Energy management na palubě jachty (2. díl)
Druhý díl naší série o elektřině na palubě jachty zabrousí do teorie. Trochu nezáživné, ale pro analfabety v elektřině důležité pro pochopení věcí příštích. Doufejme, že se nám z toho podaří také vybrousit.
Na chvíli se vraťme do školních lavic a připomeňme si několik základních faktů o elektřině. To, čemu říkáme elektřina nebo elektrický proud, je tok elektronů. Aby se tento tok uskutečnil, musí být vytvořen již zmíněný elektrický obvod, který obsahuje zdroj elektřiny a cestu – vodič. Do obvodu jsou zapojeny různé spotřebiče, bez nichž by nemělo smysl obvod vytvářet, přes které proud prochází zpět do zdroje. Takový obvod označujeme jako uzavřený. Pokud obvod přerušíme například vypínačem, obvod se stane otevřeným a tok elektronů jím neprochází.
S čím tu pracujeme…
Elektrony nesou záporný náboj a pohybují se od – pólu k + pólu. Tento jejich pohyb se nazývá elektrickým proudem, označuje se jako I a má jednotku ampér – A. Jeden ampér odpovídá toku 1 coulombu za 1 sekundu daným místem (pro zajímavost 1 coulomb je 6,24x1018 elektronů – netřeba si pamatovat).
Elektrony tečou vodičem mezi místy s rozdílným elektrickým potenciálem. Rozdíl v potenciálu je elektrické napětí označované jako U (v anglických materiálech jako V) s jednotkou volt – V.
Všechny látky, kterými proud protéká mu kladou jistý odpor, který způsobuje pokles napětí. Pokud je tento odpor malý, nazýváme tyto látky vodiči, pokud je značný až úplný, nazýváme je izolanty. Odpor značíme jako R a jeho jednotkou je ohm – Ω. Pokud při průchodu čímkoli, co klade odpor, dojde k poklesu napětí o 1V při proudu 1A, má toto cokoliv odpor 1Ω.
Ohmův zákon
Vztah mezi napětím, proudem a odporem vyjadřuje Ohmův zákon, který praví, že R=U/I . Pro nás bude také zajímavý vzorec P=U*I, který popisuje vztah mezi proudem, napětím a výkonem P. Pokud obvodem protéká proud 1 A při napětí 1 V, můžeme získat výkon 1 voltampér neboli 1 W – watt.
Pokud tedy máme baterii o napětí 12 V a kapacitě 55 Ah, je to stejné, jako když napíšeme, že máme baterii o kapacitě 660 Wh. Pokud bychom k ní připojili spotřebič o výkonu 1000 W, tak je baterie teoreticky schopna tento spotřebič zásobovat energií po dobu t=660Wh/1000W čili 0,66 h. Když použijeme vzorec P=U*I jsme schopni spočítat proud I=P/U tedy I=1000W/12V = 83,3A. Vydělíme kapacitu baterie 55Ah proudem 83,3A a opět dostaneme výsledek 0,66 h do naprostého vybití baterie.
A máme tu ztráty…
Nežijeme nicméně v ideálním světě a jak jsem již uvedl, každý vodič klade odpor, který mění elektrickou energii v energii tepelnou. I pro tuto platí vzorec pro výkon, v tomto případě tzv. ztrátový. Z Ohmova zákona víme, že U=R*I a tedy Pztrát.=U*I=R*I2. Vidíme tedy, že ztrátový výkon se zvětšuje přímo úměrně s druhou mocninou proudu.
Větší napětí, menší ztráty
Samotný odpor vodiče závisí na jeho fyzikálních vlastnostech, délce a průřezu ale pokud při použití identického vodiče zvýšíme proud v obvodu na dvojnásobek, ztráta se zvýší čtyřikrát, pokud proud snížíme desetkrát, ztráty se sníží se stokrát. Proto se u pozemních sítí používají na dálkový přenos velmi vysoká napětí v řádech stovek tisíc voltů, která umožňují minimalizovat ztráty v samotném vedení.
Stačí 12 V?
My šanci na stovky tisíc voltů nemáme, nicméně při plánování instalace výkonnějších spotřebičů je třeba zvážit použití vyššího napětí, než nejběžnějších 12 V, např. 24 nebo i 48 V. Odpor vodiče můžeme spočítat pomocí vzorce R=ρ*l/S kde ρ je elektrický měrný odpor vodiče, který závisí na materiálu vodiče a udává se pro vodič o délce 1 m a průřez 1 mm2, l je délka a S průřez.
Větší průřez vodiče
Z uvedeného vzorce je zřejmé, že další cestou, jak snížit ztráty je použití větších průřezů vodičů – větší plocha vodiče znamená menší odpor a menší ztráty. Minimální průřezy vodičů jsou proto dány normou, ale provozně je lepší zvolit co největší možný vodič, samozřejmě s přihlédnutím na technickou a ekonomickou stránku věci. Na závěr ještě dodám, že mezi nejlepší vodiče patří zlato, stříbro, hliník, rtuť a měď. Z praktického a ekonomického hlediska se při výrobě vodivých drátů nejčastěji používá měď.
Pokračování zítra.