Astro-nn.ru

Стройка и ремонт
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Основные параметры характеризующие источник электрической энергии

Источники электрической энергии

Энергетическая проблема является одной из основных проблем человечества. Основными источниками энергии, на данный момент, являются газ, уголь и нефть. По прогнозным данным запасов нефти хватит на 40 лет, угля на 395 лет и газа на 60 лет. Мировая система энергетики подвергается гигантским проблемам.

Относительно электроэнергии, то источники электрической энергии представлены различными электростанциями – тепловыми, гидроэлектростанциями и атомными электростанциями. В результате стремительного истощения природных энергетических носителей на первый план выводится задача по поиску новых методов получения энергии.

Источник электрической энергии (Electric energy source) — электротехническое изделие (устройство), преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию (ГОСТ 18311-80).

Источники основной электрической энергии

Работают на органическом топливе – мазут, уголь, торф, газ, сланцы. Размещаются ТЭС, главным образом, в том регионе, где присутствуют природные ресурсы и вблизи крупных нефтеперерабатывающих предприятий.

Возводятся в местах, где большие реки перекрываются плотиной, и благодаря энергии падающей воды вращаются турбины электрогенератора. Получение электроэнергии таким методом считается самым экологичным за счет того, что не происходит сжигание различных видов топлива, следовательно, отсутствуют вредные отходы. Подробнее смотрите здесь — Принцип работы гидроэлектростанции

Для нагрева воды требуется энергия тепла, которая выделяется в результате ядерной реакции. А в остальном она схожа с тепловой электростанцией.

Нетрадиционные источники энергии

К ним относятся ветер, солнце, тепло земных турбин и океанические приливы. В последнее время их все чаще используют как нетрадиционные дополнительные источники энергии. Ученые утверждают, что к 2050 году нетрадиционные энергоисточники станут основными, а обычные потеряют свое значение.

Есть несколько способов ее применения. Во время физического метода получения энергии солнца применяются гальванические батареи, способные поглощать и преобразовывать солнечную энергию в электрическую или тепловую. Также используется система зеркал, отражающая солнечные лучи и направляющая их в трубы, заполненные маслом, где концентрируется солнечное тепло.

В некоторых регионах целесообразнее использовать солнечные коллекторы, с помощью которых есть возможность в частичном решении экологической проблемы и использования энергии для бытовых нужд.

Основные достоинства энергии солнца – общедоступность и неисчерпаемость источников, полная безопасность для окружающей среды, основные экологически чистые источники энергии.

Главный недостаток – потребность в больших площадях земли для строительства солнечной электростанции.

Ветряные электростанции способны производить электрическую энергию только в том случае, когда дует сильный ветер. «Основные современные источники энергии» ветра – ветряк, представляющий собой достаточно сложную конструкцию. В нем запрограммированы два режима работы – слабый и сильный ветер, а также есть остановка двигателя, если очень сильный ветер.

Основной недостаток ветряных электростанций (ВЭС) — шум, получаемый во время вращения лопастей пропеллеров. Самыми целесообразными являются небольшие ветряки, предназначенные для обеспечения экологически безопасной и недорогой электроэнергией дачных участок или отдельных ферм.

Для производства электрической энергии используется энергия прилива. Для того, чтобы построить простейшую приливную электростанцию потребуется бассейн, перекрытое плотиной устье реки или залив. Плотина оснащена гидротурбинами и водопропускными отверстиями.

Вода во время прилива поступает в бассейн и когда происходит сравнение уровней воды в бассейне и в море, водопропускные отверстия закрываются. С приближением отлива водный уровень уменьшается, напор становится достаточной силы, турбины и электрогенераторы начинают свою работу, постепенно вода из бассейна уходит.

Новые источники энергии в виде приливных электростанций имеют некоторые минусы – нарушение нормального обмена пресной и соленой воды; влияние на климат, так в результате их работы меняется энергетический потенциал вод, скорость и площадь перемещения.

Плюсы – экологичность, невысокая себестоимость производимой энергии, сокращение уровня добычи, сжигания и транспортировки органического топлива.

• Нетрадиционные геотермальные источники энергии

Для производства энергии используется тепло земных турбин (глубинные горячие источники). Данное тепло можно применять в любом регионе, но расходы смогут окупиться лишь там, где горячие воды максимально приближены к земной коре – местности активной деятельности гейзеров и вулканов.

Основные источники энергии представлены двумя типами – подземный бассейн естественного теплоносителя (гидротермальный, паротермальный или пароводяной источники) и тепло горных горячих пород.

Первый тип представляет собой готовые к применению подземные котлы, из которых пар или воду добывать можно обычными буровыми скважинами. Второй тип дает возможность получения пара или перегретой воды, которые в дальнейшем можно использовать в энергетических целях.

Основной недостаток обоих типов – слабая концентрация геотермических аномалий, когда горячие породы или источники подходят близко к поверхности. Также требуется обратная закачка в подземный горизонт отработанной воды, поскольку термальная вода имеет множество солей токсичных металлов и химических соединений, которые нельзя сбрасывать в поверхностные водные системы.

Достоинства – данные запасы неисчерпаемы. Геотермальная энергия пользуется большой популярностью благодаря активной деятельности вулканов и гейзеров, территория которых занимает 1/10 площади Земли.

Новые перспективные источники энергии – биомасса

Биомасса бывает первичной и вторичной. Для получения энергии можно использовать высушенные водоросли, отходы сельского хозяйства, древесину и т. д. Биологический вариант использования энергии – получение из навоза биогаза в результате сбраживания без доступа воздуха.

На сегодняшний день в мире накопилось приличное количество мусора, ухудшающего окружающую среду, мусор оказывает губительное влияние на людей, животных и на все живое. Именно поэтому требуется развитие энергетики, где будет использоваться вторичная биомасса для предотвращения загрязнения окружающей среды.

Согласно подсчетам ученых, населенные пункты могут полностью обеспечивать себя электроэнергией только за счет своего мусора. Более того, отходы практически отсутствуют. Следовательно, будет решаться проблема уничтожения мусора одновременно с обеспечением населения электроэнергией при минимальных расходах.

Преимущества – не повышается концентрация углекислого газа, решается проблема использования мусора, следовательно, улучшается экология.

Характеристики тока.

Электрический ток сейчас используют в каждом здании, зная характеристики тока в электросети дома, следует всегда помнить, что он опасен для жизни.

Электрический ток являет собой эффект направленного движения электрических зарядов (в газах — ионы и электроны, в металлах — электроны), под воздействием электрического поля.

Движение положительных зарядов по полю эквивалентно движению отрицательных зарядов против поля.

Обычно за направление электрического берут направление положительного заряда.

Далее мы рассмотрим такие характеристики тока, как:

  • мощность тока;
  • напряжение тока;
  • сила тока;
  • сопротивление тока.

Мощность тока.

Мощностью электрического тока называют отношение произведенной током работы ко времени, в течение которого была выполнена это работа.

Мощность, которую развивает электрический ток на участке цепи, прямо пропорциональна величине тока и напряжению на данном участке. Мощ­ность (элек­три­че­ская и ме­ха­ни­че­ская) из­ме­ря­ет­ся в Ват­тах (Вт).

Мощ­ность тока не за­ви­сит от вре­ме­ни про­те­ка­ния элек­три­че­ско­го тока в цепи, а опре­де­ля­ет­ся как про­из­ве­де­ние на­пря­же­ния на силу тока.

Напряжение тока.

Напряжением электрического тока называется величина, которая показывает, какую работу совершило электрическое поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение при этом в различных участках цепи будет отличаться.

К примеру: напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет намного больше, и величина напряжения будет зависеть от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула: U=A/q, где

  • U — напряжение,
  • A – работа, совершенная током по перемещению заряда q на некий участок цепи.

Сила тока.

Силой тока называют количество заряженных частиц которые протекают через поперечное сечение проводника.

По определению сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Сила электрического тока измеряется прибором, который называется Амперметром. Величина электрического тока (количество переносимого заряда) измеряется в амперах. Для увеличения диапазона обозначений единицы изменения существуют такие приставки кратности как микро — микроампер (мкА), мили – миллиампер (мА). Другие приставки в повседневном обиходе не используются. К примеру: говорят и пишут «десять тысяч ампер», но никогда не говорят и не пишут 10 килоампер. Такие значения в повседневной жизни не используются. То же самое можно сказать про наноампер. Обычно говорят и пишут 1×10-9 Ампер.

Сопротивление тока.

Электрическим сопротивлением называется физическая величина, которая характеризует свойства проводника, препятствующие прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.

Сопротивление для цепей переменного тока и для переменных электромагнитных полей описывается понятиями импеданса и волнового сопротивления. Сопротивление тока (часто обозначается буквой R или r) считается сопротивление тока, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника. Под электрическим сопротивлением понимают отношение напряжения на концах проводника к силе тока, текущего по проводнику.

Условия возникновения электрического тока в проводящей среде:

1) присутствие свободных заряженных частиц;

2) если есть электрическое поле (присутствует разность потенциала между двумя точками проводника).

Виды воздействия электрического тока на проводящий материал.

1) химическое — изменение химического состава проводников (происходит в основном в электролитах);

2) тепловое — нагревается материал, по которому течет ток (в сверхпроводниках этот эффект отсутствует);

3) магнитное — появление магнитного поля (происходит у всех проводников).

Главные характеристики тока.

1. Сила тока обозначатся буквой I — она равна количеству электричества Q, проходящему через проводник за время t.

Сила тока определяется амперметром.

2. Напряжение U — равняется разности потенциалов на участке цепи.

Напряжение определяется вольтметром.

3. Сопротивление R проводящего материала.

а) от сечения проводника S, от его длины l и материала (обозначается удельным сопротивлением проводника ρ);

б) от температуры t°С (или Т): R = R0 (1 + αt),

  • где R0 – сопротивление проводника при 0°С,
  • α – температурный коэффициент сопротивления;

в) для получения различных эффектов, проводники могут соединяться как параллельно, так и последовательно.

Параметры источника электроэнергии

Урок 32. Технология 8 класс ФГОС

Конспект урока «Параметры источника электроэнергии»

Прежде чем мы приступим к рассмотрению новой темы, давайте вспомним, что вообще называют источником электрической энергии.

Все электромагнитные процессы, которые протекают в электротехнических устройствах, как правило, достаточно сложны. Однако во многих случаях, их основные параметры можно описать с помощью таких понятий, как: ток, напряжение, сопротивление, мощность и электродвижущая сила.

Вообще совокупность электротехнических устройств, состоящая из соответствующим образом соединённых источников и приёмников электрической энергии, предназначенных для генерации, передачи, распределения и преобразования электрической энергии принято рассматривать, как электрическую цепь.

Электрическая цепь состоит из отдельных частей (устройств), которые выполняют определённые функции и называются элементами цепи.

Читать еще:  Рейтинг лучших конвекторных обогревателей в 2019 году

Понятно, что основные элементы цепи – это источники и приёмники электрической энергии.

Электротехнические устройства, которые производят электрическую энергию, называют источниками или генераторами электрической энергии, а устройства, которые потребляют её – потребителями или приёмниками электрической энергии.

Итак, вспомним определение: устройство, которое преобразует какую-либо энергию (механическую, химическую, тепловую или световую) в электрическую, называют источником.

Примерами источников электроэнергии служат гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы и многие другие устройства.

Можно даже сказать, что в быту (то есть дома) источниками электрической энергии являются обыкновенные розетки, куда мы подключаем чайники, компьютеры, стиральные машинки и так далее.

Понятно, что основное назначение источников – это питание потребителей электроэнергией.

Все источники энергии называют активными элементами. Они бывают постоянного и переменного тока. Однако их параметры аналогичны.

Как мы уже знаем, источник вырабатывает электрическую энергию за счёт действия каких-либо внешних сил.

При этом в результате действия внешней силы каждый единичный электрический заряд при движении внутри источника получает некоторое количество энергии.

Величина энергии, которую приобретает единичный электрический заряд внутри источника от внешних сил, называется электродвижущей силой источника (или коротко ЭДС). Единица измерения электродвижущей силы источника – вольт.

Рабочее напряжение и мощность электрогенераторов, как правило, указывают на их корпусе. Так, например, на корпусе гальванических элементов обозначают их начальную электродвижущую силу.

Если получается так, что для питания нагрузки необходимо напряжение или ток, которые превышают соответствующие величины одного гальванического элемента, то из них собирают батарею. Причём, элементы, соединённые в батарею, должны иметь одинаковые типы, электродвижущую силу и внутреннее сопротивление.

Наверняка вы слышали такое словосочетание, как короткое замыкание. Все, конечно, представляют себе, что это за явление, но не каждый может объяснить.

Давайте попробуем разобраться.

Итак, если соединить проводом электроды источника тока, получим как раз-таки то, что и называется режимом короткого замыкания.

При большой мощности источника сила тока в режиме короткого замыкания достигает очень большой величины, что приводит к выделению большого количества тепла внутри электромеханического генератора и разрушению в нём обмоток. Причём сила тока может стать настолько велика, что провод, который замыкает электроды источника, начнёт раскаляться и даже плавиться.

Ток короткого замыкания очень опасен, так как может повредить всё: и источник электрической энергии, и потребитель, и даже соединительные провода.

В свою очередь, перегрев соединительных проводов может привести к их возгоранию и пожару.

Поэтому при питании устройств от мощных источников в потребителе почти всегда вводят защиту от короткого замыкания. Которое, кстати, может произойти внезапно, например, из-за аварий устройств, ошибок людей и ударов молний.

Самая простая защита от разрушительных последствий короткого замыкания — это плавкий предохранитель. Как правило, такое устройство устанавливают для защиты квартирной электропроводки и бытовых электроприборов.

Плавкий предохранитель представляет собой тонкую проволоку из легкоплавкого металла, которая вставлена в стеклянную либо керамическую трубку. При малейших отклонениях в работе электрической цепи, например, увеличение силы тока выше допустимого значения, проволока нагревается и расплавляется. При этом происходит размыкание электрической цепи.

Более сложной защитой от разрушительных последствий короткого замыкания является использование различных автоматов защиты сети. Примером таких автоматов служит автоматический выключатель.

Главная функция автоматического выключателя – защита проводов и кабелей от перегрузки и короткого замыкания.

Данный прибор представляет собой устройство, которое регулирует подачу тока в цепи. Действует автоматический выключатель при помощи встроенного прибора, фиксирующего изменение напряжения, частоты и силы тока. Так, например, если сеть перегружается, срабатывает тепловое реле, и автомат выключается. Скорость, с которой это происходит – минимальна. Поэтому применение автоматического выключателя гарантирует безопасное использование нескольких бытовых электроприборов одновременно и сложного оборудования на производстве.

В отличие от плавкого предохранителя, который можно использовать только однократно, автоматические выключатели предназначены для многоразовой защиты электрических установок от перегрузок и коротких замыканий.

Параметром устройств защиты является максимально допустимая мощность, которая в этом случае задаётся в виде допустимой силы рабочего тока. Величину силы тока, как правило, указывают на корпусе или контактах предохранителей.

В случае перегорания плавкой вставки в предохранителе, её следует заменить на аналогичную с точно такой же величиной допустимого тока.

Заменять плавкую вставку на вставку с большей силой тока очень опасно, так как это может привести к перегрузке электрической сети и возгоранию проводов и других элементов.

Мы с вами уже выяснили, что источник электроэнергии предоставляет потребителю энергию с определёнными параметрами. Эти параметры обязательно должны соответствовать параметрам потребителя, иначе потребитель не будет работать и в скором времени выйдет из строя.

Это говорит о том, что рабочее напряжение потребителя должно соответствовать рабочему напряжению источника, а мощность, потребляемая потребителем, не должна превышать его допустимой мощности.

Например, если подключить электроприбор, который рассчитан на напряжение 220 В, в электрическую сеть с напряжением 127 В, то он не сможет работать из-за недостатка энергии.

И наоборот, если в электрическую сеть с напряжением 220 В подключить электроприбор, который рассчитан на 127 В, то он также не сможет работать. Но уже по другой причине: электроприбор будет получать от источника слишком большую энергию, что может привести к его поломке.

В лучшем случае сработают предохранители, защищающие его от возникшей перегрузки, однако электроприбор при этом всё равно не сможет работать.

Итоги урока

На этом уроке мы с вами обсудили некоторые из параметров источников электроэнергии. Узнали, что называют электродвижущей силой источника. Поговорили о таком опасном явлении, как короткое замыкание. Узнали, в результате чего оно возникает, и какие устройства помогают с ним бороться.

Особенности источников тока

Время на чтение:

Существует несколько видов источников тока, различающиеся по природе происхождения энергии. Каждый из этих видов имеет свои индивидуальные особенности, в частности, принципы выработки электрической энергии, а также ее преобразование. Определить, какой тип элемента применяется, можно с помощью графического обозначения.

Что такое источники тока

Источники тока – это элементы электрической цепи, который поддерживают энергию с заданными параметрами. При этом, энергоснабжение цепи не зависит от характеристик элементов, входящих в её состав, в частности, сопротивления.

Прибор для выработки тока

Различают идеальные и реальные устройства для выработки тока:

  • Идеальные определяются только благодаря гипотезам и теоретическим выкладкам. Так, учёные нередко определяют ряд условий, при которых ток имеет максимальные значения, приближенные к идеалу. То есть, осуществляется имитация идеального источника.
  • Реальные условия поддерживают заданные параметры выходного тока и напряжения. Любой прибор обеспечивает свою работу, при условии, что это позволяют сделать его технические характеристики.

Важно! Таким образом, максимальное значение тока и напряжения дают возможность определить, какой именно вариант источника будет использован в цепи – идеальный или реальный.

Виды источников

Существует несколько видов устройств для выработки тока, каждый из которых имеет свои основные показатели, характеристики и особенности, приведённые в следующей таблице:

Вид источникаХарактеристики источника тока
МеханическийСпециальное устройство (генератор) обеспечивает трансформацию механической энергии в электрическую. В настоящее время большое количество тока производится именно с помощью механических источников.
ТепловойВ основу работы агрегатов заложен принцип переработки тепловой энергии в электрическую. Такое преобразование происходит благодаря разности температур контактирующих между собой полупроводников. В настоящее время разработаны источники тока, тепловая энергия в которых вырабатывается благодаря распаду радиоактивных элементов.
ХимическийХимические варианты можно условно разделить на 3 группы – гальванические, аккумуляторы и тепловые.

· Гальванический элемент работает посредством взаимодействия 2-х разных металлов, помещенных в электролит.

· Аккумуляторы – устройства, которые можно несколько раз заряжать и разряжать. Существует несколько видов аккумуляторов с различными типами элементов, входящих в их состав.

Важно! Каждый вид имеет свои преимущества и недостатки, которые определяются принципом использования, а также исходными показателями вырабатываемой энергии.

Механические источники

Механические агрегаты являются самыми простыми по принципу их использования и обустройства. Характеристика таких генераторов очень проста для понимания. В специальных устройствах вырабатывается энергия, которая впоследствии преобразуется в электричество. Такие приборы используются на тепловых электростанциях и гидроэлектростанциях.

Механический

Тепловые источники

Тепловые варианты источников обеспечивают уникальный принцип работы. Энергия вырабатывается благодаря образованию термопары, которая. Это означает, что на концах проводников обеспечивается расчётная разность температур, элементы взаимодействуют между собой, создавая электрическое поле.

Тепловой

Обратите внимание! Радиоактивные термопары используют в космической промышленности. Эффективность такого использования возможна благодаря долгому сроку службы и эффективным показателям вырабатываемой мощности.

В результате подобного движения заряженных частиц от горячей части проводника к холодной возникает электроток. При этом, чем больше разница температур, тем выше показатель результативной энергии. На практике термопары нередко входят в состав измерительных приборов.

Световые источники

Световые устройства ля выработки электроэнергии считаются самыми экологичными, эффективными и относительно дешевыми. Специальная панель из полупроводников поглощает световые частицы, которые при таком взаимодействии выдают определенное напряжение.

Световой

При этом, световые панели имеют небольшой показатель КПД – 15 %. Панели такого типа нашли широкое применение – от бытовых приборов до инновационных разработок в космической отрасли.

Важно! Световые источники начали использоваться вместо литиевых батарей из-за высокой стоимости последних. Несмотря на то, что многие объекты промышленности требуют значительного переоснащения для перехода на световые источники, конечная экономия возникает уже на первичных этапах эксплуатации.

Химические источники

В данную группу входит 3 основных устройства, отличающиеся строением и принципом работы:

  • Гальванический элемент – это вариант для выработки электроэнергии, который может быть использован один раз. То есть, после полной разрядки, повторное накопление заряда на внутреннем веществе невозможно. В состав таких приборов входят солевые, литиевые или щелочные батарейки.
  • Аккумуляторы – подразделяются на несколько типов: свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-кадмиевые.
  • Тепловые элементы – используются в космической и инновационной промышленности для производства кратковременного тока с высокими показателями. Практическое применение агрегатов основано на потребностях в резервных источниках питания.

Важно! Химико-тепловые устройства требуют первоначального нагрева до 500–600 °С, чтобы активизировать твердый электролит.

В каждой сфере промышленности используется собственный вариант с конкретными параметрами. В бытовых условиях применяются, в основном, батарейки; в производственной – аккумуляторы.

Обозначение источников тока

Чтобы при выборе не возникало вопроса относительно того, какой тип источника тока представлен, используются специальные обозначения. В физике существуют точные графические изображения, которые позволяют идентифицировать тип применяемого источника:

Обозначения

На каждой схеме условных обозначений можно увидеть следующие параметры:

  • Общее обозначение источника тока и движущей силы ЭДС;
  • Графическое изображение без ЭДС;
  • Химический тип;
  • Батарея;
  • Постоянное напряжение;
  • Переменное напряжение;
  • Генератор.

Благодаря графическим идентификаторам на схеме электрической цепи всегда можно определить, какой именно тип используется в конкретной ситуации, и как правильно его обозначать. Существуют также международные обозначения, которые встречаются немного реже, обычно при реализации интернациональных проектов.

Принцип действия

Каждая маркировка источников тока определяет принцип его действия. В стандартной ситуации выработка энергии производится посредством взаимодействия составляющих частей, а именно:

  • Механический тип. В результате взаимодействия деталей механизма, возникает трение. Благодаря такому явлению, возникает статическое электричество, преобразуемое в ток.
  • Механические конструкции работают посредством образования последовательно движущихся заряженных частиц. Явление возникает благодаря взаимодействию химического элемента с электролитом. Заряженные частицы покидают структуру кристаллической решётки металла, входя в состав проводящей жидкости.
  • Солнечные батареи (световые источники) работают за счет выбивания заряженных частиц из диэлектрической (кремниевой) основы под воздействием светового потока. Благодаря этому возникает постоянное напряжение.
  • Тепловые. Как правило, это 2 последовательно соединенных металлических основания. Одна часть нагревается, а вторая остается охлажденной. При изменении температурного режима возникает разница температур, в результате чего происходит движение заряженных частиц.

Важно! Любое изменение в строении вещества может привести к необратимым последствиям, которые проявятся при работе устройства.

Конструкция

Конструкция элемента влияет на принцип его работы. Каждый источник, который выдает электрический ток, имеет определенную конструкцию:

  • Самый простой бытовой аккумулятор включает в себя металлический корпус, внутри которого используется щелочная среда. Дополнительными элементами являются свинцовые пластины, на которых накапливаются катоды и аноды.

Аккумулятор

  • Обычная бытовая батарейка с входящим в её состав сухим элементом имеет металлический корпус, в который помещен стержень-накопитель катодов. Всё прочее пространство заполнено солевым электролитом.

Батарейка

  • Генератор переменного тока – это устройство, состоящее из трещоток или металлической рамки.

Механический принцип устройства

  • Тепловой источник тока, который уже включен в цепь. Это обычная рамка, установленная на подставке из диэлектрика. Обычно, конструкция подключена к измерительному прибору, типа амперметра. Источник тепла – это пламя или внешний электрический импульс.

Тепловое устройство

Важно! Подобная конструкция помогает точно понять, как образуется энергия, которая впоследствии преобразуется в ток. Каждый вариант строения обычно заключен в специальный корпус из диэлектрического материала.

Условия работы источников тока

Любой источник тока работает при определенных условиях. В отсутствие химической реакции внутри элементов не смогут образовываться заряженные частицы. Если будет отсутствовать анод и катод, то движения частиц не возникнет даже при наличии реакции.

В аккумуляторах происходит похожий процесс, но толчком для возникновения химической реакции является замыкание во внешней электрической цепи. Заряженные элементы начинают двигаться от анода к катоду и наоборот, создавая постоянный поток.

Идеальный и реальный

Световые типы не могут работать без наличия источника света. КПД зависит от типа используемого диэлектрического элемента. Дополнительно необходимо иметь в наличии приспособление ля преобразования полученной энергии.

Тепловой вариант не будет работать, если в его основу входит 1 тип металла. Если будет отсутствовать источник тепла, то ни о каком возникновение движущихся частиц не может быть и речи.

Источники

Для выработки электрической энергии требуется выбрать источник тока, соответствующий потребностям в конкретной сфере применения. Существует несколько вариантов таких приспособлений, каждый из которых имеет определенное строение, принцип работы и индивидуальные технические показатели.

Показатели качества электрической энергии

Стандартом устанавливаются следующие показатели качества электроэнергии (ПКЭ):

При определении значений некоторых ПКЭ стандартом вводятся следующие вспомогательные параметры электрической энергии:

Часть ПКЭ характеризует установившиеся режимы работы электрооборудования энергоснабжающей организации и потребителей ЭЭ и дает количественную оценку по КЭ особенностям технологического процесса производства, передачи, распределения и потребления ЭЭ. К этим ПКЭ относятся: установившееся отклонение напряжения, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения, коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности, коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности, отклонение частоты, размах изменения напряжения.

Оценка всех ПКЭ, относящихся к напряжению, производится по действующим его значениям.

Для характеристики вышеперечисленных показателей стандартом установлены численные нормально и предельно допустимые значения ПКЭ или нормы.

Другая часть ПКЭ характеризует кратковременные помехи, возникающие в электрической сети в результате коммутационных процессов, грозовых атмосферных явлений, работы средств защиты и автоматики и в после аварийных режимах. К ним относятся провалы и импульсы напряжения, кратковременные перенапряжения. Для этих ПКЭ стандарт не устанавливает допустимых численных значений. Для количественной оценки этих ПКЭ должны измеряться амплитуда, длительность, частота их появления и другие характеристики, установленные, но не нормируемые стандартом. Статистическая обработка этих данных позволяет рассчитать обобщенные показатели, характеризующие конкретную электрическую сеть с точки зрения вероятности появления кратковременных помех.

Для оценки соответствия ПКЭ указанным нормам (за исключением длительности провала напряжения, импульсного напряжения и коэффициента временного перенапряжения) стандартом устанавливается минимальный расчетный период, равный 24 ч.

В связи со случайным характером изменения электрических нагрузок требование соблюдения норм КЭ в течение всего этого времени практически нереально, поэтому в стандарте устанавливается вероятность превышения норм КЭ. Измеренные ПКЭ не должны выходить за нормально допустимые значения с вероятностью 0,95 за установленный стандартом расчетный период времени (это означает, что можно не считаться с отдельными превышениями нормируемых значений, если ожидаемая общая их продолжительность составит менее 5% за установленный период времени).

Другими словами, КЭ по измеренному показателю соответствует требованиям стандарта, если суммарная продолжительность времени выхода за нормально допустимые значения составляет не более 5% от установленного периода времени, т.е. 1 ч 12 мин, а за предельно допустимые значения – 0 % от этого периода времени.

Рекомендуемая общая продолжительность измерений ПКЭ должна выбираться с учетом обязательного включения рабочих и выходных дней и составляет 7 суток .

В стандарте указаны вероятные виновники ухудшения КЭ. Отклонение частоты регулируется питающей энергосистемой и зависит только от нее. Отдельные ЭП на промышленных предприятиях (а тем более в быту) не могут оказать влияния на этот показатель, так как мощность их несоизмеримо мала по сравнению с суммарной мощностью генераторов электростанций энергосистемы. Колебания напряжения, несимметрия и несинусоидальность напряжения вызываются, в основном, работой отдельных мощных ЭП на промышленных предприятиях, и только величина этих ПКЭ зависит от мощности питающей энергосистемы в рассматриваемой точке подключения потребителя. Отклонения напряжения зависят как от уровня напряжения, которое подается энергосистемой на промышленные предприятия, так и от работы отдельных промышленных ЭП, особенно с большим потреблением реактивной мощности. Поэтому вопросы КЭ следует рассматривать в непосредственной связи с вопросами компенсации реактивной мощности. Длительность провала напряжения, импульсное напряжение, коэффициент временного перенапряжения, как уже отмечалось, обуславливаются режимами работы энергосистемы.

В таблице 2.1. приведены свойства электрической энергии, показатели их характеризующие и наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ .

Свойства электрической энергии

Показатель КЭ

Наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ

Установившееся отклонение напряжения

Технические характеристики источников электроэнергии

Источники электроэнергии.Мощность на единицу массы. (Вт/кг)Емкость на единицу массы. (А*ч/кг)Энергия на единицу массы. (кДж/кг)Срок службыЭДС (В)Uср (В)
Аккумуляторные батареи: никель–кадмиевые серебряно-цинковые серебряно-кадмиевые5 . 300 5 . 80 —9 . 26 35 . 82 22 . 7765 . 144 200 . 450 86 . 3002000 циклов 10 . 300 циклов 300 . 1000 циклов1,36 1,86 1,51,25 . 1,22 1,5 . 1,4 1,15 . 1,05
Топливные батареи (ТЭ)14 . 39до 5000 часов1,1
Радио–изотопные генераторы1,5 . 3,51 год и более
Солнечные батареи3 . 371 год и более
Ядерные энергоустановки2,5 . 6,8несколько лет
Термоэлектрический генератор5 . 400,05 ..0,15
Термоэмиссионный генератор0,7 . 2,5

Конкурентом никель-водородных батарей, благодаря таким достоинствам, как продолжительная работа при высоких удельных характеристиках, отсутствие самозаряда, большим КПД, являются батареи тепловых элементов (ТЭ). ТЭ – электрохимический генератор, состоящий из пористых электродов, находящихся в сосуде с электролитом. К электродам непрерывно подводится топливо: к отрицательному – горючее, к положительному – окислитель. В результате процессов диссоциации и ионизации топлива, происходящих на поверхности катализаторных электродов образуется разность потенциалов. В качестве окислителя используют кислород, воздух и сильные окислители, а горючего – водород и любое углеводородное вещество в газообразном, жидком и твёрдом виде. ТЭ могут быть с твёрдым электролитом (двуокись циркония и др.) и жидком (раствор едкого калия и др.)

Наибольшее применение нашли кислородно-водородные ТЭ с жидким электролитом. Мощность разрабатываемых батарей ТЭ лежит в пределах от 10 Вт до десятков киловатт. В настоящее время происходит испытание батарея ТЭ мощностью 3 кВт с регенерацией рабочего тела, использующей твёрдый полимерный электролит.

Известны биохимические элементы (БЭ), в которых необходимое топливо для окислительно-восстановительных процессов получают из различных органических веществ (кислот жирного ряда, мочевины, растительных и животных отбросов) при введении в них бактериальной флоры, вызывающей процессы брожения. Лучшие образцы БЭ пока имеют малую мощность на единицу площади (доли ватт на 1 см 2 ), но низкая стоимость и большой срок службы БЭ делают их перспективными источниками систем электроснаб-жения.

Физические источники тока (ФИТ) служат для непосредственного преобразования тепловой или лучистой энергии в электрическую. К ним относят следующие генераторы: фотоэлектрические; термофотоэлектрические; термоэлектрические; термоэмиссионные; атомные батареи.

Фотоэлектрические генераторы или солнечные батареи преобразуют лучистую энергию Солнца (фотоны) в электрическую энергию постоянного тока путём фотоэффекта (рис. 5.6).

Солнечная батарея представляет собой кремниевый генератор с прямоугольными раскрывающимися панелями общей площадью 1. 21 м 2 (рис. 5.7). Она состоит из большого числа одинаковых элементов (до 80 000 шт.), каждый из которых представляет тонкую пластинку, вырезанную из сверхчистого монокристаллического полупроводникового кремния.

Элементы солнечных батарей весьма чувствительны к воздействию космической радиации. Чтобы предохранить поверхность батарей от абразивного действия элементарных частиц и метеоритов, их покрывают тонким слоем (0,5 мм) защитного материала. Кремниевые элементы размещены на сетке из стекловолокна, натянутой на каркас из Амг6 или углепластика. Сетка пропитана клеем для придания ей жесткости. Имеется другой вариант мещения панелей БС на каркасе сотовой конструкции. Такая конструкция представляет собой сформированную из фольги толщиной десятые доли миллиметра ячеистую структуру. Эта структура, совместно с наклеенной на неё полиамидной плёнкой, обладает высокой жёсткостью, которой так не хватает панелям на этапе выведения спутника на орбиту. Кремниевые пластины подвергаются специальной обработке, в результате которой на поверхности пластинок образуется слой так называемого n типа. После обработки каждая пластинка имеет две области n и p с противоположными механизмами проводимости. Когда на такую поверхность попадают солнечные лучи, то между слоями возникает поток электронов и образуется разность потенциалов. Батарея объединяется электрическими соединениями и токосборными шинами. Для получения заданных значений тока и напряжения элементы объединяются в параллельно-последовательно соединённые секции. С целью повышения надёжности секции разделены блокирующими диодами.

В настоящее время используются монокристаллические кремниевые элементы n-р типа. Они обладают большой радиационной стойкостью по сравнению с фотоэлементами р-n типа. Кремниевые пластины выпускаются следующих размеров 1 × 2, 2 × 2, 2 × 4, 2 × 6 см, толщиной 0,2…0,17 мм. В общем случае стоимость единицы поверхности элемента уменьшается с увеличением их размеров.

Максимальный КПД кремниевых элементов не превышает 15 %. Мощность их, приходящаяся на 1 м 2 поверхности батареи, составляет 100…140 Вт.

В тени солнечные батареи не вырабатывают электроэнергии. Поэтому в СЭП спутника включена так называемая буферная аккумуляторная батарея. Она заряжается, когда спутник освещён Солнцем, и питает электроэнергией приборы и системы, когда КА находится в тени. Буферная батарея служит не только накопителем, она исключает возможные колебания в потреблении энергии.

Срок активного существования ИСЗ зависит от долговечности солнечных батарей. Ухудшение характеристик последних вызвано воздействием бомбардирующих их протонов и нейтронов. С целью снижения разрушающего воздействия потока частиц солнечные элементы покрывают слоем кварцевого стекла или защищаются микроэкранами с цезиевой добавкой.

Термофотоэлектрический генератор преобразует тепловую энергию излучателя в электрический ток с помощью фотоэлементов. Исследуется возможность повышения КПД до 30 % при мощности 10 Вт/см 2 за счет использования оптических фильтров и специальных отражателей, осуществляющих возврат непоглощенного фотоэлементами излучения к излучателю.

Термоэлектрический генератор (ТЭГ) – в нем прямое преобразование тепловой энергии в электрическую энергию постоянного тока основано на явлении возникновения термо-ЭДС в полупроводниках или металлических спаях (термопарах) под действием разности температур. Горячие спаи термоэлементов располагаются около источника тепла, холодные охлаждаются путем отвода тепла в космическое пространство. Термоэлементы батареи ТЭГ изготавливаются из соленоидов, теллуридов свинца и висмута, их сплавов.

Термоэмиссионный (термоионный или термоэлектронный) генератор (ТЭМГ), преобразует тепловую энергию в электрическую постоянного тока на основе явления эмиссии электронов нагретым катодом в межэлектродное пространство. Известны ТЭМГ трёх видов: 1) вакуумные; 2) газонаполненные; 3) плазменные. Катоды ТЭМГ изготавливают из вольфрама, титана, молибдена и карбидов тугоплавких материалов, а аноды из меди, никеля, циркония и др.

Требования к системе электропитания связных ИСЗ непрерывно повышаются в связи с усложнением бортового ретрансляционного оборудования. Примером может служить система электропитания международной спутниковой системы связи «Intelstat», выходная мощность которой повысилась с 40 Вт («Intelstat-1») до 1 кВт («Intelstat-V»). Влияние на характеристики ИСЗ (в том числе и на систему энергопитания) оказывают средства доставки на орбиту: космический самолет или разгонные ступени.

Развитие современных систем электропитания ведётся по следующим направлениям:

– повышается срок службы и плотность энергии широко применяемых никель – кадмиевых батарей (до 26 Вт∙ч/кг);

– создаются принципиально новые химические источники тока: успешно эксплуатируются на «Intelsat-V» никель-водородные батареи, плотность энергии которых при емкости 50 А∙ч составляет 57 Вт∙ч/кг. Находятся в стадии разработки серебряно-водородные батареи, которые по сравнению с никель – кадмиевыми должны при том же уровне мощности иметь массу на 60 % меньше. Проходят испытания батареи топливных элементов на твёрдом полимерном электролите;

– совершенствуются солнечные элементы (начинаются разработки элементов толщиной до 50 мкм, которые позволят довести значение плотности мощности солнечных батарей до 1 кВт/кг в то время, как обычный солнечный элемент, покрытый слоем кварца, имеет удельную плотность мощности 100 Вт/кг) и конструкции солнечных батарей. Так исследуемые гибкие раскручиваемые и раскладываемые солнечные батареи, ориентируемые на Солнце, будут иметь удельную мощность 35. 60 Вт/кг, а в перспективе 110 . 200 Вт/кг;

– исследуется возможность применения инерциальных высокоскоростных маховиков, которые могут обеспечить плотность энергии 35. 45 Вт∙ч/кг, однако здесь серьёзной проблемой является наличие вращающихся моментов.

Основные параметры характеризующие источник электрической энергии

Глава 4. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

4.1. Общие характеристики источников электрической энергии

Рассмотрим характеристики источников электрической энергии. В литературе достаточно часто источники электрической энергии называют источниками тока. Однако следует различать источники тока и источники напряжения. Источником напряжения называется источник постоянного или переменного напряжения, у которого внутреннее сопротивление равно нулю. Напряжение на зажимах такого источника не зависит от сопротивления нагрузки. Источник напряжения называют также источником ЭДС. Условное обозначение источника напряжения приведено на рисунке 4.1а.

Источником тока называется источник постоянного или переменного тока, у которого внутреннее сопротивление равно бесконечности. Сила тока через нагрузку, подключенную к такому источнику, не зависит от сопротивления нагрузки. Условное обозначение источника тока приведено на рисунке 4.1б.

Один и тот же реальный источник можно изобразить так, как показано на рисунках 4.2а и 4.2б. Эти две схемы эквивалентны. Схема, приведенная на рисунке 4.2а, позволяет рассчитать ток в нагрузке при известном сопротивлении нагрузки, внутреннем сопротивлении и ЭДС источника напряжения. Схема, приведенная на рисунке 4.2б, позволяет рассчитать напряжение на нагрузке при известном сопротивлении нагрузки, внутреннем сопротивлении и токе источника тока.

На рисунке 4.3 приведены графики зависимостей напряжения на зажимах реального источника напряжения от силы тока нагрузки для двух различных значений внутреннего сопротивления источника.

Для получения меньших напряжений используют делители напряжения на резисторах (рис. 4.4). Пусть имеющийся источник напряжения характеризуется электродвижущей силой e 1 и внутренним сопротивлением равным нулю. Выход делителя можно рассматривать как другой источник напряжения, имеющий ЭДС e 2 = e 1 × R 2 /( R 1 + R 2 ) и внутреннее сопротивление r 2 = R 1 × R 2 /( R 1 + R 2 ). Выражения для ЭДС и внутреннего сопротивления другого источника напряжения получаются из законов Ома.

§ 33. Параметры источника электроэнергии

Как мы уже знаем, электрическая энергия вырабатывается её источником под действием каких-либо внешних сил (в электромеханическом генераторе такой внешней силой является механическая сила, которая вращает его турбину). При этом в результате действия внешней силы каждый единичный электрический заряд при движении внутри источника приобретает некоторое количество энергии.

Величина энергии, получаемой от внешних сил единичным электрическим зарядом внутри источника, называется электродвижущей силой источника (ЭДС). Как и напряжение, ЭДС источника измеряется в вольтах.

Рабочее напряжение и мощность генераторов обычно указываются на их корпусе. Для гальванических элементов на корпусе обозначается только начальная ЭДС. Если напряжение или ток, необходимые для питания нагрузки, превышают соответствующие величины одного гальванического элемента, то из них собирают батарею. Элементы, соединённые в батарею, как правило, однотипные и имеют одинаковые ЭДС и внутреннее сопротивление.

Опасным в электротехнике является короткое замыкание. Если соединить электроды источника тока проводом, получим то, что называется режимом короткого замыкания. Сила тока в режиме короткого замыкания источника становится непомерно большой, что приводит к выделению большого количества тепла внутри электромеханического генератора и разрушению в нём обмоток. (В гальванических источниках тока это ведёт к разрушению электродов.) Сила тока бывает настолько велика, что провод, замыкающий электроды источника, раскаляется докрасна и даже плавится.

Ток короткого замыкания опасен как для источника электрической энергии, так и для нагрузки и может привести к возгоранию проводов электрической цепи и пожару.

Для предохранения от короткого замыкания между источником и нагрузкой в разрыв проводов устанавливают защитные устройства в виде плавких предохранителей и автоматов защиты.

Эти устройства предохраняют от повреждения станки, двигатели, генераторы, линии электропередачи, бытовые электроприборы и т. д. При отклонениях в работе электрической цепи они отключают потребители электроэнергии, предотвращая пожары, аварии, травматизм.

Примером защитного устройства электрической цепи служат плавкие предохранители, устанавливаемые для защиты квартирной электропроводки и электробытовых приборов (телевизоров, радиоприёмников и др.). Предохранитель представляет собой тонкую проволоку из легкоплавкого металла, вставленную в стеклянную или керамическую трубку (рис. 57). При неисправностях в электрической цепи, связанных с увеличением тока выше допустимого (при перегрузке или коротком замыкании), проволока нагревается и расплавляется. При этом происходит размыкание электрической цепи.

Рис. 57. Плавкий предохранитель: а — внешний вид, б — устройство; 1 — изоляционный материал, 2 — плавкая вставка, 3 — окно, 4 — винтовой контакт, 5 — центральный контакт

Параметром предохранителя является максимально допустимая мощность, которая в этом случае задается в виде допустимой силы рабочего тока. Величина этого тока указана на корпусе или контактах предохранителя. Перегоревшую плавкую вставку предохранителя заменяют на аналогичную с той же самой величиной допустимого тока.

Заменять плавкую вставку на вставку с большей силой тока, на «жучка» или заглушку в виде металлической фольги опасно, так как это может привести к перегрузке и возгоранию проводов и других элементов электрической цепи.

Нагрузка электрической цепи будет исправно выполнять положенную работу только в том случае, если её электрические параметры соответствуют параметрам источника и другим элементам цепи. Это означает, что рабочее напряжение нагрузки должно соответствовать рабочему напряжению источника, а мощность, потребляемая нагрузкой, не должна превышать его допустимой мощности.

Так, все электроприборы, рассчитанные на напряжение 220 В, в электрической сети с напряжением 127 В практически работать не смогут из-за недостатка энергии. Поэтому нить накала лампы будет едва светиться, излучающая поверхность электрокамина станет лишь слегка тёплой, а вода в электрочайнике не вскипит.

И наоборот, в электрической сети с напряжением 220 В все электроприборы, рассчитанные на 127 В, также работать не смогут, но уже по другой причине: они будут получать от источника слишком большую энергию. Нить накала лампы ярко вспыхнет и сразу расплавится, нагревательные элементы будут некоторое время работать, но затем их постигнет та же участь. Если потребляемая приборами мощность электрической энергии превысит допустимую мощность источника, то сработают предохранители, защищающие его от возникшей перегрузки, однако нагревательные приборы при этом работать не смогут.

Новые слова и понятия

Режим короткого замыкания, электродвижущая сила, плавкие предохранители, устройства защиты.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector