnih molekula, termalnu jonizaciju ili višefotonsku jonizaciju. Slobodni elektroni će konstituisati zahtevane “seed” elektrone za lavinsku jonizaciju. Mada su slobodni elektroni u malim brojevima na početku i imaju male kinetičke energije, procesima Bremstrahlunga, mogu da budu ubrzani tako da im kinetička energija poraste da jonizuju molekule pri sudaru, što rezultuje u više slobodnih, ali sporih elektrona. Čitav proces se ponavlja samo sa više dobijenih elektrona, kojima se pojačava kinetička

peff je efektivna brzina transfera momenta između slobodnih elektrona i teškog molekula koji se sudara, τp širina laserskog impulsa frekvencije ω. Intenzitet jonizacije će da smanji prag, ako poraste širina laserskog impulsa sa nižom frekvencijom lasera. Brzina transfera momenata peff raste sa koncentracijom neutralnih molekula ρn. Zato sa porastom pritiska gasa P, sledi da će prag za intenzitet jonizacije opasti za više pritiske gasa (tipičan slučaj ω>>peff). Lavinska jonizacija raste sa većim širinama laserskih impulsa manje frekvencije (ili većih talasnih dužina) i pri višim pritiscima gasa. Drugi dominantni mehanizam fotojonizacije je proces višefotonske jonizacije. Definisanje broja fotona za n-fotonsku jonizaciju molekula, je vezano za stav iz kvantne mehanike da je u prelazima, gde postoji određen broj rađanja i anihilacije fotona, broj n-m gde se menja jedan broj 0, 1, ... , n odredjena n-to strukost [18]. [010]

Višefotonska jonizacija zavisi od laserske radne frekvencije. Za (UV) KrF laser sa centralnom talasnom dužinom 248 nm, foton ima 5,013 eV energije, a za daleku IC oblast CO2 laser sa centralnom talasnom dužinom 10,6 μm - 0,1173 eV. Za molekul azota sa jonizacionim potencijalom 15,58 eV, broj fotona za jonizaciju je 4–133 u zavisnosti od korišćenog lasera. Generacija slobodnih elektrona sa višefotonskom jonizacijom je predmet mnogobrojne literature [17]. Za slučaj nezasićenosti zapremine vazduha, ρ0 >> ρe

(2)

važi (3) sa rešenjem (4) K je faktor oblika, I0 početni intenzitet laserskog impulsa,τp širina laserskog impulsa. Za impuls oblika četvrtke K=1. Višefotonski koeficijent jonizacije σ(n) zavisi od laserske radne frekvencije. Za UV oblast je veće nego za IC. Zavisnost σ(n) na frekvenciji lasera se vidi u redukovanom broju fotona za jonizaciju neutralnog molekula direktno za više frekvencije lasera. σ(n) je efikasni presek jonizacije za neutralni molekul. σ(n) za n-fotonsku jonizaciju za molekul O2 je 1,91•10-28 s-1cm6W-3 (sa λ=248 nm) i 2,88•10-29 s-1cm6W-3 (sa λ=800 nm) [17]. Za male laserske impulse, kada ne može da se izazove kaskadna jonizacija neutralnog molekula, višefotonska jonizacija dominira nad fotojonizacionim procesima. Biće dominantni mehanizam na višim intenzitetima (i za kraće širine impulsa), kraće talasne dužine (ili više energije fotona) i niže gasne pritiske. Efikasnost kratkih impulsa. Ideja da se koristi snaga lasera i indukuje električno pražnjenje kod gasova i u vazduhu je još od vremena 1960tih [15]. Pretpostavka je bila da se verovatnoća proboja gasa dešava zbog fotojonizacije, koja zavisi samo od snage laserskog impulsa, a ne od intenziteta. Pokazano je da snažni CO2 laserski impuls može da vodi do snažnog električnog strimera u vazduhu do rastojanja 71 cm [17].

energija Električna pražnjenja sa velikim procepom vođenog električnog pražnjenja u vazduhu su ostala nedostižna. Primena CO2 gasnih lasera dugih impulsa, optičke “perlice proboja - loptice” su bile formirane duž staze propagacije laser impulsa, pre nego kontinualna jonizaciona staza. Formiranje je putem lavinske jonizacije. Sličan proces postoji u transparentnom čvrstom materijalu, gde nastaju ireverzibilna oštećenja, kada se pređe kritična koncentracija slobodnih elektrona i dostigne 1018 cm-3 [17]. Transparentni materijal sa izazvanim probojem postaje netransparentan. Apsorbuje energiju laserskog polja za grejanje plazme. Perlice optičke plazme formirane u vazduhu lavinskom jonizacijom ograničavaju rastojanje propagacije za lasere dugih impulsa. Zato se vodi računa o nosećoj laserskoj frekvenciji i karakterističnim frekvencijama prateće plazme. Dodatni zahtevi dizajna lasera, širina kratkih impulsa treba da se posebno analizira. Ultrakratki impulsi lasera imaju mnogo veće intenzitete u poređenju sa cw i dugim impulsima. Laserski snop radijusa 100 μm sa početnom ulaznom energijom 1 mJ za impuls širine 100 ms će proizvesti 0,01 W snage i 320 kWm-2 intenzitet. Isti snop sa 100 fs impulsom razvija 10 GW snage sa intenzitetom 3,2•1017 Wm-2, 12 redova veličine višim od širine 100

ms laserskog impulsa! Zbog ovih visokih intenziteta ultrakratki impulsi se generišu sa varijacijama velikih intenziteta potencijalnih primena: laserska ablacija i mikromachining, daljinska kontrola i detekcija putem lidarskih tehnika (LIDAR - light detection and ranging), i laserski trigerovanim munjama. Zbog visokih intenziteta generisanih sa ultrakratkim impulsima lasera, IC višefotonska jonizacija u vazduhu preuzima vođstvo od lavinske jonizacije. Brzina fotojonizacije vazduha lakše se kontroliše jednostavno kontrolom ultrakratkih impulsa. Sa brojem fotona potrebnih za jonizaciju neutralnih molekula, n-fotonska jonizacija vazduha je proporcionalna n-tom stepenu intenziteta, In [4]. Lavinska jonizacija traži duže vreme za nastajanje. Pošto se dostigne jonizacioni prag, kaskada ili lančana reakcija slobodnih elektrona mora samo da bude smanjena snižavanjem pritiska vazduha, što je skoro nemoguće u spoljašnjim atmosferskim pražnjenjima. Za ultrakratke impulse, dužina toplotne difuzije je kraća. Turbulencije vazduha ne utiču mnogo na formaciju jonizacione staze; fotojonizacija vazdušnih molekula ostaje u maloj lokalizovanoj površini duž staze (tabela 2). Primenom fs laserskih impulsa, intenzivni impulsi mogu da propagiraju do 10 km u atmosferu, a sa 6•1011 cm-3 elektronska koncentracija jonizuje stazu za laserske impulse.

Koncentracija elektrona u eksperimentima prelazi minimalnu elektronsku koncentraciju 5•1011 cm-3 za inicijaciju munje. Izbor talasne dužine lasera. Poređenje ultrakratkih IC i UV laserskih impulsa (tabela 1) indicira da je niži prag ulazne energije potreban da dovede do sličnih koncentracija elektrona u UV oblasti kao što su one dobijene u IC režimu. Niže ulazne energije, formiraju filamente intenziteta u UV režimu (nekoliko redova veličine niže od onih u IC režimu). Ovo može da bude pripisano mnogo višim efikasnim presecima za jonizaciju UV oblasti u poređenju sa IC. U UV režimu nema spektralnih proširenja ili konične emisije gubitaka. Gubici snage pri propagaciji treba da budu manje u UV oblasti. Gubici asocirani sa gubitkom snage sa IC ultrakratkim laserskim impulsima u obliku cw generacije su mnogo ispitivani i korišćeni za LIDAR ili daljinske sisteme. UV laserski impulsi su prirodno najbolji izbor za veštačku inicijaciju pražnjenja munjom. Kako su UV talasne dužine kraće, u opsegu 220–240 nm, imaju manje difrakcionih efekata, pošto se dopušta sužavanje snopa više nego za IC snop na istoj stazi propagacije. Kraće talasne dužine laserskih impulsa imaju i veću energiju fotona; manje fotona trba da se jonizuje poseban neutralni molekul. Sce-

Tabela 2 Eksperimenti sa propagacijom ultrakratkih impulsa lasera u vazduhu za IC UV oblasti (prazni prostor označava nepostojanje podataka, a ne fenomena)

[011]

energija nario sa fotojonizacijom za UV snop će verovatnije da bude višefotonski proces sa višim višefotonskim koeficijentima jonizacije. To znači da kao direktna posledica (2), intenziteti UV lasera ne treba da budu vrlo visoki za datu koncentraciju elektrona, koja se dobija sa IC impulsima, tabela 2 [17].

(6) daje ρn=4,3•1021 m-3 za intenzitet lasera I=5•1015 Wm-2. Iz (6) i (5) je (7)

UV model impulsa Kada propagiraju u vazduhu, intenzivni ultrakratki laserski impulsi su poznati po samofokusiraju zbog nelinearnog optičkog Kerr-ovog efekta. Iznad intenziteta praga, samofokusiranje laserskog snopa prelazi difrakciju i maksimum intenziteta laserskog snopa raste, što vodi fotojonizaciji i generaciji slabe plazme, koja defokusira laserski snop ograničavajući mu intenzitet [17]. Ako su kompetitivni procesi samofokusiranja, difrakcije i defokusiranje plazmom uravnoteženi, samovođenje snopa postoji pri velikim rastojanjima - mnogo Rayleighevih dužina [17]. Višestruka filamentacija za IC i UV režime je nađena u eksperimentima za ultrakratke laserske impulse u vazduhu, kada je snaga nekoliko puta prevazišla kritičnu snagu za samofokusiranje. Ovi filamenti mogu da propagiraju i 100 m pod laboratorijski kontrolisanim uslovima. Niz modela je predloženo da objasni nelinearnu dinamiku, samofokusaciono vođenje, pokretni fokus i model dinamičkog prostornog popunjavanja. Ovde je adaptiran i primenjen model Schwarz and Diels na propagaciju ultrakratkih UV impulsa u vazduhu. UV talasna dužina 248 nm (KrF laser) se smatra najpogodnijom da inicira električno pražnjenje sa trofotonskom jonizacijom molekularnog kiseonika, kao dominantni izvor slobodnih elektrona. Širina impulsa. Da bi se indukovalo električno pražnjenje, širina impulsa treba da bude dovoljna da stvori slobodne elektrone kroz procese višefotonske jonizacije, ali mala da lavinska jonizacija ne počne. Trofotonska jonizacija u vazduhu na morskom nivou je (5) slično (3), ali sa uključenjem efekata rekombinacije u vazduhu odnosno koeficijentima elektron-pozitivni jon rekombinacija. Na morskom nivou iznosi 1,1•10-12 m3s-1 sa mernim vrednostima ρn=5,4•1024 m-3 i σ(3)=3•10-41 m6s2J-3. Za ravnotežno stanje, dρe/dt=0, rezultuje u ravnotežnu koncentraciju elektrona

prelamanja intenzitetno-zavisan od plazma defokusiranja.

ρ=ρe/ρeq , a tN=βepρeqt je normalizovano vreme pri ravnotežnoj gustini. Sa tN=1, dobija se 75% ravnotežne koncentracije elektrona i minimalno vreme za trajanje impulsa (8)

(11) i dobija se n3=3,35•10-31 m2 W-3/2. Tako su po ovom modelu glavni mehanizmi odgovorni za gubitke snage snopa: plazma grejanje i trofotonska jonizacija kiseonika. Gubici su (12) KMPI i Kplasma su trofotonske apsorpcije i plazma nelinearna apsoprcija, redom

Sledi da je minimum vremena 200 ps. Za maksimalnu širinu impulsa, posmatra se lavinska jonizacija. U intenzivnim poljima elektron dobija energiju, dE, putem inverznog Bremstrahlung za vreme dt (9) I je intenzitet lasera, e i me - naelektrisanje i masa elektrona, c - brzina svetlosti u vakuumu, ε0-permitivnost slobodnog prostora i vei koliziona frekvencija elektron-jon (1,67•1010 s-1 [17]). Gornja granica se dobija za jonizacioni potencijal kiseonika UI (1, 2 eV), dobija se vremenski interval ∆t iznad koga počinje elektronska kaskadna jonizacija u vazduhu (∆t ~63 ns). Po ovom modelu sledi analiza stacionarnog stanja propagacije UV snopa sa impulsima sa 200 ps – 60 ns. Koristi se standardni Gaussov snop sa amplitudom polja; ω -radijus snopa na mestu e-2 intenziteta 0 i k - talasni broj. Radijus snopa ω, talasni front krivine R i fazni faktor Φ se definišu prema z - propagacionom intervalu [17]. Gubici snage. U UV modelu, kada snop propagira u vazduhu, dolazi do efekata samofokusiranja zbog nelinearnog Kerr-ovog efekta i defokusiranja putem generacije elektronske plazme. Ovi procesi su uključeni u indeks prelamanja vazduha. (10) n0 je linearni indeks prelamanja vazduha, n2=7,8•1023 m2W-1 je intenzitetnozavisan od samofokusiranja a n3 indeks [012]

(13)

(14) sa l=c/(2vei) srednjom slobodnom putanjom elektrona u plazmi. Evolucija dimenzije snopa. Polazeći od Maxwella i pretpostavljajući Gaussov snop u cilindričnom koordinatnom sistemu za cw laserski snop dobijaju se kritična snaga i Rayleigheva dužina (15)

(16) Sa λ=248 nm i ω0=100 μm se dobija kritična snaga 31 MW, Rayleigheva dužina zR od 0,13 m. Iznad kritične snage i u odsutnosti ravnoteže defokusiranja plazmom (Kplasma =0), laserski snop se samofokusira u vazduhu do rastojanja za samofokusiranje 0,1033 m, što je malo manje od Rayleigh dužine.

Simulacija i diskusija Na osnovu takvog modela opisuje se izmena karakteristika snopa i snage pri propagaciji UV lasera u vazduhu. Simulacija efekata i radijusa su za diskusiju. UV snaga snopa i varijacije dimenzije snopa u vazduhu. Dva seta početnih uslova, ulazne snage ispod i iznad kritične snage Pcr su izabrane da prouče kako izbor početne snage

energija Slika 4a Varijacija snopa za Pin=20 MW i ω0=80μm

snopa utiče na dinamiku propagacije u vazduhu. Za početnu snagu P=20 MW sa snopom radijusa ω0=80 μm, sl. 4a i b pokazuju varijaciju dimenzija snopa i slabljenje snage sa propagacionim rastojanjem. Pokazuje se da ispod kritične snage za samofokusiranje, laserski snop divergira pri propagaciji u vazduhu. Snop divergira pri propagaciji u vazduhu (linerna difrakcija). Posle 200 m propagacije, laserski snop ima radijus 14 cm (upoređen sa prvobitnom dimenzijom 80 μm). Iznad kritične snage, divergencija laserskog snopa

Slika 4a Slabljenje za Pin=20 MW i ω0=80μm

lotu. Temperatura vazduha raste. Vrući centralni delovi ekspanduju radijalno prema spoljašnjosti brzinom zvuka, što rezultuje u pad gustine, a to dalje utiče i na indeks prelamanja. Snop podleže slabom ali observabilnom defokusiranju slično prolazu kroz rasipno sočivo. Ispitivanja filamentacije UV laserskih impulsa sa početnim vršnim snagama većim od kritične 31 MW, sa početnim ω0=80μm, su date na slici 5a, b, c i d. Slika 5a, b i c opisuju varijaciju dimenzije filamenta za razne ulazne snage 50–400 MW. Za 50 i 100 MW ulazne snage, filament pokazuje postepen

porast dimenzije snopa. Filament trpi inicijalnu kontrakciju za ulazne snage 200 MW i veće. Za velike ulazne snage (400 MW i veće), dimenzija filamenta teži da poraste eksponencijalno posle inicijalne kontrakcije. Iznenadni porast u dimenziji filamenta je prouzrokovan stvaranjem plazma kanala. Početna kontrakcija dimenzije snopa rezultuje u vrlo velikim intenzitetima laserskog snopa i fotojonizaciji molekula vazduha. Kada se plazma formira, deluje tako da defokusira laserski snop (pošto plazma defokusira indeks prelamanja n3). Formacija plazme se

Slika 5 Varijacija dimenzija snopa sa rastojanjem za razne ulazne snage ali isto ω0=80μm: (a) varijacija dimenzije za ulazne snage 50 i 100 MWsa ω0=80μm; (b) varijacija sa r ulaznom snagom 200 MW sa ω0=80μm; (c) varijacija dimenzije za ulazne snage 200 i 400 MW sa istim ω0=80μm

(a) je mala. Slika 4b pokazuje linearno slabljenje snage sa dužinom propagacije. Gubitak snage može da se pripiše efektu termalnog bloominga, koji je asociran sa visokom iradijansom laserskog snopa. Ovaj termo-optički efekt se objašnjava time što pri propagaciji laserskog snopa velike iradijanse kroz stacionarnu atmosferu (početna temperatura T0, gustina ρ0 i indeks prelamanja n0) molekuli apsorbuju fotone i energija se pretvara u top-

(b)

(c)

Slika 5d Slabljenje snage sa propagacionim rastojanjem za ulazne snage 50, 100, 200 i 400 MW

[013]

prati sa značajnim opadanjem snage transmitovane kroz filament. Dalja redukcija je vezana za apsorpciju plazme i grejanje. Slika 5d pokazuje da se procentualno smanjenje transmitovane snage u filamentu događa za najmanje ulazne snage 50 MW. Ako raste ulazna snaga, dolazi do većeg slabljenja. Za četiri različite upadne snage (50, 100, 200 i 400 MW), snaga uhvaćena u filamentu stabilizuje se oko 50 MW posle 100 m. Ovo

energija Slika 6 Varijacija filamenta za w0 vrednosti 80, 100, 200, 500 i 1000 μm za P=50 MW

(b)

(a) se slaže sa eksperimentom. Slika 7 Energetski sadržaj filamenta u vazduhu obično dostigne kritičnu snagu Pcr ili malo višu da prevaziđe različite gubitke. Mogu biti vezani i za disperziju, Raman efekte, Rayleigheve gubitke, Brillouinovo rasejanje i plazma-termalnu apsorpciju. Za ulazne snage veće od 100 MW, veliko eksponencijalno opadanje transmitovane snage u filamentu se objašnjava formacijom višestrukih filamenata. (eksperimentima za IC i UV režime bilo je objašnjeno teorijski). Objavljeno je postojanje i 200 UV filamenata u vazduhu na 12 m sa srednjim filamentom dužine 0,5 m i generacijom 3•1015 cm-3 (koncentrcija elektrona). Višestruki filamenti interaguju međusobno, dajući utisak jednog kontinualnog filamenta koji propagira. Na ovome je baziran dinamički model prostornog popunjavanja. Model objašnjava da prvi deo incidentnog

impulsa stvarajući utisak da jedan samovodjeni impuls propagira na velikom rastojanju. Optimalni parametri lasera. Analizirani su [17] parametri lasera, koji su pogodni za iniciranje pražnjenja u vazduhu. U tom cilju su tražene zavisnosti različitih dimenzija snopa iste snage i različite ulazne snage s istom dimenzijom preseka snopa. Radilo se sa konstantnom upadnom snagom P=50 MW, za dimenzije ω0 od 80, 100, 200 i 400 μm (slika 6a, b i slika 7). Po slici 6a i b, ω0=100 μm je najbolji izbor za trasu od 200 m propagacije. Važno je da intenzitet lasera (a ne upadna snaga ) igra glavnu ulogu u procesima višefotonskih jonizacija generacijom slobodnih elektrona koji omogućuju inicijaciju pražnjenja. Intenziteti lasera asociranih sa preostalom dimenzijom snopa 80, 200 i 500 μm su 2,69•1014, 9,2•1012 i 1,3•1012 Wm-2, redom.

Slabljenje snage pri P=50 MW za različite vrednosti dimenzije snopa w0

impulsa doživljava samofokusirajući kolaps što dovodi do generacije plazme, zatim se prateći deo impulsa defokusira u prostorne prstenove. Posle dodatne propagacije vodeći deo impulsa opada usled nelinearne apsorpcije dok se preostali deo impulsa transformiše prostorno usled samofokusiranja. Novostvoreni impulsi dobijaju energiju od spoljnih i pratećih delova impulsa ali takođe i od novih

Slika 8 Varijacija dimenzija filamenta za razne ω0 od 80, 100, 200, 500 i 1000 μm sa P=100 MW

(b)

(a) [014]

energija Za upadnu snagu od 100 od gustine energije. Slika 9 Slabljenje snage sa P=100 MW za razne ω0 MW, 80 μm se pojavljuje Analiza podataka o laserskao najbolja dimenzija kim „probojima“ materijala spota (sl. 8a, b i sl. 9) sa u čvrstom-kondenzovanom intenzitetom 2,7•1014 stanju. Činjenice koje su Wm-2. Zaključuje se da vezane za proboje čvrstog i je 50 MW UV laserskog gasovitog materijala imaju impulsa sa dimenzijom svoje procedure, koje su 100 μm ipak bolji izbor. zavisno od iskaza podataka Pri izboru snage od 50, 100 fitovane. Podaci o probojnim i 200 MW konstatuju se naponima kod stakala i mnogih očekivane velike modudrugih materijala su vrlo lacione nestabilnosti za raznoliki i u literaturi nisu ulazne snage veće od 200 detaljno objašnjeni uslovi. MW (radi se o propagaciji Analiziraćemo povučene krive 200 m u vazduhu). na osnovu eksperimentalnih Neka pitanja statistike podataka [19] i dati po našem Slika 10 Fitovanje funkcije verovatnoće oštećenja proboja i ponovljivosti mišljenju preciznije ponašanje Pi(F) suprasila za različit broj laserskih čvrstih transparentnih materijala. Krive na sl. 10 i 11 (Nd3+:YAG Q-switch) impulsa i (i=1, 10, materijala su nacrtane na osnovu Tab. 3 100, 1000) u zavisnosti od gustine energije Analizirani su rezul(vrednosti parametara funkcije upadnog zračenja F prema eksperimentalnim tati iz literature vezani za Pi(F)=b+(a-b)/(1+(F/F0)p), podacima; prečnik snopa je 12 μm, talasna proboj materijala laserom, i=1, 10, 100, 1000, koja se dužina 1064 nm, dužina impulsa 7 ns, a posebno na čvrstom telu fituje prema eksperimentalnim repeticija 10 Hz - stakla tipa [19,20]. Postpodacima za suprasil) i Tab. 4 avljaju se pitanja u vezi (Vrednosti parametara funkcije usaglašavanja stavova oko Pi(F)=b+(a-b)/(1+(F/F0)p), statistike događaja, među i=1, 10, 100, 1000, koja se kojima su: fituje prema eksperimentalnim - broj ponavljanja, podacima za BK). Funkcija koja se fituje je različitog tipa - pitanje stabilnosti i statisod interpretacija u literaturi. tike izlaza lasera Vidi se da je za suprasil - pitanja uklapanja savreizvršeno novo fitovanje menih procedura šta se pomoću programa OriginPro zove povredom 8.0, koje je blisko idealnom. - pitanja da li je uključen Izvršeno fitovanje kod BK7 stav o pojedinačnim deluje lošije u poređenju sa ili kumulativnim objavljenim analizama [19b, događajima 20]. Iako je, izgleda, vođeno - pitanja da li je prisutračuna o široko mogućim no više ili manje nesigurnostima tačaka, rad je višefotonskih efekata i sl., Analiza proboja transparentnih materi- postavljen klasično i nisu data sadašnje prema stavovima koji se pojavljuju u jala. Ako postoje dileme oko proboja interpretacije mernih nesigurnosti tipa razmatranju vazdušnih sredina... gasovitog materijala i njegovog modA i B. U ovom radu je vođen račun Polazeći od datih podataka, ovde je elovanja, utoliko pre postoje nerešene o matematičkom prilazu traženja analiziran samo stav po kojima su situacije i različiti podaci o proboju analitičkih zavisnosti na osnovu eksprovlačene krive i dobijane konstante čvrstih transparentnih materijala. perimentalnih podataka. koje se dalje provlače uz materijal. Situacija je složenija jer postoje podaci Odgovori na ova pitanja su delimično iz različitih eksperimenata sa različitim Zaklju~ak sadržani u prethodnim poglavljima obradama podataka. Ovde će se analizU radu su razmatrani izabrani vezanim za višefotonsku i lavinsku irati izabrani eksperimentalni podaci i sadašnji stavovi o veštački izazvanim jonizaciju, samofokusiranje, stimulirazličitost zaključaka o funkcionalnoj sano Brillouin-ovo rasejanje i slično. zavisnosti oštećenja laserskim snopom pražnjenjima putem laserskih rešenja i Tabela 3 Vrednosti parametara funkcije Pi(F)=b+(a-b)/(1+(F/F0)p), i=1, 10, 100, 1000, koja se fituje prema eksperimentalnim podacima za suprasil

[015]

energija analizirane povrede kondenzovanog materijala laserskim snopovima. Kakvu će ulogu igrati gama, X- razeri i kvantni generatori u drugim područjima će budućnost pokazati. Veza procesa, koji se koriste za merenje brzina u generalnom značenju - lasera i LDA sa anemometrijom, nanoelektronikom, bio-holografijom, energetski najsnažnijim laserima - excimer - procesi sa predjonizacijama X zračenjem, razni oblici pražnjenja (korona, odnos sa predjonizacionim procesima), razni elektrooptički, magnetooptički i drugi efekti, kojima se ocenjuju parametri energetskih veličina, kao i Hertzova spektroskopija i merenja parametara pražnjenja i plazme predstavlja druga područja razmatran-

Slika 11 Fitovanje funkcije verovatnoće oštećenja Pi(F) uzorka BK7 za različit broj laserskih (Nd3+:YAG Q-switch) impulsa i (i=1, 10, 100, 1000) u zavisnosti od gustine energije upadnog zračenja F prema eksperimentalnim podacima; prečnik snopa je 12 μm, talasna dužina 1064 nm, dužina impulsa 7 ns, a repeticija 10 Hz

slabljenju snopa i najmanjoj varijaciji preseka snopa. Za snage veće od 100 MW, deo energije u filamentima ima veliko slabljenje za prvih 30 m. Nakon toga dimenzije snopa rastu eksponencijalno za veće vršne snage. Kao posledica javlja se i prateća redukcija intenziteta lasera u filamentu. Opadanje snage filamenta i intenziteta može da sakrije proces fotojonizacije vazdušnih molekula na velikim rastojanjima. Iznenadni pad snage se pripisuje formaciji višestrukih filamenata na stazi propagacije. Ova problematika se vezuje sa fizikom intenzivnih nelinearnih fenomena vezanih za ultrakratke impulse

Tabela 4 Vrednosti parametara funkcije Pi(F)=b+(a-b)/(1+(F/F0)p), i=1, 10, 100, 1000, koja se fituje prema eksperimentalnim podacima za BK7

ja [21–26]. Pre izvesnog broja godina je vođena diskusija o karakteristikama indukovanih elektromagnetnih zračenja u atmosferi. Generalno je zaključeno da je pojava groma slična pojavi elektromagnetnog zračenja izazvanog nuklearnom eksplozijom sa izvesnim razlikama u spektru frekvencija. U literaturi se sreće da je efikasnost lasera nešto manja u odnosu na raketne tehnike, koje su od 1970-te rutinske za izazivanje veštačkih pražnjenja u svrhu istraživanja i testiranja. Nekonvencionalne tehnike su još uvek nepotvrđene, ali se na njima aktivno radi u raznim oblastima nauke i tehnike. Laser rekordne snage je za vojne primene, SSHCL (solid state heat capacity laser), 67 kW srednje snage, sa mogućnošću porasta na 100 kW, sa objavljenim podatkom da je za 25 kW dimenzija spota 2,5 cm2. Od vremena Makera, kad je bila senzacija proboja u vazduhu rubinskim

laserskim snopom, sad se pojavljuju naslovi da je najjači laser u laboratorijama Lawrence Livermore-a – 70 puta jači od Rochester-skog lasera, i da ima snagu hidrogenske bombe?! Kao procesi simulacije modela [17] i analizirajući limite parametara pojavljuje se da je laserski snop sa centralnom linijom 248 nm i širinom impulsa 200 ps, vršne snage 50 MW i preseka 100 μm pogodno oruđe za iniciranje spoljašnjih proboja. Ulazna energija je laserski sistem od 12,5 mJ [17]. Jednostavna ocena veza parametara sledi iz: (17) Ein je ulazna energija, Pin vršna vrednost upadne snage, i τp je širina impulsa. Dok je maksimum snage veći od kritične Pcr samofilamentacija postoji. Optimalni parameteri laserskog snopa odgovaraju najmanjem [016]

Literatura [1] a) Teslin doprinos nauci, kulturi i savremenoj civilizaciji, Elektrovojvodina, Novi Sad (1998); b) M. Cheney, R. Uth, J. Glenn, Tesla, master of lightning, Amazon.com; c) M. Cheney, Man Out of Time, Amazon.com. [2] a) M. Srećković, Kvantna elektronika, laseri i makromolekuli, YU Polimeri 2002, pp.32–43 (2002); b) B. Maršićanin, Problem energije i istraživanja u tehničkoj fizici, Tehnička fizika (J. Eng. Physics) XIII, 59–68 (1975). [3] R. W. Boyd, Nonlinear Optics (3rd ed.), Academic Press, Burlington (2008). [4] a) T. J. Kippenberg, Nonlinear Optics in ultra-high-Q whispering gallery mode microcavities, California Institute of Technology, Pasadena (May 2004).

energija [5] T. Kurita, K. Komatsuzaki, M.Hattori, Advanced material processing with nano- and femto-second pulsed laser, Int. J. Machine Tools Manufact. 48 (2), 220–227 (2008). [6] J. T. Verdeyen, Laser electronics, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ (1995). [7] Lj. Milanković, Tehnika visokog napona, Elektrotehnički fakultet, Beograd (1978). [8] S. M. Savić, Z. Stojković, Tehnika visokog napona (monografija), Elektrotehnički fakultet, Beograd (2001). [9] Lightning Protection Guide (2nd updated ed), Dehn+Söhne, Neumarkt (2007). [10] V. A. Rakov, M. A. Uman, Lightning, Cambridge University Press, Cambridge (2003). [11] a) M. Srećković, P. Osmokrović, The Optical Breakdown of Gases and Metal Vapours by Means of Quantum Generators, Fortschr. Phys. 2, 107–116 (1988); b) M. Srećković, Santa Fe (1991); c) M. Srećković, The Pulse Lasers and the Problems of Excitations Sources, 8th IEEE Pulsed Power Conference (San Diego, 1991), P2-13. [12] a) P. D. Maker, R. W. Terhune, C. N. Savage, Proc. III Quant. Electr. Conf. Paris (1963); b) W. E. Terhune, Bull. Am. Soc. Phys. 8, 359 (1963); c) F. Kačmarek, Vvedenie v fiziku lazerov, Mir, Moskva (1981). [13] R. G. Damon, E. K. Tomlinson, Appl. Optics 2, 546 (1963), R. G., b) T. U. Arifov et al., Pisma v ŽTF 6, 687 (1967); c) R. E. W. Minck, J. Appl. Phys. 35, 252 (1964); d) Mandelstamm et al., ŽETF 47, 2003 (1964); e) J. G. Maedors, Coherence Effects in Multiphoton Absorption Processes, IEEE J. Quant. Electr. QE-2, 1173 (1966). [14] Ju. P. Raiser (ed,), Lazernaya iskra i rasprostranenie razryadov, Nauka, Moskva (1974). [15] D. Cremers, L. Radziemski, Handbook of Laser-induced Breakdown Spectroscopy, John Wiley, Hoboken, NJ (2006). [16] Šarovaya i setočnaya molnya, Naučna knjiga, Moskva (1983). [17] N. Khan, N. Mariun, I. Aris, J. Yeak, Laser-triggered lightning discharge, New J. Phys. 4, 61.1–61.20 (2002).

[18] a) L. V. Tarasov, Vvedenie v kvantovoyu optiku,Visšaya škola, Moskva (1987); b) L.V.Tarasov, Fizika procesov v generatorah optičeskogo izlučeniya, Radio i svyaz, Moskva (1981); c) F. Tarasov, Fizičeskie osnovi kvantovoj elektronike, Nauka, Moskva (1976). [19] a) M. Srećković, S. Ristić, D. Družijanić, S. Milić, R. Gospavić, R. Radovanović, B. Đokić, Eksplozivni procesi, materijali i laseri, Zbornik JUKO CIGRE 27, RD1–12 (2005); b) A. Kovačević, M. Srećković, R. Gospavić, S. Ristić, P. Jovanić, Laser-PMMA Interaction and Mechanical Stresses, Acta Phys. Pol. A 112, 981 (2007); c) M. Srećković, S. Marinović, A. Kovačević, D. Družijanić, S. Pantelić, N. Borna, G. Gligorić, D. Barjaktarević, S. Popović, Interakcija sa materijalima optičkih pomagala i implantanata i dozimetrijski pristip, Zbornik ETRAN 49, 252–255 (2005). [20] a) M. Srećković, J. Ilić, A. Kovačević, S. Pantelić, Z. Latinović, N. Borna,V. Ćosović, Models of Interactions of Laser Beams with Materials of Interest for Optical Components and Provoked Damages, Acta Phys. Polonica A 112, pp. 935–940 (2007); b) M. Srećković, B. Kaluđerović, A. Kovačević, V. Rajković, S. Pantelić, Z. Latinović, D. Družijanić and M. Janićijević, Some problems in modeling of laser interaction with transparent and absorptive materials, 2nd Int. Conf. Phys. Opt. Mater. Dev. (ICOM2009), Herceg Novi (August 27–30, 2009); c) S. Pantelić, N. Borna, M.Srećković, biće publikovano. [21] H. Z. Cummins (ed.), Photon Correlation Spectroscopy and Light Beating, Mir, Moskva (1981). [22] M. Srećković, Nove metode u merenjima napona i struje na bazi primene kvantnih generatora, Tehnička fizika (J. Eng. Phys.) XIII, 69–80 (1975). [23] M. Srećković, Diferencijalni anemometar sa diferencijalnom spregom i naizmeničnim naponom, ETF Beograd (1968). [24] J. N. Meek, J. D. Crags, J. Wiley (eds.), Electrical Breakdown of Gases, Chichester (1978). [25] Y. Ni, From Strong Field Ioniza[017]

tion to the Generation of Attosecond Laser Pulses, Univ. Nijmegen (2006). [26] A. F. Harvey, Coherent Light, J. Wiley & Sons, New York (1970). [27] M. Srećković, A. Milosavljević, I. Nešić, S. Milić, Z. Karastojković: Primena laserskih metoda merenja i obrade u energetici, ENERGIJA broj 4 st. 063-073 / 2008

energija Tomislav Milanov, dipl. el. ing. UDC:621.316.11.004

Tri različita dugoročna rešenja na konzumu «Elektrodistribucije Beograd» u izgradnji elektrodistributivne mreže u naseljima sa više od 20.000. stanovnika Rezime: Ovaj rad iznosi osnovne karakteristike dosadašnjeg i perspektivnog napajanja električnom energijom tri naselja sa više od 20.000. stanovnika na prigradskom delu konzuma «Elektrodistribucije Beograd» (u daljem tekstu EDB) gde su devedesetih godina prošlog veka primenjena tri sasvim različita rešenja u izgradnji elektrodistributivne mreže; naime, u situaciji kad se raspolagalo sa «dovoljnim» finansijskim sredstvima za izgradnju mreža, na Stručnom savetu EDB su usvojena za realizaciju tri različita rešenja za izgradnju mreža u naseljima Borča, Kaluđerica i Sremčica te pristupilo izgradnji standardne, klasične TS 35/10 kV/kV (2x 12,5 MVA) u naselju Borča, TS 110/10 kV/kV (2x 31,5 MVA) u naselju Kaluđerica, te tronaponske TS 110/35/10 kV/kV/kV (2x 31,5/21/21 MVA) u naselju Sremčica. Već u toku zimskog perioda 1990/91. godine u pogonu su bila sva tri objekta koji su u pogonu do današnjih dana, s tim što je u naselju Borča posle 2005. godine izgrađena još jedna TS 35/10 kV/kV (2x8 MVA) - pre svega zbog naglog porasta ukupnog broja stanovnika kao posledica rata na južnoslovenskim prostorima i neplanske izgradnje značajnog broja izbegličkih kuća. U današnjoj situaciji se, naravno, dugoročno računa na eksploataciju sva tri ova, u finansijskom smislu, veoma različita rešenja, te će ovim radom biti iznešene sve bitne karakteristike dosadašnjeg napajanja električnom energijom naselja Borča, Kaluđerica i Sremčica na konzumu EDB, te osvrnuti i na perspektivu dugoročnog napajanja električnom energijom i naselja Krnjača, Obrenovac, Železnik, Batajnica, Surčin i Mladenovac, i sa, takođe, danas više od 20.000. stanovnika, i danas, u stručnim krugovima EDB, aktuelnim razmatranjima perspektivne izgradnje nove elektrodistributivne mreže i u ovim naseljima. Ključne reči: Elektrodistributivne mreže, prognoza razvoja vršne snage, Džulovi gubici, kvalitet napona,

Three Different Long Term Solutions in the Consumer Sector of «Elektrodistribucije Beograd » Applied in the Construction of the Power Distribution Network in Settlements With Over 20,000. Inhabitants This paper deals with the basic characteristics of the past and future power supply to three settlements with over 20,000 inhabitants in the suburban area of the consumer sector of «Elektrodistribucija Beograd» (hereinafter EDB) where three completely different solutions in power distribution network were applied in the 90’s of the past century; namely, in the situation where there were “sufficient“ funds for network construction, the EDB Expert Council adopted three different solutions for construction of networks in the settlements of Borča, Kaludjerica and Sremčica and proceeded with the construction of the following standard conventional substations: 35/10 kV/kV (2x 12,5 MVA) in Borča, 110/10 kV/kV (2x 31,5 MVA) in Kaluđerica, and a tertiary voltage 110/35/10 kV/kV/kV (2x 31,5/21/21 MVA) substation in Sremčica. Already in the 1990/91 winter term all three facilities were put into operation and have been in operation ever since and whatsoever, an additional 35/10 kV/kV (2x8 MVA) substation was constructed in the Borča settlement after 2005 – first of all due to a rapid growth of population, as a consequence of the war that took place on the Yugoslav territory as well as due to the unplanned construction of a large number of refugee dwellings. In the present situation all three above facilities, which mutually differ in terms of the financial aspect, are expected to operate in the long-term period, and this paper will therefore present all the fundamental characteristics of the past power supply to the settlements of Borča, Kaludjerica and Sremčica in the EDB consumer sector. This paper also gives an insight into the prospects of long-term power supply of the settlements of Krnjača, Obrenovac, Železnik, Batajnica, Surčin and Mladenovac, which also have a population of over 20,000 inhabitants, for which reason the future construction of new power distribution networks in these settlements is one of the currently discussed major issues among the experts of EDB. Key words : Power distribution networks, forecast of peak load development, Joule losses, voltage quality. [018]

energija

1. Uvod Razvoj potrošnje električne energije i snage na širem području beogradskog elektroenergetskog čvora u dosadašnjem periodu je bio veoma intenzivan i često je zbunjivao i najveće poznavaoce elektroprivredne delatnosti; svakako da potrošnja električne energije itekako zavisi od cene električne energije, ali deluje gotovo neverovatno da su najveći trendovi zabeleženi u dugoročnim periodima kada je ovaj parametar bio itekako visok za naše uslove. Takođe, i u periodima kada je cena električne energije bila izuzetno depresirana u odnosu na druge energente, a takva je situacija i danas, zabeleženi su visoki trendivi porasta, ali ipak ne tako izraziti kao šezdesetih godina prošlog veka. Tada se potrošnja električne energije i snage odvijala prema logaritamskim zakonima, tako da se i prognoze daljeg rasta iz sedamdesetih godina i danas sa strahopoštovanjem komentarišu – jer se i danas pojavljuju na pojedinim mikroreonima konzuma «Elektrodistribucije Beograd» ( u daljem tekstu EDB). Udvostručenje potrošnje električne energije i snage za svakih 7 – 8 godina na nivou konzuma EDB je danas amortizovano dugoročno i ovaj pokazatelj se od osamdesetih godina prošlog veka kreće po linearnom zakonu, ali na pojedinim mikroreonima i danas su trendovi rasta enormno visoki. Pred energetičare i planere elektrodistributivnih mreža su se tada postavljali najraznovrsniji i najkomplikovaniji problemi, jer su i «proverena rešenja» često bila «pesimistička» sa ovog aspekta te zahtevala brzo ponovno investiranje na istom mikroreonu. Danas je to situacija u mnogim naseljima na prigradskom konzumu EDB, čak i u naseljima sa više od 20.000. stanovnika – tako da se pred EDB postavljaju itekako delikatne odluke da, s jedne strane, ne preinvestira, a s druge strane, ne podinvestira u mrežu! Zato se od devedesetih godina prošlog veka kod izrade prognoza u izradi istih koriste podaci širokog spektra raznih «struka», raznih demografskih, komunalnih, finansijskih, ekonomskih, privrednih i neprivrednih delatnosti,... itd. Tako se praćenjem porasta tzv. specifičnog opterećenja (opterećenja po stanovniku ) i površinskih gustina opterećenja, dolazi do trendova i prirodnog rasta potrošnje kod postojećih potrošača, kao i do porasta potrošnje usled svih novih potrošača, sa neizbežnim praćenjem potrošnje električne energije i sveukupne zapos-

lenosti u svim privrednim preduzećima te čak i u neprivrednoj delatnosti!!! U ovom radu će radi toga biti prikazan dosadašnji razvoj vršne snage samo za naselja Borča, Kaluđerica i Sremčica, ali će, zbog nedostajućeg prostora, samo ovlaš biti prikazan i dosadašnji razvoj vršne snage i u nekoliko drugih naselja na konzumu EDB, sa, danas više od 20.000. stanovnika. Naime, na primeru odluka donešenih posle izrade srednjoročnog plana za izgradnju mreža u periodu 1986. 1990. godine, biće ilustrovan nagli rast «stihijske» izgradnje, «neplanske», u EDB najčešće zvane «divlja» stambena izgradnja, na području naselja Borča, Kaluđerica i Sremčica na prigradskom konzumu EDB, sa, tada, itekako opravdanim dijametralnim rešenjima u izgradnji mreže – u naselju Borča sa daljom izgradnjom mreže 35 kV i TS 35/10 kV/kV, u naselju Kaluđerica sa desetostruko skupljiim rešenjem (sa izgradnjom TS 110/10 kV/kV između naselja Kaluđerica i Leštani, sa više od 20.000. stanovnika ), a u naselju Sremčica sa izgradnjom najsavremenije tronaponske TS 110/35/10 kV/kV/kV ( skuplje za još 30% nego rešenje sa TS 110/10 kV/kV ) za napajanje električnom energijom naselja Sremčica i Železnik te vangradske opštine Barajevo, sa u svakoj celini više od 20.000. stanovnika; na taj način su se u periodu od 1991. do 2009. godine dostekla itekako značajna iskustva,a koja su implicirala definitivnu odluku donešenu oko 2005. godine da se ubuduće ne preinvestira u izgradnju mreža i po svaku cenu prigradski konzum izgrađuje najpre putem TS 35/10 kV/kV ( dok to «dozvoljava» postojeća mreža 35 kV ) a posle određenog perioda i stavljanjem u težište opterećenja i nove TS 110/35 kV/kV ! I, na kraju ovih uvodnih napomena, da napomenemo i to da su sva ova rešenja prošla i kroz najozbiljnije tehnoekonomske studije, i da su one pokazale da je rešenje sa napajanjem naselja Borča sa najmanjim ukupnim aktualizovanim troškovima jer su na taj način odložena za kasniji period značajnija finansijska ulaganja u mrežu ( za izgradnju TS 110/35 kV/kV tada vredne oko 12.000.000. nemačkih maraka ), ali da zahtevaju nove investicije u TS 35/10 kV/kV za 10 godina, da drugo rešenje predstavlja najperspektivnije rešenje – jer eliminiše ponovne investicione intervencije u naselju Kaluđerica dugoročno, a da treće rešenje sa izgradnjom tronaponske TS u naselju Sremčica predstavlja [019]

«iznuđeno rešenje» - jer sa najviše finansijskih sredstava omogućava najkvalitetnije dalje napajanje postojećom mrežom 35 kV značajno većeg broja potrošača - i naselja Železnik ( sa tri TS 35/10 kV/kV ) te i opštine Barajevo (sa, takođe, tri TS 35/10 kV/kV).

2. Osnovni naturalni pokazatelji o dosada{njem napajanju elektri~nom energijom naselja Bor~a, Kalu|erica i Srem~ica U okviru ove tačke biće najpre prikazan razvoj veličine svih naselja u Srbiji u periodu od 1953. godine do danas – kako bi se uvidelo da na konzumu EDB naselja sa više od 20.000. stanovnika imaju značajno učešće u svim naseljima ove veličine u Centralnoj Srbiji: Dalje, u okviru ove tačke biće prikazano kretanje ukupnog broja stanovnika i stanova u godinama popisa, kao i ukupni kapaciteti u TS 10/0,42 kV/ kV u naseljima Borča, Kaluđerica, Sremčica, Železnik i opštini Barajevo (sa oko 20 manjih naselja). Očigledan je veoma intenzivan razvoj svih ovih naselja u novije vreme – kao posledica doseljavanja iz drugih naselja iz Srbije i drugih južnoslovenskih republika. Očigledno je, kako kazuju tabele, da instalisana snaga TS 10/0,42 kV/kV po stanovniku u svim ovim naseljima ima vrednost od 1,2 kVA/st. do 2,2 kVA/ st. , a specifično opterećenje u 2002. godini u granicama od 680 do 1 425 W/stanovniku – što su itekako visoke vrednosti; ovi pokazatelji govore o tome da veliki broj potrošača u ovim naseljima za grejanje koristi električnu energiju sa termoakumulacionim pećima ili čak i moćnim bojlerima sa pripadajućim etažnim grejanjem cele kuće.

3. Elektrodistributivne mreè za napajanje naselja Bor~a, Kalu|erica i Srem~ica Elektrodistributivne mreže za napajanje električnom energijom naselja Borča, Kaluđerica i Sremčica su na visokom naponu 110 kV i 35 kV nadzemne, a na srednjem naponu 10 kV kablovske; na niskom naponu su danas bezmalo u potpunosti izvedene samonosećim kablovskim snopom 1 kV izvedenim na betonskim stubovima. Jednopolna uprošćena shema mreže 35 kV na kompletnom konzumu EDB je prikazana na Sl. 1, sa napomenom da se naselje Borča nalazi na severnom delu konzuma EDB sa vodovima

energija Tabela 1 Ukupno naselja u funkciji od veličine naselja u Centralnoj Srbiji u periodu od 1953. do 2002. godine

Tabela 2 Naselje Borča( površina konzuma 37 km2)

Tabela 3 Naselje Kaluđerica( površina konzuma 9 km2)

[020]

energija Tabela 4 Naselje Sremčica (površina konzuma 22 km2)

Tabela 5 Naselje Železnik (površina 5 konzuma km2)

Tabela 6 Opština Barajevo(površina konzuma 206 km2)

35 kV dužine oko 5,7 km; naselje Kaluđerica se nalazi na istočnom delu konzuma EDB, a naselja Sremčica i Železnik i opština Barajevo sa vodovima 35 kV dužina do 10 km – na južnom delu konzuma EDB. Priložena slika 1 govori da su i dužine vodova i oblikovanje mreže 35 kV na vangradskom konzumu EDB veoma prihvatljivi, i da se sa zanemarljivim finansijskim sredstvima mreža 35 kV može učiniti još racionalnijom, a da se izgradnjom novih izvora u njoj, koji su na slici 1 prikazani praznim kvadratićima, sve performanse njenog

pogona mogu dovesti na zaista najviši mogući nivo!!!

4. Kvalitet napona u mreàma i kod potro{a~a Kvalitet napona u mrežama 10 kV na konzumu TS 110/10 kV/kV Kaluđerica i TS 110/35/10 kV/kV/kV Sremčica je na najvišem nivou – jer su energetski transformatori 110/X kV/kV regulacioni. Međutim, naselje Borča se napaja električnom energijom preko nadzemne mreže 35 kV sa dužinama [021]

dvosistemskih vodova oko 5,7 km i maksimalnim padovima napona u njoj pri opterećenju od 2x10 MVA oko 1,7 % ( Slika 2 ); Podešenjem regulacione automatike u izvoru 110/35 kV/kV kompenzovani su u potpunosti i ovi padovi napona – jer se u mrežama najviši naponi održavaju pri najvećim opterećenjima a najniži naponi pri minimalnim opterećenjima svih TS 35/10 kV/kV. Na taj način je postignut konstantan napon kod potrošača u mreži 0,42 kV, maltene nezavisno od godišnjeg doba i u toku svih dana i meseci u godini.

energija Slika 1 Geografski prikaz mreže 35 kV na konzumu EDB u 2010. godini

Napon se u sva tri ova slučaja kod svakog pojedinačnog potrošača kreće u petostruko užem opsegu od propisima dozvoljenog opsega ( dozvoljen opseg kretanja napona je od 215 V do 235 V )!!!

5. Procentualni Dùlovi gubici u svim mreàma U okviru ove tačke će biti prikazani procentualni Džulovi gubici u svim mrežama pri napajanju manjih gradova mrežama 35 kV i 10 kV dužina do [022]

10 km i 4 km respektivno (model Borče), kao i putem TS 110/10 kV/kV u naselju. Očigledno je da su Džulovi gubici u svim mrežama veoma prihvatljivi čak i pri opterećivanju energetskih transfor-

energija Slika 2 Nomogram padova napona u mreži 35 kV na banatskom području sa TS 35/10 kV/kV Borča pre izgradnje TS 110/35 kV/kV Padinska Skela (sa izgradnjom ove TS padovi napona u mreži 35 kV za sve TS 35/10 kV/kV će biti manji od 2 %)

Slika 3 Model mreže tipa «Borča» – jednopolna shema mreže

[023]

Slika 4 Model mreže tipa «Borča» – procentualni Džulоvi gubici

energija Slika 5 Model mreže tipa «Kaluđerica» – jednopolna shema mreže

madora nazivnom snagom. Naime, u elektrodistributivnim mrežama ukupni Džulovi gubici u modelu “Borča su manji od 5 %”, odnosno 3 % u modelima mreže tipa Kaluđerica i Sremčica . Ovim gubicima treba dodati i gubitke u mreži 0,42 kV koji se u naseljima tipa solitera, sa kablovima dužine do 50 m, kreću u granicama od 0,5 % do 0,7 %, a u dugačkoj mreži 0,42 kV mogu biti i veći od 5 % . Naselja sa centralnim grejanjem i malom gustinom stanovanja - tip porodi~na gradnja (slika 7 ) Jednopolna šema mreže niskog napona sa geografskim rasporedom TS 10/0,4 kV/kV i priključnih kutija (u kablovskoj mreži) je prikazana na slici 7, a u tabeli 7 i rezultati proračuna Džulovih gubitaka za razne dužine vodova niskog napona i razne nivoe opterećenosti. Za svaki od ovih slučajeva prikazane su raspodeljene i maksimalne procentualne vrednosti Džulovih gubitaka (za raspodeljeno opterećenje i isto ukupno opterećenje skoncentrisano na kraju niskonaponskog izvoda 0,4 kV). Pretpostavljeno je da su kablvski izvodi 0,4 kV tipskog preseka - kako je to prikazano na jednopolnoj šemi mreže, i da je faktor snage svih potrošaa cos ϕ = 0,95. Treba napomenuti da su prosečne dužine izvoda 0,4 kV oko 200 m, ali da na konzumu EDB ima i izvoda 0,4 kV koji su i duži.

Slika 6 Model mreže tipa «Kaluđerica» – procentualni Džulоvi gubici

Slika 7 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima sa centralnim grejanjem i malom gustinom stanovanja

Naselja bez centralnog grejanja, sa malom gustinom stanovanja (slika 8) Jednopolna šema mreže niskog napona sa geografskim rasporedom TS 10/0,4 [024]

kV/kV i priključnih kutija (u kablovskoj mreži) je prikazana na slici 8, a u tabeli 8 i rezultati proračuna Džulovih gubitaka za razne dužine vodova niskog napona i razne nivoe opterećenosti. Za svaki od ovih slučajeva prikazane su raspodeljene i maksimalne procentulane vrednosti Džulovih gubitaka (za raspodeljeno opterećenje i isto ukupno opterećenje skoncentrisano na kraj niskonaponskog izvoda 0,4 kV). Pretpostavljeno je da su kablovski izvodi 0,4 kV tipskog preseka - kako je to prikazano na jednopolnoj šemi mreže, i da je faktor snage svih potrošača cos ϕ = 0,95. Treba napomenuti da su prosečne dužine izvoda 0,4 kV oko 100 m, ali da na konzumu EDB ima i izvoda 0,4 kV koji su i značajno duži.

Vangradska naselja sa manjom gustinom stanovanja (slika 9) Jednopolna šema mreže niskog napona sa geografskim rasporedom TS 10/0,4 kV/kV i nadzemnih kućnih priključaka

energija Tabela 7 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u naseljima sa centralnim grejanjem i malom gustinom stanovanja

Slika 8 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima bez centralnog grejanja i malom gustinom stanovanja

je prikazana na slici 9, a u tabeli 9 i rezultati poračuna Džulovih gubitaka za razne dužine vodova niskog napona i razne nivoe opterećenosti. Za svaki od ovih slučajeva prikazani su raspodeljeni i maksimalni procentualni Džulovi gubici (za raspodeljeno opterećenje i isto ukupno opterećenje skoncentrisano na kraju niskonaponskog izvoda 0,4 kV). Pretpostavljeno je da su kućni priključci realno manjeg preseka nego magistralni izvod 0,4 kV i da je faktor snage svih potrošača cos ϕ = 0,95. Treba napomenuti da su maksimalne dužine izvoda 0,4 kV koji su punoopterećeni oko 500 m, ali da na konzumu EDB ima i dužih izvoda 0,4 kV koji su značajno manje opterećeni.

Tabela 8 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u naseljima bez centralnog grejanja

[025]

6. Pouzdanost napajanja potro{a~a elektri~nom energijom u naseljima Bor~a, Kalu|erica i Srem~ica Sistematizaciji pokazatelja pouzdanosti napajanja potrošača električnom energijom u EDB se oduvek poklanjala izuzetno velika pažnja, te danas možemo da prikažemo ove podatke preko uobičajenih pokazatelja SAIDI, SAIFI, CAIDI i ASAI. Za periode pre izgradnje TS 35/10 kV/kV Borča, TS 110/10 kV/kV Kaluđerica i TS 110/35/10 kV/kV/kV Sremčica ovi pokazatelji su prosečni, a za periode posle izgradnje ovih objekata pokazatelji predstavljaju prosek za period od 1991. do 2008. godine;U priloženoj tabeli 10 su prikazani svi pokazatelji pouzdanosti za ova tri područja. Očigledno je da su prekidi u napajanju potrošača pre izgradnje kapitalne mreže na ovim područjima bili brojniji u toku godine ( 7,8 ) i sa ukupnim godišnjim trajanjem oko 18,7 h, a da su sa izgradnjom TS 35/10 kV/kV Borča redukovani na 2,11, odnosno 2,95 h, sa izgradnjom TS 110/10 kV/kV Kaluđerica

energija Tabela 9 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u vangradskim naseljima sa malom gustinom stanovanja

Slika 9 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima sa malom gustinom stanovanja

do 2,41, odnosno 5,61 h, te sa izgradnjom TS 110/35/10 kV/kV/kV Sremčica do 2,6, odnosno 5,8 h. Najpouzdanije napajanje električnom energijom je u slučaju Borče sa prosečnim godišnjim trajanjem prekida oko 1,4 h, a potom Sremčice sa 2,23 h te na kraju i Kaluđerice sa 2,33 h; reoni sa većim instalisanim snagama transformatora i skoncentrisanim većim brojem izvoda 10 kV su manje pouzdani !!! 6. Komentar aktuelne energetske situacije na drugim delovima konzuma EDB U okviru ove tačke biće prikazani osnovni energetski parametri koji su korišćeni kod izrade prognoza daljeg rasta vršnih snaga za naselja Krnjača, Obrenovac, Batajnica, Surčin i Mladenovac. Očigledan je stalni rast specifične

Tabela 10 Pokazatelji pouzdanosti napajanja potrošača za pojedina naselja

[026]

snage potrošača i površinskih gustina opterećenja te i ukupnih vršnih snaga u svim naseljima – što dovodi do određivanja optimalnog srednjoročnog perioda za investiranje u novu mrežu, naravno stavljajući u odnos vršna opterećenja naselja sa instalisanim snagama postojećih i perspsktivnih TS . Imajući u vidu da naselje Mladenovac danas napaja električnom energijom pet TS 35/10 kV/kV sa instalisanim snagama transformatora uglavnom 8 MVA, to dugoročno postepeno povećanje instalisane snage transformatora predstavlja optimalno rešenje sve dok to dozviljava visokonaponska mreža ( transformacija 110/35 kV/kV i mreža 110 kV ). U naseljima Obrenovac i Batajnica, međutim, potrebne su nove TS 110/10 kV/kV, a u naselju Surčin nova TS 110/35 kV/kV i nekoliko TS 35/10 kV/kV na konzumu ( pored postojećih TS 35/10 kV/kV Surčin, Dobanovci i Boljevci potrebne su i TS 35/10 kV/kV Surčinski put, te Jakovo i Bečmen u okolnim naseljima ). Međutim, postojeće TS 35/10 kV/kV Krnjača i Hemind ( ukupne instalisane snage 41 MVA ) napajaju električnom energijom i naselja Kotež i Ovča te je vršno opterećenje ovih TS u 2001.

energija Tabela 11 Naselje Krnjača (površina konzuma 28 km2)

Tabela 12 Naselje Obrenovac (površina konzuma 6 km2)

Tabela 13 Naselje Batajnica (površina konzuma 44 km2)

Tabela 14

Naselje Surčin (površina konzuma 61 km2)

[027]

energija Tabela 15 Naselje Mladenovac (površina konzuma 11 km2)

godini oko 28,4 MVA ! Međutim postojeća TS 35/10 kV/kV Obrenovac ( 2x 12,5 MVA ) napaja električnom energijom i naselja Zabrežje, Urovci, Mislođin, Draževac i Jasenak te je vršno opterećenje ove TS u 2001. godini oko 24 MVA ! Ovo naselje napajaju električnom energijom TS 35/10 kV/kV Batajnica I i II ukupne instalisane snage 33 MVA ! Međutim postojeća TS 35/10 kV/ kV Surčin ( 2x 12,5 MVA ) napaja električnom energijom i naselja Bečmen, Petrovčič i Jakovo te je vršno opterećenje ove TS u 2001. godini oko 18,3 MVA ! Opštinu Mladenovac napaja električnom energijom TS 110/35 kV/ kV Mladenovac ( 2x31,5 MVA ) i 6 TS 35/10 kV/kV sa ukupnim vršnim opterećenjem u 2001. godini oko 50,9 MVA

7. Umesto zaklju~ka Ovim radom su prikazane osnovne karakteristike dosadašnjeg i perspektivnog napajanja električnom energijom nekoliko naselja sa oko ili više od 20.000. stanovnika na konzumu EDB, a posebno naselja Borča, Kaluđerica i Sremčica – gde su oko devedesetih godina prošlog veka primenjena tri različita rešenja u napajanju električnom energijom. Naime, od tog vremena naselje Borča se napaja putem TS 35/10 kV/kV udaljene od izvora 110/35 kV/kV oko 5,7 km, naselje Kaluđerica putem TS 110/10 kV/kV, a naselje Sremčica putem TS 110/35/10 kV/kV/kV kojom se napajaju i blisko naselje Železnik te opština Barajevo. Svi pokazatelji kvaliteta napajanja govore da su sva rešenja ista u pogledu kvaliteta napona kod potrošača te približno iste pouzdanosti u napajanju.Sa aspekta troškova investicija najprihvatljivije rešenje je napajanje putem više TS 35/10 kV/kV i jedne

perspektivne TS 110/35 kV/kV jer stvara najmanje aktualizovane troškove investicija; Najperspektivnije rešenje je napajanje putem TS 110/10 kV/kV, dok napajanje putem TS 110/35/10 kV/ kV/kV predstavlja najskuplje iznuđeno rešenje za veći broj naselja. Za čitav niz drugih naselja slične veličine na konzumu EDB preporučuje se izrada kompletne planske dokumentacije i realizacija rešenja sa najprihvatljivijim aktualizovanim troškovima investicija i dugoročne eksploatacije.

8. Literatura 1. T. Milanov, dipl. el. ing. – Odabrani objavljeni stručni radovi vezani za planiranje elektrodistributivne mreže Beograda, kopirano u sto primeraka, u biblioteci EDB se nalaze tri primerka 2. L.Radić,S.Belić,,A. Drenković,Analiza događaja na elektroenergetskom sistemu «Elektrodistribucije Beograd» sa posebnim osvrtom na 2002. godinu, časopis Elektrodistribucija, 2003., broj 3

[028]

energija Nenad Markovi}, Visoka tehnička škola strukovnih studija, Uroševac Mom~ilo Vuji~i}, Tehnički fakultet, Čačak Damnjan Radosavljevi}, Visoka poslovno-tehnička škola, Užice UDC:621.316.34

Kompromisno rangiranje u funkciji analize niskonaponske mreže različitih grupa potrošača za različite tipove elektrifikacije gradskog područja 1. Uvod

Rezime

Optimizacijom se vrši izbor najbolje varijante iz niza mogućih ili povoljnih varijanti u smislu usvojenih kriterijuma. Takva najbolja varijanta naziva se optimalno rešenje. Optimalno rešenje predstavlja kompromis između želja (kriterijuma) i mogućnosti (ograničenja). Pri analizi niskonaponske mreže različitih grupa potrošača za različite tipove elektrifikacije gradskog područja koristićemo metodu kompromisnog rangiranja. Za ovu metodu neophodno je osnovno znanje i iskustvo iz oblasti višekriterijumske analize. Ciljevi ove metode su da nam omogući da dobijemo najpovoljniju alternativu u odnosu na one koje smo upoređivali. Metode za višekriterijumsku optimizaciju podrazumevaju objektivno poređenje između većeg broja alternativa ocenjenih u sistemu većeg broja različitih i raznolikih kriterijuma, koji su dati u različitim jedinicama i koji su sa različitim relativnim značajem. Takođe, zahtevi za maksimizacijom i minimizacijom su različiti. [2] Ciljevi ovih metoda su sledeći: da omogući donosiocu odlučivanja da sa što više argumenata može obrazložiti svoju odluku, kao i da dobije najbolju (povoljnu) alternativu u odnosu na druge upoređivane. Osnovna uloga nosioca odlučivanja u rešavanju problema višekriterijumske analize je da u skladu sa ustanovljenim ciljevima odlučivanja definiše kriterijume i formira bazu za odlučivanje, kao i da definiše strukturu preferencija. Nosilac odlučivanja u rešavanju ovakvih problema ima zadatak da izvrši rangiranje većeg broja alterna-

U cilju povećanja kvaliteta donetih odluka, odnosno izbora najprihvatljivije alternative iz skupa upoređivanih metoda, vrednovanih po osnovu više kriterijuma, mogu se koristiti različite metode višekriterijumske optimizacije. Jedna od metoda koju ćemo koristiti za međusobno upoređivanje i rangiranje alternativa je metoda kompromisnog rangiranja. Metodom kompromisnog rangiranja odredićemo vršnu snagu i presek provodnika analizom niskonaponske mreže različitih grupa potrošača za različite tipove elektrifikacije gradskog područja, gde pod različitim grupama potrošača podrazumevamo domaćinstva koja se delimično, puno i totalno snabdevaju električnom energijom. [1] Ključne reči: Električna energija, potrošači, kompromisno rangiranje, alternativa, kriterijum.

Compromised Ranking in the Function of Low-Tension Grid of Different Consumer Groups for Different Types of Electrification of Urban Area For the purpose of improvement of quality of made decisions, namely, the selection of the most acceptable alterative from the set of compared methods, evaluated according to several criteria, different methods of multi-criteria optimization can be used. One of the methods we shall use for mutual comparison and rankings of alternatives is method of compromised ranking. Using the compromised ranking method we shall determine peak power and conductor section by analysis of low-tension grid of different consumers groups for different types of electrification of urban area. Under different consumers groups we consider households which are partially, fully, or completely supplied with electrical energy. [1] Key words: Electrical energy, consumers, compromised ranking, alternative,

tiva ocenjenih po različitim kriterijumima. Različite ocene po svakom od kriterijuma na skupu alternativa uspostavljaju određena uređenja. Potrebno je kao konačan rezultat dobiti jedno uređenje skupa alternativa po kom bi se upravljao donosilac odluke. Kao što je u prethodnom delu teksta rečeno, modeli za nalaženje optimuma jedne kriterijumske funkcije su obično samo aproksimacija realnih problema u kojima donosilac odluke mora da vodi računa o više ciljeva. Ovaj deo teksta posvećen je matematičkim modelima i metodama koje treba da pomognu [029]

donosiocu odluke u analizi i izboru rešenja na osnovu više kriterijuma koji se istovremeno razmatraju. Pritom, kao i u slučaju jednokriterijumske optimizacije, donosilac odluke implicitno zadržava slobodu da prihvati, promeni ili odbaci rešenje dobijeno na osnovu matematičkog modela optimizacije. [4]

2. Primena metode kompromisnog rangiranja Jedna od metoda koja se koristi za višekriterijumsko rangiranje je i metoda kompromisnog rangiranja. To je metoda koja je najzastupljenija u

energija Tabela 1 Ocenjivanje upoređivanih alternativa

rešavanju problema poslovnog odlučivanja. Demonstraciju tehnike kompromisnog rangiranja pokazaćemo na jednom praktičnom problemu odlučivanja, odnosno izbora najpovoljnije alternative (ponude). Posmatraćemo sedam upoređivanih alternativa (a1, a2, a3, a4, a5, a6, a7) od kojih ćemo izabrati najpovoljniju alternativu. Sistematizacija alternativa izvršena je u sistemu od tri kriterijuma (f1, f2, f3). Izabrani su različiti značaji i različiti zahtevi sa maksimizacijom, odnosno minimizacijom po ustanovljenim kriterijumima. Formiran je sistem kriterijuma: tehničko-tehnološke, ekonomskofinansijske, tržišne i logističke prirode i izvršeno ocenjivanje upoređivanih alternativa što je prikazano u tabeli 1. Za svaku od sedam upoređivanih alternativa određujemo odstupanje od “idealne” alternative, na osnovu sledeće relacije: [1]

Zamenom odgovarajućih vrednosti za svih sedam alternativa dobijaju se grupna odstupanja. Zahtev da jedna dobra alternativa ne sme biti izrazito loša po bilo kom od upotrebljenih kriterijuma računa se: [1]

U tabeli 2 prikazana je rang pozicija svih sedam alternativa. Tabela 2 Rang pozicija svih sedam alternativa

wi – relativni značaj, ako je zahtev max to je najveća vrednost datog kriterijuma od svih ponuđenih alternativa, a ako je zahtev min to je najmanja vrednost datog kriterijuma, fij – vrednost alternative za koju računamo odstupanje, najmanja vrednost ako je zahtev max, ili najveća vrednost ako je zahtev min.

”Metoda kompromisnog rangiranja predstavlja veoma često korišćenu metodu za višekriterijumsko rangiranje pogodnu za rešavanje različitih problema odlučivanja. Posebno je pogodna za rešavanje problema odlučivanja kada su upotrebljeni kriterijumi kvantitativne prirode. Podrazumeva linearnost preferencija i minimizira subjektivni uticaj nosioca odlučivanja”. [1]

3. Visual basic, deo programa metode kompromisanog rangiranja

4. Zaklju~ak

gde su:

, i = 1,..., n,

a7 → a6 → a5 → a4 → a3 → a2 → a1

Na sledećim dijalog prozorima prikazan je deo programa metode kompromisnog rangiranja koji je urađen u Visual Basicu.

Kompromisna rang lista se dobija na osnovu mere Q j: [1]

, i = 1,..., n,

_ _ S , R najveća vrednost iz tabele 2. U tabeli 3 prikazana je stabilnost rang liste upoređivanih alternativa. Kao što se iz izvršene analize vidi, redosled svih sedam alternativa se ne menja bez obzira na težinu strategije odlučivanja. On je uvek stabilan i iznosi:

gde su: v - težina strategije odlučivanja i uzima vrednosti 0 ≤ v ≤ 1, S j, R j, veličina za koju računamo Q, S*, R*, najmanja vrednost,

Tabela 3 Težina strategije odlučivanja

[030]

Pristupanje problemu višekriterijumske optimizacije izvršeno je sa aspekta kompromisnog rangiranja. Redosled rešavanja ovih metoda je sledeći: Izabere se kriterijum koji sačinjava višekriterijumsku bazu za odlučivanje i njihovog relativnog značaja i izabere se odgovarajuća metoda kojom se izvršava izbor višekriterijumske optimizacije. Izbor višekriterijumske optimizacije prvenstveno zavisi od vrste problema koji se rešava, tehnologije problema koji se

energija Slika 1 Stabilnost rang liste upoređivanih alternativa

razmatra, kao i od znanja i iskustva pojedinca koji se bavi ovim problemom. Zadatak višekriterijumske optimizacije je da pomogne donosiocu odluke da izabere rešenje koje smatra najboljim u datom problemu. Zato se napori ka rešavanju postavljenog višekriterijumskog problema često nazivaju višekriterijumska analiza. [4]

Literatura

Slika 2 Rang pozicija svih sedam alternativa

Slika 3 Stabilnost rang liste upoređivanih alternativa, tj. težina strategije odlučivanja (v)

[031]

[1] M. Radojičić, M. Žižović: “Primena metoda višekriterijumske analize u poslovnom odlučivanju”, Tehnički fakultet Čačak, 1998. [2] M. Čupić V. M. R. Tummala i M. Suknović: “Odlučivanje”, formalni pristup, FON, Beograd, 2001. [3] M. Suknović, M. Čupić: “Višekriterijumsko odlučivanje”, formalni pristup, FON, Beograd, 2003. [4] N. Marković: “Analiza niskonaponske mreže gradskog područja”, magistarski rad, Tehnički fakultet Čačak, 2009. [5] M. Tanasković, T. Bojković, D. Perić, Distribucija električne energije, Akademska misao, Beograd, 2007.

energija Mr. Du{an Vukoti}, dipl. el. ing. Tomislav Milanov, dipl. el. ing. UDC:621.722.1

Džulovi gubici u niskonaponskim, srednjenaponskim i visokonaponskim mrežama na konzumu „EDB“ 1. Uvod

Rezime

Beogradski elektroenergetski čvor sa mrežama 110 kV i 35 kV počeo je da se izgrađuje pedesetih godina prošlog veka sa prvom TS 110/35 kV¸/kV (TS Beograd II, 2x20 MVA) i nizom TS 35/10 kV. Intenzivan razvoj elektrifikacije nametnuo je izgradnju prve TS 220/110 kV/kV oko 1960. godine (TS Beograd III, 2x150 MVA) i prve TS 400/220 kV/kV oko 1970. godine (TS Beograd VIII, 2x400 MVA). Svakako da je intenzivnom rastu potrošnje električne energije odgovarano planskom izgradnjom mreža te su u tom smislu značajne dve tipske faze u izgradnji mreža. Naime, prema prvom koncepcijskom planu [1] beogradske elektroenergetski čvor se napaja električnom energijom na naponu 110 kV (220 kV) a distribucija električne energije obavlja putem mreža 35 kV, 10 kV i 0,4 kV. Prema drugom koncepcijskom planu beogradski čvor se napaja putem mreža 400(220 kV) i 110 kV a električna energija distribuira preko mreža 10 kV i 0,4 kV. Sa aspekta proračuna Džulovih gubitaka u elektrodistributivnim i prenosnim mrežama ovde će odmah biti napomenuto da su ukupni tehnički i komercijalni gubici u elektrodistributivnim mrežama na konzumu EDB bili reda 10 % sve do 1995. godine, a da potom ukupni godišnji gubici enormno rastu.. U narednoj tabeli I. je prikazano njihovo kretanje u periodu od 1972. godine do 2008. godine, kao procentualni odnos između kupljene i prodate električne energije - a prema zvaničnim podacima EDB. Prema tome, kako kazuje tabela 1, očigledne su značajne varijacije u ukupnim procentualnim gubicima u

U radu se iznosi deterministički globalni pristup proračunima procentualnih Džulovih gubitaka u svim elektrodistributivnim i prenosnim mrežama u funkciji od opterećenja potrošača na konzumu »Elektrodistribucije-Beograd« (u daljem tekstu EDB). Ovi zaključci su dobijeni preciznim proračunima na modelima mreže koji su tipični za pojedine delove mreže na konuzumu EDB. Zaključuje se da su tehnički gubici u mrežama u proteklim periodima razvoja mreže bili veoma stabilni, ali da zbog sve većih razlika u potrošnji električne energije u zimskim i letnjim uslovima treba Joule-ove gubitke prikazivati posebno za ova dva režima pogona mreža, kako na gradskom tako i na prigradskom i vangradskom delu konzuma EDB. S obzirom na korelacije nivoa Džulovih gubitaka sa padovima napona u mrežama, naglašava se da u sledećem investicionom ciklusu u EDB treba predvideti značajna finansijska sredstva radi eliminisanja načina napajanja sa visokim nivoima Džulovih gubitaka i nezadovoljavajućim kvalitetom električne energije u mrežama i kod potrošača. Ključne reči: Elektrodistributivne mreže, Džulovi gubici

Joule Losses in Low-Voltage, Medium-Voltage and High-Voltage Consumer Supply Networks in the EDB Consumer Sector The paper presents a deterministic global approach towards calculating percentages of Joule losses in all power distribution and transmission networks in the function of the load in the consumer sector of »Elektrodistribucija-Beograd« (hereinafter EDB). These conclusions result from precise calculations based on network models typical for certain parts of the network in the EDB consumer sector. The conclusion is that the technical losses in the networks were very stable in the past network development, but due to growing differences in electric power consumption during the winter and summer season it is necessary to present the Joule losses separately for these two network operation regimes, both in the urban and suburban part of the EDB consumer sector. Taking into account the correlation between the level of Joule losses and drop of voltage in the networks, it is emphasized that significant funds should be foreseen in the forthcoming EDB investment cycle in order to eliminate any power supply resulting in high Joule losses and low quality of electrical energy in the networks as well as unsatisfactory consumer supply. Key words: Power distribution networks, Joule losses

desetogodišnjim periodima u odnosu na prosek za posmatrani period, što se u kompetentnim krugovima obično komentariše kao posledica promenljive vremenske dinamike očitavanja brojila [032]

u toku godina u najbrojnijoj klasi potrošača – domaćinstvima, kao i usled nestabilnog i restriktivnog investiranja u nove mreže (tabela 2). Međutim, dosadašnji razvoj kupljene

energija Tabela 1 Procentualni gubici u mrežama prema zvaničnim podacima EDB

Slika 1 Procentualni Džulovi gubici na nadzemnim i kablovskim vodovima na konzumu EDB po kilometru dužine voda

Slika 2 Procentualni Džulovi gubici na energetskim transformatorima na konzumu EDB

[033]

električne energije i vršnog opterećenja konzuma je veoma stabilan - kako to kazuje tabela 3, a standardne karakteristike imaju i elementi elektrodistributivnog sistema, energetski transformatori i vodovi mreža (vidi slike 1 i 2 koje su oformljene na osnovu podataka o mrežama EDB). S obzirom na izrazitu zavisnost nivoa Džulovih gubitaka u mrežama od dinamike i trajanja potrošnje električne energije na pojedinim naponskim nivoima mreža (koji itekako utiče na ukupne gubitke u električnoj energiji, a koji se veoma teško može »pratiti« dovoljno kvalitetno i ozbiljno) ovim radom će se problematici određivanja nivoa Džulovih gubitaka prići samo sa tzv. »determinističkog aspekta«, tj. aspekta očiglednog prikazivanja procentualnih gubitaka u funkciji od ukupnog opterećenja manjih ili većih grupa potrošača i njihove jednovremene snage, a ne proračunima u kompletnoj mreži EDB. Ove relacije će biti ispitane na tipičnim modelima elektrodistributivne mreže, posebno za mreže niskog a posebno za mreže srednjeg i visokog napona, sa komentarom uticaja varijacije ulaznih parametara na rezultate proračuna. Na to nas upućuje i danas veliki broj nepoznanica o dužinama vodova u mrežama niskog i srednjeg napona, uklopnog stanja rasklopnih uređaja u mrežama (tzv. geografske granice ili zone napajanja na nivou mreža niskog i srednjeg napona), odnosi godišnje, sezonske, mesečne, dnevne i satne potrošnje električne energije u najbrojnijoj klasi potrošača – u domaćinstvima, dinamici potrošnje električne energije većih potrošača u srednjenaponskim mrežama, itd. Prema tome, da zaključimo ova uvodna razmatranja, ovaj rad nema ambicija da »izračunava« tehničke gubitke u obimnoj kompletnoj elek-

Tabela 2 Dosadašnji razvoj konzuma ”Elektrodistribucije Beograd” - prema zvaničnim podacima sa prognozom razvoja do 2020. godine

* Konzum “Elektrodistribucije Beograd” prostire se na teritoriji beogradske opštine bez opština Lazarevac i Mladenovac do 1985.godine a posle 1985.godine sa opštinom Mladenovac.

energija

[034]

trodistributivnoj mreži EDB (koja se prostire na površini od cca 2800 km2 i kojom se isporučuje električna energija potrošačima kojih ima preko 600.000), već će ovde biti prikazani gubici u tipičnim modelima niskonaponskih, srednjenaponskih i visokonaponskih mreža, a na osnovu procene njihovog učešća u mreži EDB biće prikazani gubici ukupnog konzuma EDB u funkciji od opterećenja svih potrošača

2. Dùlovi gubici u mreàma niskog napona Proračun Džulovih gubitaka u mrežama niskog napona će ovde biti prikazan putem tabela, pri tome varirajući dužine izvoda 0,4 kV i njihovo opterećenje kroz procentualno opterećenje reda 33,3%, 66,6% i 100% prenosne snage voda (obično 50 kW, 100 kW i 150 kW). Pri tome će biti prikazani gubici sa raspoređenim opterećenjem na “n” podjednako opterećenih priključaka, kao i maksimalni gubici sa skoncentrisanim istim opterećenjem na kraju izvoda 0,4 kV. Sve deonice izvoda 0,4 kV su pri tome istih karakteristika (istog preseka i dužine). Matematička relacija koja povezuje raspodeljene i maksimalne gubitke je sledeća(Lit. 2 ): ΔPras=Kg . ΔPmax gde je Kg= (2+3/n +1/n2)/6 pri čemu je “n” ukupan broj priključaka opterećenja pri raspodeljenom opterećenju. Varirajući “n” u realnim granicama došlo se do sledeće tabele. Prema tome, proračun Džulovih gubitaka u mrežama niskog napona biće izvršen samo za slučaj skoncentrisanog opterećenja na kraju izvoda 0,4 kV, čime će biti izračunati tzv. maksimalni gubici, a potom će se množeći ove gubitke faktorom kg doći i do gubitaka za raspodeljeno opterećenje na “n” priključaka; pri tome će sve deonice izvoda 0,4 kV biti istih karakteristika (istog preseka i dužine). Na taj način je proračun značajno pojednostavljen a zaključci (brojne vrednosti procentualnih raspodeljenih i maksimalnih Džulovih gubitaka) nisu izgubili u opštosti; naprotiv. A. Uè gradsko podru~je Jednopolna šema mreže niskog napona sa geografskim rasporedom TS 10/0,4 kV/kV i priključnih kutija (u

energija Tabela 3 Vršno opterećenje i kupljena električna energija za konzum EDB u periodu od 1960. do 2005.

Tabela 4 Odnosi džulovih gubitaka pri skoncentrisanom i raspodeljenom opterećenju

kablovskoj mreži)je prikazana na slici 3, a u tabeli V i rezultati proračuna Džulovih gubitaka za razne dužine vodova niskog napona i razne nivoe opterećenosti. Za svaki od ovih slučajeva prikazane su raspodeljene i maksimalne procentulane vrednosti Džulovih gubitaka (za raspodeljeno

opterećenje i isto ukupno opterećenje skoncentirano na kraj niskonaponskog izvoda 0,4 kV). Pretpostavljeno je da su kablovski izvodi 0,4 kV tipskog preseka - kako je to prikazano na jednopolnoj šemi mreže, i da je faktor snage svih potrošača cos ϕ = 0,95. Treba napomenuti da su prosečne

Tabela 5 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV na užem gradskom području

[035]

dužine izvoda 0,4 kV oko 100 m, ali da na konzumu EDB na užem gradskom području ima i izvoda 0,4 kV koji su i značajno duži. Potrebno je napomenuti da su dužine vodova 0,4 kV u naseljima tipa solitera dužina do 50 metara i da su pripadajući Džulovi gubici u granicama od 0,3 % do 1 %. B - [ire gradsko podru~je Jednopolna šema mreže niskog napona sa geografskim rasporedom TS 10/0,4 kV/kV i priključaka potrošača je prikazana na slici 4, a u tabeli 6 i rezultati proračuna Džulovih gubitaka za razne dužine vodova niskog napona i razne nivoe opterećenosti. Za svaki od ovih slučajeva prikazane su raspodeljene i maksimalne procentualne vredosti Džulovih gubitaka (za raspodeljeno opterećenje i isto ukupno opterećenje skoncentrisano na kraju niskonaponskog izvoda 0,4 kV). Pretpostavljeno je da je mreža 0,4 kV izgrađena samonosećim kablovskim snopom tipskog preseka 70 mm2) i da je faktor snage potrošača cos ϕ = 0,95. Treba napomenuti da su prosečne dužine izvoda 0,4 kV oko 300 m, ali da na konzumu EDB ima i izvoda 0,4 kV koji su i značajno duži V - Naselja sa centralnim grejanjem - tip kolektivno stanovanje (slika 5) Proračun Džulovih gubitaka je identičan kao u slučaju A - na užem gradskom području, sa istim dužinama, presecima i vrstom izvoda niskog napona i iste pretpostavljene varijantne opterećenosti. G. Naselja sa centralnim grejanjem i malom gustinom stanovanja - tip porodi~na gradnja (slika 6 ) Jednopolna šema mreže niskog napona sa geografskim rasporedom TS 10/0,4 kV/kV i priključnih kutija (u kablovskoj mreži) je prikazana na slici 6, a u tabeli VIII i rezultati proračuna Džulovih gubitaka za razne dužine vodova niskog napona i razne nivoe opterećenosti. Za svaki od ovih slučajeva prikazane su raspodeljene i maksimalne procentualne vrednosti Džulovih gubitaka (za raspodeljeno opterećenje i isto ukupno opterećenje skoncentrisana na kraju niskonaponskog izvoda 0,4 kV). Pretpostavljeno je da su kablvski izvodi 0,4 kV

energija Slika 3 Jednopolna šema mreže 0,4 kV na užem gradskom području

tipskog preseka - kako je to prikazano na jednopolnoj šemi mreže, i da je faktor snage svih potrošaa cos ϕ = 0,95. Treba napomenuti da su prosečne dužine izvoda 0,4 kV oko 200 m, ali da na konzumu EDB ima i izvoda 0,4 kV koji su i duži. D. Naselja bez centralnog grejanja, sa malom gustinom stanovanja (slika 7) Jednopolna šema mreže niskog napona sa geografskim rasporedom TS 10/0,4 kV/kV i priključnih kutija (u kablovskoj mreži) je prikazana na slici 7, a u tabeli 9 i rezultati proračuna

Slika 4 Jednopolna šema mreže 0,4 kV na širem gradskom području

Džulovih gubitaka za razne dužine vodova niskog napona i razne nivoe opterećenosti. Za svaki od ovih slučajeva prikazane su raspodeljene i maksimalne procentulane vrednosti Džulovih gubitaka (za raspodeljeno opterećenje i isto ukupno opterećenje skoncentrisano na kraj niskonaponskog izvoda 0,4 kV). Pretpostavljeno je da su kablovski izvodi 0,4 kV tipskog preseka - kako je to prikazano na jednopolnoj šemi mreže, i da je faktor snage svih potrošača cos ϕ = 0,95. Treba napomenuti da su prosečne dužine izvoda 0,4 kV oko 100 m, ali da

Tabela 6 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV na širem gradskom području

[036]

na konzumu EDB ima i izvoda 0,4 kV koji su i značajno duži. \. Vangradska naselja sa ve}om gustinom stanovanja - tip sremski (slika 8) Proračun Džulovih gubitaka je identiačn ako u slučaju B, sa istim dužinama, prsecima i vrstom izvoda niskog napona i iste pretpostavljene varijantne opterećenosti. E. Vangradska naselja sa manjom gustinom stanovanja (slika 9) Jednopolna šema mreže niskog napona sa geografskim rasporedom TS 10/0,4

energija Slika 5 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima sa centralnim grejanjem

Slika 6 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima sa centralnim grejanjem i malom gustinom stanovanja

Tabela 7 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u naseljima sa centralnim grejanjem

Tabela 8 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u naseljima sa centralnim grejanjem i malom gustinom stanovanja

[037]

energija Slika 7 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima bez centralnog grejanja i malom gustinom stanovanja

Slika 8 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima sa većom gustinom stanovanja

Tabela 9 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u naseljima bez centralnog grejanja

Tabela 10 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u vangradskim naseljima sa većom gustinom stanovanja

[038]

energija Slika 9 Jednopolna šema mreže 0,4 kV u naseljima sa malom gustinom stanovanja

i da je faktor snage svih potrošača cos ϕ = 0,95. Treba napomenuti da su maksimalne dužine izvoda 0,4 kV koji su punoopterećeni oko 500 m, ali da na konzumu EDB ima i dužih izvoda 0,4 kV koji su značajno manje opterećeni.

3. Dùlovi gubici u srednjenaponskim i visokonaponskim mreàma

kV/kV i nadzemnih kućnih priključaka je prikazana na slici 9, a u tabeli 11 i rezultati poračuna Džulovih gubitaka za razne dužine vodova niskog napona i razne nivoe opterećenosti. Za svaki od ovih slučajeva prikazani su raspodeljeni i maksimalni procentualni Džulovi gubici (za raspodeljeno opterećenje i isto ukupno opterećenje skoncentrisano na kraju niskonaponskog izvoda 0,4 kV). Pretpostavljeno je da su kućni priključci realno manjeg preseka nego magistralni izvod 0,4 kV

Ukupni Džulovi gubici i njihova struktura su prikazani u ovom delu rada na 7 modela mreže koji su tipični za pojedine delove konzuma EDB. Model mreže 1 je reprezent najapanja na konzumu postojećih TS 110/10 kV/kV Beograd XIV, Beograd XV, Beograd XXVIII i Beograd LX sa pripadajućim kablovskim srednjenaponskim i visokonaponskim mrežama. Jednopolna šema mreža i procentualni Džulovi gubici u funkciji od opterećenja konzuma prikazani su na slici 10 i slici11.Učešće ovog modela mreže u vršnom opterećenju konzuma EDB je oko 27 % . Model mreže 2 je reprezent najapanja na konzumu postojećih TS 110/10

kV/kV Beograd XII, Beograd XIII i Beograd XVI sa pripadajućim kablovskim srednjenaponskim i nadzemnim visokonaponskim mrežamaUčešće ovog modela mreže u vršnom opterećenju konzuma EDB je oko 10%. Model mreže 3 je reprezent napajanja na konzumu postojeće TS 110/35 kV/ kV Beograd VI sa pripadajućim TS 35/10 kV/kV Podstanica, Zeleni Venac i Viline Vode sa pripadajućim kablovskim srednjenaponskim mrežama. Jednopolna šema mreža i procentualni Džulovi gubici u funkciji od opterećenja konzuma prikazani su na slici 12 i slici13. Učešće ovog modela mreže u vršnom opterećenju konzuma EDB je oko 8 % . Model mreže 4 je reprezent napajanja na konzumu TS 110/35 kV/kV Beograd I, Beograd II, Beograd XI i Toplana sa pripadajućim TS 35/10 kV/ kV Tehnički fakultet, Bele Vode, Kanarevo brdo, Topčidersko brdo, Dobro polje, itd., sa pripadajućim kablovskim srednjenaponskim i visokonaponskim mrežama. Učešće ovog modela mreže u vršnom opterećenju konzuma EDB je oko 30 % . Model mreže 5 je reprezent napajanja na konzumu TS 110/35 kV/kV Beograd VII, Beograd IX i Beograd X sa pripadajućim TS 35/10 kV Borča, Krnjača,Hemind, Obrenovac, Batajnica II, itd, sa pripadajućim kablovskim srednjenaponskim i nadzemnim visokonaponskim mrežama. Jednopolna šema mreža i procentualni Džulovi gubici u funkciji od opterećenja konzuma prikazani su na slici 14 i slici 15. Učešće ovog modela mreže u vršnom opterećenju konzuma EDB je oko 15 % . Model mreže 6 je reprezent napajanja na konzumu TS 110/35 kV/

Tabela 11 Džulovi gubici u mreži 0,4 kV u vangradskim naseljima sa malom gustinom stanovanja

[039]

energija Slika 10 Model mreže1 – jednopolna shema mreže

Slika 11 Model mreže 1 – procentualni Džulovi gubici

Slika 12 Model mreže 3 – jednopolna shema mreže


kV Beograd I, Beograd IX i Beograd X sa pripadajućim TS 35/10 kV/kV Vinča, Grocka, Batajnica I, Dobanovci, Ugrinovci, Ratari, Zvečka, Stubline, Vorbis, itd., sa pripadajućim nadzemnim srednjenaponskim i visokonaponskim mrežama. Jednopolna šema mreža i porcentualni Džulovi gubici u

funkciji od opterećenja konzuma prikazani su na sl. 16 i sl. 17. Učešće ovog modela mreže u vršnom opterećenju konzuma EDB je oko 5 % . Model mreže 7 je reprezent napajanja na konzumu TS 110/10 kV/kV Beograd XVIII i Beograd XXXIII sa pripadajućim nadzemnim sred[040]

njenaponskim i visokonaponskim mrežama. Jednopolna šema mreža i procentualni Džulovi gubici u funkciji od opterećenja konzuma prikazani su na sl. 18 i sl.19. Učešće ovog modela mreže u vršnom opterećenju konzuma EDB je oko 5 % . U svim modelima mreža pripadajuće

energija Slika 14 Model mreže 5 – jednopolna shema mreže


Slika 16 Model mreže 6 – jednopolna shema mreže


TS 110/35 kV/kV, 35/10 kV/kV i 110/10 kV/kV se opterećuju do cca 80% instalisane sange, a vodovi 35 kV i 10 kV do cca 10 MW, odnosno 2 MW. Pripadajuća TS 400/110 kV/kV snage 2x300 MVA se opterećuje do ca 500 MW, kao i napojni vod 400 kV. Posebno su analizirane i mreže 220 kV

sa pripadajućim TS 400/220 kV/kV i 220/110 kV/kV približno istih snaga (2x400 MVA i 3x250 MVA respektivno). Očigledno je da su procentualno Džulovi gubici najveći u modelu mreže 6 jer su jednostruki/jednosistemski vodovi 35 kV dužine 10 km [041]

opterećeni do cca 10 MW što stvara izuzetno visoke vrednosti ukupnih Joule-ovih gubitaka u modelu mreže. Takođe, očigledno je, da ukoliko želimo da nivo Džulovih gubitaka u modelima mreže sa TS 110/35 kV/ kV i TS 35/10 kV/kV bude isti kao u modelima mreže sa TS 110/10 kV/kV,

energija Slika 18 Model mreže 7 – jednopolna shema mreže

da tada treba opterećivati energetske transformatore 110/35 kV/kV i 35/10 kV/kV u proseku za cca 10 - 20 % manje nego energetske transformatore 110/10 kV/kV. Tako, na primer, na konzumu EDB je isti nivo gubitaka u mrežama na konzumu TS 110/35 kV/kV Beograd VI i TS 110/10 kV/ kV Beograd XIV i Beograd XV, jer je vršno opterećenje TS 110/35 kV/kV Beograd VI i pripadajućih TS 35/10 kV/kV oko 60 %, a vršna opterećenja TS 110/10 kV/kV Beograd XIV i Beograd XV tek nešto veća od 80 % njihove instalisane/naznačene snage.

4. Kategorizacija delova mreè na konzumu EDB prema nivoima procentualnih Dùlovih gubitaka u njima Ovde će opisno biti prikazana kategorizacija delova mreže na konzumu EDB prema nivou procentualnih Džulovih gubitaka u njima. Naime, procentualni Džulovi gubici u mrežama napajanih putem TS 110/10 kV/kV kao i putem TS 110/35 kV/kV i 35/10 kV/kV na područjima sa velikim površinskim gustinama opterećenja - gradske mreže, su manji od 5% opterećenja konzuma, i to su takozvane mreže prve kategorije. Procentualni Džulovi gubici u mrežama sa TS 110/35 kV/kV i TS 35/10 kV/kV pri vršnom opterećenju TS 35/10 kV/kV su još uvek prihvatljivi i manji su od 8% operećenja


konzuma. To su takozvane mreže druge kategorije karakteristične za prigradska područja na konzumu EDB. I, na kraju, procentualni Džulovi gubici u mrežama sa TS 110/35 kV/kV i 35/10 kV/kV i dugačkim vodovima 35 kV kod kojih su Džulovi gubici pri vršnom opterećenju veći od 10 % opterećenja konzuma su mreže tzv. treće kategorije i karakteristične su za napajanje delova vangradskog konzuma EDB. Učešće mreža prve kategorije u vršnom opterećenju konzuma EDB je oko 70 %, mreža druge kategorije oko 20%, te mreža treće kategorije oko 10 %. Ciljne vrednosti za nivoe Džulovih gubitaka u svim mrežama na konzumu EDB su mreže prve i druge kategorije kako su i prikazane ovim radom.Ove vrednosti su prihvatljive i sa aspekta tehno-ekonomskih analiza.

5. Dùlovi gubici u svim mreàma u zavisnosti od optere}enja ukupnog konzuma EDB U zavisnosti od načina napajanja električnom energijom obrazovani su modeli mreža koji su tipični za cca 7 manjih ili većih reona na konzumu EDB. Najpre su oformljeni modeli mreže sa dva nivoa transformacije (putem TS 110/10 kV/kV i 10/0,4 kV/kV ) a zatim i modeli sa tri nivoa [042]

transformacije (110/35 kV/kV, 35/10 kV/kV i 10/0,4 kV/kV). U prenosnom sistemu su analizirane karakteristike napajanja putem TS 400/110 kV/ kV kao i putem TS 400/220 kV/kV i 220/110 kV/kV. Dužine vodova su varirane prema učešću u mrežama na konzumu EDB i kreću se do u proseku 20 km za mrežu 110 kV, cca 10 km za mrežu 35 kV i cca 5 km za mrežu 10 kV. Procentualno opterećivanje vodova i transformatora u modelima mreža je najviše do cca 80% kapaciteta svakog elementa pojedinačno.Na taj način je, srazmerno učešću svakog modela mreže u vršnom opterećenju konzuma EDB, oformljen dijagram na slici 20, gde je prikazana globalna procena zavisnosti procentualnih Džulovih gubitaka u svim prenosnim i elektrodistributivnim mrežama u funkciji od opterećenja ukupnog konzuma EDB. Očigledno je da ukupni procentualni Džulovi gubici u svim mrežama na konzumu EDB iznose oko 10% pri vršnom opterećenju konzma reda 1600 MW, a da su minimalni pri opterećenjima konzuma EDB reda 500 MW. Pri minimalnim godišnjim opterećenjima konzuma EDB reda 300 MW procentualni Joule-ovi gubici iznose oko 6%. U elektrodistributivnim mrežama Džulovi gubici pi vršnom opterećenju konzuma iznose oko 7% a pri minimalnom opterećenju konzuma iznose oko 5%.

energija Slika 20 Ukupni procentualni Džulovi gubici u svim mrežama na konzumu EDB

Učešće procentualnih Džulovih gubitaka u mrežama niskog napona je dominantno, i kako je to i prikazano na dijagramu na sl. 20, iznosi oko 35% ukupnih procentualnih Džulovih gubitaka pri vršnom opterećenju konzuma EDB.

6. Mere koje treba preduzeti za eliminisanje na~ina napajanja sa visokim procentualnim Dùlovim gubicima i padovima napona na konzumu EDB

Kriva 1 – gubici u niskonaponskim mrežama Kriva 2 – gubici u elektrodistributivnoj mreži Kriva 3 – gubici u prenosnoj mreži

Slika 21 Geografski prikaz mreže 35 kV na vangradskom delu konzuma EDB

[043]

Kao što je već rečeno, visoke vrednosti procentualnih Džulovih gubitaka i padova napona na konzumu EDB su na vangradskim područjima sa dugačkim a punoopterećenim vodovima 35 kV i 10 kV. Vršna opterećenja ovih reona danas iznose oko 200 MW i za njihovu sanaciju neophodna je izgradnja 4 TS 110/35 kV/kV , 3 TS 110/10 kV/ kV i cca 20-25 TS 35/10 kV/kV. Za to su potrebna značajna finansijska sredstva te bi u narednim investicionim ciklusima za izgradnju mreža na konzumu EDB trebalo intervenisati najpre na ovakvim područjima. Očigledno je, kako to kazuje priložena Sl. 21, da u vangradsku mrežu 35 kV na konzumu EDB treba uvesti samo četiri TS

110/35 kV/kV do 2025. godine ( TS Grocka, Surčin, Barajevo i Padinska Skela ), pa da svi vodovi 35 kV budu dužina do 5 km, eventualno 10 km, što bi u interakciji sa opterećenjima TS 35/10 kV/kV impliciralo da maksimalni padovi napona i Džulovi gubici u mreži 35 kV budu dovedeni na nivo ispod 2 % , eventualno 3 %, na svim pravcima, te će mreža 35 kV u tim uslovima doživeti ponovnu afirmaciju pri svim nastupajućim povećanjima površinskih gustina potrošača;na taj način će svako naselje sa preko 3000 stanovnika imati svoju TS 35/10 kV/ kV snage 2x4(8) MVA, a svako naselje sa više od 10 000 stanovnika i svoju TS 110/X kV/kV snage 2x31,5 MVA – što je itekako prihvatljivo rešenje i u tehnoekonomskom smislu ! Svakako da dovođenje svih mreža na nivo kvalitetnih mreža i mreža sa prihvatljivim performansama najapanja, kako su definisane ovim radom, treba da bude realizovano u dogledno vreme, jer starost gradskih mreža nameće potrebu da se odmah posle ovakvih intervencija nastavi sa izgradnjom nove mreže i na gradskim područjima - pre svega na delovima gradskog konzuma na kojima su objekti već danas stariji od 40 godina. Neminovan rast specifičnog opterećenja i površinske gustine opterećenja na konzumu EDB to nameću u svim srednjoročnim planskim periodima do i posle 2020.godine.

8. Zaklju~ci U radu su prikazane zavisnosti procentualnih Džulovih gubitaka u funkciji od opterećenja konzuma posebno za sve mreže na konzumu EDB a posebno za delove mreže sa različitim načinima napajanja. Zaključuje se da u tom smislu postoje izuzetno kvalitetne mreže i mreže sa prihvatljivim nivoima Džulovih gubitaka (do cca 5% odnosno 8 % respektivno), takozvane mreže prve i druge kategorije, kao i, naravno, i mreže sa značajno većim nivoima procentualnih Džulovih gubitaka (tzv. mreže treće kategorije, u kojima su procentualni Džulovi gubici pri vršnom opterećenju konzuma veći od 10 %). Ciljne vrednosti procentualnih Džulovih gubitaka u mrežama na konzumu EDB su kvalitetne mreže i mreže sa pirhvatljivim nivoima gubitaka. Za eliminaicju mreža sa visokim vrednostima procentualnih Džulovih gubitaka potrebna su značajna finansijska sredstva, te bi trebalo izgraditi sve objekte - izvore u mrežama u dogledno vreme. To nameće starost gradskih mreža na

energija konzumu EDB čija će zamena novom mrežom uslediti posle saniranja mreža sa enormnim Džulovim gubicima. Za sada zadovoljava proncip da se planiranje izgradnje novih mreža radi za maksimalan pad napona na svakom naponskim nivou mreža od 5% dok Džulove gubitke u mrežama treba i dalje adekvanto valorizovati u tehnoekomonskom delu studija razvoja mreža; treba napomenuti i to da su u tehnoekonomskom vrednovanju Džulovi gubici invarijantni u ukupnoj ekonomiji varijantnog rešenja i da nisu odlučujući za favorizovnje određene dinamike izgradnje mreže.

An|elka Milosavljevi}, Zoran Stameni}, Sr|an Uzelac, Ratko Vrane{ Mašinski fakultet, Beograd Suzana Poli}-Radovanovi} Centralni institut za konzervaciju, Beograd Biljana Gruji} Inovacioni centar Mašinskog fakulteta u Beogradu d.o.o. Beograd

Literatura

Rezime

[1] Elektrosrbija Beograd, Perspektivni program investicione izgradnje električne mreže grada i sreza Beograd, studija, 1957.godina [2] Gojko Muždeka, Osnovne koncepcije perspektivnog napajanja Beograda električnom energijom do 2000.godine, Časopis "Elektrodistribucija",1977. god.,broj 3 [3] Tomislav Milanov,Slobodan Maksimović, Džulovi gubici i padovi napona u modelima elektrodistributivne i prenosne mreže, JUKO CIGRE 1993.godine, R 31-16. [4] Tomislav Bojković i saradnici, Tehničke preporuke distribucija Srbije, tom 1 i 2.

UDC:620.1 : 621.79 : 669.715

Višekomponentne legure aluminijuma, primena u energetici i ispitivanju U ovom radu razmatrane su višekomponentne legure aluminijuma tipa: AlMg4,5Mn i AlZnMgCu, sa različitim prethodnim obradama. Cilj ispitivanja je bio da se pravilnim izborom hemijskog sastava, parametara zavarivanja, kao i dozvoljenim nivoom zavarivanjem unete toplotne energije, obezbedi dobar kvalitet materijala konstruktivnih delova koji se primenjuju u energetici. Izvedena mehanička ispitivanja uz razmatranje prelomnih površina zava-renih spojeva skenirajućim mikroskopom (SEM) i energodisperzionom analizom (EDS) ukazuju na značaj pravilnog izbora materijala, termomehaničke obrade, tehnologije zavarivanja i praktične primene. Ključne reči: Legure aluminijuma, zavarivanje, mehaničke karakteristike, optičke metode, struktura.

Multiple Component Aluminum Alloys, Applications in Power Industry and Testing In this white paper, multiple component aluminum alloys of the following types: AlMg4,5Mn and AlZnMgCu, both subjected to the different kinds of treatment, were investigated. Aim of this research was to provide and secure good material quality of the structural parts, which are used in the power industry, by proper selection of the chemical composition, welding conditions and allowed level of thermal energy transfe-red to the material during the welding process. Mechanical tests performed here, together with the fracture surfaces investigation of the welded joints by scanning microscope (SEM) and by energy dispersal anlysis (EDS), indicate the significance of the proper material selection, thermomechanical treatment, welding technology and practical application. Key words: aluminum alloys, welding, mechanical properties, optical methods, structure.

Uvod Nepodeljen je stav istraživača koji se bave materijalima, sa literaturnog i eksperimantalnog pristupa problemima, da je potrebno obezbediti savremene tehnologije dobijanja i ispitivanja, da bi se dobila povoljna struktura za odgovarajuću primenu materijala. Savremene finostrukturne analize: termoemisione, transmisione, skenirajuće mikroskopije i disperzione [044]

analize, daju pokazatelje od značaja za buduću razvoj proizvoda i industrije. Primena novih tehnologija i ispitivanja usmerena su na dobijanje i primenu novih vrsta materijala i poboljšanja osobina postojećih. Za to je potrebno znanje i ulaganje da se na nano i mikro nivou objasne makro promene i greške nastale u proizvodnji i eksploataciji, kao i da se poveća pouzdanost konstruktivnih delova i konstrukcija.

energija Kinetika i mehanizam formiranja strukturnih mikrokonstituenata legura aluminijuma, koji nastaju kao posledica procesa ojačavanja [1,2,3], naponsko-deformacionih stanja [4,5], zavarivanja [6,7,8,9,10], teksture [11], nisu dovoljno naučno objašnjeni. Zato je, u ispitivanjima bez razaranja, koja se koriste kao preliminarna, posebno mesto pripalo holografskoj interferometriji [10] koja je potisnula klasične metode naponsko-deformacione analize, kao što su to fotoelastičnost i tenzometrija. Takođe, primena vakuumskih tehnika [12] i laserskih obrada [13,14,15,16,17] u procesima obrade imaju veliki praktični značaj. U određivanju veličine zrna, uticaju graničnih površina na osobine materijala, neizostavno je važna primena transmisione mikroskopije. Pošto materijal uvek menja osobine u toku termičkih obrada i zavarivanja, i u uslovima visokih radnih temperatura u eksploataciji [18], termoemisioni mikroskop daje najoriginalniji dokaz. U analizi prelomnih površina, identifikovanju mikro pora, prslina i sekundarnih faza neophodna su fraktografska ispitivanja. Zbog velikog broja uticajnih faktora koji dovode do nastanka i rasta prsline, utvrđivanje mehanizma loma je kompleksno. Najjednostavnije je da se direktnim posmatranjem površine preloma upravne na skenirajući snop elektrona, utvrdi da li su prisutne jamice i kakvog su oblika, ima li u njima uključaka, kojeg su tipa, da li postoje transkristalni rascepi i da li mogu da se identifikuju sekundarne faze. U ovom radu prikazani su rezultati mehaničkih ispitivanja, ispitivanja prelomnih površina “scanning” (SEM) elektronskim mikroskopom i energodisperzionom analizom (EDS). Navedena ispitivanja dala su značajne rezultate vezane za materijale koji u eksploataciji rade u najodgovornijim i veoma nepogodnim radnim uslovima [19].

Rezultati i diskusija Ispitivanja su izvedena na legurama tipa: AlMg4,5Mn i AlZnMgCu. Legure AlMg4,5Mn su termički neobradive i otporne su na koroziju. Primenjuju se za izradu manje opterećenih zavarenih konstrukcija. Legure AlZnMgCu su deformabilne, termički obradive, pripadaju legurama visoke čvrstoće koja se postiže rastvaranjem legirajućih elemenata u osnovnoj površinski centriranoj rešetki aluminijuma, a potom na temperaturi termičkog taloženja formiranjem ojačavajućih mikrokonstituenata.

Legura AlMg4,5Mn dobijena je klasičnom tehnologijom proizvodnje, uz optimizaciju hemijskog sastava i dopunskim ojačavanjem deformacijom, tj. dislokacionim mehanizmom. Zato se kroz izbor odgovarajuće tehnologije zavarivanja, uz prethodno predgrevanje, želelo da se utiče na optimizaciju mehaničkih i mikrostrukturnih karakteristika, a time i da se omogući šira primena zavarivanih delova napred navedenih legura. Rezultati ispitivanja hemijskog sastava su dobijeni kvantometrijskom analizom i dati su u tabeli 1. U tabeli 2. prikazani su rezultati hemijskog sastava legure AlZnMgCu, koji su dobijeni gravimetrijski. Svojstva otpornosti su određena ispitivanjem na zatezanje, za kaljeno (K) i termomehanički obrađeno stanje (D+T) i dati su u tabeli 3, kao srednje vrednosti 5 merenja. Deformabilna legura AlMg4,5Mn, bez prethodne termičke obrade, pokazala je da su vrednosti zatezne čvrstoće od 290 – 304 MPa, a vrednosti energija loma od 190 – 200 J. Zato su sve veći zahtevi za postizanjem optimalnih deformacionih uslova i izborom odgovarajućih parametara zavarivanja. Zavarivanje je izvedeno netopivom elektrodom - TIG postupkom, u 4 prolaza, sa međuprolaznom temperaturom od 110-125°S. Legura je zavarivana, u zaštitnoj atmosferi argona. Na osnovu odgovarajućih parametara zavarivanja

prema proračunu po formuli [6], uneta količina toplote iznosila je od 17-26 kJ/cm. Ograničenje unete toplote pri zavarivanju se postiže primenom što manjeg inteziteta struje zavarivanja. Za određivanje žilavosti ivice materijala bile su pripremljene sa „V“ zarezom, sa uglovima koji odgovaraju korišćenom postupku zavarivanja. S obzirom da je poznato da se kod legura aluminijuma pri zavarivanju javlja poroznost, bitno je bilo da se izvede predgrevanje. Prisustvo poroznosti koje se najčešće manifestuje formiranjem oksida aluminijuma Al2O3 [20], kao i stvaranjem drugih gasova u metalnom kupatilu i njihove difuzije po celoj zapremini posledica je i brzog očvršćavanja metala u procesu zavarivanja. U toku procesa zavarivanja, vodilo se računa o uspostavljanju stabilnosti luka, zaštite metalnog kupatila od drugih gasova iz vazduha, dobijanje što homogenijeg materijala vara i kvalitetnog zavarenog spoja. Kao dodatni materijal pri zavarivanju korišćena je žica poprečnog preseka Ø5mm, dužine 1000mm, sličnog hemijskog sastava – oznake AWS AC.10/ ER 518, tj. DIN 17256 – AlMg4,6Mn. Posle izvedenog zavarivanja, određena je žilavost na instrumentiranom Šarpijevom klatnu. Za snimanje prelomnih površina primenjen je elektronski mikroskop (SEM) tipa JOEL

Tabela 1 Hemijski sastav legure AlMg4,5Mn

Tabela 2 Hemijski sastav legure AlZnMgCu

Tabela 3 Mehaničke osobine legure AlZnMgCu

Tabela 4 Parametri tehnologije zavarivanja u zaštitnoj atmosferi argona

[045]

energija Slika 1 Površina preloma (SEM)

JSM35 pri naponu 25kV, a takođe je izvedena energodisperziona analiza (EDS). Rezultati mikrostrukturne analize su prikazani na slikama 1 – 5. U literaturi nema značajnih rezultata o formiranju faza kod legura aluminijuma sa manjim procentima legirajućih elemenata, u odnosu na legure sa većim težinskim udelom legirajućih elemenata, gde postoje i značajni dijagrami stanja koji to potvrđuju. Za leguru AlZnMgCu pokazalo se da su najčešće prisutna jedinjenja (MgMn)3Al10 i Mg5Al8 koja se obrazuju peritektičkom reakci-

Slika 2 Površina preloma (EDS)

su malih dimenzija i nisu bile od značaja za dalju identifikaciju. Različita koncentracija Al i legirajućih elemenata na slici 3. (spectrum 1 i 2) govore o preraspodeli legirajućih elemenata, nastalih u procesu zavarivanja. Ovo verovatno nastaje usled neravnomerne raspodele temperature u toku hlađenja. Osim Mg2Al3 faze od značaja je mogući uticaj formiranja mikrokonstituenata na bazi Mg i Si, što je česta pojava i kod drugih legura aluminijuma [16, 17],

Slika 3 Površina preloma – mesto 1 i 2 (SEM)

Slika 4 Mesto 1 (EDS)

jom iz faze MnAl6 ili MnAl4. Identifikovane su i faze ZnAl i CrAl7. Činjenica je da je navedena legura kompleksnijeg sastava uz prethodnu termomehaničku obradu: hladna plastična deformacija i termičko taloženje.

Slika 5 Mesto 2 (EDS)

Kod legure AlMg4,5Mn, na slici 1. data je prelomna površina snimljena skenirajućim mikroskopom, a disperzionom analizom uočava se dominirajući sadržaj aluminijuma uz eventualnu mogućnost prisustva Mg2Al3 faze koje [046]

a manifestuje se stvaranjem Mg2Si mikrokonstituenta. S obzirom da se na slici 4. uočava znatno prisustvo silicijuma, moguće je da dolazi do izdvajanja Mg2Si faze. Zato bi detaljnije mikroskopske analize pomogle

energija u daljim razmatranjima i utvrđivanju, kao i izračunavanju kvantitativnih udela pojedinih mikrokonstituenata za različite uslove deformacije, termičke obrade, a uz pravilno odabrane parametre zavarivanja.

Zaklju~ak Na osnovu rezultata ispitivanja bez razaranja, određivanja mehaničkih karakteristika i izvedenih mikrostrukturnih analiza može se zaključiti sledeće: Za legure AlMg4,5Mn i AlZnMgCu pravilno su određeni: optimalni hemijski sastav, deformacioni uslovi, termička obrada i parametri zavarivanja. Povećano prisustvo različitih hemijskih elemenata u pojedinim delovima prelomnih površina uzoraka legure AlMg4,5Mn, posle ispitivanja žilavosti, ukazuje na izvesnu nehomogenost strukture materijala, što stvara mogućnost za formiranje i koncentrisanje sekundarni faza, čiji sastav nije još definisan. Na osnovu rezultata ispitivanja se pretpostavlja da su prisutne Mg2Al3 Mg2Si, u malim težinski udelima. Detaljnija mikro analiza za različite parametre termomehaničke obrade i zavarivanja, bila bi od značaja za karakterizaciju ispitivane složene višekomponentne strukture legure AlZnMgCu, što bi uticalo na poboljšanje kvaliteta materijala, a sa tim i na pouzdanost konstruktivnih delova i konstrukcija u eksploataciji. ***

Učesnici Projekta 14025 i ostali koautori rada, iskreno se zahvaljuju Ministarstvu za nauku i tehnološki razvoj Vlade republike Srbije.

Literatura 1. A. Milosavljević, V. ŠijačkiŽeravčić, M. Rogulić, V. Milenković, R. Prokić-Cvetković, Vlijanie temperaturi vtoričnogo starenija na upročnenie i ostatočnie uprugie naprjaženija splavov AlMgSi i AlMgSiCu, Fizika metallov i metallovedenie, Vol.75, No4, 96-100, 1993. 2. Drecun S., Burzić Z., Milosavljević A., Prokić – Cvetković R., Ispitivanje uticaja režima termičke i termomehaničke obrade i

dinamičkog opterećenja na eksploatacijska svojstva legure 8090 u cilju povećanja efikasnosti energetskog sistema, Energija, Ekonomija, Ekologija, 27 -35, 2005. 3. Blečić Ž., Milosavljević A., Radovanović R., Anđelić B., Rahović Z.: Modeling of crystallization process of continuously casted strip of alluminium al 99.5 on the type “3s” installation, nbp, Vol. III-1, p. 69 -81, Beograd, 1998. 4. A. Milosavljević, V. ŠijačkiZeravčić, M. Rogulić, N. NovovićSimović, The Influence of rolling schedule and composition on the residual elastic stress (RES) and texture, J. Serb. Chem. Soc. Vol. 60, N˚1, 61-68, 1995. 5. Milovanović A., Srećković M., Milosavljević A., Radovanović R., Ristić S., Ilić J.: Holographic And Interferometric Methods In Pressure Vessel Testing, Proceedings of the International Conference on lasers '99, Quebec, Canada, sts press, McLean. 6. A. Milosavljević, A. Sedmak, R. Prokić-Cvetković, R. Kerečki, Vlianie pogonnoi energii svarki na izmenenija svojstv niskolegirovankoi stali povišennoi pročnosti, Svaročnoe proizvodstvo No9, 8-9, 1995. 7. Prof. L. M. Lobanov, The E. O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine – Ukraine, Problems of life of welded structures, ASR International Conference, Bucharst, 2003. 8. John E. Hatch, Aluminium properties and physical metallurgy, 1983 9. R. Prokić-Cvetković, A. Milosavljević, A. Sedmak, O. Popović, The influence of the oxygen in a gas-mixture on the structure and toughness of microalloyed steel weldments, J. Serb. Chem. Soc. 71 (3) 313-321, JSCS – 3426, 2006. 10. Počuča E., Milosavljević A., Srećković M., Degradacija strukture lajnera komore sagorevanja izrađene od Ni-superlegure Hastelloy X tokom dugog izlaganja povišenim temperaturama. Energija, ekologija, ekonomija, Godina VII, p. 070-074, Beograd 2007. 11. Milosavljević A., Srećković M., Sedmak A., Radaković Z., Radovanović R., Kovačević K., Anđelić B., Nešić I., Drobnjak R.: Texture, resistance, wear of bimetal and [047]

laser influence, Proceedings of the International Conference on LASERS ‘99, Quebec, Canada, STS. 12. A. Milosavljević, M. Srećković, S. Bojanić, M. Dinulović, Laser beam effects on Cu and Ti in vacuum and in the air, Vacuum, volume 47, number 12, pages 1416 – 1417, 1996. 13. S. Bojanić, M. Srećković, A. Milosavljević, Ž. Blečić, V. Rajković (Institut Vinča, Vinča), Z. Fidanovski, Interakcija impulsnih lasera sa teško obradivim materijalima, 40 Godina elektronske mikroskopije, str. 181-182, 1997. 14. Miodrag Kirić, Milesa Srećković, Modern approach to control and nondestructive testing methods, Fundamentals of Fracture Mechanics and Structural Integrity Assessment Methods, Belgrade 2009, pages 237 – 260 15. Milosavljević A., Kovačević K., Miladinov M., Radovanović R., Nešić I., Đorđević D., Lekić S.: Laser beam effects on multicomponent aluminium alloys, International Conference Welding & Joining 2000 - New Materials & New Perspectives, Tel-Aviv, 2000. 16. S. Bojanić, M. Srećković, A. Milosavljević, V. Rajković, S. Ristić Laser treatment of Multicomponent alloys AlLi, Physics of Low-Dimensional Structures, 85-94 Vol.12, No 4/6 1996 17. A. Milosavljević, M. Srećković, V. Milenković, B. Ilić-Paul, P. Citaković, S. Ristić, Aluminium – International Journal for Industry, Research and Application, Vol. 73. N˚6, 434-438, 1997 18. Kovačević K., Petronić S. Milosavljević A., Mrkić M., Pljakić R., Promena u strukturi superlegura u zavisnosti od temperature, No 3-4, Godina VII, 085 - 090. Energija, Ekonomija, Ekologija 2007. 19. R. Dimitrijević, J. Manasijević, M. Živković, T. Pavlović, R. Prokić – cvetković, A. Milosavljević, Povećanje efikasnosti distributivnih transformatora primenom materijala poboljšanih svojstava za izradu magnetnih kola, Energija, Ekonomija, Ekologija, 69 – 74, 2005 20. F. Shehata, A. Fathy, M. Abdelhameed S.F. Moustafa, Preparation and properties of Al2O3 nanoparticle reinforced copper matrix composites by in situ processing, Elsevier Journal, Materials and Design, 2008.

energija Dr Andreja Todorovi}, van. prof. Fakultet tehničkih nauka, Kosovska Mitrovica Dr Branimir Grgur, van. prof. Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd UDC:620.93 : 621.35.001

Određivanje električne provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida i litijum- hlorida modeliranjem sistema diferencijalnim jednačinama 1. Uvod

Rezime

Na osnovu dostupnih literaturnih informacija domaćih i stranih autora iz oblasti elektrohemije [1-7], autorima ovog rada nije poznato kako se na osnovu eksperimentalnih podataka mogu formirati sistemi diferencijalnih jednačina za određivanje dinamičkih karakteristika elektrohemijskih sistema. To pitanje je upravo obrađeno u ovom radu na primeru određivanja električne provodljivosti elektrohemijskog provodnog sistema vodenog rastvora kalijum-hidroksida i litijumhlorida. U radu je pokazano kako se na osnovu podataka eksperimentalnih merenja električne provodljivosti vodenog kalijum-hidroksida i litijum-hlorida mogu formirati sistemi njihovih aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda sa dve ili više jednačina, čijim se rešavanjem pomoću odgovarajućih funkcija Matlab računarskih programskih paketa dobijaju približne vrednosti navedenih veličina [8-9]. Dobijeni rezultati se veoma dobro slažu sa eksperimentalnim [1,6-7], što opravdava ovakav pristup rešavanju ove problematike. Takođe, upoređivanjem eksperimentalnih sa dobijenim podacima razmatranih veličina, koji su u vidu numeričkih vrednosti promenljivih dati tablično i grafički, može se konstatovati da su dobijeni podaci zadovoljavajući i za praksu i za istraživanja. Opravdanje za primenu predložene metode putem formiranja odgovarajućih diferencijalnih jednačina ili njihovih sistema za približno određivanje električne provodljivosti navedenih elektrolita, pokazano je na osnovu ostvarenih relativnih grešaka. Naime,

U radu je predložen novi način modeliranja dinamičkih sistema, baziran na formiranju sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda za približno određivanje električne provodljivosti vodenih rastvora kalijumhidroksida i litijum-hlorida. Rešavanje ovog pitanja je od velikog značaja za praksu i istraživanja u oblasti elektrohemije, a navedene jednačine se postavljaju na osnovu eksperimentalnih merenja električne provodljivosti razmatranih elektrolita. Rešavanjem tako postavljenih jednačina metodom Runge-Kuta četvrtog reda pomoću odgovarajućih funkcija Matlab računarskog programa, dobijaju se veoma precizni, pouzdani i zadovoljavajući rezultati za relativno kratko vreme. Na taj način se dobijaju karaktetistike elektrolita u vidu numeričkih vrednosti promenljivih, što omogućuje analizu režima rada i spitivanje uticajnih parametara na osobine sistema. Ključne reči: sistem, aproksimacija, jednačina, električna provodljivost, kalijum-hidroksid, litijum-hlorid.

Determinatiom of the Electrical Conductivity of Water Decompose Kalium-Hydroxside and Litium-Chloride Breadboarding System Differential Equations This work deals with problematical of approximate deterination of the electrical conductivity water solutions kalium-hydroxide and litium-chloride with metod of fermation system approximate differential equations of first order. The solution of the issue would be of great significance for practice and research in the electrochemistry, since the above-mentioned equations are based on experimental measurements of electrical conductivity of the analyzed electrolytes. Very precise, reliable and useful results are obtained in very short period of time if such equations solved by Runge-Cute method of the forth order, using the appropriate functions of the Matlab Computer Program. Thus, the characteristics of the electrolytes are expressed by the numerical values of the variables, which enables the analysis of working regime and revision of the parameters’ or certain quantity impact on system characteristics. Key words: system, approximation, equations, electrical conductivity, kaliumhydroxide, litium-chloride. te greške su bile minimalne, pa se tako dobijeni rezultati i metoda mogu smatrati prihvatljivim za primenu. Na ovaj način autori ovog rada su dali svoj skroman doprinos rešavanju navedenog pitanja, stim što se može istaći da se ovakav pristup može primeniti za rešavanje i sličnih problematika u oblasti elektrohemije. [048]

2. Metodologija formiranja sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jedna~ina za odre|ivanje elektri~ne provodljivosti elektrolita Jedna od značajnih karakteristika elektrolita – provodnika druge vrste, je

energija električna provodljivost κ. Određivanje ove veličine je od posebnog značaja za praksu i istrživanja u oblasti elektrohemije, jer ovi elektrohemijski provodni sistemi električne struje nalaze široku primenu u mnogim granama nauke i tehnike. S obzirom da električna provodljivost elektrolita zavisi od više veličina: koncentracije, stepena disocijacije, naelektrisanja i stepena pokretljivosti, temperature itd., njenim određivanjem može se izvršiti analiza njihovog režima rada, ispitati uticaj koncentracije ili bilo koje druge veličine na osobine elektrolita, odrediti brzina hemijskih reakcija, kao što su esterifikacija, saponifikacija, diazotovanje itd. Zato se ovoj problematici posvećuje posebna pažnja. U elektrohemiji električa provodljivost predstavlja ustvari njihovu specifičnu električnu provodljivost, pa se s toga izražava u S⋅m-1. Ova veličina može se odrediti u zavisnosti od bilo koje druge veličine, ali je od posebnog značaja njeno određivanje u zavisnosti od koncentracije c, koja se izražava u mol/m3. U tom slučaju, kada se upotrebljava pojam mola, neophodno je navesti vrstu elementarnih čestica, jer ove čestice mogu biti: atomi, molekuli, joni, elektroni, kao i druge čestice ili specijalne grupe ovih čestica [1-5]. Mol bilo kog elektrolita je količina supstance koja pri rastvaranju daje u rastvor e⋅L i – e⋅L naelektrisanja koje nose nastali joni, gde je: e - naelektrisanje protona, a L - Avogardova konstanta, koja iznosi 6,022⋅1023 mol-1. Za praktične svrhe i naučna istraživanja u oblasti elektrohemije, posebnu važnost ima formiranje sistema linearnih diferencijalnih jednačina prvog ili višeg reda, sa dve ili više jednačina, pomoću kojih se mogu odrediti razne veličine. Od mnogo poznatih veličina, veliku važnost ima određivanje električne provodljivosti elektrohemijskog provodnog sistema vodenog rastvora kalijuhidroksida i litijum-hlorida. Ako je formirani sistem linearnih diferencijalnih jednačina namenjen za određivanje električne provodljivosti elektrohemijskog provodnog sistema električne struje, onda on predstavlja matematički model koji praktično opisuje dinamiku procesa odnosno dinamičke osobine tog sistema. S obzirom da u formiranom sistemu linearnih diferencijalnih jednačina prvog ili višeg reda mogu figurisati prvi ili viši izvodi nepoznatih funkcija električne provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida i litijum-hlorida, kao i same funkcije tih veličina i njihovi argumenti – koncen-

tracije, njihovim rešavanjem se upravo dobijaju navedene funkcije – koje predstavljaju dinamičke karakteristike sistema. Pomoću tako dobijenih dinamičkih karakteristika sistema, može se izvršiti analiza njihovog režima rada i odrediti odgovarajuče osobine sistema. Formiranje sistema linearnih diferencijalnih jednačina za određivanje električne provodljivosti razmatranih elektrolita, može se izvršiti na osnovu odgovarajućih fizičkih zakonitosti i aproksimacionom metodom na osnovu podataka eksperimentalnih merenja električne provodljivosti i koncentracije odgovarajućih elektrolita. Rešavanje ovih linearnih diferencijalnih jednačina ili njihovih sistema može se izvršiti raznim metodama, ali se najčešće koristi metoda Runge-Kuta četvrtog reda i to pomoću odgovarajućih funkcija Matlab računarskih programskih paketa. U tom slučaju su dobijeni rezultati zadovoljavajući i za praksu i za istraživanja u ovoj naučnoj oblasti. S toga se ovom pitanju formiranja sistema linearnih diferencijalnih jednačina za određivanje električne provodljivosti elektrolita, mora posvetiti posebna pažnja. Naime, ako formirani sistem linearnih diferencijalnih jednačina razmatranog elektrohemijskog provodnog sistema vodenog rastvora kalijum hidroksida i litijum-hlorida, koga u ovom slučaju čine dve linearne diferencijalne jednačine, sadrži jednu ili obe diferencijalne jednačine drugog ili višeg reda, onda se te jednačine odgovarajućim zamenama svode na linearne jednačina prvog reda, pa se time dobija sistem linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda sa više od dve jednačine. Navedeno svođenje sistema linearnih diferencijalnih jednačina višeg reda na sistem linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda vrši se zato što je Matlab računarski program prilagođen da može rešavati samo takve sisteme jednačina. S druge strane, tako dobijeni rezultati, koji se inače daju u vidu numeričkih vrednosti promenljivih, su veoma precizni, pouzdani i ostvaruju se za relativno kratko vreme. Na osnovu ovoga, ako formirani sistem linearnih diferencijalnih jednačina za određivanje električne provodljivosti razmatranog elektrohemijskog provodnog sistema vodenog rastvora kalijuhidroksida i litijum-hlorida sardži obe jednačine prvog reda, onda se on daje u sledećem obliku: (1) [049]

gde su: - prvi izvodi funkcija električne provodljivosti vodenog rastvora kalijumhidroksida i litijum-hlorida, respektivno, k1 = k1 (c), k2 = k2 (c) - funkcije električne provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida i litijumhlorida, respektivno i c - koncentracija navedenih elektrolita. Međutim, ako formiran sistem linearnih diferencijalnih jednačina za određivanje električne provodljivosti razmatranog elektrohemijskog provodnog sistema vodenog rastvora kalijuhidroksida i litijum-hlorida sadrži, na primer, jednu jednačinu trećeg reda a drugu petog reda, onda, nakon njihovog svođenja odgovarajućim zamenama na linearne diferencijalne jednačine prvog reda, dobija se sistem linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda od osam jednačina. Tako dobijen sistem linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda sa osam jednačina, daje se u sledećem obliku: , , . . .

(2)

Što se formiranja sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina za približno određivanje električne provodljivosti elektrohemijskog provodnog sistema navedinih elektrolita tiče, može se reći da se i ovaj sistem jednačina takođe svodi na oblik sistema jednačina (1) ili (2), zavisno od toga kog su reda aproksimacione linearne diferencijalne jednačine sadržane u tom sistemu jednačina. Formiranje ovog sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina vrši se tako, što se najpre na osnovu podataka eksperimentalnih merenja električne provodljivosti i koncentracije razmatranih elektrolita odrede njihove najbolje polinomne aproksimacione karakteristike funkcija električne provodljivosti. Aproksimacione karakteristike funkcija električnih provodljivosti određuju se aproksimacionom metodom najmanjih kvadrata u vidu polinoma onog stepena za koji se dobijaju najbolje aproksimacije, odnosno najbolja slaganja aproksimacionih sa izmerenim vrednostima. Ako je za razmatrani elektrohemijski provodni sistem vodenog rastvora

energija kalijum-hidroksida i litijum-hlorida dobijen sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda, ali da se sastoji od dve aproksimacione linearne diferencijalne jednačine, to znači da su prethodno određene odgovarajuće aproksimacione karakteristike funkcija njihovih električnih provodljivosti polinomi najviše do trećeg stepena. Međutim, ako su aproksimacione karakteristike funkcija električnih provodljivosti razmatranih elektrolita polinomi čiji su stepeni veći od tri, onda se one diferenciraju onoliko puta dok se ne dobiju njihovi izvodi u vidu polinom trećeg stepena. U tom slučaju se dobija sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina takođe od dve jednačine, ali višeg reda, koji se zatim odgovarajućim zamenama svodi na sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda sa više od dve jednačine. I konačno se može reći da se tek tako dobijeni sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda, bilo da se sastoji od dve ili više jednačina, može rešavati u Matlab računarskom programu, koji je prilagođen da može rešavati samo takve sisteme jednačina.

numeričke vrednosti električne provodljivosti za vodene rastvore kalijumhidroksida i litijum-hlorida pri raznim koncentracijama i temperaturi od 18°C, date su u tabeli 1. Sa podacima datim u tabeli 1, određuje se najbolja aproksimacija električnih provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida i litijumhlorida, koja se dobija u vidu polinoma četvrtog stepena za oba elektrolita, što je grafički prikazano na slici 2 i slici 3, respektivno. Na navedenim slikama, aproksimacione karakteristike funkcija električnih provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida κ1a = κ1a(c) i litijum-hlorida κ2a = κ2a(c) prikazane su punim linijama; dok su izmerene vrednosti istih funkcija κ1 = κ1 (c) i κ2 = κ2 (c), inače uzete iz tabele 1, prikazane zvezdicama. Odgovarajuće aproksimacione karakteristike navedenih funkcija, daju se sledećim jednačinama:

(5) i (6)

(3) i

3. Eksperimenti i rezultati Eksperimentalni podaci izmerenih vrednosti električne provodljivosti i koncentracije za vodene rastvore nekih elektrolita pri temperaturi od 18°C, inače uzetih iz literature [1, 6, 7], dati su grafički na slici 1. Prema podacima eksperimentalnih merenja datim na slici 1, odgovarajuće

električnih provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida i litijumhlorida, respektivno, i c11 , c12 , ⋅⋅⋅ , c16 , c21 , c22 , ⋅⋅⋅ , c25 konstantni koeficijenti proporcionalnosti aproksimacionih karakteristika funkcija električnih provodljivosti razmatranih elektrolita. Numeričke vrednosti aproksimacionih karakteristika funkcija električnih provodljivosti vodenog rastvora kalijumhidroksida i litijum-hlorida, određene u 10 tačaka na podjednakim rastojanjima izabranog intervala kocentracije c [1.25⋅10-3 – 1.0833⋅10-2], date su u tabeli 2. Daljim diferenciranjem jednačina (3) i (4) do dobijanja njihovih izvoda u vidu polinoma trećeg stepena, dobijaju se prvi izvodi navedenih funkcija, koji se daju sledećim jednačinama:

(4) gde su: κ1a = κ1a (c), κ2a = κ2a (c) – aproksimacione karakteristike finkcija

Zatim se jednačine (5) i (6) još jednom diferenciraju, da bi se sa tako dobijenim izvodima navedenih funkcija u vidu polinoma drugog stepena i izvodima istih funkcija datim jednačinama (5) i (6) moglo izvršiti formiranje dva sistema aproksimacionih linearnih algebarskih jednačina od po tri jednačine sa tri nepoznate, pri čemu se dobija:

Tabela 1 Eksperimantalni podaci izmerenih vrednosti električnih provodljivosti i koncentracije vodenog rastvora kalijumhidroksida i litijum-hlorida pri temperaturi od 18°C [1, 6, 7]

Slika 1 Zavisnost električne provodljivosti od koncentracije za vodene rastvore nekih elektrolita pri temperaturi od 18°C

[050]

energija Slika 2 Grafik aproksimacione i eksperimentalne karakteristike funkcije električne provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida

(7) i (8) Sada se sa jednačinama (5), (6), (7) i (8) formiraju dvema kombinacijama dva sistema aproksimacionih linearnih algebarskih jednačina od po tri jednačinesa sa tri usvojene nepoznate i to: c3, c2 i c. Prvi sistem aproksimacionih linearnih algebarskih jednačina od tri jednačine čine jednačine (5), (6) i (7), dok drugi sistem takvih jednačina čine jednačine (5), (6) i (8). Dobijeni sistemi aproksimacionih linearnih algebarskih jednačina, mogu se rešiti po bilo kojoj nepoznatoj. Međutim, dovoljno je te sisteme jednačina rešiti po jednoj nepoznatoj, na primer po c3, a onda iz tako dobijenih rešenja za c3 izraziti tražene jednačine sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina,

(9)

Slika 3 Grafik aproksimacione i eksperimentalne karakteristike funkcije električne provodljivosti vodenog rastvora litijum-hlorida

koje su u ovom slučaju višeg reda, tačnije drugog reda. Za navedeni primer razmatranih elektrolita, dobijeni sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina višeg reda, tj. u ovom slučaju drugog reda, daje se u sledećem obliku (9). S obzirom da je prethodno dobijeni sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina (9) drugog reda, neophodno je da se odgovarajućim zamenama svede na sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda. Tako dobijeni sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda, imaće u ovom slučaju ukupno četiri jednačine oblika sistema jednačina (2), koji se daje u sledećem obliku:

(10)

Uvođenjem pogodnih zamena za sniženje reda sistema aproksimacionih [051]

energija Tabela 2 Numeričke vrednosti aproksimacionih karakteristika funkcija električnih provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida i litijum-hlorida

Usvajanjem sledećih poznatih početnih uslova: , , , ,

linearnih diferencijalnih jednačina višeg reda (9), taj sistem jednačina se svodi na sledeće jednačine:

se uvedena oznaka za prvi izvod prve funkcije , kao i za samu funkciju k1a, slučajno poklopila sa oznakom prvog izvoda prve funkcije od četiri prethodno novoformiranih prvih izvoda funkcija. Na osnovu prethodno usvojenih zamena, dobija se sledeće: , ,

gde je dobijeno četiri novoformiranih aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda, čiji su prvi izvodi njihovih funkcija: .

(11) ,

Zatim se uvode pogodne zamene za prethodno dobijene novoformirane prve izvode funkcija, i to u skladu sa oznakama i redosledu kakav se ima u sistemu aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda (10). Tada se ima sledeće:

S obzirom da se iz prethodno dobijenog sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda (11) ima sledeće: , ,

to se zamenom u drugoj i četvrtoj jednačini sistema jednačina (11), taj se sistem jednačina svodi na oblik sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda (10). Znači, konačan oblik sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda razmatranog elektrohemijskog provodnog sistema vodenog rastvora kalijum-hidroksida i litijumhlorida, je sledeći (12).

, , gde su sa leve strane oznake novoformiranih funkcija i njihovih prvih izvoda, a sve u skladu sa oznakama i redosledu kakav se ima u sistemu aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina (10). Uočljivo je da

a zatim rešavanjem sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda (12) pomoću odgovarajućih funkcija Matlab računarskih programskih paketa, dobijaju se tražene funkcije električnih provodljivosti razmatranih elektrolita. čije su numeričke vrednosti date su u tabeli 3, a odgovarajući grafički dijagrami na slici 4. i slici 5.

Diskusija Formiranje aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina ili njihovih sistema za približno određivanje električne provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida i litijumhlorida, ima veliki značaj praktičnu primenu i istraživanjima u oblasti elektrohemije. S toga se ovom pitanju treba posvetiti posebna pažnja. Ovo je značajno tim pre, zato što se do sada navedena i slične problematike nisu rešavane ovakvim pristupom i predloženim metodom modeliranja dinamičkih sistema, a dobijeni rezultati su veoma precizni, pouzdani i zadovoljavajući. To se može pokazati ostvarenim relativnim greškama upoređivanjem dobijenih aproksimacionih sa izmerenim vrednostima električnih provodljivosti razmatranih elektrolita. Vrednosti relativnih grešaka pri određivanju aproksimacionih vrednosti funkcija električnih provodljivosti razmatranih elektrolita za izabrani interval kocentracije c [1.25⋅10-3 – 1.0833⋅10-2], dati su u tabeli 4.

Zaklju~ak Određivanje električne provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida

,

, (12)

,

, [052]

energija Tabela 3 Numeričke vrednosti funkcija električnih provodljivosti vodenog rastvora kalijumhidroksida i litijum-hlorida dobijene rešavanjem sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda

Slika 4 Grafik funkcije električne provodljivosti vodenog rasvora kalijum-hidroksida dobijen rešavanjem sistema aproksimacionih linearnih deferencijalnih jednačina prvog reda

Slika 5 Grafik funkcije električne provodljivosti vodenog rasvora litijum-hlorida dobijen rešavanjem sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda

i litijum-hlorida pomoću formiranih sistema aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda predloženim novim načinom njihovog modeliranja i njihovog rešavanja primenom odgovarajućih računarskih programa, ima veliku važnost za praksu i istraživanja u oblasti elektrohemije. Ovo je značajno tim pre, zato što se ovakav pristup i način modeliranja dinamičkih sistema nisu primenjivali za rešavanje ovakvih ili sličnih pitanja, a dobijeni rezultati su približni eksperimantalnim i zadovoljavajući i za praksu i za istraživanja. Takođe, dobijeni rezultati prikazani u vidu numeričkih vrednosti promenljivih tablično i grafički su veoma precizni, pouzdani i dobijaju se za relativno kratko vreme, što opravdava primenu aproksimacionih linearnih diferencijalnih

jednačina ili njihovih sistema za rešavanje ovakvih ili sličnih pitanja. To je pokazano vrednostima relativnih grešaka, koje se za primer razmatranih elektrolita kreću u granicama:od 0 do 1.9868948e-005% za vodeni rastvor kalijum-hidroksida i od 0 do 8.3524109e-006 % za vodeni rastvor litijum-hlorida. Na primeru razmatranih elektrolita, dobijeni sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina sastoji se od dve jednačine, i to obe drugog reda, gde se daljim svođenjem na sistem aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda dobija sistem od četiri jednačine prvog reda i koji se tek kao takav može rešiti primenom Matlab računarskog programa. Navedeni primer približnog određivanja [053]

funkcija električnih provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida i litijum-hlorida pomoću aproksimacionih linearnih diferencijalnih jednačina prvog reda ima opšti znača, što znači da se predloženim novim postupkom i načinom njihovog modeliaranja mogu rešavati i ostala ista ili slična pitanja.

Literatura [1] I. Doroslavački, S. Đorđević: Elektrohemijske metode, Rad, Beograd, 1985.

energija Tabela 4 Relativne greške pri određivanju aproksimacionih vrednosti električnih provodljivosti vodenog rastvora kalijum-hidroksida i litijum-hlorida

[2] A. Despić, D. Dražić, O. TatićJanjić: Osnovi elektrohemije, Naučna knjiga, Beograd, 1970. [3] M. Šušić: Osnovi elektrohemije i elektrohemijke analize, Naučna knjiga, Beograd, 1980. [4] E. Poter: Elektrokemija, Školska knjiga, Ѕagreb, 1968. [5] G. Kortum: Elektrochemia, Varšava, 1966. [6] A. Todorović, N. Rakićević, D. Minić: Karakteristike elektrolita sekundarnih hemijskih izvora električne struje, Omo, 4-5/207217, Beograd, 1999. [7] A. Todorović, N. Rakićević, D. Minić:Odstupanja pri određivanju približnih vrednosti funkcija električne provodljivosti elektrol[055]

ita sekundarnih hemijskih izvora električne struje, Omo, 6-8/342352, Beograd, 1999. [8] L. Ćalasan, M. Petkovska: Matlab i dodatni moduli Control System Toolbox i Simulink, verzija 4.2. za Windows, Beograd, 1966. [9] M. Cvetković, R. Jančić, D. Mitraković: Matematički programski alati, Matlab 4.0. Beograd, 1966.

energija Dr Andreja Todorovi}, van. prof. Fakultet tehničkih nauka, Kosovska Mitrovica Dr Branimir Grgur, van. prof. Tehnološko-metalurški fakultet, Beograd UDC:621.355

Tehno-ekonomski efekti ostvareni paralelnim vezivanjem nikal-kadmijum akumulatora 1. Uvod

Rezime

U radu su opisani postupci, uređaji i karakteristike procesa punjenja i pražnjenja elektrohemijskog Ni-Cd sa stanovišta njihove praktične primene. To je pokazano na konkretnim primerima akumulatorskih baterija nominalnog kapaciteta 100 Ah, nominalnog napona 220 V, sa rednom i paralelnom vezom. Najznačajnije primene akumulatora su za stabilno i neprekidno napajanje električnom energijom jednosmerne struje elektroenergetskih objekata: elektrana, transformatorskih stanica, centara za daljinsko upravljanje, razvodnih postrojenja, zatim zdravstvenih ustanova, škola itd. Akumulirana jednosmerna struja se posredstvom invertorskih uređaja pretvara u naizmeničnu struju, obezbeđujući rezervnu električnu energiju za potrebe potrošača. Tako, nekoliko gradova u polarnim oblastima, kao što su Aljaska i Sibir, koriste velike Ni-Cd akumulatorske sisteme za opskrbu stanovništva, institucija i ustanova u slučaju nestanka energije iz električne mreže. Gradovi su sa oko deset hiljada stanovnika, kojima bi život u polarnim uslovima skoro bio nemoguć bez električne energije. Ovo pretvaranje jednosmerne u naizmeničnu struju omogućuje i tehnološke procese, zaštitu uređaja od mogućih kvarova i havarija, i veći stepen sigurnosti rada potrošača. Osim ovoga, primena akumulatora je moguća za snabdevanje potrošača u domaćinstvima, kada se postižu uštede u distributivnoj mreži naizmenične struje [2]. Prednosti primene akumulatora su u tome što daju električnu energiju

U radu je opisan značaj praktične primene reverzibilnog elektrohemijskog NiCd sistema sa akumulatorskim baterijama u ulozi izvora električne energije. Pokazano je kako se izvodi postupak procesa paralelnog punjenja i pražnjenja dve akumulatorske baterije i to pri idealnim i realnim uslovima karakteristika. Krajnji rezultat daje pozitivne tehno-ekonomske efekte i za proizvođače i za korisnike ovakvih baterija, što predstavlja suštinu i glavni cilj njihove praktične primene. Za konkretan primer je razmatrana akumulatorska baterija nominalnog kapaciteta 100 Ah i nominalnog napona 220 V. Ključne reči: nikal-kadmijum akumulatorska baterija, punjenje, pražnjenje, paralelno vezivanje.

Technical and Economic effects realized by parallel connections of Nickel-Cadmium batteries The significance of the practical application of reversible electro-chemical Ni-Cd system with batteries as a electric power source was described in this paper. The procedures of parallel charging and discharging of two batteries in real and ideal characteristics conditions were presented. The final result showed positive technical and economical effects for producers and consumers of these batteries, that is the main purpose of their usage in practice. For this particular example, the accumulation battery of nominal capacity of 100 Ah and volt6age of 220 V was considered. Key words: Nickel-cadmium battery, charging, discharging, parallel connection.

propisanog kvaliteta i kvantiteta, saglasno usvojenim standardima. Pravilna punjenja vrše se pomoću odgovarajućih automatski regulisanih ispravljača-punjača, koji moraju da imaju odgovarajuće tehničke izlazne karakteristike. Budući da su akumulatorske baterije sastavljene od više akumulatora u rednoj, paralelnoj ili kombinovanoj vezi, moguće su korisne eksploatacione karakteristike, uz neka ograničenja njihove primene. Važno je preduprediti trajna oštećenja pojedinih ćelija ili akumulatora u složenim sistemima napajanja, jer se ponekad teško vraćaju posle oštećenja u pređašnje stanje. [054]

2. Osnovne karakteristike procesa punjenja i pra`njenja elektrohemijskog Ni-Cd sistema Imajući u vidu da su višećelijski elektrohemijski sistemi najčešće nehermetički, neophodno je uvažiti karakteristike procesa punjenja i pražnjenja: krajnju vrednost napona punjenja, napon održavanja i krajnju vrednost napona pražnjenja. Krajnja vrednost napona punjenja nehermetičke nikalkadmijum ćelije iznosi (1.5-1.68) V, napon održavanja (1.4-1.42) V, a krajnja vrednost napona pražnjenja, pri normalnim uslovima upotrebe, iznosi oko 1.0 V. Punjenje navedenih elek-

energija Slika 1 Izlazna IUU karakteristika automatski regulisanih ispravljača –punjača

trohemijskih sistema, kada su u ulozi elektrolitičke ćelije, vrši se pomoću automatski regulisanih ispravljačapunjača, čija je izlazna IUU-karakteristika prikazana na slici 1 [1-2]. To znači da automatski regulisani ispravljači-punjači, zavisno od stanja ispražnjenosti akumulatora, mogu da rade stalnom strujom i stalnim naponom za dve vrednosti u toku čitavog procesa punjenja akumulatora. 2.1 Primer procesa punjenja elektrohemijskog Ni-Cd sistema Neka se razmatra akumulator nominalnog kapaciteta 100 Ah, nominalnog napona 220 V, sa rednom vezom ćelija. Ako akumulator sadrži 190 ćelija, imajući u vidu da je nominalni napon jedne ćelije 1,2 V, dobija se zbirni napon od 190⋅1.2 = 228 V, što je za 3.6% veći od nominalnog napona. Time su ispunjeni uslovi za snabdevanje potrošača električnom energijom propisanog kvaliteta i kvantiteta, jer naponi, u pravilu, ne smeju da odstupaju više od 5% u odnosu na nominalne vrednosti. U daljem postupku, priključivanjem akumulatora na automatski regulisani ispravljač-punjač prema principijelnoj električnoj šemi prikazanoj na slici 2, u skladu sa izlaznom IUU-karakteristikom punjača na slici 1, dobija Slika 2 Principijelna električna šema veze automatski regulisanog ispravljača –punjača punjača i akumulatora

se punjenje akumulatora hemijskom energijom potencijalnog vida do propisanog nivoa prema preporukama proizvođača. U toku procesa punjenja se, naravno, vrši neprekidno elektrolizno pretvaranje električne u hemijsku energiju ćelije, odnosno akumulatora. Pod pretpostavkom da je razmatrani akumulator bio potpuno ispražnjen, neka se proces punjenja vrši stalnom strujom petočasovnog kapaciteta Ii = Ip = 0.2C = 20 A = const., za vreme od t1 = 7 h, do postizanja krajnje vrednosti napona punjenja od Up = 190⋅1.5 = 285 V. Pod ovim se uslovima dobija napunjenost akumulatora hemijskom energijom oko 90% od nominalne. Ova struja punjenja prema principijelnoj električnoj šemi prikazanoj na slici 2, određuje se, prema Omovom zakonu, sledećom jednačinom: ,

(1)

gde su: Ii – struja koju daje punjač; Ui – izlazni napon punjača; E – elektromotorna sila akumulatora i Ru – ukupna unutrašnja električna otpornost akumulatora. Da bi struja punjenja akumulatora Ii bila konstantna, uzimajući da je ukupna unutrašnja električna otpornost jedne ćelije oko 0.5 mΩ = const., a ukupna unutrašnja otpornost akumulatora Ru = 190⋅0.5 = 95 mΩ = const., razlika napona punjača i akumulatora mora biti konstantna ΔU = Ui – E = const. Pod tim uslovom se u toku procesa punjenja napon akumulatora postepeno povećava od minimalne do svoje krajnje vrednosti, pri čemu će se i napon punjača Ui takođe postepeno povećavati za istu vrednost. U trenutku t1 punjač prelazi sa karakteristike stalne struje na karakteristiku stalnog napona sa vrednošću krajnje vrednosti napona punjenja akumulatora od Ui [056]

= Up = 285 V = const. U tom slučaju se dobija veoma mala razlika između napona punjača i napona akumulatora, tako da u pravilu, struja punjenja opada približno eksponencijalno. Kada struja punjenja opadne na 0.2⋅Ip, punjač u nekom trenutku t2 prelazi sa karakteristike stalnog napona punjenja Up = const. na karakteristiku stalnog napona održavanja (dopunjavanja), čija je vrednost Udp = 190⋅1.4 = 266 V = const. Od ovog trenutka t2 akumulator se dopunjava hemijskom energijom pri struji slabijoj od 0.2⋅Ip, pri čemu sistem biva spreman za upotrebu, jer je u potpuno napunjenom stanju [1-3], [8]. Kada je u pitanju proces punjenja akumulatorskih baterija u paralelnoj vezi, onda se njihovo punjenje, za slučaj dve akumulatorske baterije, vrši prema principijelnoj električnoj šemi prikazanoj na slici 3. Slika 3 Principijelna električna šema punjenja dve akumulatorske baterije u paralelnoj vezi

Ako su obe akumulatorske baterije potpuno istovetne, onda važi: Un1 = Un2 = 220 V, qn1 = qn2 = 100 Ah, Ru1 = Ru2 = 95 mΩ. U tom slučaju, punjenjem akumulatora prema principijelnoj električnoj šemi prikazanoj na sl. 3 pomoću punjača čija je izlazna karakteristika na slici 1, dobijaju se potpuno napunjene obe akumulatorske baterije sa potrebnim svojstvima i praktično bez odstupanja u pogledu kvaliteta. Međutim, slučaj sa dve ili više istovetnih akumulatorskih baterija je u domenu teorije. S druge strane, realno uvek postoje i najmanje razlike između osobina akumulatora, makar u unutrašnjim električnim otpornostima i naponima, najčešće zbog različitih stanja napunjenosti ili ispražnjenosti ćelija. Neka se radi realnog analiziranja procesa punjenja akumulatorskih baterija uzme da su im ukupne unutrašnje električne otpornosti različite i da iznose: Ru1 = 100 mΩ i Ru2 = 90 mΩ, a da su im elektromotorne sile: E1 = 190 V i E2 = 209 V [4-8].

energija Jednačine koje određuju režim rada u kolu na slici 3, su sledeće: ,

(2)

,

(3) (4)

iz kojih se eksplicitno dobijaju struje punjenja pojedinih akumulatorskih baterija: (5) (6) U ovom slučaju konstantna struja punjenja koju daje automatski regulisani ispravljač-punjač iznosi I = 40 A = const. Kada se punjač podesi da radi na I karakteristici sa zadatom strujom, struje punjenja pojedinih akumulatorskih baterija dobijaju vrednosti: I1 = 37.994 A i I2 = 2.058 A. Vidi se da je struja I1 veća od struje normalnog punjenja za skoro 90%, a struja I2 manja od struje normalnog punjenja takođe za skoro 90%. Daljim tokom punjenja konstantnom strujom, akumulatorska baterija koja je imala veći stepen ispražnjenosti, tj. elektromotornu silu E1 = 190 V, uzimaće manju struju od vrednosti I1 = 37.994 A koju je uzimala u vremenu t = 0. Suprotno se događa sa drugom akumulatorskom baterijom čiji je stepen ispražnjenosti manji u vremenu t = 0. Posle isteka vremena t1 dolazi do približno istog nivoa napunjenosti obe akumulatorske baterije, kada su njihove krajnje vrednosti napona punjenja približne Up = E1 = E2 = 190⋅1.5 = 285 V, a struje punjenja, određene jednačinama (5) i (6), iznose: I1 = 18.946 A i I2 = 21.054 A. Od tog trenutka punjač prelazi da radi stalnim naponom od Up = 285 V = const., pri čemu struje punjenja u obe grane opadaju. Kada dostignu vrednost oko 0.2⋅20 = 4 A, punjač prelazi da radi duže vreme konstantnim naponom održavanja od Upd = 266 V = const., pri čemu se akumulatorske baterije pune slabom strujom, često vrednosti miliampera. Ovim načinom se ostvaruju skoro potpuna napunjenost obe akumulatorske baterije i pogodne karakteristike. Metoda paralelnog punjenja akumulatorskih baterija sa dve ili više grana ima i svojih nedostataka, od kojih su najbitniji: a) zahtev za većom snagom punjača i b) struja punjenja akumulatorske baterije sa većim stepenom ispražnjenosti može biti i do dva puta

veća od normalne, što može da prouzrokuje snažno gasiranje, opadanje nivoa elektrolita, kao i jako zagrevanje, koje je rizično za stanje akumulatorskih baterija. Zato se može istaći da je metoda paralelnog punjenja akumulatorskih baterija pogodna za dopunjavanje, ali ne za punjenje potpuno praznih akumulatorskih baterija. Najbolje je da su akumulatorske baterije približno istih tehničkih karakteristika i istog nivoa ispražnjenosti [4-8]. 2.2 Primer procesa pra`njenja elektrohemijskog Ni-Cd sistema Što se procesa pražnjenja akumulatorskih baterija u paralelnoj vezi tiče, ono se može ostvariti prema principijelnoj električnoj šemi prikazanoj na slici 4. Slika 4 Principijelna električna šema pražnjenja dve akumulatorske baterije u paralelnoj vezi

Jednačine koje određuju režim rada u kolu na slici 4, su sledeće:

,

,

(7) ,

(8) (9)

iz kojih se eksplicitno dobijaju struje pražnjenja u granama koje daju akumulatorske baterije: , (10)

. (11) Neka se uzmu dve potpuno istovetne akumulatorske baterije identične u pogledu fizičkog stanja i hemijskog sastava. Kao u prethodnom primeru, kada se razmatrale karakteristike pri paralelnom punjenju, neka potrošač ima sledeće nominalne vrednosti: Pn = 4400 W, Un = 220 V, In = 20 A, Rn = 11 Ω, koji se napaja električnom [057]

energijom za vreme t = 10 h. Takav idealan slučaj se izučava samo teorijski kao idealni sistem. Tada akumulatorske baterije daju iste struje pražnjenja: I1 = I2 = 10 A. Međutim, u stvarnosti postoje razlike po stepenu napunjenosti i vrednostima ukupnih unutrašnjih električnih otpornosti, pa se s toga prazne različitim strujama. Ako je druga akumulatorska baterija sa manjim stepenom napunjenosti od prve, onda će pri paralelnom načinu pražnjenja, prema slici 4, delovati kao potrošač električne energije (elektrolitička baterija), a prva kao izvor električne energije (galvanska baterija). Ne mogu se naći dve potpuno istovetne baterije. To je u duhu Platona: ”dva isto nije isto” [4-8]. Radi pojednostavljenja posmatranja postupka paralelnog pražnjenja dve akumulatorske baterije, neka se uzme da su im unutrašnje električne otpornosti: Ru1 = 100 mΩ i Ru2 = 90 mΩ. Tada se mogu u različitim vremenima odrediti jačine struja u pojedinim granama sa baterijama, prethodnim određivanjem njihovih napona. Ako se uzme da su elektromotorne sile ovih dveju akumulatorskih baterija u različitim vremenima sledeće: E1 = 228 V = const., a E2 = 190 V, 195 V, 200 V, 205 V, 210 V, 215 V i 200 V, onda se prema jednačinama (10) i (11) mogu izračunati njihove struje, koje su date u tabeli 1. U tabeli 1 date su i vrednosti ukupne struje, snage i napona potrošača, kao i njihovi odnosi u odnosu na nominalne vrednosti. Mada se izračunate vrednosti veličina, date u tabeli 1, odnose samo na početak procesa pražnjenja akumulatorskih baterija (uvažavajući činjenicu da se naponi punjenja postepeno povećavaju, a naponi pražnjenja postepeno opadaju), vremenom će, i pored razlike u njihovim unutrašnjim električnim otpornostima, doći do izjednačavanja napona tj. njihovih elektromotornih sila. I tada će kroz akumulatorske baterije proticati struje veće od nominalnih. Na ovu pojavu ukazuju vrednosti izračunatih struja na početku procesa pražnjenja, koje su date u tabeli 1. Snage potrošača se postepeno povećavaju od minimalne do blizu nominalne vrednosti. Na osnovu rezultata datim u tabeli 1, vidi se da pri paralelnom pražnjenju akumulatorskih baterija struje kroz baterije mogu biti i do 20 puta veće od nominalnih, što je neprihvatljivo. Ako se u granama sa akumulatorskim baterijama na slici 4 ugrade odgovarajuće zaštitne poluprovodničke diode, tada se paralelnim pražnjenjem ostvaruju

energija Tabela 1 Vrednosti struja, snaga i napona pri paralelnom pražnjenju dve akumulatorske baterije kada je E1 = 228 V = const. [7-8]

eksperimentalna ispitivanja, poštama, bolnicama, za vojne potrebe itd., sa znatnim smanjenjem troškova za utrošenu električnu energiju [4-8].

3. Zaklju~ak

tehničke i ekonomske uštede. Principijelna električna šema paralelnog pražnjenja dve akumulatorske baterije sa ugrađenim zaštitnim poluprovodničkim diodama D1 i D2, prikazana je na sl. 5. Pri ovom načinu pražnjenja ne može doći do reverzibilnog punjenja akumulatorske baterije sa nižim stepenom napunjenosti, kao i do proticanja kroz nju jačih struja od nominalne, bez obzira na razlike u nivoima njihove napunjenosti hemijskom energijom, odgovarajućih napona i unutrašnjih električnih otpornosti. U ovom slučaju, prvobitno opterećenje od strane potrošača preuzima akumulatorska baterija sa većim stepenom napunjenosti i višim naponom, dok ona druga ostaje neopterećena. S obzirom da napon opterećene akumulatorske baterije opada postepeno, u jednom trenutku dolazi do izjednačenja napona, kada i druga akumulatorska baterija počinje da daje električnu energiju. Tada će struje pražnjenja obe akumulatorske baterije biti jednake ili približno jednake, a iznosiće zbirno onoliko koliku struju uzima potrošač. Na ovaj način vršiće se kvalitetno snabdevanje potrošača električnom energijom do postizanja krajnje vrednosti napona pražnjenja akumulatorske baterije, koja iznosi 190⋅1.0 = 190 V. Tada se u pravilu prekida pražnjenje akumulatorskih baterija, jer nastaju negativni efekti po baterije i potrošače električne energije [4-8].

2.3 Primer ostvarivanja pozitivnih tehno-ekonomskih efekata u distributivnoj mreì primenom akumulatorskih baterija Poznato je da se kod potrošača u domaćinstvima, priključenim na distributivnu mrežu naizmenične struje, približno podjednako utroši električna energija u višoj i nižoj tarifi. S obzirom da je cena 1 kWh utrošene električne energije u višoj tarifi dva puta veća od cene u nižoj tarifi, to znači da su ukupni troškovi za utrošenu električnu energiju u višoj tarifi T1 dva puta veći od tih troškova u nižoj tarifi T2. Ako se deo potrebne električne energije za potrošače u višoj tarifi obezbedi od akumulatorske baterije koja se tolikom količinom električne energije napunila u nižoj tarifi, ukupni troškovi električne energije su:

Slika 5 Principijelna električna šema paralelnog pražnjenja dve akumulatorske baterije sa ugrađenim zaštitnim poluprovodničkim diodama

gde se vidi da su ukupni troškovi za utrošenu električnu energiju bez upotrebe akumulatorskih baterija za 50% veći od ukupnih troškova sa upotrebom akumulatorskih baterija. Navedeni primer primene akumulatorskih baterija za snabdevanje potrošača u domaćinstvima električnom energijom, u cilju ostvarivanja pozitivnih tehnoekonomskih efekata, ima opšti značaj. To znači da se akumulatorske baterije u istu svrhu i sa istim ciljem mogu upotrebiti za snabdevanje električnom energijom i ostalih potrošača, na primer u industriji i drugim privrednim delatnostima, laboratorijama za

, (12) ,

(13)

gde su: Tuk1 – ukupni troškovi za utrošenu električnu energiju u obe tarife bez upotrebe akumulatorskih baterija, a Tuk2 – ukupni troškovi za utrošenu električnu energiju u obe tarife sa upotrebom akumulatorskih baterija. Odnos jednačina (12) i (13), daje: ,

[058]

(14)

Zbog mogućnosti ostvarivanja pozitivnih tehno-ekonomskih efekata u procesima paralelnog punjanja i pražnjenja elektrohemijskog Ni-Cd sistema, čime se dobija snabdevanje potrošača električnom energijom propisanog kvaliteta i kvantiteta, navedeni sistemi nalaze široku primenu u industriji, domaćinstvima, školama, bolnicama, sistemima za zaštitu, sigurnosno napajanje potrošača električnom energijom itd. Mada je u paralelnim vezama akumulatorskih baterija bilo u procesima punjenja bilo u procesima pražnjenja moguće proticanje nedozvoljenih struja, koje mogu izazvati u najgorem slučaju njihovo oštećenje, ovaj problem se rešava ugradnjom odgovarajućih poluprovodničkih dioda, pri čemu se nepoželjni efekti u akumulatorima ne dešavaju. To je i glavni cilj, s obzirom da se ovi elektrohemijski sistemi mogu široko primenjivati zbog svojih izuzetno dobrih osobina i karakteristika. Na primer, ako se primene u domaćinstvima, onda se postiže ušteda u ukupnim troškovima za utrošenu električnu energiju i do 50% u odnosu na slučaj bez njihove upotrebe, pod uslovom da je cena po jednom kilovatčasu za utrošenu električnu energiju u višoj tarifi dva puta veća od one u nižoj tarifi.

Literatura [1] I. Memišević, M. Beoković: Hemijski izvori električne energije, Beograd, 1983. [2] N. Rakićević, A. Todorović: Hemijski izvori električne struje, udžbenik, Prirodno-matematički fakultet, Kosovska Mitrovica, 2005. [3] G. Kortun: Elektrochemia, Varšava, 1966. [4] N. Vujanović: Teorija pouzdanosti tehničkih sistema, Vojnoizdavački inovinski centar, Beograd, 1982. [5] Elektrotehnički priručnik, Rade Končar, Zagreb, 1988. [6] S. Milić, B. Tomašević: Zaštita kola jednosmerne struje u elektroenergetskim objektima Elektroistoka, Cigre, Opatija, 1983. [7] A. Todorović, S. Bjelić, N. Jelić: Pouzdanost napajanja sekundarne

energija opreme u elektroenergetskim sistemima, OMO, The journal of terotechnology, YU ISSN 0350-1647, GOD XXVIII, br. 1, stranica 38-45, Efektivnost tehničkih sistema, Beograd, 1995. [8] A. Todorović, S. Bjelić, D. Matić: Ostvarivanje pozitivnih tehnoekonomskih efekata u distributivnoj mreži naizmenične struje primenom stacionarnih akumulatorskih baterija, OMO, The journal of terotechnology, YU ISSN 0350-1647, GOD XXVIII, br. 2-3, stranica 126-133, specijalna tema, Beograd, 1996.

D. @. \ur|evi}, M. Jevti} Fakultet tehničkih nauka, Kosovska Mitrovica

UDC:621.243.001.6

Issues and Prospects of Solar Power Engineering Abstract In this paper we focused on some key issues related to the solar power engineering, from world-wide technology and market aspects to the prospects of solar engineering in Republic of Serbia. The objective of this paper is to stimulate professional and energy-producing community to pay more attention on the PV solar power technology and solar energy production. Some introductory principles from the photovoltaic cell theory are renewed, the current state of the world’s solar cells technology is overviewed and grid-connected power systems are briefly explained. The introduction of new feed-in tariffs in Serbia is discussed, as well as the importance of the research and educational support in the field of solar power engineering. Some practical data and considerations, from the point of view of a customer who is keen to invest in the solar energy production, are given. Key words: Solar Energy, Solar Cells, Solar Energy Production.

Teme i perspektive razvoja slorane energetike U ovom radu su obrađene neke važne teme iz oblasti solarne energetike, od današnjeg stanja svetske tehnologije i tržišta do analize mogućnosti budućeg razvoja solarne energetike u Republici Srbiji. Cilj ovog rada je podsticaj profesionalne i energetske javnosti da obrati veću pažnju na tehnologiju i proizvodnju električne energije iz energije Sunčevog zračenja. Obnovljeni su neki važni uvodni principi iz teorije fotonaponskih uređaja, izvršen je pregled trenutnog stanja tehnologije proizvodnje solarnih ćelija i modula i objašnjene su ukratko elektrane na sunčevu energiju. Diskutovano je uvođenje novih podsticajnih mera za proizvodnju sunčeve obnovljive energije, i istaknuta je potreba razvoja istraživanja i obrazovanja u ovoj oblasti. Sa aspekta potrošača električne energije, zainteresovanog da investira u proizvodnju električne energije iz obnovljive energije Sunca, dati su neki interesantni tehnološki i tržišni podaci. Ključne reči: sunčeva energija, sunčane ćelije, proizvodnja energije

1. Introduction The share or renewable sources of energy in the EEC countries energy consumption should double from 6% in 2000 to 12% in 2010, but it was predicted that by mid-21st century would reach about 50%. The growth of the installed solar power systems capacity in the EEC countries, according to forecasts, should increase from 32 in 2000 to over 3000 MW of peak [059]

power in 2010, [1-3]. Such predictions encourage us that humanity will not suffer from an energy crisis in the future due to the depletion of the conventional fossil resources (oil, natural gas, coil) if it succeeds in mastering technologies for using solar energy. So far, all kinds of renewable sources of energy (hydraulic energy, geothermal energy, wind energy, biomass conversion energy, energy obtained from the wastes, ocean and wave energy, tidal

energija energy) seem to have been more attractive for exploitation than solar energy, [1,4]. The share of energy produced from the solar radiation in total world’s energy production is at the moment just about 0.1%. To be competitive with other renewable and traditional power engineering, solar photovoltaic engineering must have certain performance characteristics, mainly rely on and associated with the installation specific cost, the conversion efficiency and service life of solar power stations and effective full-power hours of operation. Having in mind that the resources of solar energy are huge and practically endless, accessible to every country and almost absolutely harmless and environmentally and ecologically clean, the expected future improvements in the solar technology and engineering promise that the goal should be meet soon, perhaps in a few incoming decades. The photovoltaic, or solar, energy will in a future be an indispensable part of the energy system in almost every country. An inevitable questions we have to face with are: where is the place of the Serbian energetic and industry sector in comparison with world’s and EEC’s renewable solar energy trends, and what are the key issues and factors which have to be reached and improved to allow the Serbian energy sector to cope with modern and future solar energy challenges. With a very small portion of installed renewable energy capacities from the total energy production, the answers should have be pretty pessimistic, however, the recent changes in the government and administrative course and policy, as well as increased business interests in the renewable energy engineering and investments, might lead us towards some promising and optimistic tones and forecasts. The aim of this paper is to review some fundamentals of photovoltaic cells and systems and to discuss the key issues and essential factors determining the lines, potentials and prospects of the solar power engineering development worldwide, and particularly in Serbia under new government policy conditions.

2. Solar Energy and Photovoltaic Conversion - Basic Highlights The solar energy is the enormous electromagnetic energy radiated by the Sun and it is packed within the solar spectrum which can be approximated

by a black body radiation of 5900 0K. The range of solar spectrum is very broad: from the ultraviolet to the near infrared band, including the narrow visible light portion. Electricity can be produced directly from solar energy using a device called photovoltaic (PV) cell - also referred as a solar cell. When electrons of the surface region of the semi conducting solar cell (usually made of silicon, or silicon alloys, obviously with incorporated a pn junction) absorb enough energy from photons (particles or quanta of the shining incident light), they separate from the atoms (leave the valence energy band) and migrate (enter the conducting energy band) to the front surface of the PV cell causing potential difference between front and back surface of the cell (well-known photovoltaic effect, noticed and described for the very first time by H. Becquerel in 1839., [1], and explained later by A. Einstein in 1905.). So, an electric current could flow through the wire that connects front and back cell contacts as long as the solar light exposure lasts. From the optoelectronic point of view, PV cell behaves like a typical semi conductor diode. Each individual cell only produces a small direct current (DC) voltage (around 1 or 2 Volts), therefore they have to be joined (connected in series) to create higher and usable DC electricity within the PV device. Large groups of series connected individual PV cells are called solar modules or arrays. The conversion efficiency, the most important property of the solar cell, is the ratio of the PV generated electric output power to the total electromagnetic light power radiated on the cell, and for today’s market available cells is in the range 10 to 17%, however, module efficiencies are somewhat lower. The first silicon solar cells were developed at Bell Laboratories in 1954, while experimenting with semiconductors, and used in the late 1950s to provide the energy to operate space satellites; their efficiency was 6%, but very soon#improved to 10%. Efficiency of the todays optimally designed modern high efficiency cells are well above 20%, [5-7]. Intensive nowadays research in PV technology is characterized by slow but steady improvement in cell conversion efficiency. It is worth to highlight and explain why the cell conversion efficiency is well below 100% (total conversion). We have already mentioned, at the beginning of this section, that solar wave spectrum is very broad, con[060]

sisting of the stream of photons with different energies. The photon energy Wph is represented via the frequency f of the “travelling photon” striking at the cell surface as Wph =hf where h is the Plank’s constant. Electrons within atoms placed very near struck semi conductor cell surface can either be in the valence energy level or band (within atom) or “jump” to the conducting energy level or band (bonds with atom are broken, electron can “travel” as an conducting particle). Those two energy levels are discrete values, different for every specific atom or material. So, there is an energy difference or gap between those two levels, in which there can be no electrons. This energy gap Wg is more often called the band gap. The photon can only reacts with electron and gives him own energy if its energy is at least equal to the electron’s band gap, Wg#& Wph. It means that the semi conductor is “transparent” only for photons with energies over the specific energy level, i.e. frequency, from the broad solar spectrum. More energetic photons will deliver to the electron only a part of the energy, the rest being thermalized, and for weaker photons the semi conductor cell is “opaque”, causing the photon reflection from the cell surface. Therefore, the photon transparency, or the photon absorption process, directly depends on the semi conductor band gap, and consequently just a portion of the solar energy spectrum can be absorbed with specific semi conductor material. The ratio of this absorbed energy portion to the total solar energy within the radiated spectrum defines the PV cell efficiency. On the other hand, if the PV cell is exposed to monochromatic light (for example the laser beam), with the radiation frequency matching exactly the semi conductor’s band gap, the total conversion can theoretically occurred with the 100% efficiency. Although this photon-electron interaction model is very simplified, the holes and phonons exist as well, pn junctions, etc., (the passionate reader can consult the Feynman’s QED - the brilliant and amazingly exact Quantum ElectroDynamic theory of light and matter interaction, if it helps!), it can serves as the sufficiently clear explanation of the energy absorbing process underneath the semi conductor solar cell surface. Knowing the exact value for the semi conductor band gap and solar energy distribution function, we could calculate the theoretical efficiencies for any used semi conductor. Obviously, the photovoltaic mechanism significantly differs from one

energija material to another, and even it is not clearly understood for some recently developed and used solar cell technologies! Theoretical calculations and experimental laboratory results have predicted the maximal solar cell efficiency over 40%, however the practical market production of such cells can be delayed for decades, [1], mainly because of their expensive and complex technology, lack in understanding of physical processes involved during the PV conversion in those complex cells and ohmic and other parasitic losses in the overall solar module devices. A PV technology is appealing from an environmental point of view because its impact on the environment is minimal, does not produce harmful by-products, enables direct conversion of solar energy to electricity, there are no high temperatures involved thus cooling water devices are not required, PV technology is modular and portable in size, easy to assemble, soundless because does not need any bulky mechanical generators for the energy conversion and it is a very flexible power generator - ranging from mW to MW.

3. PV Cells and Systems Technologies The main task in PV solar cell development is to increase PV conversion efficiency and therefore to reduce solar cell cost. Nowadays, the silicon solar sells occupy the main share of the PV market. Monocrystalline and polycrystalline (multicrystalline) solar cells are the leading market products. However, the huge investments and high costs are mainly the lack of silicon production technology. PV semiconductor research and industry have been very intensive in the last decade, bringing more and more new concepts and trends every year for solar cell development and further improvements in established PV technologies. A lot of research efforts have been going into the search for new materials. The leading idea is to replace Si and SiO2 (Si has very high melting temperature, over 1400 0C, SiO2 about 1800 0C, therefore a huge amount of energy is required during the PV cells fabrication procedures) with alloys and compounds of materials with low-temperature melting points (such as Ga, Cd, In, Sb, etc.). This idea has made the breakthrough of thin-film technologies (such as a-Si, GaAs, CIS, CIGS, CdTe, and so on). The new concepts and new trends, involving new principles of photon conversion process or

new classes of materials, are: thin-film tandem cells, organic solar cells, polymer semiconductor solar cell, dye-sensitized solar cells, flexible solar cells and other new conception solar cells. Some of those technologies, [8-19], are briefly highlighted below. In an effort to save on materials and processing cost, a few manufacturers have turned to less pure silicon. Unlike the nine 9s (99.9999999%) or even the eleven 9s (99.999999999%) of purity that is the result of the conventional Siemens process used in silicon growth, solar modules that are manufactured using Upgraded Metallurgical Grade silicon (UMG) technology are of less purity, with a small effect on conversion efficiency, but significant cost reduction. Mono Crystalline (Single crystal) Silicon solar cells Mono crystalline or single crystalline cells are produced primarily by the Czochralski (Cz) process. The large diameter single crystal silicon ingots that are created from this process are cut into thin wafers using thin wire saws. Solar panels that utilize single crystalline cells still dominates and offer among the highest efficiencies available on today’s market, however, about 50% of the cost of the module is due to the cost of processed silicon wafers with high purity. The cost reduction is directly related with reducing the silicon content of the module, e.g. by use of thinner wafers (0.2 mm thickness is reached today). The best laboratory efficiencies for mono crystalline silicon solar cells is 25%, and for production solar cell modules 15 to 17%. Poly Crystalline (Multi crystal) Silicon solar cells Cells that are created from polycrystalline or (multi crystalline) technology are cut from a silicon boule that has been casted from molten silicon and allowed to cool. The multi crystalline cell is grown from these silicon material forms multifaceted crystals that grow in different directions. Conventional multi crystalline solar cells typically offer a slightly lower efficiency.

Ribbon Silicon solar cells A process which cost less than traditional manufacturing techniques (using costly silicon sawing process) is known as “Ribbon Growth”. Silicon is formed directly into thin wafers which avoid the expensive process of sawing silicon from a solid silicon boule. Solar panels that that use this technology are effective at saving material but [061]

the quality of the material produced is not as high as the Czochralski (Cz) process. Cell efficiency is reduced, about 15%. Amorphous Silicon solar cells (thin film solar cells) Unlike crystalline silicon whose atoms are arranged in a very orderly fashion, the atoms in amorphous or thin film solar panels are not arranged in any specific pattern and in fact contain many structural and bonding defects. Amorphous solar panels are made by utilizing a vapour deposition process not unlike spraying the silicon which deposits a microscopic thin layer of doped silicon onto a glass substrate. Although thin film is less costly to manufacture than mono or poly crystalline technology they do suffer from several drawbacks, among them is a much lower efficiency. While mono and poly crystalline solar technologies typically produce power in the 12 to 15 percent efficiency range, thin film technology’s efficiency range from 6 to 9 percent. Another drawback with amorphous technology is an anomaly known as the Staebler-Wronski effect whereby the conversion efficiency of amorphous solar panels has the tendency to degrade causing a drop in output of up to 20% when it is first exposed to sunlight. CdTe solar technology (Cadmium Telluride thin film) Like their crystalline silicon thin film cousins, Cadmium Telluride CdTe solar suffers from the same stigma of lower efficiency. The primary difference between both crystalline silicon and amorphous silicon when compared to CdTe is that CdTe does not utilize silicon in its design. Instead CdTe solar panels use a compound which is formed by a combination of Cadmium and Tellurium blended with Zinc. Another difference between CdTe and more traditional solar module technologies is that Cadmium is an extremely toxic material with known cancer causing effects, which raises concerns among health officials, although CdTe modules have been touted as being safe especially once encapsulated in a module. There is a wide-spread belief that the price of PV will drop dramatically over the next decade because of thin-film CdTe production. The First Solar, the world’s leading producer of thin-film PV, reported recently that they have reduced the “direct manufacturing cost” to under $1/WP (“p” - peak power) for the bare panels. However, one of the lowest cost installations recently completed costs about $4.3/

energija WP. Part of the reason is that the lower efficiency of CdTe (~10.5%) requires larger panels, which require larger support structures. Copper Indium Diselenide solar cells (CIGS & CIS thin film solar cells) A very promising and challenging technology, known as a “star performer” in the laboratory with near 20% conversion efficiency, is CIGS solar cell technology based on the ternary compound semi conductors CuInSe2, CuGaSe2, CuInS2 and their alloys. CIS is based on CuInSe crystal technology. Although the properties of these compounds are very promising, there are certain difficulties to be commercialized. The main reason is that In and Ga are very rare elements, and nowadays research is finding a way to replace indium with appropriate element or compound. Tandem solar cells (thin film solar cells) Multiple-junction stacked or tandem solar cell is a structure where several solar cell units with different band gaps are stacked on top of one another to absorb light of different wavelength. Thus, each solar cell unit converts appropriate part of solar radiation spectrum. With large number of stacked cell units the efficiency over 50% can be expected in the future. Tandem structures are produced usually with the sequence of thin layers (films). With lens concentration of sunlight and sun-tracking devices, the efficiencies of 38% for tandem cells have been reported. At the moment tandem cells are used in satellite applications and they are not presently manufactured in any significant commercial quantities. Heterojunction solar cells are tandem solar cells introduced by the SANYO Corporation. The SANYO HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) solar cell is made of a thin mono crystalline silicon wafer surrounded by ultra-thin amorphous silicon layers and today it is market recognized as the industry’s leading performance and value product using state-of-the-art manufacturing techniques with very high conversion efficiency. Table 1. shows the cell and module efficiencies for some SANYO solar module products.

Flexible solar cells Flexible solar cells are used in applications such as: airplanes, solar vehicles, textiles, helmets, toys, and in various products with surfaces like curves, where traditional flat solar cell modules can not be used. Flexible cell technology is based on conductive polymer semi conductors, although today almost every type of solar cell can be flexible to some extent. Silicon solar cells with LightTrapping structures (thin film solar cells) Light-trapping structures (LTS) are used to improve the low absorbance of light for the thin-film silicon solar cells. LTS are photonics devices, such as diffractive gratings, distributed Bragg reflectors, metal reflectors, etc. Light can be highly efficiently trapped into the solar cell material, about 70%, [19], increasing significantly the solar cell conversion efficiency, by reducing reflection of the incident solar radiation from the cell. Dye-Sensitized solar cells (DSC) DSC are invented by M. Graetzel in the early 1990’s and they are based on the regenerative photo electrochemical process. DSC are nano-crystalline devices with sensitizer (dye) used to sensitize TiO2 thin film. At the very beginning of the research with DSC efficiency was just a few percent, but at the moment their efficiency reached 11%. Advanced and expensive equipment, high-temperature treatment, high vacuum conditions, and materials of

high purity are not required for DSC fabrications. Their cost is just 1/5 to 1/3 of that for Si solar cells, so they represent larger-area and low-cost solar cell alternatives. Moreover, they can be made transparent or in desired colour, also can be made as flexible solar cells. Predictions are that by 2030, DSC would occupy more than 1/3 of the market share. Organic solar cells These cells can be molecular or polymer organic solar cells, or flat-layer systems with organic materials having semi conducting properties. The possible number of such stable organic compounds (polymers) is nearly infinite. Organic cells can be produced as very thin devices, at low-temperature processes and very low cost. Efficiencies are still low, about 3-4%, however, the research interest in the organic solar cells is growing because they offer an inexpensive solution. Although the high manufacture cost, crystalline silicon dominates the market today with prospects to continue so in the immediate future. Silicon (mono crystal, poly crystal, amorphous, ribbon, thin Si films, and tandem Si cells) is still occupying more than 95% of market share. The market shares of different solar cell technologies are shown in Fig. 1. Away from the laboratory and technological solar cell scene, PV system designers offer numerous useful applications, see for example [1,20], where the module efficiencies, the produced solar energy storage media, etc., are

Fig 1 Market shares of different solar cell technologies for 2008.

Table 1 Efficiencies of the SANYO HIP solar cells and modules

[062]

emphasized. Sun tracking PV systems ensure the optimal operating conditions for solar energy conversion enabling continuously vertical irradiation on the solar generator area. Concentrated PV

energija Fig 2

Scheme of house installed grid-connected PV solar system

(about 15 years ago) was designed in the thyristor technology, but today’s inverters are more complex electronic devices designed to fulfil various specific demands for GC PV applications, with very high DC/AC transformation efficiencies, e.g. 98% for inverters using the HERIC (Highly Efficient & Reliable Inverter Concept) technology, [1].

5. Introduction of Feed-in Tariffs

solar systems use optical lenses and mirrors to increase the light intensity and consequently the solar cell efficiency. Sun tracking PV systems are mostly connected with concentrating systems and best suited for very sunny locations. Hybrid solar systems utilize different types of electricity generators, for example to guarantee the electricity supply reliability. Hybrid systems exploit different sources of renewable energy, sometimes in combination with conventional fossil-fuelled resources. Hybrid solar systems can combine PV electricity and solar thermal effect to increase the overall energy production, [21]. PV solar systems can be used for water desalination in desert areas, [22], for hydrogen production as the electricity storage mass media or for fuel-cells electricity production. PV solar modules are integrated into sound barriers along motorways and railways, [1], into the buildings facades establishing modern trends in architecture, [20]. Number of ideas and practical applications of PV systems usage is growing and deserve the particular attention and analysis, see for example [23,24]. This paper describes only the typical so-called grid-connected photovoltaic system, in the next section.

4. Grid-Connected PV System In a nutshell, apart from the space applications, terrestrial PV applications can be grouped into stand-alone PV systems (SPSs) or grid-off PV systems, and grid-connected power systems (GCs) or grid-tied systems. SPSs do not have a connection to an external electricity grid. There is a broad variety of their applications: from solar calculators and watches (mW range) to systems designed to supply remote consumers and buildings (islands, mountains or rural remote areas) with electric power (kW range). They can be DC or AC systems with or without storage battery (e.g. for night use).

A grid-connected solar power system can be defined as an array of PV modules connected via a suitable inverter to an external public electricity network (grid) supplying network with the produced electrical energy. A grid plays a role of a large “storage unit” for the produced energy. If GCs are decentralized they provide power for the electrical appliances in the building, with surplus production feeding into the grid via the grid connect point distribution board connection. At night the electricity comes from the public grid. Central GCs are designed only for feeding public grid. In countries with favourable mandatory feed-in tariffs it is more advantageous to feed all GC produced energy into the public grid. The installed GCs power can be in the range from several kW up to the MW range. GC systems are usually set up on buildings facades, on the sloped or flat (for bigger buildings) roofs, or on otherwise unused land (e.g. rocky mountain slopes). GC PV system, Fig 2, consists of: PV module array, an inverter, the electricity meter, cabling, a combiner box, switching and protection elements. In a combiner (junction) box the solar panels cables are terminated and connected together (mainly in parallel manner). A cable from the combiner box feeds the DC electricity into a GC inverter. An inverter is used to convert the DC voltage output of the PV module to the AC voltage needed to be fed into the public grid. As well as AC production, an inverter has additional important functions: the MPP tracking (regulation of the DC input resistance of on inverter, in order to optimally operate the PV module, the power matching), data acquisition and monitoring, PV modules protection (e.g. when a grid goes down GC PV system must automatically and immediately turn off, for safety reasons), etc. The first serial produced inverters [063]

Feed-in tariffs (FITs) are widely recognized nowadays as an effective means to stimulate and to promote growth of renewable energy capacity, and certainly are the most effective way to support the development of the photovoltaic energy production. FIT is a mandatory rate (in 1 cents per kWh in Europe) at which the electricity retailers are obliged to purchase the electricity from grid-connected PV system. FITs have been adopted in over twenty countries, following Germany’s lead. Some European countries are in the process of introducing mandatory FITs. Table 2. shows FITs for PV solar energy in some European countries. Even the UK government (UK is well-known for its cloudy and rainy weather) has announced the introduction of FIT for solar renewable energy from April 2010 which could be from £0.40 up to £0.50 per kWh, [15], what is well above Germany’s FIT standards. EU governments adopt and change FITs regularly, according to actual circumstances, and provide the additional support with cheap bank loans and public grid access, tax benefits of different magnitudes, and other measures. Serbian government had proposed FIT at 1 0.354 per kWh of produced solar energy, a year ago, however, FIT at 1 0.23 per kWh have been adopted recently, [25], applying from 01.01.2010. Unfortunately, proposed FIT-unit cost has been reduced about 35%, furthermore FITs are guaranteed for 12 years for all renewable energy power plants, including solar power stations. This short-term security period can be potentially the source of little success with FITs for solar energy in Serbia. The FITs introduction in Serbia is perhaps the most significant indicator of the government determination to catch-up with modern European trends and standards in the renewable energy sector. However, the government remarkable step forward is good as far as it goes but will not be sufficient to

energija Table 2 Feed-in-tariffs for PV solar energy in some European countries, [1]. The installed “peak” power of solar power station is given in kWp.

get the PV power energy sector moving further and faster, unless there is no intention to remove a lot of other obstacles (administrative, educational, for example), to provide the additional support including financial one (loans, taxes) and if government fail to improve FITs conditions if their implementation are not successful in practice. Amongst other activities of Serbian government, related closely to FITs initiative, is the adoption of the European renewable energy Directives 2001/77/EC, 2003/30/EC and specially 2009/28/EC aimed to improve the renewable energy share to 20 % in total EU energy consumption - up to 2020. A year ago, Serbia has contributed to the significant international political impetus as the founder member of the International Renewable Energy Agency (IRENA).

6. Some Practical Data and Considerations An average power of the sun irradiance at the earth surface is about 1000 W/m2. The Sun irradiance can vary from season to season, from year to year, but it is mainly dependable on the geographic latitude. More precisely, a square metre of horizontal Earth surface receives, under Serbian geographic and climatic conditions, between 1200 kWh/m2 in the north to 1500 kWh/m2 in the south solar irradiance annually (on average 1400 kWh/m2), which is a daily average of about 3.5 kWh/m2. In southern Europe the annual irradiance can reach up to 1800 kWh/m2 (Spain) and in northern Europe the irradiance drops to a low of 700 kWh/m2 (Norway). Direct solar irradiance is about 50% and the remainder is diffuse irradiance from the atmosphere.

Table 3 Prices of some solar modules (panels), made by the world’s largest PV manufacturers, in January 2010.

[064]

Module efficiencies of the state-of-the art market available solar panels are in the range 12 to 17%. So, a simple calculation shows that 1kW of installed PV power requires area of about 7 to 8m2 (around 2.75m x 2.75m the square shaped solar module array). The energy payback time of the PV modules is an important property of solar systems. Energy payback time (EPBT) is defined as the time the PV module has to operate in order to recover the energy consumed for its production (i.e. to recover the installation costs). EPBT differs for PV modules made by different technologies and for complete installed PV systems, and from country to country. For mono- and multicrystalline cells, EPBT for complete PV systems, in Germany for example, is between 6 and 8 years, but for CdTe PV systems is less than 3 years. The lifetime of the PV modules depends on the used technology as well. For mono- and multicrystalline silicon solar cells, most manufacturers give a warranty of 10 / 90 and 25 / 80, which means: 10 years warranty that the module will operate above 90% of nominal power and up to 25 years with above 80%. Practical lifetime of the silicon-made PV modules could be expected to be at least 30 years. For the newer thin-film technologies, ten year guarantees are customary, but the experiences with them are still limited. The grid-connected PV solar system with 1kW of installed PV power could yields, under Serbian circumstances, on average: 1400 kWh x 0.23 1 /kWh o±320 1 /annualy. For the guaranteed period of 12 years it is nearly 4000 1. We explored the world’s PV market to calculate the investment costs for 1 kW of PV power at the very beginning of 2010. A lot of internet sites have been browsed and investigated, as an example http://www.brightgreenenergy. co.uk/ and http://www.pvsolarmodules. com/. Table 3. shows prices of some market available solar modules (panels), conversion rates (January 2010): =0.705, 1£/11 =1.125 have been used. It is interesting to note that the US solar cell seller internet sites are informing their costumers that “solar modules are in high demand in the European market which makes them difficult to obtain in the U.S.”. Many of manufacturers and dealers charge less 10 to 15% for several modules purchased (e.g. more than 8 modules). Therefore, the installation price for 1 kW of PV power has been found to

energija be roughly as follows: 1 3000 to 3500 for the solar panels, 1#500 to#1000 for an inverter + shipment + taxes + solar modules mounting and installation. This gives the average investment price from 1#4000 to 5000 per installed 1 kW of PV power. So, the energy payback time in Serbian circumstances is at least 12 years. In other European countries energy payback time varies from 6 t o 1 0 years, depending on the specific country, used solar cell technology, adopted FITs and other conditions. Over the last few years the solar PV industry has seen a huge increase in demand. In 2008, worldwide module production increased 80% on the previous year. As a result of the global economic slowdown in 2009, prices are now at an all time low. Market researchers found that the mean cost of installed PV dropped 3.6% annually from 1998 through 2008, with a decline of 4.6% from 2007 to 2008. Some PV prices have dropped as much as 35% in the last two years, which is making it tough for manufacturers to survive. Under present conditions it seems likely that another 30% may fail in 2011, and another 20% in 2012. As a conclusion, the beginning of 2010. seems to be not the best moment to invest in solar PV power station in Serbia. Realistically, the energy payback time is well above 12 (guaranteed) years, and significant solar modules decline in pricing can be almost certainly expected over the course of the year.

7. Educational Issues In spite of the existence of numerous proven and factual information about PV solar cells and systems in scientific and technical journals, with conferences, exhibitions, fairs, internet sites providing specific information, there is the opposition constantly attempting to give false or negative information about PV technology. False information is mainly about PV cell and module costs, their destroyable effects on the environment, etc. As an example we could rewrite a consumer comment on the open-site www. energija.wordpress.com/ appeared on 23. Dec. 2009, [25], just after media announced the introduction the new government policy, who concluded the next: “Congratulation for moving along with FIT initiatives! However, the cheapest offer for the investment in 100 kW solar power station I’ve arranged during a day with the Chinese company with total investment cost

of $2,3 billion! Thus, pay-back time would be about 36 years, so where is the interest and the gain with 1 0.23/ kWh FIT then?”. The disappointment of the uninformed costumer can be understood, and his comment, albeit false, as well. However, no-one have made any correction on the site so far, this can not be understood. Having in mind that the false information are spreading much faster then the true one, a costumer willing to invest in the photovoltaic system will run out forever. This typical example can be explained with widespread in Serbia very-poor educational level in the field. The investment price from $23.000, per installed 1kW of PV solar module is really too much, even if Chinese steal the show! It is very important to provide the true scientific and comparable information about PV cells and systems. Therefore, the PV (as an every new technology) is an educational issue. The broad educational campaign has to be launched in Serbia, from basic schools to entering new study programs and modules at the University levels. Serbia has to introduce research facilities, training activities and the dissemination of information about renewable energy. In addition, the number of published papers about PV cells and systems in energy sector specialized domestic journals and conferences is pretty low, and has to be increased, no matter with review, engineering or scientific article character. A primal objective of this paper is to contribute in that sense. Republic of Serbia is a founder member of the International Renewable Energy Agency (IRENA), an intergovernmental organisation for promoting the adoption of renewable energy worldwide. IRENA was officially established in Bonn, Germany, on 26. January 2009. Up to the end of 2009., 137 states and the European Union signed the Statute of the Agency; amongst them are 46 African, 36 European, 32 Asian, 14 American and 9 Australia/Oceania States. IRENA aims to facilitate renewable energy technology transfer and provide experience for practical applications and policies. Moreover, the Agency intends to facilitate access to all relevant information, including reliable data on the potentials for renewable energy, best practices, effective financial mechanisms, and state-of-the-art technological expertise. In IRENA Memorandum, [26, pp.10], it is stated: It is imperative that every nation in the international community: [065]

create research and development facilities; z begin using a wide range of solar energy technologies, in order to keep pace with new technological developments; z promote the education of scientists and technicians and increase public awareness as the basis for increasing self-sufficient production and use of Renewable Energy and energy efficiency methods; z move quickly to introduce Renewable Energy technologies. Bridging development gaps and reducing deficits in the availability of information is a crucial global, environmental, economic and political issue. ... Those IRENA’s recommendations clearly emphasized the role of the research, education and true information policy in the international and national frameworks in promoting and introducing new technology for using renewable energy, the role which is particularly important to developing and transitional countries. z

Conclusion Solar energy as a source of the renewable energy has vast potential and it is the challenge facing the world’s energy future. Insufficient awareness of the opportunities for the solar energy may be an obstacle which can significantly limit and delayed its use. PV electricity is expensive at the moment, but this is just a transitory situation, one has to be educated, trained and prepared for the future almost certain scenario of its favourable use and exploitation. The goal could be achieved primarily with steady as you go positive government politics in the renewable energy sector, broad and systematic costumers and engineer’s education and extensive further support in this field. The aim of this paper is to contribute on the increase of the public and professional awareness as the basis for increasing production and use of PV solar energy.

References [1] A. V. Da Rosa, Fundamentals of Renewable Energy Processes, 2nd edition, Academic Press, Elsevier Inc., 2009. [2] A. Goetzberger and V. U. Hoffmann, Photovoltaic Solar Energy Generation, Springer-Verlag 2005.

energija [3] D.S. Strebkov, “The Role of Solar Energy in the Power Engineering of the Future”, Thermal Engineering, 2006, Vol. 53, No. 3, pp 224-230. [4] T. Markvart and L. Castaner (eds.), Practical Handbook of Photovoltaics: Fundamentals and Applications, Elsevier Inc., 2003. [5] M. Razeghi, Technology of Quantum Devices, Springer Science+Business Media, 2009. [6] S. M. Pietruszko, Phovoltaics in the world, A. Vaseashta et al. (eds.), Nanostructured and Advanced Materials, Springer, 2005, pp. 241250. [7] I. Haller and H. Grupp, «Demand by product characteristics: measuring solar cell quality over time», J. Evol Econ, 2009, Vol. 19, pp. 487-506. [8] H. Lin, W. Wang, Y. Liu, X. Li and J. Li, «New trends for solar cell development and recent progress of dye sensitized solar cells», Front. Mater. China, 2009, 3(4), pp. 345352. [9] W. Fuhs, Silicon thin-film solar cells, A. Vaseashta et al. (eds.), Nanostructured and Advanced Materials, Springer, 2005, pp. 293-298. [10] M. A. Green, “Thin-film solar cells: review of materials, technologies and commercial status”, J. Mater Sci: Mater Electron, 2007, V0l. 18, pp. 15-19. [11] R. Hezel, “Progress in Manufacturable High-Efficiency Silicon Solar Cells”, B. Kramer (Ed.): Advances in Solid State Physics, 44, 2004., pp. 39-49. [12] S. Kasap, P. Capper, Solar Cells and Photovoltaics, Part E/46: Novel Materials and Selected Applications, Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials, 2006, pp. 1095-1106. [13] D. C. Senft, “Progress in Crystalline Multijunction and Thin-Film Photovoltaics”, J. of Electronic Materials, Vol. 34, No. 5, 2005, pp. 571-574. [14] Z. Fan et al., “Challenges and Prospects of Nanopillar-Based Solar Cells”, Nano Res., Vol. 2, 2009, pp. 829-843. [15] S. Plater, “An initial analysis of options for a UK feed-in tariff for photovoltaic energy, from an array owner’s viewpoint”, Environ. Res. Lett., IOP Publish., Letter 4, pp. 1-10.

[16] V. P. Khvostikov et al., “HighEfficiency (49%) and High-Power Photovoltaic Cells Based on Gallium Antimonide”, Semiconductors, Vol. 40, No. 10, 2006., pp. 1242-1246. [17] S. S. Sun, «Polymer photovoltaic optimizations from exciton level», J. Mater Sci: Mater Electron, Vol. 18, 2007, pp. 1143-1146. [18] A. Hand (Ed.), “IMEC Mechanically Stacs GaAs/Ge Multijunction Solar Cell”, Semiconductor Internacional, Oct. 2009. [19] L. Zhao et al., “A highly efficient light-trapping structure for thinfilm silicon solar cells”, Solar Energy, Vol. 84, 2010., pp. 110-115. [20] U. Eicker, Solar Technologies for Buildings, J. Wiley & Sons Ltd., 2003. [21] A. Elazari, G. Verilli and G. Groce, “Design of New Generation Multi Solar Power Stations”, Spec. Seminar: Energy managment and control and renewable and alternative energy sources, Lectures of A. Alazari, Millenium Electric, Belgrade, Nov. 2008. [22] A. Elazari, “Multi Solar Desalination Plant”, Spec. Seminar: Energy managment and control and renewable and alternative energy sources, Lectures of A. Alazari, Millenium Electric, Belgrade, Nov. 2008. [23] A. Elazari, “The Multi Solar Window”, Spec. Seminar: Energy managment and control and renewable and alternative energy sources, Lectures of A. Alazari, Millenium Electric, Belgrade, Nov. 2008. [24] “Oerlikon discusses path to $0.70/W thin-film PV panels”, in: Solid State Technology, www. solid-state.com, Aug. 2009. [25] UREDBA o merama podsticaja za proizvodnju električne energije korišćenjem obnovljivih izvora energije i kombinovanom proizvodnjom električne i toplotne energije, Vlada Republike Srbije, http ://www.enrgetika.gov.rs/ , December 2009. [26] Memorandum for the Establishment of an International Renewable Energy Agency (IRENA), http://www.irena.org/irena.htm, 2009.

[066]

energija Dr Sneàna Dragi}evi}, vanredni profesor Univerzitet u Kragujevcu, Tehnički fakultet Čačak Dr Miroslav Lambi}, redovni profesor Univerzitet u Novom Sadu, Tehnički fakultet “Mihailo Pupin” Zrenjanin UDC:627.329

Energetski efikasno korišćenje masivnog aktivnog solarnog zida za grejanje prostora i akumulaciju energije 1. Uvod Sistemi solarnog grejanja prostora baziraju se na korišćenju masivnih solarnih zidova, koji mogu biti pasivni i aktivni. Oba koncepta podrazumevaju korišćenje zidova koji su prekriveni sa transparentnim pokrivkama, čija ozračena površina ima dobre apsorpcione karakteristike a masa zida značajnu toplotno-akumulacionu sposobnost. Konstruktivno i koncepcijski pasivni i aktivni solarni zidovi se razlikuju. Masivni aktivni solarni zid podrazumeva konstrukciju prikazanu na slici 1, kod koje je izveden središni kanal unutar zida. Ovakva konstrukcija omogućava brži i intenzivniji prenos toplote iz prijemnog prostora, u kome se javljaju znatni gubici toplote, u središni deo zida. Središni kanalski deo zida može biti izveden bez i sa ispunom materijala. Cirkulacija zagrejanog vazduha iz prijemnog u središni kanalski prostor može biti prirodna ili prinudna, koja zahteva ugradnju ventilatora u donji otvor zida. Sistemi solarnog grejanja koji se baziraju na upotrebi solarnih zidova moraju predvideti gradnju zastora radi sprečavanja toplotnog preopterećenja prostorije koja se greje. Prednosti aktivnog solarnog zida u odnosu na klasičan Trombov zid su: brže akumulisanje toplote u delu zida koji je bliži unutrašnjoj površini zida, otpor toplotnim gubicima od grejane prostorije i unutrašnjih slojeva masivnog zida ka spoljnoj okolini je veći, akumulacija toplote u vreme grejanja prostorije je racionalnija i omogućeno je bolje upravljanje korisnom toplotnom energijom. Kod razmatranog modela zida regulišući zatvarač omogućava istovremeno strujanje zagrejanog vazduha

Rezime Zbog sve veće aktuelizacije korišćenja masivnih solarnih zidova za potrebe grejanja prostora sprovedena su istraživanja sa ciljem utvrđivanja uticaja relevantnih parametara na energetsku efikasnost sistema grejanja pomoću masivnog solarnog zida. U radu su prikazani rezultati ispitivanja stacionarnog modela aktivnog masivnog solarnog zida koji je izveden sa središnim kanalskim prostorom i otvorima za strujanje vazduha, a služi za istovremeno grejanje prostora i akumulaciju energije u unutrašnjim slojevima zida. Na osnovu sprovedene termodinamičke analize definisan je matematički model analiziranog sistema koji obuhvata osnovne uticajne veličine u stacionarnim uslovima rada. Analiziran je uticaj globalnog sunčevog zračenja, temperature i brzine strujanja vazduha na ulazu u prijemni kanal zida na koeficijent korisnog dejstva razmatranog sistema grejanja. Ključne reči: solarni zid, grejanje prostora, akumulacija energije, energetska efikasnost.

Energy efficient use of the massive wall of active solar space heating and energy accumulation Due to the increasing use of actualization of massive solar walls for space heating were carried out research aimed at determining the influence of relevant parameters on the energy efficiency of a heating system with the massive solar wall. The paper presents the results of stationary model of active massive solar wall, which is derived from the central channel space and openings for air flow, and is used for both space heating and energy accumulation in the inner layers of the wall. Based on thermodynamic analysis carried out is defined mathematical model of the analyzed system, which includes basic influence the size of the stationary conditions. Analyzed the impact of global solar radiation, temperature and air velocity at the entrance to the entrance wall on the effective heat transfer coefficients of analyzed heating system. Key words: Solar walls, air heating, energy acumulation, energy efficiency. iz prijemnog ka središnom kanalu zida i grejanoj prostoriji. Njegovim korišćenjem ostvaruje se grejanje prostorije uz istovremenu akumulaciju toplote u unutrašnjim slojevima zida. Zid je izveden bez ispune središnog kanalskog prostora i izložen je dejstvu sunčevog zračenja. Radi intezivnijeg procesa prenosa toplotne energije iz prijemnog prostora ka prostoriji i unutrašnjim slojevima zida ventilator je uključen. [067]

2. Matemati~ki model aktivnog solarnog zida Kada je razmatrani model aktivnog solarnog zida izložen dejstvu sunčevog zračenja zagrejani vazduh iz prijemnog kanala struji ka središnom kanalu zida i ka grejanoj prostoriji. U zavisnosti od položaja koji zauzima regulišući zatvarač u gornjem otvoru zida protok zagrejanog vazduha iz prijemnog kanala se deli na dva dela.

energija Slika 1

zagrejani vazduh iz prijemnog kanala, qz,4 − p toplotni fluks koji se predaje zračenjem sa unutrašnje površine zida i qk,4 − p toplotni fluks koji se predaje konvekcijom sa unutrašnje površine zida na vazduh u prostoriji. Jednačine masenog i energetskog bilansa za dati model glase:

Model aktivnog solarnog zida

(2) (3) gde su: [kg / m3] maseni protok vazduha kroz prijemni kanal zida, wο [m / s] brzina vazduha na ulazu u prijemni kanal zida, gustina vazduha, b2 [cm] rastojanje između absorbujuće površine zida i drugog staklenog pokrivača, dužina aktivnog solarnog zida Y = 3[m]: (4) (1 - dvostruko staklo, 2 - prijemni kanal, 3 - spoljašnji deo zida, 4 - ventilator, 5 - regulišući zatvarač, 6 - unutrašnji deo zida i 7 - središni kanalski prostor)

Jedan deo odlazi direktno u prostoriju, a drugi deo zagrejanog vazduha struji ka središnom kanalu zida, pri čemu deo toplote predaje konvekcijom unutrašnjem delu zida, a ostatak toplote se kroz donji otvor zida vraća u prijemni kanal. Toplota predata unutrašnjim slojevima zida se delom akumulira, a delom provodi kroz zid i predaje vazduhu u grejanoj prostoriji.

Toplotni fluks koji se predaje vazduhu u grejanoj prostoriji, zanemarujući korisni toplotni fluks koji se akumulira u unutrašnjem delu zida i predaje vazduhu u prostoriji, iznosi: (1) gde su u [W / m2]: qv ukupan toplotni fluks, qv,p toplotni fluks koji predaje

Slika 2 Mehanizmi prostiranja toplote kod aktivnog solarnog zida

[kg / m3] maseni protok vazduha koji struji iz prijemnog kanala zida u grejanu prostoriju; koeficijent protoka vazduha koji definiše deo masenog protoka vazduha koji struji iz prijemnog kanala ka grejanoj prostoriji; [kg / m3] maseni protok vazduha koji struji iz prijemnog u središni kanal zida, wSk [m / s] brzina vazduha u središnom kanalu zida, b4 [cm] širina središnog kanala zida: (5) - qv [W / m2] toplotni fluks koji zagrejani vazduh odnosi iz prijemnog kanala, T1[K] temperatura apsorbujuće površine zida, TS2[K] temperatura unutrašnje staklene pokrivke, Tul,pk[K] temperatura vazduha na ulazu u prijemni kanal, Tiz,pk = Tul,Sk [K] temperatura vazduha na izlazu iz prijemnog kanala, H = 3[m] visina zida, cp = 1005 [J / kgK] specifična toplota vazduha:

(6)

[W / m2] toplotni fluks koji zagrejani vazduh iz prijemnog kanala predaje vazduhu u grejanoj prostoriji; [W / m2] toplotni fluks kroz središni kanal zida. [068]

energija Energetski bilans za vazduh koji struji kroz središni kanal zida glasi:

(7)

gde su Tiz,Sk [K] temperatura vazduha na izlazu iz središnog kanala zida, toplotne karakteristike materijala zida (ρz = 1700 [kg / m3], cz = 840 [J / kgK], λZ = 0.45 [W / mK]), T3[K] temperatura spoljašnje površine unutrašnjeg dela zida, T4[K] temperatura zida koja je u kontaktu sa vazduhom u grejanoj prostoriji. Koeficijenti prelaza toplote u prijemnom i središnom kanalu zida dati su sledećim izrazima: (8)

(9) Za analizu energetske efikasnosti datog koncepta grejanja koristi se koeficijent korisnog dejstva:

vetra od wv = 0 m / s i temperaturu okoline tοκ = 0 οC i za sledeće konstruktivne parametre aktivnog solarnog zida: b4 = 5 cm i b1 = b2 = b5 = 10 cm. Porastom brzine strujanja vazduha na ulazu u prijemni kanal zida koeficijent korisnog dejstva raste. Dijagram sa slike 3. pokazuje da sa porastom koeficijenta protoka vazduha ka grejanoj prostoriji koeficijent korisnog dejstva raste, za sve analizirane vrednosti brzine vazduha na ulazu u prijemni kanal zida. Za brzine vazduha do wο = 4 [m / s] koeficijent korisnog dejstva naglo raste, nakon čega ima približno konstantnu vrednost. Kod zida koji je izveden bez ispune središnog kanala porast brzine vazduha na ulazu u prijemni kanal izaziva smanjenje toplotnog fluksa koji se akumulira u unutrašnjem delu zida, jer je pri velikim brzinama vazduha i toplotni fluks kroz središni kanal zida veliki. Sa porastom temperature vazduha na ulazu u prijemni kanal zida koeficijent korisnog dejstva opada, za analizirane masene protoke zagrejanog vazduha koji struji iz prijemnog kanala ka grejanoj prostoriji. Za konstantu temperaturu vazduha na ulazu u prijemni kanala koeficijent korisnog dejstva raste kada raste maseni protok zagrejanog

vazduha koji cirkuliše iz prijemnog kanala ka grejanoj prostoriji. Sniženje temperature vazduha na ulazu u prijemni kanal zida prouzrokuje rast stepena korisnog dejstva: u sprovedenim analizama pad temperature vazduha na ulazu u prijemni kanal sa tul,pk = 28 [οC] na tul,pk = 24 [οC] izaziva porast koeficijenta korisnog dejstva od oko 18%. Dijagrami sa slike 5. pokazuje da za sve analizirane masene protoke vazduha iz prijemnog kanala ka grejanoj prostoriji koeficijent korisnog dejstva raste sa porastom inteziteta globalnog sunčevog zračenja. Porast globalnog sunčevog zračenja izaziva porast koeficijenta korisnog dejstva i toplote koja se akumulira u unutrašnjim slojevima zida. Koeficijent korisnog dejstva intenzivnije raste kada globalno sunčevo zračenje raste od G = 100 [W / m2] do G = 600 [W / m2]. Položaj regulišućeg zatvarača, koji je postavljen u gornjem otvoru zida, definiše masene protoke vazduha ka središnom kanalu zida i grejanoj prostoriji. Koeficijent korisnog dejstva je veći kada je maseni protok vazduha koji struji iz prijemnog kanala ka grejanoj prostoriji veći. Sa druge strane, ako je maseni protok vazduha iz prijemnog ka središnom kanalu zida

(10)

gde su G[W / m2] globalno sunčevo zračenje, τ = 0.85 koeficijent transmisije zračenja kroz staklene pokrivke, α = 0.95 koeficijent apsorpcije materijala apsorbujuće površine zida, εz = 0.95 koeficijent emisije materijala zida, σ = 5.67 · 10–8 [W / m2K4] StefanBolcmanova konstanta i Tp [K] temperatura vazduha u grejanoj prostoriji.

Slika 3 Zavisnost koeficijenta korisnog dejstva od brzine vazduha na ulazu u prijemni kanal zida wο (G = 1000W / m2, tul,pk = 26ο C)

3. Rezultati analize energetske efikasnosti Model aktivnog solarnog zida koristi se za grejanje prostorije uz istovremenu akumulaciju energije u periodima dana kada je zid izložen dejstvu sunčevog zračenja. Rezultati ispitivanja su dobijeni za slučaj kada se u grejanoj prostoriji održava temperatura vazduha od tp = 20[οC]. Rezultati su dati dijagramski i empirijski u funkciji odgovarajućih parametara zida za različite masene protoke zagrejanog vazduha iz prijemnog kanala ka grejanoj prostoriji. Ispitivanja su sprovedena za brzinu [069]

energija Slika 4

Zavisnost koeficijenta korisnog dejstva od temperature vazduha na ulazu u prijemni kanal (G = 1000W / m2, wο = 1 m / s)

sa aspekta postizanja veće energetske efikasnosti sistema solarnog grejanja prostora različite namene.

Literatura

Slika 5 Zavisnost koeficijenta korisnog dejstva od globalnog sunčevog zračenja (wο = 1m / s, tul,pk = 26ο C)

veći više će se toplote akumulirati u unutrašnjim slojevima zida, pri čemu će koeficijent korisnog dejstva opadati.

4. Zaklju~ak Na osnovu termodinamičke analize masivnog aktivnog solarnog zida dobijene su funkcionalne zavisnosti između relevantnih parametara sistema (globalnog sunčevog zračenja, temperature i brzine vazduha na ulazu u

prijemni kanal zida) i stepena korisnog dejstva, za date uslove ispitivanja. Rezultati istraživanja pokazuju dobre mogućnosti korišćenja aktivnih solarnih zidova za grejanje prostora različite namene uz istovremenu akumulaciju energije u unutrašnjim slojevima zida, u periodima dana kada je zid izložen dejstvu sunčevog zračenja. Rezultati istraživanja su pogodni za dimenzionisanje aktivnih solarnih zidova [070]

[1] Beck A., Korner W., Horn R., Kranl D., Pottler K., Fricke J.: Energy Transport Through Transparently Insulated Colored Wall System, EuroSun 98, Page: VI.1-1 - VI.1-6, Portoroz, Slovenia, 1999. [2] Zrikem, Z., Bilgen, E.: Theoretical Study of a Composite Trombe Michel Wall Solar Collector System, Solar Energy , Vol.39, No.5 , Page: 409-19, 1987. [3] Khedari J., Hirunlabh J., Fabre B.: Theoretical Management of the Deferred Heat supplied by a Composite Trombe Wall Using a porous concrete, Energy and Buildings, 17(1991), Page: 201-211, 1991. [4] Khedari J., Lertsatitthanakorn C., Pratinthong N., Hirunlabh J.: The Modified Trombe Wall: a Simple Ventilation Means and an Efficient Insulating Material, International Journal of Ambient Energy, Vol. 19, No. 2, Page: 104-110, 1998. [5] Dragićević S., Lambić, M.: Uticaj radnih i konstruktivnih parametara na energetsku efikasnost aktivnog solarnog zida, Naučno-stručni časopis «Energetske tehnologije», Broj 1, ISSN 1451-9070, str 3-7, 2004. [6] SmolecW., Thomas A.: Theoretical and Experimental Investigations of Heat Transfer in a Trombe Wall, Energy Conversion and Management, Vol. 34, No. 5, May 1993., Page: 385-400, 1993. [7] Bhandari, M.S., Bansal, N.K.: Solar Heat Gain Factors and Heat Loss Coefficients for Passive Heating Concepts, Solar Energy, Vol.53, No.2 , Page: 199-208 , Aug. 1994. [8] Mootz F., Bezian J.: Numerical Study of a Ventilated facade Panel, Solar Energy, Vol. 57, No. 1, Page: 29-36-208, 1996. [9] Dragićević, S.: Optimizacioni model konstruktivnih i radnih parametara aktivnog solarnog zida sa aspekta veće energetske efikasnosti, Doktorska disertacija, Tehnički fakultet «M. Pupin», Zrenjanin, 2003. [10] Torcellini, P., Pless, S., Trombe Walls in Low-Energy Buildings: Practical Experiences, World Renewable Energy Congress VIII and Expo Denver, Colorado, August 2004.

energija Dr Sre}ko ]ur~i}, dr Sneàna Dragi}evi} Tehnički fakultet, Čačak Mr Dragana Labovi} Visoka škola za poslovnu ekonomiju i preduzetništvo, Beograd UDC:662.63

Logistički sistemi za korišćenje biomase i otpadnog drveta kao energenata u komunalnim sistemima 1. Uvod Opšti pojam biomase veoma je širok i podrazumeva organsku materiju biljnog i životinjskog porekla. Prema procenama od ukupno nastale biomase na planeti Zemlji iskoristi se manje od 4 % (za hranu ljudi i životinja, za proizvodnju papira i kartona, u energetske svrhe -gorivo, itd). Energetska primena biomase većim delom ograničena je na drvo kao gorivo za loženje, što uglavnom nije ekološki opravdano i ne može biti osnov za dalje povećanje upotrebe biomase Osnovne karakteristike pri upotrebi biomase kao energenta iste su kao kod svakog goriva: hemijski sastav, toplotna moć temperatura samozapaljenja, temperatura sagorevanja, fizička svojstva koja utiču na toplotnu moć (npr. gustina, vlažnost i dr). Osnovna veličina za proračun energije iz određene količine biomase jeste njegova toplotna moć. Najveći uticaj na nju ima vlaga (vlažnost, udeo vlage), potom hemijski sastav i gustina. Na toplotnu moć nedrvne biomase podjednako utiču udeo vlage i pepela. Udeo pepela u nedrvenim biljnim ostacima može iznositi i do 20% pa značajno utiče na toplotnu moć. Iskustva iz razvijenih zemalja, u Europi, posebno Danske, pokazuju kako se radi o vrednom izvoru energije koji se ne bi trebao zanemariti. Jedan od najbitnijih faktora koji određuju potencijalnu ulogu biomase u energetskoj industriji, predstavlja jaka konkurencija koja postoji između vrednosti biomase i zemljišta neophodnog za njen uzgoj, što nije slučaj sa ostalim obnovljivim izvorima. Biomasa može da se koristi

Rezime Biomase predstavljaju biološki razgradive materije koje se formiraju u poljoprivredi, stočarstvu i sa njima povezanim granama industrije, kao i biološki razgradivi deo industrijskog i gradskog otpada. Ona je potencijalni energent raspoloživ u ogromnim količinama, koji se veoma malo ili uopšte ne koristi. U današnje vreme kada količina organskog otpada neprestao raste čovek treba da shvati da je taj isti otpad istovremeno i nepresušni izvor energije. Tehnologije u kojima se može koristiti biomasa kao gorivo, pogotovu tehnologije sagorevanja su relativno jednostavne, dok je priprema biomase (sakupljanje, briketiranje, paletiranje, pakovanje, distribucija, skladištenje) nešto složeniji proces. Korišćenje biomasa i otpadnog drveta kao energenata u komunalnim sistemima ima niz pozitivnih efekata: poboljšanje stanja životne sredine lokalne zajednice, povećanje tehnološkog razvoja u energetici, kao i razvoj slabo razvijenih oblasti koje su bogate biomasom. Ključne reči: biomasa, logistički sistemi, energent.

Abstract Biomass is biological material derived from living, or recently living organisms. The term biomass is most often intended to refer to the organic materials produced from agricultural wastes, wood materials and municipal waste. Currently, it is available renewable energy sources but still insufficiently used. While amount of organic waste permanently increase today, at the same time biomass presents the inexhaustible energy source. Available technologies for usage of biomass energy are relative simple, as combustion of biomass, but preparation of biomass is more complex process (collection, brick and palette making, packing, distribution, storage). Usage of biomass and wood waste as energy sources in municipal communal system has following advantages: environment improvement of local areas, increase growth of the energetics technology, and development of low developed regions with abundantly available biomass. Key words: biomass, logistic system, energy source.

kao hrana, đubrivo, za proizvodnju papirnih vlakana i kao gorivo. Čak i među derivatima biomase postoji konkurencija koja može da smanji njen značaj kao potencijalnog goriva: stajnjak je važno đubrivo, papir može da se reciklira, ljuspice pamuka mogu da se koriste u naftnim bušotinama, piljevina može da se koristi kao [071]

zaštitini sloj plodnog zemljišta, a otpadne masti iz restorana kao hrana za domaće životinje. Iako mnogi stručnjaci smatraju da biomasa može da se uzgaja isključivo za energetske potrebe, njihova dvostruka ili višestruka uloga se ne može zanemariti uključujući i ulogu sekundarnih proizvoda žetve.

energija Koncept upotrebe biomase obuhvata veliki broj izvora kao što su: • Poljoprivredni otpaci: slama, lišće, delovi voćaka, • Poljoprivredne žitarice kao što su različite vrste šećerne repe, šećerna trska, kukuruz, • Energetske žitarice: žitarice koje brzo rastu ko što su repa, krompir i drveće, • Šumski otpaci: neiskorišćeno drvo, ostaci klada i panjeva, poludivlje drveće • Industrijski otpad, • Gradski otpad: iako ovaj tip otpada često sadrži toksične materijale, kao što su hemijski obrađivano drvo, baterije koje sadrže živu i druge opasne materije, ima otpada kao što su papir i biljni ostaci koji se mogu iskoristiti kao izvor biomase.

2. Biomase i otpadno drvo kao vredan resurs Na osnovu sprovedenih istraživanja utvrđeno je da trenutno na teritoriji opštine Čačak postoje dva javna preduzeća JKP «Gradsko zelenilo» i JKP «Komunalac» koja sakupljaju određene količine biomase i otpadnog drveta. Najveći deo sakupljene biomase i otpadnog drveta odnosi se na deponiju. Količine biomasa i otpadnog drveta koje se sakupljaju na godišnjem nivou na teritoriji Čačka date su u tabeli 1. Ukoliko bi javna preduzeća održavala sve delove grada, škole, predškolske ustanove i druge površine koje su na teritoriji urbanog i ruralnog dela Čačka količine sakupljene biomase bi mogle biti značajno veće, prema procenama oko (2-3) puta. Toplotna moć biomase zavisi od mnogo faktora: drvo ima toplotnu moć MJ , a biljni od 8,2 do 20 kg MJ . Ako se ostaci od 5,8 do 16,7 kg

usvoji da je toplotna moć otpadne MJ , za prosečnu masu po biomase 15 kg metru kubnom razmatranih biomasa iz urbanog i ruralnog dela Čačka od kg 150 m 3 dobija se da je toplotna moć 1m3 otpadne biomase 2250 MJ . m3 Na osnovu toga količina toplote potencijalne otpadne biomase koja se skupalja iz urbanog i ruralnog dela Čačka iznosi: (1)

Ako se usvoji da je toplotna otpadnog MJ , za prosečnu masu po drveta 15 kg metru kubnom otpadnog drveta iz urbanog i ruralnog dela Čačka od kg 500 m 3 dobija se da je toplotna moć MJ 3 1m otpadnog drveta 7500 m 3 . Na osnovu toga količina toplote potencijalnog otpadnog drveta koja se skuplja iz urbanog i ruralnog dela Čačka iznosi: (2)

Na osnovu sprovedenih istraživanja konstatovano je da ostala preduzeća na teritoriji opštine Čačak, koja imaju potencijal i mogućnosti za korišćenje, veoma malo, ili uopšte ne koriste biomase i otpadno drvo. 2.1 Skladi{tenje biomasa i otpadnog drveta Biomasa koja mora da se sakuplja i prevozi do skladišta ima svoju cenu zbog transporta. Ovi troškovi u strukturi nabavne cene mogu da se kreću od 35 do 50% u nabavnoj ceni. Oni su uslovljeni udaljenošću na koju se biomasa transportuje, vrstom tran-

sporta, veličinom kapacitetne jedinice u transportu, stepenom korišćenja transportnih sredstava, organizacijom utovara i istovara i dr. Kako bi se pronašlo optimalno rešenje, tj. da bi se tranportni troškovi sveli na minimum poželjno je slediti funkciju minimalnih transportnih troškova koja glasi:

pri čemu je X količina otpada, dok Cij predstavlja jediničnu cenu koštanja otpada i njegovog transporta za komunalno preduzeće. Za optimizaciju skladišta treba uzeti u rezmatranje dva osnovna oblika: z optimizacija (racionalizacija) postojećih tehničko-tehnoloških rešenja realizacije skladištenja; z optimizacija novoprojektovanih tehničko-tehnoloških rešenja realizacije skladište-nja. Primer izbora tipa skladišta za komunalna preduzeča koja tretiraju otpad dat je na slici 1. Postupak optimizacije skladišta u uslovima novoprojektovanih rešenja karakterišu sledeća obeležja: z moguće je formirati znatno veći skup varijantnih rešenja s obzirom na manje prisustvo limitirajućih faktora; z investiciona ulaganja koja predstavljaju dominantnu karakteristiku skupa kriterijuma za optimizaciju. Postupak vrednovanja varijantnih rešenja realizuje se na osnovu tehnoekonomskih kriterijuma usvojenih za konkretnu situaciju.

2.3 Odre|ivanje vremena sakupljanja i transporta biomasa i otpadnog drveta koje se sakupljaju na teritoriji â~ka Da bi biomase imala široku upotrebu potrebno je proizvesti energiju što jeftinije, u dovoljnoj Tabela 1 Godišnje količine biomasa i otpadnog drveta koje se sakupljaju na teritoriji Čačka količini i propisanog kvaliteta. Biomasa koja mora da se sakuplja i prevozi do skladišta ili prerađivačkog kapaciteta što svoju cenu zbog sakupljanja, pripreme i transporta. Za povećanje stepena iskorišćenja korisnosti otpadnih biomasa i otpadnog drveta na prvom mestu treba voditi računa o transportnim troškovima. Da [072]

energija Slika 1 Tip skladišta za komunalna preduzeća koja tretiraju otpad

Qi - količine biomasa u i-tom izvoru Za analizu vremena i troškova za sakupljanje i transport biomasa i otpadnog drveta iz dela Čačka razmatrano je 11 lokacija na teritoriji urbanog dela opštine Čačak [7,8]. Zbog troškova transporta za biomasu su pogodna postrojenja manje snage, koja imaju niži stepen delovanja (npr. za termoelektrane na biomasu snage 5 MW η = 15 do 20%, za gasne turbine veći stepen delovanja η= 45 do 50%).

se proizvod priprema i/ili koristi prema nameravanoj upotrebi. To podrazumeva da proizvodnja, obrada, distribucija, skladištenje i rukovanje bimasom i otpadnim drvetom i njihovim sastojcima od primarne proizvodnje do potrošnje treba da bude u funkciji žaštite životne sredine. Značajan potencijal energije od biomasa i otpadnog drveta komunalnih sistema treba pravilno koristiti. Izbor tehnologije za iskorišćenje biomasa i otpadnog drveta zavisi od mnogih faktora, a najvažniji su količina, vrsta i lokacija nastanka.

3.1 Identifikacija problema tretmana tipi~ne biomase i otpadnog drveta Projektom EE-243005A, u sadržaju istraživanja, kao ključna stavka predvidjena je definicija koncepta programa za korišćenje nekih vrsta otpadnog drveta i biomasa, kao energenata u funkciji minimalnih troškova na nivou gradskih područja. U predmetnom smislu, istražuju se karakteristike sirovog-netretiranog materijala (fizičke, hemijske, mehabi bili minimalni transportni troškovi ničke, tehničko-tehnološke, energetske 3. Logisti~ka podr{ka za sakupljenih biomasa, lokaciju za i ekološke) i analiziraju mogućnosti kori{}enje biomase i sve prikupljene biomase bi trebalo za pogodnim tretmanima u pogledu otpadnog drveta izračunatui prema izrazima: smanjenja vlage i gabarita materijala i Logistički koncept za upravljanje stvaranja pogodnosti za njegovo skladištenje i manipulaciju, kao i unapre(3) zaštitom životne sredine (od pripreme proizvodnje do upravljanja otpadom) djenja njegovih energetskih karakterirazvijaju organizacije koje su direktno stika nakon presovanja (baliranja i/ili ili indirektno uključene u proizvodbriketiranja). (4) nju ili za održavanje javnih površina. Biomase i drvni otpad kod komunalOsnovna ideja kod razvoja logističkog nih sistema spadaju u čvrsti otpad. sistema za upravljanje zaštitom životne Biomasa na nivou komunalnog otpada gde su: sredine jeste da biomase i otpadno (trava nakon uredjenje travnjaka, Xi, Yi - koordinate i-tog izvora biomasa drvo ne naškode životnoj sredini kada parkova i igrališta, kao i opalo lišće, u km, lišće i grane nakon obrade gradskog drveća, posečeno Slika 2 Količine razmatranih energenata i njihove udaljenosti od skladišta, sa sitno rastinje, žbunje i sl.) potrebnim radnim časovima za sakupljanje i transportza 11 lokacija na takodje spada u čvrsti otpad, teritoriji opštine Čačak [7,8] pa se za obe vrste otpada može primeniti procedura razrešenja za identifikovane probleme čvrstog otpada, kako je to i u slučaju procedure sa skupom uredjenih aktivnosti i dokumenata za čvrsti industrijski otpad. Globalno gledano, na svim proceduralnim i manipulaciono-tehnološkim nivoima potrebna je odgovarajuća oprema, bilo da se radi o nadgradnji na postojeće mašine, vozila i opremu ili se radi o specijalizovanoj opremi za tretman otpada. Na primer, za proizvodnju, manipulaciju i transport [073]

energija Slika 3 Proces upravljanja otpadom

Slika 4 Procesi upravljanja otpadom u sistemu za proizvodnju energije

otpada postoje odgovarajuća komunalna vozila, kao i vozila opšte namene sa potrebnom nadgradnjom (mehaničkom, elektro, hidrauličkom i pneumatskom), a za tretman prikupljenog sirovog otpada postoje odgovarajuće linije i procesna oprema koja podržava potrebne aktivnosti.

3.2 Tokovi biomase i otpadnog drveta u komunalnim sistemima Kretanje biomasa i otpadnog drveta u komunalnim sistemima, od mesta nastanka do mesta konačnog zbrinjavanja, podrazumeva sledeće aktivnosti: postupak skupljanja, prevoza, isko[074]

rišćavanja, obrađivanja i konačnog odlaganja naziva se tokom otpada. Tokovi otpada zavise od njegovih svojstava, mesta nastanka, kao i obaveza i odgovornosti onih koji su dužni da zbrinjavaju otpad. Pravna i fizička lica čijom aktivnošću nastaje otpad učestvuju u sistemu upravljanja otpadom na nivou države, jedinice regionalne i lokalne samouprave zavisno od načina i stepena organizovanosti, znanja, svesti i informisanosti. Proces upravljanja biomasa i otpadnim drvetom može se podeliti na ćetiri osnovna podprocesa, kao što je prikazano na slici 4. Plan upravljanja otpadom mora imati proizvođač otpada koji proizvodi godišnje određene količine bezopasnog i/ili opasnog otpada. Plan, koji se donosi za određeno vremensko razdoblje i dostavlja nadležnoj organizaciji, sadrži podatke o: z vrsti, količini, mestu nastanka i trendu promene količine otpada, z postojećem i predviđenom načinu upravljanja otpadom, z sopstvenim građevinama i uređajima za upravljanje otpadom. Sa aspekta logistike kao funkcije, njeni zadaci kod komunalnih sistema su: z da pomoću logističkih metoda radi na rešavanju problema u oblasti transporta, skladištenja-odlaganja i upravljanja otpadom, z da prati i analizira primenjivost logističkih metoda u poslovanju komunalnih sistema, z da obezbedi povratni uticaj primene logističkih metoda na dalji razvoj logistike kao discipline i nauke. Model zadataka logistike uopšte čine: z minimizacija troškova proizvodnje, z minimizacija vremena ciklusa proizvodnje, z minimizacija zaliha, z maksimizacija dobiti, z maksimizacija iskorišćenosti kapaciteta i z tačno određivanje rokova. Logisitčki sistem se sastoji iz više elemenata koji su međusobno povezani i koji utiču na troškove transporta, skladištenja i rukovanja proizvodima. Logistički sistem komunalnog preduzeća ima sledeće osnovne elemente: z transport, z skladištenje, z zalihe, z distribuciju,

energija održavanje, z manipulaciju, z ljudske resurse, z informacioni sistem i z integraciju. Dakle, logistički sistem komunalnog preduzeća počinje da funkcioniše prikupljanjem otpada, zatim se prikupljeni otpad smešta-odlaže, a odatle se prebacuje do definisanih mesta zavisno od namene, odnosno usvojene metodologije upravljanja otpadom. z

4. Razvoj sistema za kompostiranje Kompost se može koristiti u poljoprivredi samo pod uslovom da su ispoštovana sva sanitarna pravila i ukoliko je izvršena kontrola komposta u smislu postojanja patogenih mikroorganizama i štetnih hemikalija. Vrednost komposta ogleda se u postojanju mikroorganizama i materija koje mogu naneti štetu zdravlju čoveka pri njegovom kontaktu sa zemljištem, kroz biljne kulture koje služe za ishranu ljudi i stoke, kroz vodu, vazduh i insekte. Kompost iz otpada sadrži teške metale i retke elemente, što dovodi u pitanje upotrebljivost komposta kao stajskog đubriva na poljoprivrednim površinama. S druge strane, neki mikro elementi, koji se nalaze u kompostu, su fiziološki neophodni za razvoj biljaka (bakar, cink, mangan, hrom, bor). Teški metali, kao što su živa, kadmijum i olovo iz komposta mogu dospeti u zemljište. Kompostiranje, kao savremeni vid tretmana čvrstog komunalnog otpada je egzoterman proces biološke oksidacije, u toku kojeg se organski supstrat podvrgava aerobnoj biodegradaciji pod uticajem mešane populacije mikroorganizama u uslovima povećane temperature i vlažnosti.U procesu biodegradacije organski supstrat trpi fizičke, hemijske i biološke transformacije, uz stvaranje stabilnog humifikovanog krajnjeg proizvoda. Ovaj proizvod je dragocen za poljoprivredu – kao organsko đubrivo i kao sredstvo koje poboljšava strukturu zemljišta. Kompostirati se mogu: - biootpad bogat azotom (50%): ostaci voća i povrća, kore voća i povrća, talog kafe i čaja, pokošena trava, korov i ostaci biljaka iz bašti, uvelo cveće; - biootpad bogat ugljenikom (50%): lišće, usitnjeno suvo granje, slama i seno, ostaci kod orezivanja voća i vinove loze, piljevina, iglice četinara. Na proces kompostiranja utiče puno činilaca, ali najznačajniji činioci

termofilnih organizama, što utiče na brzinu razgradnje organskih sastojaka. Zbog toga se mikrobiološko disanje može koristiti kao indikator dekompozicije i stabilnosti komposta. Proces samozagrevanja kompostne mase ima određenu dinamiku pa se kriva temperature može podeliti na mezofilnu (<45°C) i termofilnu zonu (>45°C) u okviru kojih se mogu razlikovati 4 faze: 1. inicijalna faza (mezofilna), 2. faza porasta temperature (termofilna faza), 3. faza maksimuma (termofilna faza), 4. rashlađivanje. Kiseonik je neophodan za mikrobiološku aktivnost, jer je kompostiranje aerobni proces. Izlaganje svetlosti i obezbeđenje kompostne mase kiseonikom može se sprovoditi preokretanjem mase, strujanjem vazduha i mehaničkim osvetljavanjem. Pasivno izlaganje svetlosti konvekcijom vrlo je zavisno od poroznosti kompostne mase. Nedostatak kiseonika rezultira procesima truljenja. Utrošak kiseonika tokom kompostiranja zavisi od vlažnosti koja bitno utiče na mikrobiološku aktivnost, a maksimalan utrošak je uz 65% vlažnosti.

razgradnje organskih sastojaka su kiseonik i voda. Temperatura je, takođe, vrlo značajan faktor, ali ona je rezultat mikrobiološke aktivnosti. Pored navedenog, stepen povećanja temperature je u direktnoj vezi i sa vrstom materijala koji se kompostira, jer je poznato da se transformacijom organskih materije sa većim sadržajem azotnih jedinjena oslobađa veća količina toplote od onih koje sadrže više ugljeno-hidratnih komponenti. Ostali značajni činioci koji mogu limitirati proces kompostiranja su ugljenik i kiseonik (imaju značajnu ulogu jer su neophodni za mikrobiološku aktivnost i rast) i pH reakcija. Fosfor i sumpor su, takođe, značajni, ali je njihova uloga u procesu kompostiranja manje poznata. Mikroelementi kao Cu, Ni, Mo, Fe, Zn, zatim makroelement Mg i korisni Na, neophodni su za enzimske aktivnosti, ali se malo zna o njihovoj ulozi u procesu kompostiranja. Navedene mineralne materije imaju ulogu u poboljšanju pufernosti komposta i brzine fermentacije, kao i na delimično vezivanje oslobođenog amonijaka koji u tom procesu nastaje (recimo neki fosfati, karbonati i sl.), a čiji bi gubitak izazvao “azotnu depresiju“ u kompostnoj masi. Prema Wiley and Pierce (1955) osnovni proces kompostiranja može se prikazati i sledećom hemijskom jednačinom:

5. Zaklju~ak Korišćenje biomase za proizvodnju energije je alternativno, tehnički i

C H O N × aH O + bO = C H O N × cH O + dH O + eH O + CO p

q

r

s

2

2

t

u

Samozagrevanje organskih sastojaka tokom kompostiranja rezultat je mikrobiološkog disanja. Povećanje temperature utiče na mikrobiološku populaciju promenama mezofilnih i

v

w

2

2

2

(5)

ekonomski opravdano rešenje, jer postoje bitne količine biomase na mestima gde je neophodna toplotna energija koja je po kvalitetu ista kao energija proizvedena sagorevanjem klasičnih

Slika 5 Proces kompostiranja (E p s t e i n, 1997)

[075]

2

energija fosilnih goriva. Razvoj ekonomičnog gorivnog lanca od mesta formiranja otpadne biomase do mesta korišćenja prioritetni je zadatak da bi se biomasa pojavila kao značajno gorivo na tržištu. Perspektiva korišćenja energije biomase zasniva se na kontrolisanoj i stimulisanoj upotrebi izvora na pojedinim lokacijama kako bi se izbeglo neracionalno korišćenje ovog značajnog prirodnog resursa. Korišćenje biomasa koje sakupljaju komunalni sistemi, kao sirovine za dobijanje energije, ima sigurnu budućnost jer: z doprinosi održivom razvoju, z doprinosi smanjenju emisije gasova sa efektom staklene bašte, z doprinosi otvaranju novih radnih mesta, z smanjuje stopu migracije stanovništva iz ruralnih sredina, z podiže opštu svest o potrebi očuvanja okoline i z predstavlja važan faktor stabilnosti zajednice povećanjem nezavisnosti od uvoza energenata. Rad je nastao kao rezultat istraživanja u okviru projekta «Razvoj i primena logističkih sistema za korišćenje biomasa i otpadnog drveta kao energenata u domaćinstvima i industriji» (Nosilac projekta: Tehnički fakultet Čačak; Rukovodilac projekta: dr Srećko Ćurčić, vanr.prof; Finansira Ministarstvo nauke i zaštite životne sredine Republike Srbije; Program istraživanja u oblasti energetske efikasnosti, 2006-2009.; Evidencioni broj ugovora: 451-01-03059/2005-01/ EE-243005A).

[4] Ćurčić, S., Bjekić, M., Dragićević, S., Energetski potencijal biomase i otpadnog drveta iz urbanog dela Čačka, Naučno-stručni časopis “Energetske tehnologije”, Godina 4, Broj 1, str. 26-28, Januar 2007. [5] Cehlar, M., Management technology of wood waste for energetic purposes, METABK 43 (4), pp. 339-342, 2004. [6] STRATEGIJA RAZVOJA ENERGETIKE REPUBLIKE SRBIJE DO 2015. god., Beograd, 2002. [7] Interna dokumentacija “JKP Gradsko zelenilo” Čačak, 2007. [8] Interna dokumentacija “JKP Komunac” Čačak, 2007. [9] Basic information regarding decentralised CHP plants based on biomass combustion in selected IEA partner countries, Final report, BIOS ENERGIESYSTEME GmbH, Graz, Austria, 2004. [10] M. Mesarović, Sustainable energy from biomass, Thermal Science, Vol. 5 (2), pp 5-32, 2001. [11] Epstein, E. (1997): The science of composting. Technomic Publishing Company. Lancaster, Pennsylvania, USA.

Literatura [1] Srećko Švaić: „Proizvodnja toplinske energije iz drvne biomase“, Međunarodno savjetovanje i radionica „Izazovi strategije zaštite okoliša i održivog razvoja“, Fakultet strojarstva i brodogradnje Zagreb, Zagreb, 2005. [2] Bruno Motik: „Zelena energija“, Zagreb, 2005. [3] Demirbas, A.H., Demirbas, I., Importance of rural bioenergy for developing countries, Energy Conversion and Management, 48 (2007), pp. 2386-2398, 2007. [076]

energija Milenko B. Jevti} Nedeljko Stojni} Institut “Jaroslav Černi”, Beograd UDC:621.314.2 : 621.932

Istraživanje nove originalne metode električnog impulsnog pražnjenja u vodi za revitalizaciju drenova filtera Ranny bunara 1 Uvod

Rezime

Suština ELHIM tehnologije je utemeljena na korišćenju visokovoltne električne instalacije sa transformatorom, ispravljačem, baterijom specijalnih kondenzatora za impulsna električna pražnjenja, kompletom sklopki i komutatora i komorom sa vodom koja ispunjava radnu zonu mašinskog podsistema. Impulsna električna pražnjenja, sa efektom kontrolisane električne eksplozije, se realizuju pomoću komutatora i bakarnih elektroda postavljenih u vodi i manifestuju se formiranjem snažnih električnih lukova i gasnovarničnim trenutnim (proces traje od 40 do 80 μs) udarnim talasima između električnih polova. Navedeni udarni talasi se prema Paskalovom zakonu prenose na sve strane podjednako, a tehničkim rešenjima je moguće usmeriti ih na željene zone i pravce gde izvode potreban koristan rad prema projektovanoj nameni. Zavisno od geometrijskog rastojanja između električnih polova u komori sa vodom 4 se ostvaruje udarni pritisak do 10 bara sa brzinom udarnog talasa od 100 m/s i ubrzanjem nestišljivog fluida kao nosioca udarnih talasa od 107 m/s2, kao i frekvencija udarnog talasa od 104 Hz. Ove vrednosti su verifikovane sprovedenim inicijalnim eksperimentalnim istraživanjima.

Shodno savremenim tendencijama i razvoju novih metoda i tehnologija istražena je i koncipirana nova i originalna tehnologija na bazi nekonvencijalnog procesa električnog impulsnog pražnjenja u komori sa vodom, koju smo nazvali ‘’ ELHIM tehnologija”. Posle sprovedenog teorijskog i eksperimentalnih istraživanja dobijeni su izuzetno pozitivni i ohrabrujući rezultati koji preporučuju ELHIM tehnologiju za dalji nastavak radova na njenom usavršavanju i primenu u praksi. Ovo je saglasno sa tvrdnjama vodećih svetskih tehničkih futurologa koji predviđaju da će za narednih dvadeset godina preko 50 % raspoložive tehničko tehnološke opreme biti potpuno nove prema principu rada, formi, tehnologiji i prema radnim karakteristikama. Ključne reči: ELHIM tehnologija, električno pražnjenje

2 Teorijska istraìvanja Nova tehnologija elektrohidrauličkog impulsnog pražnjenja, ELHIM, predstavlja aplikaciju teorijskih postavki relevantnih naučnih disciplina i njenu osnovu čine relevantne teorijske postavke matematičke fizike i teorije elektromagnetike. Suština fizikal-

Investigation of the new original method of electrical pulse discharge in water for drain filter of Ranny well revitalization According to the new tendency in methods and technologies development, the new original technology, based on unconventional process of electrical pulse discharging inside the water chamber, is investigated and designed. It is named “ELHIM technology”. After theoretical and experimental investigations had been carried out, very positive and encourage results were obtained which recommended ELHIM technology for farther development and application in practice. Development of the technology is in agreement with prediction of the leading world technical futurologists who have predicted that in 20 years, more then 50 % of the available technical-technology equipment is going to be completely new according to the principles of work, design, technology and working characteristics. Key words: The ELHIM technology, electrical discharge

nosti procesa ELHIM je zasnovana na korišćenju visokovoltne električne instalacije sa visokovoltnim transformatorom i električnim pražnjenjima koja se odvijaju u tečnom fluidu. Kao tečni fluid koristi se voda sa kojom se ispunjava radna zona u kućištu eksperimentalnog uređaja. Sa druge strane radne zone nalazi se zona sa objektom primene. Visokovoltna električna instalacija je povezana sa elektrodama, koje se nalaze u tečnom fluidu. Impulsno električno pražnjenje u formi električne eksplozije se izvodi preko [077]

navedenih elektroda u tečnom fluidu pri čemu se stvara snažan električni luk. Fizička posledica pomenutog impulsnog električnog pražnjenja se manifestuje nastankom strujnih odnosno varničnih gasnih mehurova i kanala između električnih polova u tečnom fluidu. Shodno postojećem Paskalovom zakonu nastali varnični kanali i gasni mehurovi se trenutno šire u radnoj zoni tečnog fluida prenoseći pritisak u formi udarnog talasa. Navedeni prikaz na slici 1 predstavlja mogućnost dobijanja korisne energije

energija sa usmeravanjem dejstva udara talasna shodno formi šupljine 7 suda 6, u koji je stavljen tečni fluid 7 sa uronjenom elektrodom 9. Držač elektrode 9 je sačinjen od izolatora 8. Pritiskivač 5 obradka 2 koristi dejstvo udarnog talasa za ostvarivanje sile držanja. Matrica 3 postavljena u telo 1 i pod dejstvom udarnog talasa oblikuje pripremak 2. Prsten 4 služi kao vezni element između pritiskivača 5 i matrice 3. Elektroda se napaja impulsom električne struje iz instalacije koju sačinjavaju: izvor struje sa naponom U, kondenzatorska baterija 10 i prekidač 11. Električnim vodom 12 je povezan sud 6, koji služi kao drugi električni pol (negativni pol). Energija E koja se oslobađa pri električnom pražnjenju u radnoj zoni na osnovu teorijskih postavki se definiše prema izrazu (1) kao zavisnost napona električnog pražnjenja U i kapacitivnosti kondenzatorskih baterija C. (1)

(3) U izrazu (3) Lo predstavlja ukupnu početnu induktivnost celog sistema za električno pražnjenje ELHIM sistema. Vrsta materijala elektrode i njen poprečni presek utiču na efekte procesa električnog pražnjenja i na vremenski interval t od početka proticanja struje iz kondenzatora do početka eksplozivnog pražnjenja u radnoj zoni. Ova zavisnost je predstavljena izrazom (4) u kome k predstavlja konstantu materijala elektrode, a ostale veličine imaju ista značenja kao i u izrazu (2) i (3). (4) Empirijska zavisnost optimalne vrednosti prečnika elektrode dop se predstavlja izrazom (5) u kome se uvrštava kapacitivnost C u F, električni napon U i V i induktivnost instalacije za električno pražnjenje L u H. (5)

Analitička zavisnost električnih parametara elektro podsistema se definiše izrazom (2) u kome oznake imaju sledeća značenja: d, l - prečnik i dužina elektrode potopljene u tehničku vodu, C - kapacitivnost kondenzatora, U početna vrednost električnog napona pri pražnjenju kondenzatora k,α,β - oeficijenti koji predstavljaju konstante koje zavise od vrste materijala elektrode i f -sopstvena frekvencija instalacije za električno pražnjenje, koja se definiše izrazom (3).

Analizom energetskog bilansa u radnoj zoni u okviru ELHIM može se doći do izraza (6) koji predstavlja nivo energije E dobijene električnim pražnjenjem u zavisnosti od dimenzije i vrste materijala komponenata sistema. U izrazu (6) veličina D predstavlja prečnik otvora matrice u kome se dobija korisna energija, a h predstavlja debljinu nepoželjnog sloja , veličine k i α predstavljaju koeficijente naponskih stanja materijala obradka i za martenzitni čelik imaju vrednost: (2) k=190 i α=0,16 dok za materijal od aluminijuma navedeni koeficijenti imaju vrednost k=32,7 Slika 1 Uprošćen prikaz ELHIM tehnologije i α=0,24. Pored toga u izrazu (6) parametar φ predstavlja veličinu ugla sa temenom na vrhu elektrode i kracima koje sačinjavaju osa simetrije u radnoj zoni i poteg koji spaja vrh elektrode i tačke na otvoru matrice, tako da ugao φ zavisi od prečnika otvora matrice i rastojanja između matrice i vrha elektrode. U izrazu (6) veličina f predstavlja veličinu deformacije nepoželjnog sloja. [078]

(6)

Sledeća empirijska zavisnost (7) definiše veličinu energije E kao funkciju parametara sa relevantnim značenjima: (7) U izrazu (7) veličina M predstavlja masu nepoželjnog sloja i vode u radnoj zoni, k v -koeficijent brzine deformisanja nepoželjnog sloja, kd koeficijent udarnog talasa i njegovog širenja, ψ - koeficijent sferičnosti udarnog talasa koji zavisi od visine R vrha elektrode od matrice, Sο - poprečni presek matrice, a parametar Adef predstavlja potreban koristan rad. U okviru aktivnosti istraživanja teorijskih postavki i faza teorijskih istraživanja kompletno je istražena i proučena teorija matematičke fizike, teorija elektromagnetike i teorija elektrotehnike, pri čemu je posebna pažnja posvećena fenomenima i efektima impulsnog električnog pražnjenja u vodi sa pojavama električnih lukova i nastalih hidrodinamičkih udarnih talasa koji se po Paskalovom zakonu i zbog nestišljivosti fluida prenose na sve strane i moguće ih je usmeravati na željena mesta shodno zadatim ciljevima. Ovde je izvršena teorijska analiza analitičkih modela i zavisnosti ukupne količine energije koja se oslobađa ovim efektima od relevantnih parametara elektropodsistema ELHIM i to od kapacitivnosti baterije paralelno vezanih kondenzatora sa otporničkim modulom i od napona električne struje pražnjenja. Druga istražena i analizirana teorijska zavisnost je problematika definisanja veličine dužine elektrode u zavisnosti od prečnika elektrode, kapacitivnosti kondenzatora, napona električne struje, frekvencije pražnjenja i pratećih konstanti i koeficijenata materijala. Posebno je istražena problematika definisanja frekvencije pražnjenja u zavisnosti od kapacitivnosti kondenzatora i induktivnosti instalacije elektropodsistema sa električnim vodovima. Naredni korak u teorijskim istraživanjima je bio istraživanje i definisanje optimalne vrednosti prečnika elektrode u zavisnosti od kapacitivnosti kondenzatora,

energija električnog napona pražnjenja i induktivnosti elektro instalacije. Ovo istraživanje je veoma važno za određivanje prečnika elektrode eksperimentalnog ELHIM sistema. Sledeći konkretan rezultat u ovom teorijskom istraživanju je izvedena energetska analiza pri električnom impulsnom pražnjenju u radnoj zoni mašinskog podsistema pri čemu je izvedena analitička zavisnost nivoa raspoložive količine energije u funkciji parametara, dimenzija sistema i vrste ugrađenih materijala, a pre svega u zavisnosti od prečnika komore sa vodom, prečnika i dužine elektrode, koeficijenata naponskog stanja materijala, rastojanja između polova električnog pražnjenja i frekvencije pražnjenja. Sa ovim rezultatom teorijskog istraživanja možemo proračunati potrebnu količinu energije u ELHIM sistemu. U narednom koraku teorijskog istraživanja energestka analiza je proširena i sa uticajima masa ugrađenih materijala, mase očekivanih poremećaja koje trebamo otkloniti sa ELHIM sistemom, zatim u analizu su uključeni koeficijenti brzine uklanjanja poremećaja, koeficijenti širenja udarnog hidrodinamičkog talasa i njegovog prostornog širenja koji zavise od rastojanja između električnih polova. Na kraju aktivnosti teorijskih istraživanja kao konkretan rezultat, a na osnovu ranije dobijenih rezultata teorijskih zavisnosti sačinjena je konkretna teorijska zavisnost pritiska hidrodinamičkog udarnog talasa u funkciji raspoložive energije pražnjenja i rastojanja između električnih polova i to za a = 100 mm, a = 150 mm, a = 200 mm, a = 250 mm, a = 300 mm. Ova zavisnost je dobijena proračunom, originalnog je karaktera i prvi put je publikovana. Ona je predstavljena u dijagramskoj formi i konkretno nam govori o teorijskim mogućnostima ELHIM tehnologije. Tako na primer samo za prvi slučaj rastojanja između električnih polova a = 100 mm za E = 5 kwh proračunom se dobija p = 700 ata, za E = 10 kwh dobija se p = 1350 ata, za E = 15 kwh dobija se p = 1720 ata, za E = 20 kwh dobija se p = 2010 ata, za E = 25 kwh dobija se p = 2240 ata, za E = 30 kwh dobija se p = 2430 ata, za E = 35 kwh dobija se p = 2680 ata, za E = 40 kwh dobija se p = 2860 ata, za E = 45 kwh dobija se p = 2980 ata i za E = 50 kwh proračunom se na osnovu dobijenih teorijskih rezultata dobija p = 3120 ata. Proračunom dobijene zavisnosti su paraboličnog karaktera i sa povećanjem rastojanja a vrednost

Slika 2 Dijagramski prikaz zavisnosti p = f (E,a) za U = 18kV i C = 30 μF

ostvarenog pritiska udarnih talasa opada za iste vrednosti E. Tako za a = 150 mm i E = 50 kwh proračunom dobijamo vrednost p = 2120 ata, za a = 200 mm i E = 50 kwh dobijamo p = 1180 ata, za a = 250 mm i E = 50 kwh dobijamo p = 1380 ata za a = 300 mm i E = 50 kwh dobijamo p = 1096 ata. Za vrednosti E ispod 5 kwh sa

različitim vrednostima a dobijamo vrednost p do 700 ata. Ovaj rezultat teorijskih istraživanja je kasnije korišćen kod razvoja realnog sistema ELHIM za tražene primene pri eksperimentalnim ispitivanjima. Proračunom dobijene vrednosti zavisnosti p = f (E,a) za slučaj U = 18kV i C = 30 μF su date na na slikama 2 i 3.

Slika 3 Prostorni prikaz proračunom dobijenih zavisnosti p = f (E,a) za U = 18kV i C = 30 μF

[079]

energija

3 Eksperimentalni ELHIM sistem Realna i originalna varijanta idejnog rešenja, u oblasti mašinstva koju su autori sačinili u cilju izvođenja eksperimentalnih istraživanja i verifikacije fizikalnosti procesa i koja je načinjena u okviru rada na ELHIM istraživanju je prikazana na slici 4. Ova varijanta predstavlja realnije rešenje i bliži pristup konkretnoj verziji eksperimentalne instalacije za ELHIM i služi za dobijanje konačne verzije rešenja. Rešenje sa slike 4. se sastoji iz dva podsistema i to iz elektropodsistema i tohnološko-mašinskog podsistema. Elektropodsistem se sastoji iz modula za punjenje, instalacije koji sačinjavaju visokovoltni transformator i ispravljač električne struje. Instalacija-modul za punjenje se napaja iz standardne električne mreže. Instalacija-modul za punjenje preko preklopnika 1 i 2 puni i napaja kondenzatore C1 i C2 sa električnom strujom modulisanih parametara. Sa druge strane modul za

punjenje je preko upravljačke jedinice povezan sa komutatorima K1 i K2 koji obezbeđuju trenutno pražnjenje navedenih kondenzatora C1 i C2. Impuls električne struje iz kondenzatora C1 i C2 preko komutatora K1 i K2 odlazi u radnu zonu sistema ELHIM u kojoj nastaje električno pražnjenje sa formiranjem električnog varničnoeksplozivnog luka sa udarnim talasima. Radnu zonu u tehnološko-mašinskom podsistemu sačinjavaju tečni fluid (tehnička voda), kućište sistema i elektroda. Relevantni elementi tehnološko-mašinskog podsistema su vijčanim vezama povezani u tehnološku celinu. Na slici 4. je prikazana konačna i usvojena verzija varijante idejnog rešenja eksperimentalnog sistema za oblikovanje obradaka pomoću ELHIM u oblasti mašinstva. Tehnološko-mašinski podsistem sačinjavaju: obradak 1, zaptivni element 2 koji ostvaruje neophodno zaptivanje pri visokim vrednostima pritisaka udarnih talasa u fluidu u

Slika 4 Detaljni prikaz konačno usvojene varijante idejnog rešenja eksperimentalnog sistema za oblikovanje materijala sa ELHIM

[080]

radnoj zoni, zatim element 3 koji predstavlja matricu za oblikovanje i deformisanje obradaka 1, kućište 4 tehnološko-mašinskog podsistema koje objedinjava sve relevantne elemente tehnološko-mašinskog podsistema, potom elektroda 5 kao vitalni element celog sistema, donja ploča 6 od izolacionog materijala koja predstavlja vezu između matrice 3 i osnovne ploče 7, potom izolaciona čaura 8, izolaciona čaura 10 za držanje i fiksiranje elektrode 5 sa gornje strane, radni fluid – tehnička voda u radnoj zoni, električni provodnik 12 sačinjen od izolovanih bakarnih traka 1 ×10 mm u sklopu od 5 traka, koje se napajaju električnim impulsom iz elektro podsistema, drugog provodnika 13 koji spaja elektro podsistem sa masom kućišta 4 tehnološko-mašinskog podsistema, električnog-varničkog luka 14 u radnoj zoni, navrtke 15 za fiksiranje elektrode, podmetača 16 od izolatora, zaptivača od gume 17, vijka 18 i podloške 19, zaptivnog prstena od gume 20, zaptivača na čelu elektrode 20-a i podloške 22 za fiksiranje elektrode 5, navrtke 23, vijka 24 i podloške 25 za vezu kućišta 4, matrice 3 i donje izolacione ploče 6, zatim podloške 26, navrtke 27 i vijaka 28 za vezu donje izolacione ploče i osnovne ploče 7 sistema ELHIM, potom podloške 29, navrtke 30 i vijka 31 za vezu celog tehnološkog podsistema sa fundamentom, odnosno za vezu osnovne ploče 7 sa fundamntom. Elektro podsistem sačinjavaju sledeći elementi i komponente: modul za punjenje, (punjač 32), sastavljen od visokovoltnog transformatora i ispravljača električne struje, prekidači 33 i 34 za punjenje kondenzatora 35 i 36, upravljačkog modula 37, komutatora 38 i 39, i električnih provodnika od bakra 40 (5 traka preseka 1 × 10mm), kao i samih kondenzatora Laboratorijsko eksperimentalna ELHIM tehnološko mašinska instalacija je istražena, razvijena i projektovana za potrebe vodoprivrede i prikazana je na slici 5. I kod ovog tehničkog rešenja elektropodsistem je ostao isti kao u prethodnom rešenju. U donjem delu mašinskog podsistema ispod komore sa vodom i elektrodom nalazi se ugaoni element na kome je priključena čelična cev Ø200x5000mm. Ova cev simulira i zamenjuje kanalizacioni sistem odvođenja otpadnih voda. Na kraju ove cevi će se simulirati zapušenje kanalizacionog cevovoda u formi veštački izvedenog čvrstog zatvaranja cevi. Efektima impulsnog električnog pražnjenja odnosno dobi-

energija Slika 5 ELHIM Eksperimentalna instalacija za potrebe vodoprivrede

jenim hidrauličkim udarnim talasima će se izvoditi probijanje simuliranog začepljenja cevovodnog sistema i time simulirati otpušavanje zapušenih kanalizacionih sistema. Ista eksperimentalna ELHIM instalacija sa slike 5 će se koristiti i za drugu primenu u Vodoprivredi odnosno za revitalizaciju zapušenih perforacija drenova Ranny bunara, koji obezbeđuju vodu za piće. Iza ugaonog cevnog segmenta pomoću

prirubnice je postavljena perforirana cev Ø200x5000mm koja predstavlja cev drena Ranny bunara i koja je veštački zapušena na svim mestima perforacije. Izgled ove cevi sa simuliranim veštačkim zapušenjem perforacija je prikazan na slici 6 a izgled noseće konstrukcije experimentalnog sistema je prikayan na slici 7. Eksperimentalnim ispitivanjima ćemo pomoću ELHIM tehnologije impul-

Slika 6 Izgled segmenta simulirane cevi drena Ranny bunara za potrebe eksperimenta

[081]

snog električnog pražnjenja u vodi odnosno sa nastalim hidredinamičkim udarnim talasom izvršiti probijanje veštački zapušenih perforacija cevi drena i time eksperimentalno simulirati revitalizaciju drenova Ranny bunara. Cilj ovog istraživanja je eksperimentalna revitaliazcija ELHIM tehnologije i njene fizikalnosti procesa, a potom u narednim istražiavnjima će se izvršiti ispitivanje na realno izvedenim i postojećim Ranny bunarima kojima je revitalizacija drenova neophodna. Na osnovu tih istraživanja će se razviti i projektovati realna industrijska variajnta ELHIM sistema za navedene primene, koje će se industrijski proizvoditi i prodavati na tržištu širom sveta uz obezbeđiavnje komercijalnih efekata i zapošljavanje radnika. Na osnovu do sada sprovedenih elektrohidrodinamičkih (ELHIM) istraživanja autori ovoga rada su razvili i koncipirali konkretno tehničko rešenje za revitalizaciju mostičavih filtera drenova u realnom slučaju postojećeg Ranny bunara koje je prikazano na slikama 8. i 9. Na slici 8. u realnom slučaju ugradnog drena uvučena je glava ELDH sistema sa vođenim i ukrućenim električnim polovima između kojih nastaje impulsno električno pražnjenje i formiranje elektrohidrodinamičkog udarnog taslasa. Električni provodnici su ukrućeni i vođeni pomoću zglobno vezanih segmenata koji omogućavaju uvlačenje i vođenje glave ELDIH sistema od površine Ranny bunara do kraja mostičavog drena. Navedeni zglobno povezani segmenti poseduju elemente sa točkićima na bočnim stranama, tako da se sa trenjem kotrljanja mogu lakše uvlačiti i izvlačiti iz drenova Ranny bunara. Zglobnim elementima nosača električnih provodnika omogućeno je spuštanje i vođenje ELHIM glave navedenog sistema za revitalizaciju drenova od površine Ranny bunara i njegovo uvlačenje u horizonzalne drenove, a što je pokazano na slici 9, na kojoj je predstavljen i sitem za fiksiranje, ukrućivanje i prihvatanje povratnog dejstva elektrohidrauličkih

energija Slika 7 Izgled nosača konstrukcije eksperimentalnog

udarnih talasa kao i sistem za zaptivanje sa gumenim zapzaptivačima.

4 Zaklju~ak U okviru ovog istraživanja izvršena su teorijska, razvojna, aplikativna i eksperimentalna istraživanja nove i originalne ELHIM tehnologije u oblasti mašinstva i vodoprivrede. Takođe u radu je predstavljena idejna verzija ELHIM tehnologije, kao i razvijene i projektovane varijante ELHIM sistema za izvođenje laboratorijsko-eksperimentalnih ispitivanja za revitalizaciju i otpušavanje zapušenih perforacija drenova Ranny bunara. Kao osnova za istraživanje i razvoj ove nove visoko-brzinskoproduktivne metode služi korišćenje efekta impulsivnog visokovoltnog električnog pražnjenja u tečnom fluidu. Istraživanjem je ustanovljeno da se navedeno električno pražnjenje manifestuje nastankom strujno-varničnih mehurova i kanala između električnih polova, čije trenutno širenje u formi eksplozije kao udarni talas deluje u celokupnoj zapremini fluida i na usmerenom segmentu izvodi koristan rad. U okviru ovih radova utvrđen je i identifikovan čitav niz prednosti i preimućstva u odnosu na klasične metode. Istraživanjem se došlo do osnovnih uticajnih parametara. Moguće je ostvariti pritiske u radnom fluidu na nivou od 103 do 104 bar, brzinu od 100 m/s, ubrzanje pri deformisanju strukture obradka od 106 do 107 m/s2, kao i mogućnosti dobijanja visoko-frekventnih udarnih talasa sa frekvencijom od 103 do 104 Hz. U radu je dat opis dela istraživanja u matematičkoj fizici i teoriji elektrotehnike, efekta impulsnog električnog pražnjenja u vodi (ELHIM) i mogućnosti primene tako razvijene tehnologije za revitalizaciju i čišćenje zapušenih perforacija mostičavih drenova Ranny bunara. Istražen i razvijen ELHIM sistem se sastoji od elektro podsistema i mašinskog podsistema. Elektro podsistem sačinjavaju: visokovoltni transformatori sa ispravljačem, baterija kondenzatora sa paralelnom vezom, baterija komutatora, upravljačka jedinica, sistem preklopnika i kablovska instalacija sa elektrodom koja je potopljena u vodu. Mašinski podsistem sačinjavaju: komora sa vodom i elektrodom, izolatori, nosač ELHIM postrojenja, mostičavi perforirani dren Ranny bunara, sistem prirubnica i elemenata za vezu, komora u koju se postavlja dren Ranny bunara oko koga se postavlja 300 mm debeli sloj peska granulacije 2-4 mm, [082]

energija Slika 8 Izgled tehničkog rešenja glave ELHIM sistema za revitalizaciju Ranny bunara u realnim uslovima

u cilju uvođenja u široku industrijsku primenu.

Literatura

zaštitni element i druge mašinske komponente. Proces impulsnog električnog pražnjenja traje 40-80 μs i manifestuje se nastankom trenutnih električnih lukova sa mehurovima koji proizvode snažne hidrauličke udarne talase. Ovako dobijeni udarni talasi se trenutno šire i usmeravaju ka zonama gde izvode koristan rad, a u ovom slučaju je to revitalizacija zapušenih perforacija mostičavog drena Ranny bunara. Ova tehnologija i ELHIM metoda je potpuno nova i originalna i predstavlja prve korake nove naučne discipline koja se može nazvati elektrohidrodinamika. Količina energije ovako nastalih udarnih talasa zavisi od veličine električnog napona, veličine kapacitivnosti baterije kondenaztora, rastojanja između električnih polova i od drugih električnih i mašinskih parametara. Veličina ostvarenog

pritiska udarnih hidrodinamičkih talasa opada sa porastom rastojanja između električnih polova i zavisi od drugih električnih i mašinskih parametara, .a sa druge strane može se kontinualno podešavati pomoću potenciometra na upravljačkoj jedinici od 0 do maksimalne vrednosti jer se tako i dozira oslobađanje energije iz kondenzatora. Ilustracije radi navešćemo podatke da prema teorijskom proračunu sa parametrima od 30 μF, 18 kV i rastojanjem između polova od 100 mm možemo sa 50 kWh ostvariti pritisak udarnog hidrauličnog talasa od 3120 bar za a = 100mm. Dobijeni rezultati ohrabruju, atraktivni su i daju puno opravdanje za dalja istražiavnja i dalju koncentraciju istraživačkih napora usmerenih ka daljem usavrašavnju ove nove tehnologije prema njenoj konkretizaciji

Slika 9 Prikaz detaljnog rešenja ELHIM sistema za revitalizaciju Ranny bunara zgled tehničkog rešenja glave ELHIM sistema u realnim uslovima

[083]

1. Jevtić, M. B., Miljanić, P., Investigation of electro-dynamicand electromagnetic puls unconventionaltechnology, Proc., 27th Con. on Productive Mechanical Engineering of Yugoslavia, Niska Banja, CDSPMJ, 2000. 2. Jevtić, M. B., Investigation of modeling and simulation of subsystem for pulse electrical discharge in water and in the special inductor, Proc., on 25th JUPITER Con., Belgrade, 1999, pp. 3223. 3. Jevtić, M. B., Investigation of a high velocity unconventional procedure and technology, Proc., on 21st JUPITER Con., Faculty of Mechanical Engineering of Belgrade, Belgrade, 1996, pp. 3217. 4. Jevtić, M. B., Miljanić, P., Investigation and development of the hihg velocities technologies, Proc., Con. on Productive Mechanical Engineering of Yugoslavia, Budva, 1996, pp. 339. 5. Jevtić, M. B., Metal forming by electrohydraulic technology, Proc., on 1st Inter. Sym. of Industrial Engineering-SIE-96, Faculty of Mechanical Engineering of Belgrade, Belgrade, 1996, pp. 325. 6. Jevtić, M. B., Electrohydraulic method, Proc., on 1st Inter. Sym. of the Heavy Machine Building Industry, Faculty of Mechanical Engineering of Kraljevo, Vrnjacka Banja, 1993, pp. 382. 7. Jevtić, M. B., Miljanić, P., Results of investigation and development of the puls technology, Proc., Con. on Productive Mechanical Engineering of Yugoslavia, Beograd, 1994, pp. 113. 8. Jevtić, M. B., , Miljanić, P., Investigation and development of electomagnetic technology, Proc., on 25st Con. on Productive Mechanical Engineering of Yugoslavia, Beograd, 1994, pp. 120. 9. Jevtić, M. B., Investigations, development and application of new theory of vibrations caused by temperature for turbogenerators, Proc., on XL Int. Sym. on Electrical Machines-SME 2004, Polish Academy of Science and Warszawa University, Electrotechnical Faculty, Hajnovka, Poland, 2004, pp. 123.

energija 10. Jevtić, M. B., Thermal influence on turbogenerator dynamic behavior, Proc., on XLII Int. Sym. on Electrical Machines-SME , Polish Academy of Science and AGH University of Science and Technology, Cracow, Poland, 2006, pp. 195. 11. Jevtić, M. B., Research development and application of new theory of vibration, Int. Jour. of Engineering and Automation Problems, ISSN 0234–6206, Moscow, 2004, Vol. 2, pp. 44. 12. Jevtić, M. B., Thermal influence on turbogenerator dynamic behavior, Int. Jour. IEEE, Electrotechnics and Electronics Electronics, Vol. 25, ZESZYT2, Cracow, Poland, 2006, pp. 157.

Dr Du{ko \ukanovi}, dipl.in`.rud. JP PEU, Biro za projektovanje i razvoj – Beograd Dragomir Ze~evi}, dipl.in`.rud. Popovi} Milan, dipl.in`.rud. JP PEU, Ibarski rudnici kamenog uglja – Baljevac UDC:622.015 (497.1)

Rekultivacija degradiranog zemljišta na površinskom kopu kamenog uglja Progorelica, Ibarski rudnici kamenog uglja - Baljevac Rezime Eksploatacijom kamenog uglja na površinskom kopu Progorelica doći će do degradacije zemljišta koje je morfološkog i biološkog karaktera. Oštećenje terena će se ogledati u stvaranju novog reljefa zemljišta po završenoj eksploataciji uglja. U ovom radu data su rešenja za rekultivaciju degradiranih površina. Ključne reči: površinska eksploatacija, degradirano zemljište, rekultivacija.

Abstract Exploitation of coal on the surface Progorelica quarry will come to soil degradation by morphological and biological characters. Hearing the field will be reflected in the creation of a new relief after completion of land exploitation of coal. In this paper, given solutions for recultivation of degraded areas. Key words: surface extraction, degraded land, rekultivation.

Uvod Ibarski rudnici kamenog uglja Baljevac, u ležištu kamenog uglja Progorelica otvaraju površinski kop, gde će doći do oštećenja zemljišta. Oštećenja terena će se ogledati u stvaranju depresije, kao posledice površinske eksploatacije, a u cilju smanjenja oštećenja zemljišta projektovano je unutrašnje odlagalište. Odabrana tehnologija rada na površinskom kopu ne predviđa formiranje spoljašnjeg odlagališta, čime se smanjuje uticaj na okolinu. U ovom radu daje su rešenja rekultivacije unutrašnjeg odlagališta i završne kosine kopa.

Op{ti podaci o leì{tu uglja Progorelica Ležište uglja Progorelica se nalazi u jugozapadnom delu Republike Srbije, na prostoru između planina Kopaonik na istoku, Golije na jugozapadu i Čemerna na severo-zapadu. Teritorijalno ležište Progorelica pripada SO Kraljevo od koga je udaljeno 55 km. Do ležišta Progorelica se dolazi iz Ušća, makadamskim putem u dužini [084]

od 7 km. Kroz Ušće prolazi magistralni put Beograd – Kraljevo – Raška, kao i železnička pruga Beograd – Raška. Teren gde se nalazi ležište, u morfološkom pogledu čini blago zatalasanu udolicu koja se od Zapada na k+460 m lagano penje ka istoku na k+560 m. U delu gde se nalazi ležište kosina terena je oko 10° sa padom I-Z, tj. skoro generalno prati pad ležišta uglja. Rezerve uglja u ležištu iznose 1.276.271 t.

Op{ti uslovi eksploatacije Uslovi eksploatacije kamenog uglja iz ležišta Progorelica su povoljni, a ogledaju se u sledećim konstatacijama: - ležište je geološki definisano u pogledu prostornog razvića, broja i debljine ugljenih slojeva; - dubina ležišta je mala, do 60 m ; - obzirom na razviće I i II sloja blizu površine terena, ležište je predisponirano za otkopavanje tehnologijom površinske eksploatacije čvrstih mineralnih sirovina;

energija - fizičko-mehaničke karakteristike radne sredine i način zaleganja ugljenih slojeva garantuju stabilnost površinskog kopa i sigurnost ljudi i opreme ; - blizina aktivnog rudnika Tadenje i povezanost Progorelice sa separacijom u Baljevcu, vazdušnom žičarom za prevoz uglja, predstavlja dodatnu povoljnost.

Tehnologija rada na povr{inskom kopu Progorelica Ugalj se otkopava od mesta istražnih radova sa etaže 500 m. Radove na otkopavanju investicione otkrivke obavlja bager dreglajn M-7200 radeći dubinski i delom u visinskom bloku otkopavajući do krovine prvog ugljenog sloja. Od mesta istražnih radova počinje otkopavanje masa otkrivke izradom useka dubine 8 do 15 m u zavisnosti koliko zaleže prvi ugljeni sloj. Otkopane mase se odlažu van granice kopa na gomile koje će se isplanirati buldozerom. Odlaganje se vrši do visine 10 m u odnosu na niveletu stajanja bagera a šema izrade useka i tehnologija otkopavanja sa dimenzijama poprečnog preseka useka i odlagališta, koje zavise od parametara bagera i fizičko-mehaničkih karakteristika materijala koji se otkopava, dati su na tehnološkim šemama. Da bi se ubrzali radovi na otvaranju useka za ugalj po koti 485 m, prebacivanje masa otkrivke van granice kopa bilo je neophodno. Da bi se izvoz uglja i radni planum M-7200 podigli na niveletu 500 m tokom godine i na 510 m, pored rada na neposrednoj otkrivci i prebacivanju iste, na zapadno krilo polja Progorelica, bager će raditi i na otkopavanju povijenog dela ugljenog sloja, što dovodi do zaostajanja u napredovanju jalovinskih etaža. Deo ugljenog sloja otkrivaće se bagerom M-7200, naročito onaj u povijanju do završne kosine i isti će biti prebačen na nižu etažnu ravan. Isti ugalj će se utovariti hidrauličnim bagerom u kamione. Geometrijski elementi površinskog kopa: visina etaže na uglju 5 m, a na otkrivci 10 m, sa uglovima etažnih ravni od 60° i završnim uglom kosine kopa od 37°. U toku pvre godine eksploatcije projektovano je formiranje unutrašnjeg odlagališta, na koje će se direktno odlagati mase prve otkrivke (otkrivke iznad I ugljenog sloja) bagerom M-7200, a međuslojna, podinska i intraslojna jalovina se odvozoiti kamionima .

Međuslojnu, podinsku i intraslojnu jalovinu će otkopavati bager BGH-1000. Ukupne količine jalovine na kopu iznose 2.583.511 m3 č.m. i istaće se odložiti na unutrašnje odlagalište. Zapremina materijala na odlagalištu je veća za 33% usled rastresitosti materijala. Smeštajni prostor na unutrašnjem odlagalištu iznosi 3.194.507 m3 č.m. što znači da će se na unutrašnje odlagalište odložiti 2.401.884 m3 č.m. dok je 181.626 m3 č.m. predviđeno za presipanje i održavanje lokalnih puteva. Geometrijski elementi unutrašnjeg odlagališta: visina etaže 10 m, sa uglom etažne ravni od 35°, ukupnom visinom odlagališta od 85 m i generalnim uglom nagiba od 26°.

Hidrografske karakteristike terena Područje ležišta Progorelica ne obiluje pojavama voda (izvori, prištevi, kopani bunari) kao ni površinskim tokovima. Reka Raduša je jedini vodotok u bližoj okolini ležišta i protiče na hipsometrijski nižoj tački od ležišta.

Klimatske karakteristike sa odgovaraju}im parametrima Na području ležišta zastupljena je kontinentalna klima sa izrazitim godišnjim dobima. Prisutan je uticaj vlažnih i hladnih struja sa Golije, Željina i Kopaonika. Najhladniji mesec je januar sa prosečnom temperaturom od -0,5°C dok je najtopliji mesec juli sa prosečnom temperaturom od 20,8˚C. Srednja godišnja temperatura je 11°C.

Pedolo{ke osobine otkrivke Pedološke osobine odloženog jalovinskog materijala određene su preko geoloških karakteristika, teksture, karaktera (vrsta, dimenzije, tvrdoće, fizičko – hemijske osobine) skeletnog materijala, fizičkih i hemijskih pogodnosti deposola za rekultivaciju. Odložena jalovina je neujednačenog granulometrijskog sastava sa većim sadržajem sitnijih frakcija. U tercijarnoj seriji Progoreličkog ležišta izdvojeni su sledeći litološki članovi: glinci, laporci, krečnjaci, peščari, tufovi i slojevi uglja. Pedološke osobine prirodnog zemljišta Prirodno zemljište sa pozajmišta prema klasifikaciji pripada rankerima. Humusni sloj pilikom otkrivanja ležišta se otkopava u sloju visine 20 cm i odlaže se na deponiji na koti +435 m odakle će se koristiti za zapunjavanje jama za sadnice na površinama koje će se rekultivisati posle završetka eksploatacije uglja. Tabela 1

Tabela 2

[085]

Povr{ine za rekultivaciju Ukupne površine za rekultivaciju prikazane su u tabelama 1 i 2:

Struktura povr{ina po nameni kori{}enja Struktura površina po nameni korišćenja data je u sledećoj tabeli 3:

Izbor metode rekultivacije Za ozelenjavanje degradiranih površina formiranih rudarskim radovima na površinskom kopu Progorelica primeniće se optimalna rekultivacija (eurekultivacija). Radovi na eurekultivaciji se odvijaju po sledećem redosledu: - Agrotehnička faza eurekultivacije, - Tehnička faza eurekultivacije i - Biološka faza eurekultivacije Faza agrotehničke eurekultivacije predstavlja etapu u kojoj se sprovode pripremni radovi koji omogućavaju

energija 4. D. Đukanović, D. Dragojević, (2007): „Rekultivacija degradiranih terena nastalih podzemnom eksploatacijom uglja“, Savetovanje Energetika 2007, Zlatibor, Savez energetičara Beograd, str. 169-171.

Tabela 3

izvođenje tehničke i biološke rekultivacije. U slučaju degradiranih površina površinskim kopom Progorelica potrebno je prvo osposobiti pristupne puteve za dovoz humusa za zapunjavanje jama sadnica, zatim sadnog materijala, mineralnog đubriva, i stajnjaka. Pod agrotehničkom fazom eurekutivacije podrazumeva se i naknadno nivelisanje ravnih površina buldozerom koje treba rekultivirati. Tehnička faza eurekultivacije uključuje utova i transport humusa. Biološka faza eurekultivacije podrazumeva kompleks biotehničkih i fitomeliorativnih mera na degradiranim površinama u cilju stvaranja stabilnih ekosistema. Rekultivacija degradiranih površina trajala bi dve godine, a ukupni troškovi rekultivacije bi iznosili: 91.378 EUR.

i zaštiti od dalje erozije. Očekivana dobit od bagrema može se ostvariti posle 40 godina, od oko 9410,0 EUR/ha .

Zaklju~ak Izbor načina i uslovi sprovođenja rekultivacije primereni su fizičko-mehaničkim, hemijskim i konstruktivnim karakteristikama odlagališta. Tehničko rešenje rekultivacije predstavlja sintezu dosadašnjih iskustava na rekultivaciji sličnih objekata, lokacionih specifičnosti odlagališta, materijalno-tehničkih mogućnosti Rudnika, kao i ostalih postojećih uslova. Realizacijom primenjenog koncepta rekultivacije degradiranih površina površinskog kopa osim očuvanja životne sredine, stvara se i mogućnost ostvarenja povoljnih ekonomskih efekata.

O~ekivani rezultati krajnjeg cilja Rekultivacija degradiranih površina je u cilju očuvanja životne sredine i primenom predviđenih tehničkih i bioloških mera mogu se očekivati dobri rezultati i pored nepovoljne osnovne podloge. Uspeh u toku podizanja šumskih zasada određen je ispravnošću odluka donetih u vreme sadnje, negovanje zasada i održavanja u toku leta, odnosno snabdevanja biljaka potrebnom vlagom. Preduzimanjem svih ovih mera osiguravaju se investicije uložene u ozelenjavanju degradiranih površina. Greške koje se čine u vreme sadnje, nege i održavanja biljaka povećavaju ukupne troškove rekultivacije degradiranih površina. Očekivana dobit od biološke rekultivacije na odlagalištu jalovine može se ostvariti od bagema. Bagrenac se sadi samo na kosinama odlagališta i ima ulogu da ih stabilizuje

Literatura 1. S. Ilić (2006): „Prilog izučavanju revitalizacije i rekultivacije završne figure površinskog kopa gline DD „Sloga“ Petrovaradin- Zbornik radova IV Simpozium od oblasta na rudarstvoto so megunarodno učestvo-Ohrid, RGF-Štip; 2. D. Đukanović, D. Miković, (2006): Predlog rekultivacije degradiranih površina u RMU „Soko“- Sokobanja, Rudarski radovi 02/06, Komitet za podzemnu eksploataciju mineralnih sirovina, Bor; 3. I. Ristović, G. Slepčev, M. Čolić, D. Bogdanović, (2001): “Zavisnost očuvanja životne sredine od nivoa rudarske proizvodnje”, Zbornik radova Treći Međunarodni simpozijum Rudarstvo i zaštita životne sredine, (MEP’01, Vrdnik), str. 69-73., RGF-Beograd. [086]

energija Dr Slavko \uri} Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad UDC:621.311.22.621.186.8

Eksperimentalno ispitivanje odsumporavanja dimnih gasova suvim postupkom pomoću kreča 1. Uvod Kod suvih postupaka odsumporavanja dimnih gasova (ODG) suve čestice reagensa se injektiraju u struju dimnih gasova koji kroz hemijske reakcije vezuju SO2. Kao reagensi najčešće se koriste kalcijumova jedinjenja CaCO3, CaO ili Ca(OH)2. Mesto injektiranja reagensa u struju dimnih gasova (ložište kotla, konvektivni deo kotla, dimni kanal termoelektrane), vreme kontakta gasovite i čvrste faze, kinetika procesa ODG još predstavlja predmet teorijskih i eksperimentalnih ispitivanja. U realnim uslovima stepen izdvajanja SO2iz struje dimnih gasova je dosta nizak i prema nekim istraživačima kreće se od 25-50% [1]. Proces vezivanja SO2 iz dimnih gasova za čestice reagensa CaO može se predstaviti hemijskom reakcijom [2,3] : 

(1)

U uslovima oksidacione atmosfere pri procesu ODG suvim postupkom pomoću CaO odvijaju se sledeće hemijske reakcije[4-6]: 

(2) 

 

(3) (4) (5)

Veliki broj teorijskih i eksperimentalnih studija istražuje kinetiku reakcije sistema CaO-SO2-O2 [7-10]. Mnogi

Rezime U radu je opisano eksperimentalno ispitivanje odsumporavanja dimnih gasova (ODG) pomoću kreča CaO. U reaktoru u uslovima oksidacione atmosfere varirane su mase kreča od 174, 348 i 522g frakcija od 500 – 2000μm u temperaturskim opsezima od 298 do 308oC i 589 do 607oC. Dobijeni rezultati pokazuju da je najveći stepen izdvajanja SO2 iz dimnih gasova oko 93% ostvaren pri 3 masi kreča od 522g, zapreminskom protoku dimnog gasa od 2.59 m , reakcionoj h temperaturi od 306oC i vremenu proticanja dimnih gasova kroz reaktor za ODG od 10 minuta. Najmanji stepen izdvajanja SO2 iz dimnih gasova oko 8%3 ostvaren je pri masi kreča od 174g, zapreminskom protoku diimnog gasa od 2.97 m , reakcionoj h temperaturi od 589oC i vremenu proticanja dimnih gasova kroz reaktor za ODG od 18 minuta. Proračun termodinamičkih funkcija (ΔH, ΔS, ΔG, Kp) reakcije CaO+ SO2+ 21 O2  CaSO4 pokazuje da je reakcija egzotermna i termodinamički povoljna u temperaturskom intervalu 25 do 1300 oC (ΔG < 0). Do 900 oC konstanta ravnoteže reakcije sinteze CaSO4 je vrlo velika, Kp >> 1, što znači da je reakcija pomerena u pravcu stvaranja produkata reakcije. Pri višim temperaturama (iznad 900 oC) konstanta ravnoteže reakcije sinteze CaSO4 opada kao posledica pomeranja ravnoteže reakcije u smeru reaktanata. Ovo znači da je pri procesu ODG suvim postupkom opravdano injektiranje reagensa CaO u zonama niskih temperatura kao npr. konvektivni deo kotla ili dimni kanal termoelektrane. Ključne reči: Odsumporavanje dimnog gasa, kreč, reakciona temperatura, stepen izdvajanja SO2 Experimental Investigation of Dry Type Flue Gas Desulphurisation Process Using Lime The experimental investigation of dry type flue gas desulphurisation process (FGD) using lime CaO is shown in the paper. In the reactor within condition of oxidation atmosphere lime masses vary from 174, 348 and 522g fractions from 500 – 2000μm within temperature scope from 298ºC to 308 ºC and 589ºC to 607 ºC. The obtained results show that the highest degree of SO2 removal from flue gases, about 93%, is reached at lime mass of 522g, volumetric flow of dry flue gases of 2,59 m³/h, reaction temperature of 306 ºC, and the time of flue gases flowing through the reactor for flue gas desulphurisation of 10 minutes. The lowest degree of SO2 removal from flue gases, about 8%, is reached at lime mass of 174g, volumetric flow of dry flue gases of 2,97 m³/h, reaction temperature of 589 ºC, and the time of flue gases flowing through the reactor for flue gas desulphurization of 18 minutes. Calculation of thermodynamic functions (ΔH, ΔS, ΔG, Kp) reaction CaO+ SO2+ 21 O2  CaSO4 indicates that the reaction is exothermic and is thermodynamically favourable within the temperature interval from 25 to 1300ºC (ΔG < 0). Up to 900ºC, equilibrium constant of CaSO4 synthesis reaction is very high, Kp >> 1, signifying that the reaction is moved to the direction of forming products of the reaction. At higher temperatures (above 900ºC), equilibrium constant of CaSO4 synthesis reaction decreases as the consequence of equilibrium reaction moving in the direction of the reactants. This signifies that during the process of dry flue gas desulphurisation, injection of reagent CaO in the areas of low temperature, such as a convective part of a boiler or a flue gas channel of thermo-electric power plant, is justified. Key words: Dry flue gas desulphurisation, lime, reaction temperature, degree of SO2 removal.

[087]

energija istraživači kinetike reakcije sistema CaO-SO2-O2 zaključuju da je proces sinteze CaSO4 omogućen stvaranjem međuproizvoda CaSO3 koji zavisno od reakcione temperature i zapreminskog udela O2 u dimnom gasu oksiduje u CaSO4 ili CaS. Prema nekim drugim istraživačima [11] predložena su dva mehanizma sinteze CaSO4. Prvi mehanizam uključuje stvaranje međuproizvoda CaSO3, a drugi mehanizam stvaranje SO3. Za oba mehanizma dovoljne su reakcione temperaure oko 850oC, ali reakcione temperature koje su iznad 850oC favorizuju stvaranje CaSO4 samo za drugi mehanizam. Mehanizam 1:  (6) 

(7)

svako ispitivanje reakciona temperatura bila je podešena na približno 300 i 600 oC. Kada je dostignuta ciljana temperatura (≈ 300 odnosno ≈600 oC kreč je injektiran u reaktor mehaničkim putem. Gasnim analizatorom kontinualno su merene koncentracije sumpor dioksida, kiseonika, ugljen monoksida i ugljen dioksida u ulaznom i u izlaznom dimnom gasu. Brzina dimnog gasa kroz reaktor za ODG je bila od 0.18 do 0.20 m s . Tom brzinom dimnog gasa je obezbeđena konstantnost mase uzorka kreča u reaktoru. Masa uzorka kreča se merila pre i posle procesa ODG sa analitičkom vagom. Tokom

ispitivanja zapreminski protok dimnog gasa kroz reaktor za ODG iznosio je 3 2.59 do 2.97 m . h Tokom eksperimentalnog ispitivanja procesa ODG pomoću kreča korišćeni su sledeći merni instrumenti: Merenje protoka goriva - Instrument: menzura Opseg merenja: 0-1000ml Podela: 10ml Merenje temperature dimnih gasova - Instrument: termoelement NiCr-Ni sa pokaznim instrumentom

Slika 1 Šema eksperimentalnog postrojenja za ODG suvim postupkom pomoću CaO

Mehanizam 2:  

(8) (9)

Kompleksna interakcija raznih otpora (difuzija preko filma gasa, difuzija u sloju proizvoda i površinsku reakciju SO2) jeste glavni uzrok nekonzistentnosti mehanizama i rezultata koji su dali razni istraživači. Eksperimentalno ispitivanje prikazano u ovom radu imao je cilj ispitivanje uticaja reakcione temperature (temperature dimnog gasa), mase reagensa CaO i vremena kontakta gasovite i čvrste faze u reaktoru za ODG na stepen izdvajanja SO2 iz dimnog gasa. Dobijeni rezultati ODG suvim postupkom pomoću CaO mogu predstavljati polaznu osnovu u fazi projektovanja opreme za ODG kao i opreme za izdavjanje čvrstih čestica.

1 - menzura za tečno gorivo, 2 - gorionik, 3 – rotaciona peć, 4 – vod parcijalne struje dimnih gasova, 5 – električni grejač, 6 – uređaj za ODG, 7 – filtar za prečišćavanje dimnih gasova od čvrstih čestica, 8 – merač protoka dimnih gasova, 9 – vakum pumpa

Slika 2 Šema reaktorske posude za ODG

2. Eksperimentalno ispitivanje procesa ODG Šema eksperimentalnog postrojenja i reaktora za ODG prikazana je na slikama 1 i 2. Ispitivanje je vršeno sa tečnim gorivom (dizel D-2) sa masenim udelom sumpora od 0,70. Ostale karakteristike (tehnička i elementarna analiza) korišćenog goriva su: W=0.15%, A=0.02%, C=85.73%, H=13.00%, O=0.30%, N=0.10%, S=0.70%. Kao reagens korišćen je komercijalni kreč CaO frakcija od 500 – 2000μm. Tokom eksperimentalnog ispitivanja ODG masa kreča u reaktoru iznosila je 174, 348 i 522g. Grejanje reaktora i kreča u reaktoru ostvareno je električnim grejačima. Za

1 – cilindrična posuda, 2 – cev za dovod neprečišćanih dimnih gasova, 3 – pod, 4 – cev za prolaz neprečišćenih dimnih gasova, 5 – zvono, 6 – sloj kreča, 7 – cev za odvod prečišćenih dimnih gasova

[088]

energija Opseg merenja: Podela: 0.5% Zapreminski udeo CO 2 i CO u suvim dimnim gasovima (na ulazu i izlazu iz uređaja za odsumporavanje) - Instrument: Gasni analizator “Uras 10E ” (proizvođač “Hartman & Braun”) Opseg merenja: 0-10% 0-50% (CO 2 ) 0-0.5%, 0-2% (CO) Podela: 0.1% (CO 2 ), 0.005% (CO) Zapreminski udeo O 2 u suvim dimnim gasovima (na ulazu i izlazu iz uređaja za odsumporavanje) - Instrument: Gasni analizator “Magnos 5T” (proizvođač “Hartman & Braun”) 0-21% Opseg merenja: Podela: 0.5% Koncentracija SO 2 u suvim dimnim gasovima (na ulazu i izlazu iz uređaja za odsumporavanje) - Instrument: Infracrveni analizator gasa “MAIXAK”, model UNOR 6R Opseg merenja: 0-2000ppm Merenje mase uzorka kreča - Instrument: analitička vaga (model AGN 200C) Opseg merenja: 0-200g Greška instrumenta: 0.1mg

Slika 3 Smanjenje koncentracije SO2 u dimnom gasu u zavisnosti od reakcionog vremena, mase uzorka CaO i reakcione temperature u okolini 300 oC

Slika 4 Smanjenje koncentracije SO2 u dimnom gasu u zavisnosti od reakcionog vremena, mase uzorka CaOi reakcione temperaure u okolini 300 oC

3. Rezultati i diskusija Na slici 3 i 4 prikazano je smanjenje koncentracije SO2 u dimnom gasu koji struji kroz reaktor za ODG od reakcionog vremena (vremena proticanja dimnog gasa), mase uzorka CaO i reakcione temperature. Početna koncentracija SO2 u dimnom gasu iznosila je 232ppm (slika 3) i 188ppm (slika 4). U okolini 300 oC i 600 oC porast mase uzorka od 174, 348 i 522g rezultuje povećano smanjenje koncentracije SO2 u dimnom gasu. Kao što se i očekivalo pri izotermskim uslovima, približno 300 i 600 oC, stepen izdvajanja SO2 iz dimnog gasa veći je za veće mase uzorka CaO (slika 5 i 6). Pri istim masama uzorka CaO u reaktorskom prostoru od 174 i 348g i pri porastu reakcione temperature od 300 do 600 oC stepen izdvajanja SO2 u dimnom gasu iznosi približno isto. Pri masi uzorka u reaktorskom prostoru od 522g porast reakcione temperature od 300 do 600 oC rezultuje smanjenje stepena izdvajanja SO2 iz dimnog gasa (slika 7). U toku prvih 10 minuta ispiti-

Slika 5 Stepen izdvajanja SO2 u dimnom gasu u zavisnosti od reakcionog vremena, mase uzorka CaO i reakcione temperaure u okolini 300 oC

vanja procesa ODG svi uzorci kreča su brzo apsorbovali SO2 pri razmatranim reakcionim temperaturama.Iznad 10 [089]

minuta apsorpcija SO2 počinje da se stabilizuje i uzima približno konstantnu vrednost.

energija Slika 6 Stepen izdvajanja SO2 u dimnom gasu u zavisnosti od reakcionog vremena, mase uzorka CaOi reakcione temperaure u okolini 600 oC

(Kp > > 1) .To znači da su produkti reakcije SO2+ 12 ·O2 +CaO ⁮ CaSO4 u višku u odnosu na reaktante, odnosno reakcija je pomerena u pravcu građenja produkata reakcije. Povećanjem reakcione temperature (iznad 900 oC) konstanta ravnoteže reakcije sinteze opada kao posledica pomeranja ravnoteže reakcije u smeru reaktanata tabela 1. 1) Konstanta hemijske ravnoteže reakcije svedena na pritisak p0 = 1.013 · 105Pa. 2) Zavisi od reda hemijske reakcije (za 1 reakciju SO 2 + ⋅ O 2 +CaO CaSO 4 3 2 je K p , Pa 2 )

4. Zaklju~ak Slika 7 Stepen izdvajanja SO2 u dimnom gasu u zavisnosti od vremena proticanja dimnig gasa kroz reaktor za ODG, mase uzorka CaO i reakcione temperature

Eksperimentalno ispitivanje ODG suvim postupkom pomoću reagensa CaO prikazano u ovom radu imalo je za cilj utvrđivanje zavisnosti stepena izdvajanja SO2 iz dimnog gasa od reakcione temperature, mase uzorka (kreča) u reaktoru za ODG i reakcionog vremena (vremena proticanja dimnih gasova kroz reaktor za ODG). U tom cilju varirane su mase uzorka kreča od 174, 348 i 522g u reaktoru za ODG i reakcione temperature od približno 300 do 600 oC i došlo se do sledećih zaključaka: 1) U toku prvih 10 minuta odvijanja 1 reakije SO 2 + ⋅ O 2 + CaO CaSO 4 2 i u okolini 300 oC (298 – 308oC) i pri promeni mase uzorka od 174, 348 i 522g stepen izdvajanja SO2 iz dimnog gasa dostiže vrednost i do 93%. Iznad 10 minuta apsorpcija SO 2 počinje da usporava i da se stabilizuje i uzima približno konstantnu vrednost.

Tabela 1 Zavisnost termohemijskih veličina reakcije SO2+ 1 2 ·O2 +CaO ⁮ CaSO4 od reakcione temperature [10]

2) U toku prvih 10 minuta odvijanja 1 reakije SO 2 + ⋅ O 2 + CaO CaSO 4 2 i u okolini 600 oC (589 – 607oC) i pri promeni mase uzorka od 174,348 i 522g stepen izdvajanja SO2 iz dimnog gasa dostiže vrednost 60%. Iznad 10 minuta apsorpcija SO2 počinje da usporava i da se stabilizuje i uzima

4. Termodinamika reakcije pri procesu ODG suvim postupkom Reakcija sinteze CaSO4 je egzotermna sa negativnom promenom entropije, pa

je znak ΔG određen relativnim odnosom entalpijskog i entropijskog člana. Pri nižim reakcionim temperaurama konstanta ravnoteže reakcije sinteze CaSO4 je mnogo veća od jedan [090]

približno konstantnu vrednost. 3) Pri izotermskim uslovima, približno 300 i 600 oC, stepen izdvajanja SO2 iz dimnog gasa veći je za veće mase uzorka CaO. 4) U toku prvih 10 minuta odvijanja reakcije adsorpcija SO2 je nešto malo veća pri masi uzorka od 174 i 348g

energija i pri promeni reakcione temperature od približno 300 do 600 oC. Veće adsorpcije SO2 zabilježene su pri masi uzorka kreča od 522g. Iznad 10 minuta proticanja dimnog gasa kroz reaktor za ODG porast reakcione temperature od približno 300 do 600 oC nema bitnog uticaja na apsorpciju SO2. Vrednosti stepena izdvajanja SO2 iz dimnog gasa dobijeni eksperimentalnim ispitivanjem uglavnom se slažu sa stepenima izdvajanja preuzetim iz citirane literature. Visok stepen izdvajanja SO2 od 93% pri masi kreča od 522g rezultat je velike mase kreča u odnosu na zapreminski protok vlažnih dimnih gasova od 2.59 koji struji kroz reaktor za ODG. Rezultati dobijeni eksperimentalnim ispitivanjem prikazani u radu mogu predstavljati polaznu osnovu u fazi projektovanja opreme za ODG kao i opreme za izdavjanje čvrstih čestica čija bi praktična primena unapredila energetsku i ekološku efikasnost termoenergetskih postrojenja.

[9] Chan, R.K., Murthi, K.S., Harrison, D.: Thermogravimetric analysis of Ontario Limestones and dolomites II., Reactivity of sulfur dioxide with calcined samples, Department of Chemistry, University of Western Ontario, London 72, Ontario, 1070. [10] Đurić, S.: Uticaj karakteristika ugljeva (masenog udela sumpora, pepela i sastava pepela) i temperature dimnih gasova na odsumporavanje dimnih gasova suvim aditivnim postupkom, Magistarski rad, Mašinski fakultet, Beograd, 1998. [11] Moss, G.: In „Fluidized combustion“, Symposium Series N0.1, Institute of fuel, London, 1975, pp.D2-1-D2-9.

Literatura [1] Klingspor,J., Cope,D.R.: FDG Handbook, IAE Coal Research, London, 1987. [2] Landolt-Bornstein: Eigenschaften der Materie in ihren Aggregatzustanden, 4. teil, Bandteil-a, Berlin, Springer- Verlag, 1961. [3] M.J. Muœoz-Guillena, A.LinaresSolano and C.Salinas-Martinez de Lecea, Appl. Surf. Sci. 81 (1994) 409-415. [4] Ghardashkhani, S., Cooper, D.A.:Thermochimica Acta, (1990), 161, pp. 327-337 [5] Ghardashkhani, S., Cooper, D.A. :Thermochim. Acta, (1992), 195, pp. 113. [6] Munoz-Guillena,M.J.,Linares-Solano, A.,Salinas-Martinez de Lecea, C.: Appl. Surf. Sci., (1994), 81, 417. [7] Talukdar, J., Basu, P., Greenblatt, J.H.: Reduction of calcijum sulfate in a coal-fired circulating fluidized bed furnace, Fuel, (1996), 75 (9), pp. 1115-1123. [8] Hallaj, R., Nikazar, M., Dabir, B.: Thermogravimetric Study and Modeling of Direct Sulfation of Limestone by Sulfur Dioxide, Chem. Eng. (2004), 12 (4), pp. 566-569. [091]

ENERGETIKA 2010 Međunarodno savetovanje u organizaciji Saveza energetičara

pod pokroviteljstvom Ministarstva rudarstva i energetike, Ministarstva nauke i tehnološkog razvoja, Ministarstva životne sredine i prostornog planiranja, Ministarstva ekonomije i regionalnog razvoja, PKS, JP EPS, NIS a.d. Novi Sad, JP EMS, JP Srbijagas Zlatibor, 23.03. – 26.03.2010. Tematika savetovanja Energetika 2010 u globalu posvećena je prioritetima energetskog sektora Srbije: pokretanju investicionog ciklusa u termoenergetici, hidroenergetici, obnovljivim izvorima, energetskoj efikasnosti i naftno-gasnom sektoru; strateškom pozicioniranju Srbije u odnosu na zahteve EU, sa procenama naših potencijala; jačanju ekonomske osnove energetskog sektora sa uvođenjem tržišta i unapređenju pravno-regulatorne osnove energetskog sektora. Kao posebne teme na predstojećem Savetovanju ENERGETIKA 2010 izdvajaju se: strateško planiranje razvoja energetike i energetska politika (sigurnost snabdevanja, ublažavanje klimatskih promena, društvena i državna podrška planovima rasta energetske efikasnosti, masovna primena obnovljivih izvora energije, razvoj „energetske poljoprivrede i šumarstva“, korišćenje domaćih neobnovljivih resursa, cene energenata i energije, podsticaji, generisanje zapošljavanja u energetskom sektoru, socijalni aspekti); analiza energetskih sistema (savremene analitičke metode i alati za modeliranje energetskih sistema, energetske ankete, sistemske analize, rezultati); povezanost politike zaštite životne sredine, energetske efikasnosti i optimalnog energetskog razvoja (saobraćajna politika i politika upravljanja vodama u službi poboljšanja energetske efikasnosti, upravljanje otpadom i otpadnim vodama, klimatske promene, postupci smanjenja zagađenja vazduha, vode i zemljišta), međunarodna i regionalna saradnja za razvoj (razvojni mehanizmi u oblasti održivog razvoja, energetike i zaštite životne sredine, mehanizmi čistog razvoja, itd). prenos toplote i mase i modeliranja procesa u energetici (CFD i drugi programski paketi u službi povećanja efikasnosti energetske opreme i postrojenja), savremeni tehničko-tehnološki izazovi U okviru Međunarodnog savetovanja ENERGETIKA 2010 planiraju se: uvodna pozivna predavanja, oralne prezentacije, poster prezentacije, promotivno-marketinške prezentacije i izložbe o energo-dostignućima u energoprivredi, industriji, komunalnim sistemima, saobraćaju, zgradarstvu, obnovljivim i novim izvorima energije itd., studentski akademski projekti, i

četiri okrugla stola sa sledećim temama: Može li energetski sektor Srbije da normalno funkcioniše i ispunjava strateške zadatke sa važećom politikom cena energije i energenata? Ostvarenja i zadaci na planu podizanja energetske efikasnosti i korišćenja novih i obnovljivih izvora energije u Srbiji. Nuklearna energija na Balkanu: gde se nalazimo i kuda idemo? Studentski energetski forum (prezentacija studentskih radova i ostvarenja i selekcija najuspešnijih). energija ekonomija ekologija

Energija-Ekonomija-Ekologija-5-2009

Recommend Documents