Преобразование электрической энергии в не электрическую. Преобразование энергии. Управляемые и неуправляемые

Обеспечение нужд человечества достаточным количеством энергии - одна из ключевых задач, которые стоят перед современной наукой. В связи с повышением энергозатратности процессов, направленных на поддержание базовых условий существования общества, возникают острые проблемы не только генерации больших объемов энергии, но и сбалансированной организации систем ее распределения. И тема преобразования энергии имеет ключевое значение в данном контексте. От этого процесса зависит коэффициент выработки полезного энергетического потенциала, а также уровень затрат на обслуживание технологических операций в рамках используемой инфраструктуры.

Общие сведения о технологии преобразования

Необходимость использования разных связана с различиями в процессах, для которых требуется питающий ресурс. Тепло требуется для отопления, механическая энергия - для силовой поддержки движения механизмов, а свет - для освещения. Электричество можно назвать универсальным источником энергии и с точки зрения ее преобразования, и в плане возможностей применения в разных сферах. В качестве исходной энергии обычно используются природные явления, а также искусственно организованные процессы, способствующие генерации того же тепла или механического усилия. В каждом случае требуется определенный вид оборудования или сложного технологического сооружения, в принципе позволяющего обеспечивать преобразование энергии в нужную для конечного или промежуточного потребления форму. Причем среди задач преобразователя выделяется не только трансформация как перевод энергии из одного вида в другой. Зачастую данный процесс служит и для изменения некоторых параметров энергии без ее трансформации.

Преобразование как таковое может быть одноступенчатым или многоступенчатым. Кроме того, например, работа солнечных генераторов на фотокристаллических элементах обычно рассматривается как трансформация энергии света в электричество. Но вместе с этим возможно и преобразование тепловой энергии, которую Солнце отдает грунту в результате нагрева. Геотермальные модули размещаются на определенной глубине в земле и посредством специальных проводников наполняют энергетическим запасам аккумуляторы. В простой схеме преобразования геотермальная система обеспечивает накопление энергии тепла, которая отдается отопительному оборудованию в чистом виде с базовой подготовкой. В сложной структуре задействуется тепловой насос в единой группе с конденсаторами тепла и компрессорами, которые обеспечивают преобразование тепла и электроэнергию.

электрической энергии

Существуют разные технологические методы извлечения первичной энергии из естественных природных явлений. Но еще больше возможностей для изменения свойств и форм энергии дают аккумулированные энергоресурсы, поскольку они хранятся в удобном для трансформации виде. К наиболее распространенным формам преобразования энергии можно отнести операции излучения, нагрева, механического и химического воздействия. В наиболее сложных системах применяются процессы молекулярного распада и многоуровневые химические реакции, в которых объединяется несколько этапов преобразования.

Выбор конкретного способа трансформации будет зависеть от условий организации процесса, вида изначальной и конечной энергии. Среди самых распространенных видов энергии, которые в принципе участвуют в процессах преобразования можно выделить лучистую, механическую, тепловую, электрическую и химическую энергию. Как минимум, данные ресурсы успешно эксплуатируются в промышленности и бытовом хозяйстве. Отдельного внимания заслуживают косвенные процессы преобразования энергии, которые являются производными той или иной технологической операции. К примеру, в рамках металлургического производства требуется выполнение операций нагрева и охлаждения, в результате которых вырабатывается пар и тепло как производные, но не целевые ресурсы. В сущности, это отходные продукты переработки, которые также находят применение, подвергаются трансформации или использованию в рамках этого же предприятия.

Преобразование энергии тепла

Один из старейших с точки зрения освоения и самых важных для поддержания жизнедеятельности человека энергетических источников, без которых невозможно представить жизнь современного общества. В большинстве случаев тепло преобразуется в электроэнергию, причем простая схема такой трансформации не требует подключения промежуточных этапов. Однако в тепловых и атомных электростанциях в зависимости от условий их работы может применяться этап подготовки с переводом тепловой в механическую энергию, что требует дополнительных затрат. Сегодня все чаще для преобразования тепловой энергии в электричество используются термоэлектрические генераторы прямого действия.

Сам процесс трансформации происходит в специальном веществе, которое сжигается, выделяет тепло и в дальнейшем выступает источником генерации тока. То есть термоэлектрические установки могут рассматриваться как источники электроэнергии с нулевым циклом, так как их работа запускается еще до появления базовой тепловой энергии. В качестве основного ресурса выступают топливные элементы - как правило, газовые смеси. Они сжигаются, в результате чего происходит нагрев теплораспределительной металлической пластины. В процессе отвода тепла через специальный генераторный модуль с полупроводниковыми материалами происходит преобразование энергии. Электрический ток генерируется радиаторной установкой, подключенной к трансформатору или аккумулятору. В первом варианте энергия сразу поступает к потребителю в готовом виде, а во втором - накапливается и отдается по мере надобности.

Генерация тепловой энергии из механической

Также один из самых распространенных способов получения энергии в результате преобразования. Суть его заключается в способности тел отдавать тепловую энергию в процессе совершения работы. В простейшем виде данную схему трансформации энергии демонстрирует пример с трением двух деревянных предметов, в результате чего возникает огонь. Однако для использования данного принципа с ощутимой практической пользой требуются специальные устройства.

В бытовом хозяйстве преобразование механической энергии имеет место в системах отопления и водоснабжения. Это сложные технические конструкции с магнитопроводом и шихтованным сердечником, подключенным к замкнутым электропроводящим контурам. Также внутри рабочей камеры данной конструкции проходят трубы отопления, которые нагреваются под действием совершаемой работы от привода. Недостатком данного решения можно назвать необходимость подключения системы к электросети.

В промышленности используются более мощные преобразователи с жидким теплоносителем. Источник механической работы подключается к замкнутым резервуарам с водой. В процессе движения исполнительных органов (турбин, лопастей или других элементов конструкции) внутри контура создаются условия для вихреобразования. Это происходит в моменты резкого торможения лопастей. Кроме нагрева в данном случае повышается и давление, что облегчает процессы циркуляции воды.

Большинство современных технических агрегатов работает на принципах электромеханики. Синхронные и асинхронные электрические машины и генераторы используются в транспорте, станочном оборудовании, промышленных инженерных узлах и прочих силовых установках разного назначения. То есть электромеханические виды преобразования энергии применимы и к генераторному, и к двигательному режимам работы в зависимости от текущих требований приводной системы.

В обобщенном виде любую электрическую машину можно рассматривать как систему взаимно перемещающихся магнитно-связанных электрических цепей. К подобным явлениям также относят гистерезис, насыщение, высшие гармоники и магнитные потери. Но в классическом представлении относить их к аналогам электрических машин можно лишь в случае, если речь идет о динамических режимах, когда система работает в рамках энергетической инфраструктуры.

В основе системы электромеханического преобразования энергии лежит принцип двух реакций с двухфазными и трехфазными компонентами, а также метод вращающихся магнитных полей. Ротор и статор двигателей выполняют механическую работу под действием магнитного поля. В зависимости от направления движения заряженных частиц устанавливается режим работы - в качестве мотора или генератора.

Генерация электричества из химической энергии

Совокупный химический источник энергии относится к традиционным, однако методы его преобразования не так распространены в силу экологических ограничений. Сама по себе химическая энергия в чистом виде практически не используется - по крайней мере, в виде концентрированных реакций. В то же время естественные химические процессы окружают человека повсюду в виде высоко- или низкоэнергетических связок, которые проявляются, например, при горении с выделением тепла. Тем не менее, преобразование химической энергии целенаправленно организуется в некоторых отраслях промышленности. Обычно создаются условия для высокотехнологичного горения в плазменных генераторах или газовых турбинах. Типичным реактивом данных процессов является топливный элемент, который и способствует получению электрической энергии. С точки зрения КПД подобные преобразования не так выгодны по сравнению с альтернативными способами генерации электроэнергии, так как часть полезного тепла рассеивается даже в современных плазменных установках.

Преобразование энергии солнечного излучения

Как способ преобразования энергии процесс обработки солнечного света уже в скором будущем может стать самым востребованным в энергетике. Связано это с тем, что даже в наши дни каждый домовладелец теоретически может приобрести оборудование для преобразования солнечной энергии в энергию электрическую. Ключевой особенностью данного процесса является бесплатность аккумулируемого солнечного света. Другое дело, что это не делает процесс полностью лишенным расходов. Во-первых, затраты потребуются на техническое обслуживание солнечных аккумуляторов. Во-вторых, и сами генераторы такого типа стоят недешево, поэтому первичное вложение в организацию собственной мини-энергостанции пока могут себе позволить немногие.

Что же представляет собой солнечный генератор энергии? Это комплект фотоэлектрических панелей, выполняющих преобразование энергии солнечных лучей в электричество. Сам принцип этого процесса во многом схож с работой транзистора. В качестве основного материала для изготовления фотоэлементов используется кремний в разных вариантах. Например, устройство для преобразования энергии Солнца может быть поли- и монокристаллическим. Второй вариант предпочтительнее по рабочим характеристикам, но стоит дороже. В обоих случаях происходит освещение фотоэлемента, при котором активизируются электроды и в процессе их движения вырабатывается электродинамическая сила.

Паровые турбины могут применяться в промышленности как способ трансформации энергии в приемлемую форму, так и в качестве самостоятельного генератора электричества или тепла из специально направляемых потоков условного газа. Далеко не одни турбинные машины используются как устройства преобразования электрической энергии в составе с паровыми генераторами, но их конструкция оптимально подходит для организации этого процесса с высоким КПД. Простейшее техническое решение - турбина с лопатками, к которой подключаются сопла с подаваемым паром. По мере движения лопастей происходит вращение электромагнитной установки внутри аппарата, выполняется механическая работа и вырабатывается ток.

Некоторые конструкции турбин имеют специальные расширения в виде ступеней, где происходит превращение механической энергии пара в кинетическую. Данная особенность устройства обуславливается не столько интересами повышения производительности преобразования энергии генератора или необходимостью выработки именно кинетического потенциала, сколько обеспечением возможности гибкой регуляции работы турбины. Расширение в турбине обеспечивает функцию управления, что дает возможность эффективной и безопасной регуляции объемов генерируемой энергии. К слову, рабочая область расширения, которая включается в процесс преобразования, называется активной ступенью давления.

Способы передачи энергии

Способы трансформации энергии невозможно рассматривать без понятия ее передачи. На сегодняшний день выделяется четыре способа взаимодействия тел, при которых происходит передача энергии, - электрический, гравитационный, ядерный и слабый. Передачу в данном контексте можно рассматривать и как способ обмена, поэтому принципиально разделяют совершение работы при передаче энергии и функцию теплообмена. Какие преобразования энергии предусматривают совершение работы? Типичным примером является механическое усилие, при котором в пространстве происходит перемещение макроскопических тел или отдельных частиц тел. Помимо механической силы также выделяют магнитную и электрическую работу. Ключевым объединяющим свойством практически для всех типов работ является способность к полному количественному преобразованию между собой. То есть электричество трансформируется в механическую энергию, механическая работа в магнитный потенциал и т.д. Теплообмен также является распространенным способом передачи энергии. Он может быть ненаправленным или хаотическим, но в любом случае происходит движение микроскопических частиц. Количество активизированных частиц будет определять объем тепла - полезную теплоту.

Заключение

Переход энергии из одной формы в другую является нормальным, а в некоторых отраслях обязательным условием производственного энергетического процесса. В разных случаях необходимость включения этого этапа может объясняться экономическими, технологическими, экологическими и другими факторами генерации ресурса. При этом, несмотря на разнообразие естественных и искусственно организующихся способов трансформации энергии, подавляющее большинство установок, обеспечивающих процессы преобразования, применяются только для электричества, теплоты и механической работы. Средства для преобразования электрической энергии и вовсе являются самыми распространенными. Электрические машины, обеспечивающие трансформацию механической работы в электроэнергию по принципу индукции, к примеру, используются практически во всех сферах, где задействуют сложные технические устройства, агрегаты и приборы. И эта тенденция не снижается, так как человечество нуждается в постоянном увеличении объемов энергетического производства, что заставляет искать новые источники первичной энергии. На данный момент наиболее перспективными направлениями в энергетике считаются системы генерации того же электричества из механической энергии, производимой Солнцем, ветром и потоками воды в естественной природе.

Генераторные установки вырабатывают однофазный или трехфазный ток промышленный частоты, а химические источники - постоянный. При этом на практике довольно часто возникают ситуации, когда одного вида электроэнергии недостаточно для работы определенных устройств и требуется выполнять ее преобразование.

С этой целью промышленностью выпускается большое количество электротехнических устройств, которые оперируют с разными параметрами электрической энергии, превращая их из одного вида в другой с различными напряжениями, частотой, количеством фаз и формами сигналов. По выполняемым функциям они подразделяются на устройства преобразования:

простые;

с возможностью регулирования выходного сигнала;

наделенные способностью стабилизации.

Способы классификации

По характеру выполняемых операций преобразователи делят на устройства:

выпрямления;

инвертирования в один или несколько этапов;

изменения частоты сигнала;

преобразования числа фаз электрической системы;

модификации вида напряжения.

По способам управления происходящих алгоритмов регулируемые преобразователи работают на:

импульсном принципе, используемом в схемах постоянного тока;

фазовом методе, применяемом в цепях гармоничных колебаний.

Самые простые конструкции преобразователей могут не наделяться функцией управления.

Все устройства преобразования могут использовать один из следующих видов электрической схемы:

мостовую;

нулевую;

на основе трансформатора или без него;

с одной, двумя, тремя или несколькими фазами.

Выпрямительные устройства

Это наиболее распространенный и старый класс преобразователей, позволяющих получать выпрямленный или стабилизированный постоянный ток из переменного синусоидального обычно промышленной частоты.

Раритетные экспонаты

Маломощные устройства

Буквально несколько десятилетий назад в радиотехнических и электронных устройствах еще использовались селеновые конструкции и ламповые на основе вакуума приборы.

В основе подобных устройств использовался принцип выпрямления тока одним единичным элементом из селеновой пластины. Их последовательно собирали в единую конструкцию через монтажные переходники. Чем выше требовалось напряжение для выпрямления, тем большее количество таких элементов использовалось. Они не отличались большими мощностями и выдерживали нагрузку в несколько десятков миллиампер.

У ламповых выпрямителей внутри герметичного стеклянного корпуса создавался вакуум. В нем располагались электроды: анод и катод с нитью накала, обеспечивающей протекание термоэлектронной эмиссии.

Подобный ламповые приборы обеспечивали питание постоянным током для различных схем радиоприемников и телевизоров вплоть до конца прошлого столетия.

Игнитроны - мощные устройства

В промышленных устройствах раньше широко использовались ионные ртутные приборы с анодом и катодом, работающие по принципу управляемого дугового заряда. Они применялись там, где требовалось оперировать нагрузкой постоянного тока с силой в сотни ампер при выпрямленном напряжении до пяти киловольт включительно.

Для протекания тока от катода в направлении анода использовался поток электронов. Он создавался за счет дугового разряда, вызываемого на одном или нескольких участках катода, называемых светящимися катодными пятнами. Они формировались при включении вспомогательной дуги от поджигающего электрода до момента зажигания основной.

Для этого создавались кратковременные импульсы в несколько миллисекунд с силой тока до десятков ампер. Изменение формы и силы импульсов позволяло управлять работой игнитрона.

Эта конструкция обеспечивала хорошее поддержание напряжения при выпрямлении и довольно высокий КПД. Но, техническая сложность конструкции и трудности эксплуатации привели к отказу от ее использования.

Полупроводниковые приборы

Диоды

В основу их работы положен принцип проводимости тока в одну сторону за счет свойств p-n перехода, образованного контактами между полупроводниковыми материалами или металлом и полупроводником.

Диоды пропускают ток только определенного направления, а при прохождении через них переменной синусоидальной гармоники срезают одну полуволну и за счет этого широко используются как выпрямительные устройства.

Современные диоды выпускаются очень широким ассортиментом и наделяются разнообразными техническими характеристиками.

Тиристоры

В составе тиристора используется четыре слоя проводимости, образующих более сложную полупроводниковую структуру, чем у диода с тремя последовательно соединенными p-n переходами J1, J2, J3. Контакты с внешним слоем «p» и «n» используются в качестве анода и катода, а с внутренним - как управляющий электрод УЭ, который применяется для включения тиристора в работу и выполнения регулирования.

Выпрямление синусоидальной гармоники производится по тому же принципу, как и у полупроводникового диода. Но, для работы тиристора необходимо учесть определенную особенность - структура его внутренних переходов должна быть открыта для прохождения электрических зарядов, а не закрыта.

Это осуществляется пропусканием тока определенной полярности через управляющий электрод. На картинке ниже показаны способы открытия тиристора, используемые заодно для регулировки величины пропускаемого тока в разные моменты времени.

При подаче тока через УЭ в момент перехода синусоиды через нулевое значение создается максимальная величина, которая постепенно уменьшается в точках «1», «2», «3».

Таким способом происходит выпрямление тока в комплексе с регулированием тиристором. Аналогичным образом работают симисторы и мощные полевые MOSFET и/или AGBT транзисторы в силовых цепях. Но, они не выполняют функцию выпрямления тока, пропуская его в обоих направлениях. Поэтому в их схемах управления используется дополнительный алгоритм прерывания импульса.

Преобразователи постоянного тока

Эти конструкции осуществляют обратную выпрямителям операцию. Они применяются для выработки переменного синусоидального тока из постоянного, получаемого от химических источников тока.

Раритетные разработки

С конца XIX века для преобразования постоянного напряжения в переменное использовались электрические машинные конструкции. В их состав входил электродвигатель постоянного тока, получавший энергию от аккумулятора или комплекта батарей и генератор переменного напряжения, якорь которого вращался от привода двигателя.

В отдельных устройствах обмотка генератора наматывалась прямо на общем роторе двигателя. При этом способе не только меняли форму сигнала, но и, как правило, увеличивали амплитуду напряжения или частоту.

Если на якоре генератора намотаны три разнесенные по 120 градусов обмотки, то с его помощью получали уже равноценное симметричное трехфазное напряжение.

Умформеры широко использовались вплоть до 70-х годов для радиоламповых устройств, оборудования троллейбусов, трамваев, электровозов до массового внедрения полупроводниковых элементов.

Инверторные преобразователи

Принцип работы

За основу рассмотрения возьмем схему проверки тиристора КУ202 от батарейки и лампочки.

В цепь подачи плюсового потенциала батарейки на анод врезан нормально замкнутый контакт кнопки SA1 и лампочка накаливания малой мощности. Подключение управляющего электрода выполнено через токоограничивающий резистор и открытый контакт кнопки SA2. Катод соединен жестко с минусом батарейки.

Если в момент времени t1 нажать кнопку SA2, то по цепочке управляющего электрода на катод потечет ток, который откроет тиристор и лампочка, включенная в анодную ветвь, загорится. Она, благодаря конструктивной особенности этого тиристора, будет продолжать гореть даже при размыкании контакта SA2.

Теперь в момент времени t2 нажмем на кнопку SA1. Цепь питания анода обесточится, а лампочка погаснет из-за того, что прохождение тока через нее прекратится.

На графике представленной картинки видно, что внутри промежутка времени t1÷t2 проходил постоянный ток. Если переключения кнопок выполнять очень быстро, то можно сформировать с положительным знаком. Точно так же можно создать отрицательный импульс. С этой целью достаточно немного изменить схему для прохождения тока противоположного направления.

Если в рассмотренной схеме заменить кнопки SA1 и SA2 контактами реле или транзисторными ключами и коммутировать их по определенному алгоритму, то можно будет в автоматическом режиме создавать ток с формой меандра и подгонять его под определенную частоту, скважность, период. Такими переключениями занимается специальная электронная схема управления.

Структурная схема силовой части

В качестве примера рассмотрим наиболее простую систему первичных цепей инвертора, работающего по мостовой схеме.

Здесь вместо тиристора формированием прямоугольного импульса занимаются специально подобранные полевые транзисторные ключи. В диагональ их моста включено сопротивление нагрузки Rн. Силовые электроды каждого транзистора «исток» и «сток» встречно соединены с шунтирующими диодами, а на «затвор» подключены выходные контакты схемы управления.

За счет автоматической работы управляющих сигналов на нагрузку выдаются различные по длительности и знаку импульсы напряжения. Их очередность и характеристики подогнаны под оптимальные параметры выходного сигнала.

Под действием приложенных напряжений на диагональном сопротивлении с учетом переходных процессов возникает ток, форма которого уже больше приближена к синусоиде, чем у меандра.

Сложности технической реализации

Для хорошего функционирования силовой схемы инверторов необходимо обеспечивать надежную работу системы управления, которая основана на коммутации ключей. Они наделяются свойствами двусторонней проводимости и формируются за счет шунтирования транзисторов подключением обратных диодов.

С целью регулирования амплитуды выходного напряжения чаще всего используется за счет выбора площади импульса каждой полуволны методом управления ее длительностью. Кроме этого способа встречаются устройства, работающие на амплитудном импульсном преобразовании.

В процессе формирования выходных цепей напряжения возникает нарушение симметрии полуволн, которое отрицательно сказывается на работе индуктивных нагрузок. Наиболее характерно это заметно у трансформаторов.

При работе системы управления задается алгоритм формирования ключей силовой цепи, включающий три этапа:

1. прямой;

2. короткозамкнутый;

3. инверсный.

На нагрузке возможны появления не только пульсирующих, но и изменяющихся по направлению токов, которые создают дополнительные помехи на зажимах источника.

Типовые конструкции

Среди множества различных технологических решений, используемых для создания инверторов, распространены три схемы, рассматриваемые по степени увеличения сложности:

1. мостовая без трансформатора;

2. с нулевым выводом трансформатора;

3. мостовая с трансформатором.

Формы выходных сигналов

Инверторы создаются для выдачи напряжений:

прямоугольного вида;

трапеции;

ступенчатых чередующихся сигналов;

синусоид.

Преобразователи фаз

Промышленность выпускает электродвигатели для работы в конкретных условиях эксплуатации с учетом питания от определенных видов источников. Однако, на практике возникают ситуации, когда по разным причинам необходимо подключить трехфазный асинхронный двигатель в однофазную сеть. Для этого разработаны различные электрические схемы и устройства.

Энергозатратные технологии

Статор трехфазного асинхронного двигателя включает в свой состав три разнесенные по 120 градусов навитые определенным образом обмотки, каждая из которых при подаче в нее тока своей фазы напряжения создает собственное вращающееся магнитное поле. Направление токов выбрано так, что их магнитные потоки дополняют друг друга, обеспечивая взаимное действие для вращения ротора.

Когда имеется всего одна фаза напряжения питания для такого двигателя, то возникает необходимость сформировать из нее три цепочки тока, каждая из которых тоже смещена на 120 градусов. Иначе вращение не получится или будет неполноценным.

В электротехнике существует два простых способа поворота вектора тока относительно напряжения методом подключения на:

1. индуктивную нагрузку, когда ток начинает отставать от напряжения на 90 градусов;

2. емкость для создания опережения тока на 90 градусов.

На приведенной картинке показано, что от одной фазы напряжения Ua можно получить ток, сдвинутый по углу не на 120, а только на 90 градусов вперед или назад. Причем для этого потребуется еще подбирать номиналы конденсаторов и дросселей чтобы создать допустимый режим работы двигателя.

В практических решениях подобных схем чаще всего останавливались на конденсаторном способе без использования индуктивных сопротивлений. Для этого в одну обмотку подавали напряжение фазы питания без каких-либо преобразований, а в другую - сдвинутую конденсаторами. В результате создавался приемлемый крутящий момент для двигателя.

Но чтобы раскрутить ротор требовалось создать дополнительный крутящий момент подключением третьей обмотки через пусковые конденсаторы. Использовать их для постоянной работы невозможно из-за образования больших токов в пусковой схеме, которые быстро создают повышенный нагрев. Поэтому эта цепочка включалась кратковременно для набора момента инерции вращения ротора.

Подобные схемы проще реализовывались благодаря простому формированию конденсаторных батарей определенных номиналов из отдельных доступных элементов. Дроссели же необходимо было самостоятельно рассчитывать и наматывать, что затруднительно выполнять не только в домашних условиях.

Однако, наилучшие условия для работы двигателя создавались при комплексном включении конденсатора и дросселя в разные фазы с подбором направлений токов в обмотках и применением токогасящих резисторов. При таком способе потери мощности двигателя составляли до 30%. Однако, конструкции подобных преобразователей были экономически не выгодны потому, что они потребляли для работы больше электроэнергии, чем сам двигатель.

Конденсаторная схема запуска тоже потребляет повышенную норму электричества, но в меньшей степени. К тому же, двигатель, подключенный в ее схему, способен выработать мощность, незначительно превышающую 50% от той, которая создавалась при нормальном трехфазном питании.

Из-за сложностей подключения трехфазного двигателя в цепь однофазного питания и больших потерь электроэнергии и выходной мощности такие преобразователи показали свою низкую эффективность, хотя продолжают работать в отдельных установках и станках.

Инверторные устройства

Полупроводниковые элементы позволили создать более рациональные преобразователи фаз, выпускаемые на промышленной основе. Их конструкции обычно предназначены для эксплуатации в трехфазных схемах, но они могут быть созданы для работы и с большим количеством разнесенных на разные углы цепочек.

При работе преобразователей, питаемых от одной фазы, выполняется следующая очередность технологических операций:

1. выпрямление однофазного напряжения диодной сборкой;

2. сглаживание пульсаций схемой стабилизации;

3. преобразование постоянного напряжения в трехфазное за счет метода инвертирования.

При этом силовая схема может состоять из трех однофазных частей, работающих автономно, как рассмотрено ранее, или одной общей, собранной, например, по системе автономного трехфазного инверторного преобразования с использованием нулевого общего провода.

Здесь на каждую нагрузку фазы работают свои пары полупроводниковых элементов, которые управляются от общей системы управления. Они создают синусоидальные токи в фазах сопротивлений Ra, Rb, Rc, которые подключены к общей схеме питания через нулевой провод. В нем происходит сложение векторов токов от каждой нагрузки.

Качество приближения выходного сигнала к виду чистой синусоиды зависит от общей конструкции и сложности используемой схемы.

Преобразователи частоты

На основе инверторов создаются устройства, позволяющие в широких пределах изменять частоту синусоидальных колебаний. Для этого поступающая на них электроэнергия в 50 герц претерпевает следующие изменения:

выпрямления;

стабилизации;

преобразования напряжения повышенной частоты.

В основу работы заложены те же принципы предыдущих конструкций за исключением того, что система управления на основе микропроцессорных плат формирует на выходе преобразователя выходное напряжение повышенной частоты в десятки килогерц.

Частотное преобразование на основе автоматических устройств позволяет оптимально регулировать работу электродвигателей в моменты пуска, торможения и реверса, а также удобно изменять скорость вращения ротора. При этом резко снижается вредное влияние переходных процессов во внешней электрической сети питания.

Сварочные инверторы

Основное назначение этих преобразователей напряжение состоит в поддержании стабильного горения дуги и легкого управления всеми ее характеристиками, включая поджиг.

С этой целью в конструкцию инвертора включены несколько блоков, осуществляющих последовательное выполнение:

выпрямления трехфазного или однофазного напряжения;

стабилизацию параметров фильтрами;

инвертирование из стабилизированного постоянного напряжения высокочастотных сигналов;

преобразование в/ч напряжения понижающим трансформатором для повышения величины сварочного тока;

вторичное выпрямление выходного напряжения для формирования дуги у сварки.

За счет использования высокочастотного преобразования сигнала значительно снижаются габариты сварочного трансформатора и экономятся материалы для всей конструкции. обладают большими преимуществами в эксплуатации по сравнении со своими электромеханическими аналогами.

Трансформаторы: преобразователи напряжения

В электротехнике и энергетике по-прежнему для изменения амплитуды сигнала напряжения наибольшее распространение имеют трансформаторы, работающие на электромагнитном принципе.

Они имеют две или большее количество обмоток и , по которому передается магнитная энергия для преобразования входного напряжения в выходное с измененной амплитудой.

Прямое преобразование химической энергии в механическую происходит, например, при сокращении мышц. Подобное преобразование удалось имитировать в лабораторных условиях: была синтезирована пластмассовая пленка, которая в щелочном растворе растягивается вдвое и увеличивается в объеме в 8 раз, а в соляной кислоте, напротив - сокращается. В экспериментах использовались белковые волокна и растворы солей различных концентраций. Деформированная пленка может совершать полезную механическую работу. Прямое преобразование химической энергии в электромагнитную происходит в разработанных сравнительно недавно химических лазерах, в которых атомы возбуждаются за счет энергии химических реакций. Однако КПД такого преобразования очень низок.

Названные способы прямого преобразования энергии вряд ли найдут широкое применение для промышленного производства энергии.

Электроэнергия на тепловых электростанциях производится в результате преобразования внутренней энергии топлива по известной схеме:

химическая энергия топлива ->мечтая энергия -> механическая энергия -> электроэнергия.

При прямом преобразовании химической энергии в электрическую исключаются две промежуточные стадии превращения, что приводит к уменьшению рассеяния энергии и, следовательно, к повышению

КПД и в конечном счете к сбережению природных ресурсов. Поэтому по мере истощения ископаемых энергоресурсов и ужесточения экологических требований к энергетическим системам и транспорту как основным потребителям энергоресурсов, вклад химических источников электроэнергии с прямым преобразованием в общие энергоресурсы с течением времени будет возрастать. Предполагается, что производство, например, автомобилей с электрохимическими источниками энергии, существенно возрастет уже в ближайшем будущем.

Устройства с прямым преобразованием энергии известны давно. Это и батареи для карманного фонарика, и различные аккумуляторы. В разработанных сравнительно недавно топливных элементах также происходит прямое преобразование энергии. По принципу действия они похожи на электрохимические элементы с той разницей, что электроды топливных элементов служат катализатором и не принимают непосредственного участия в выработке электроэнергии. Так, в водород-кислородном топливном элементе топливо окисляется на аноде, высвобождая электроны. В результате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Анод изготавливается из пористого никель-керамического сплава с включением никелевых частиц, а катод - из того же сплава с внедрением серебра. Из 1 кг водорода в водород-кислородном элементе можно получить энергии в 10 раз больше, чем при сгорании 1 кг бензина в двигателе внутреннего сгорания. При этом образуется вода, а не вредные выхлопные газы. Казалось бы, двигатели на водороде обладают явными преимуществами. Почему же они не внедряются широко и не приходят на смену бензиновым двигателям? Ответ на этот вопрос включает пока две нерешенные проблемы, связанные с ценой и надежностью. Водород должен быть дороже бензина не более чем в 10 раз, чтобы успешно с ним конкурировать.

Получают водород разными способами: термохимическим превращением ископаемых углеводородов и биомассы, электрохимическим разложением воды, фотоэлектрохимическим и фотобиологи- ческим превращением воды.

Для хранения водорода в жидком и газообразном состояниях на стационарных и мобильных объектах используются легкие, но прочные стеклопластиковые баллоны. Прошли также испытания баки для автомобилей, в которых водород находится в химически связанном виде в металлогидридах. Разрабатываются надежные системы хранения водорода с помощью углеродных нанотрубок.

Водород применяется в транспорте различного вида: в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания, в топливных элементах для питания колесных электродвигателей, в воздушных, водных и подводных судах, в жидкостно-ракетных двигателях.

В 1999 г. фирма BMW выпустила первые модификации автобусов и легковых автомобилей на водороде и построила для них в аэропорту Мюнхена (Германия) водородную автозаправочную станцию. Совсем недавно фирма «Дженерал Моторе» разработала легковой автомобиль с двигателем на водороде. Одна его заправка обеспечивает пробег 800 км. КПД такого двигателя очень высокий - около 85%, что существенно превышает аналогичный показатель для бензинового двигателя. При этом водородный двигатель не дает вредных выбросов: отработанные продукты - водяные пары.

Дляширокоговнедренияводородныхдвигателейнеобходиморешить проблему дешевого производства топлива - водорода. Возможно, в ближайшем будущем ее удастся решить, если водородное топливо, подобно нефти, будет извлекаться из недр Земли. Проведенные недавно исследования наших соотечественников-геологов показали, что в результате электромагнитного зондирования на глубине 5-6 км наблюдается аномальное явление, которое, как предполагается, связано с наличием бескислородных сплавов и соединений на основе кремния, магния и железа. Если такое предположение подтвердится при глубинном бурении, то откроется возможность качать горячий водород прямо из Земли, ведь при взаимодействии кремния и магния с водой выделяются водород и тепло. Для этого достаточно пробурить две скважины - в одну закачивать воду, а из другой извлекать нагретый водород. Это позволит в большом объеме производить дешевые энергоресурсы - водород и сопутствующее тепло, и тогда водородная автозаправка станет обычным и привычным делом.

В последнее время все больше внимания уделяется не только автомобилю с водородным двигателем, но и электромобилю. Не так давно фирма BMW продемонстрировала новый электромобиль на основе серно-натриевого аккумулятора. Он очень быстро набирает скорость - за 20 с до 96 км/ч, и пробег между подзарядками составляет немалое расстояние - 270 км. Однако рабочая температура серно-натриевого аккумулятора сравнительно высокая - около 350 °С, что требует дополнительных мер безопасности.

Первые электромобили появились не сегодня, не вчера, а гораздо раньше. Например, в США к началу XX в. выпускалось 38% автомобилей с электрическим приводом и питанием от батарей. К 1912 г. американские компании ежегодно производили примерно 6000 электромобилей. Длина их пробега без подзарядки была не так уж мала и для нашего времени - 80 км.

Разрабатываются и легкие электротранспортные средства: электромопеды, электророллеры, мини-электромобили на никель- металлогидридных аккумуляторах, обладающих в 2-3 раза большей удельной энергоемкостью, чем свинцово-кислотные.

В последние годы большое внимание уделяется разработке разных видов топливных элементов, которые отличаются составом электродов, электролита и конструкцией. Например, в щелочных топливных элементах электролитом служит гидрооксид калия. В топливных элементах с фосфорной кислотой анод и катод выполнены из мелкодисперсного платинового катализатора, напыленного на углеродную основу, а электролит представляет собой матрицу из карбида кремния, содержащую фосфорную кислоту. Рабочая температура таких элементов равна 150-220 °С. Применяются они в стационарных условиях (отели, офисы) и на разных автомобилях.

Топливные элементы с расплавом углеродной соли могут работать на водороде, оксиде углерода, природном газе, дизельном топливе. Их КПД при выработке электроэнергии и тепла достигает 35%.

Высокой стабильностью работы и надежностью отличаются твердооксидные топливные элементы, производство которых было налажено в 2003 г. Они могут потреблять разные виды топлива. Их мощность - до 250 кВт и КПД - 85%. Твердооксидные топливные элементы содержат твердый керамический электролит из тонкого слоя оксида циркония, лантан-манганитовый катод и никель- циркониевый анод. Топливные элементы такого вида эффективно работают в гибридных энергетических системах.

Создаются топливно-гальванические элементы, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом из воздуха, анодом служит алюминиевая пластина, а электролитом - водный раствор поваренной соли. Электрическая подзарядка такому элементу не нужна, поскольку энергию он вырабатывает сам в процессе окисления (электрохимического сжигания) металла. КПД такого процесса - около 80%, и при окислении в условиях обычной температуры 1 кг алюминия выделяет примерно столько энергии, сколько 1 кг каменного угля при сгорании на воздухе при очень высокой температуре.

Достоинств у таких источников энергии много: простота конструкции, полная безопасность эксплуатации и хорошие удельные энергетические характеристики. Недостаток практически один: дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом большой энергоемкостью его производства. Такой недостаток можно свести к минимуму с помощью внедрения новой технологии производства алюминия. При ее промышленном освоении алюминий и его сплавы станут намного дешевле.

Сравнительно недавно разработаны литий-йодные батареи с прямым преобразованием химической энергии в электрическую. Эти батареи работают на твердом йодном электролите, что позволяет при минимальных их размерах получить сравнительно большую емкость, а также увеличить срок их службы. Такие батареи применяются в электрокардиостимуляторах. Срок их службы - около 10 лет, что гораздо больше, чем у обычных батарей.

При разработке новых модификаций преобразователей химической энергии в электрическую уделяется большое внимание повышению их мощности при снижении себестоимости вырабатываемой электроэнергии.

3.1 Энергия и её виды

3.2 Способы получения и преобразования энергии

3.3 Электрические и тепловые нагрузки и способы их регулирования

3.4 Прямое преобразование солнечной энергии в тепловую и электрическую

3.5 Ветроэнергетика

3.6 Гидроэнергетика

3.7 Биоэнергетика

3.8 Транспортирование тепловой и электрической энергии

3.8.1 Транспортирование тепловой энергии

3.8.2 Транспортирование электрической энергии

3.9 Энергетическое хозяйство промышленных предприятий

3.1 Энергия и её виды

Энергия (от греч. energeie - действие, деятельность) представляет собой общую количественную меру движения и взаимодействия всех видов материи. Это способность к совершению работы, а работа совершается тогда, когда на объект действует физическая сила (давление или гравитация). Работа - это энергия в действии.

Во всех механизмах при совершении работы энергия переходит из одного вида в другой. Но при этом нельзя получить энергии одного вида больше, чем другого, при любых ее превращениях, т. к. это противоречит закону сохранения энергии.

Различают следующие виды энергии: механическая; электрическая; тепловая; магнитная; атомная.

Электрическая энергия является одним из совершенных видов энергии. Её широкое использование обусловлено следующими факторами:

Получением в больших количествах вблизи месторождения ресурсов и водных источников;

Возможностью транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями;

Способностью трансформации в другие виды энергии: механическую, химическую, тепловую, световую;

Отсутствием загрязнения окружающей среды;

Внедрением на основе электроэнергии принципиально новых прогрессивных технологических процессов с высокой степенью автоматизации.

Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива.

Преобразование первичной энергии во вторичную, в частности, в электрическую, осуществляется на станциях, которые в своем названии содержат указания на то, какой вид первичной энергии преобразуется на них в электрическую:

На тепловой электрической станции (ТЭС) - тепловая;

Гидроэлектростанции (ГЭС) - механическая (энергия движения воды);

Гидроаккумулирующей станции (ГАЭС) - механическая (энергия движения предварительно наполненной в искусственном водоеме воды);

Атомной электростанции (АЭС) - атомная (энергия ядерного топлива);

Приливной электростанции (ПЭС) - приливов.

В Республике Беларусь более 95 % энергии вырабатывается на ТЭС, которые по назначению делятся на два типа:

Конденсационные тепловые электростанции (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии;

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), на которых осуществляется комбинированное производство электрической и тепловой энергии.

3.2 Способы получения и преобразования энергии

Тепловая электростанция включает комплект оборудования, в котором внутренняя химическая энергия топлива (твердого, жидкого или газообразного) превращается в тепловую энергию воды и пара, преобразующуюся в механическую энергию вращения, которая и вырабатывает электрическую энергию. Схема выработки электроэнергии на ТЭС представлена на рисунке 6.

Как видно из представленной схемы, поступающее со склада (С) в парогенератор (ПГ) топливо при сжигании выделяет тепловую энергию, которая, нагревая подведенную с водозабора (ВЗ) воду, преобразует ее в энергию водяного пара с температурой 550 °С. В турбине (Т) энергия водяного пара превращается в механическую энергию вращения, передающуюся на генератор (Г), который превращает ее в электрическую. В конденсаторе пара (К) отработанный пар с температурой 123 …125 °С отдает скрытую теплоту парообразования охлаждающей его воде и с помощью циркулярного насоса (Н) в виде конденсата вновь подается в котел-парогенератор.

Рисунок 6 - Схема работы ТЭС

Схема ТЭЦ отличается от ТЭС тем, что взамен конденсатора устанавливается теплообменник, где пар при значительном давлении нагревает воду, подаваемую в главные тепловые магистрали.

Котельная установка представляет собой комплекс устройств для получения водяного пара под давлением или горячей воды. Она состоит из котлоагрегата и вспомогательного оборудования, газо- и воздухопроводов, трубопроводов пара и воды с арматурой, тягодутьевых устройств и др.

Районные , или производственные котельные предназначены для централизованного теплоснабжения жилищно-коммунального хозяйства или самого предприятия. С вводом в действие ТЭЦ некоторые из них остались без дела и могут использоваться как резервные и пиковые, и тогда их называют резервно-пиковыми.

Газотурбинная установка - это двигатель, в лопаточном аппарате которого потенциальная энергия газа преобразуется в кинетическую энергию и затем частично превращается в механическую работу, которая преобразуется в электрическую энергию.

Рисунок 7 - Схема газотурбинной установки с подводом тепловой энергии при  = с onst

1 - воздушный компрессор; 2 - газовая турбина; 3 - электрогенератор; 4 - топливный насос; 5 - камера сгорания

В простейшей газотурбинной установке постоянного горения (рисунок 7) воздух, сжатый до некоторого давления в компрессоре 1, поступает в камеру сгорания 5, где его температура повышается за счет сжигания топлива, подающего топливным насосом 4, при постоянном давлении. Продукты сгорания под давлением и при высокой температуре подводятся к турбине 2, в которой совершается работа расширения газа. При этом давление и температура падают. Далее продукты сгорания выбрасываются в атмосферу.

Парогазовая установка - это турбинная теплосиловая установка, в тепловом цикле которой используются два рабочих тела - водяной пар и дымовые газы, поступающие из котлоагрегата.

Поступающий из атмосферы в компрессор 1 (рисунок 8) воздух сжимается с повышением температуры и подается в камеру сгорания 5, в которую при помощи топливного насоса и впрыскивается топливо. В камере сгорания 5 происходит горение топлива, а образующиеся газы поступают в газовую турбину 2, где и совершается работа.

Рисунок 8 - Схема парогазовой установки

1 - воздушный компрессор; 2 - газовая турбина; 3 - электрогенератор; 4 – топ-ливный насос; 5 - камера сгорания; 6 - подогреватель; 7 - котел; 8 - паровая турбина; 9 - конденсатор водяного пара; 10 - питательный насос

Отработанные газы с температурой 350 °С и пониженным давлением поступают в подогреватель 6, где отдают часть теплоты для подогрева питательной воды, поступающей в котел 7 и, охладившись при этом, сбрасываются в атмосферу. Питательная вода используется в котле для получения пара, который поступает в паровую турбину 8 с температурой

540 °С. В ней пар расширяется, производя техническую работу. Отработанный в турбине пар поступает в конденсатор 9, в котором конденсируется, а образовавшийся конденсат при помощи насоса 10 направляется сначала в подогреватель 6, где воспринимает тепло отработавших в газовой турбине газов, а затем - в паровой котел 7. Расходы пара и газа подбираются таким образом, чтобы вода воспринимала максимальное количество теплоты газов. Термический коэффициент полезного действия установок - свыше 60 %.

О том, насколько эффективно внедрение паротурбинных установок, показывает внедрение в Витебском производственном объединении «Витязь» двух паротурбинных установок, которые способны вырабатывать 1500 кВт электроэнергии (по 750 кВт каждая) и ежемесячно экономить до 30 тыс. долларов на покупку энергии. Срок окупаемости проекта - чуть больше года.

Гидроэлектростанция представляет собой комплекс гидротехнических сооружений и энергетического оборудования, посредством которых энергия водных потоков или расположенных на относительно более высоких уровнях водоёмов преобразуется в электрическую энергию.

Технологический процесс получения электроэнергии на ГЭС включает:

Создание разных уровней воды в верхнем и нижнем бьефах;

Превращение энергии потока воды в энергию вращения вала гидравлической турбины;

Превращение гидрогенератором энергии вращения в энергию электрического тока.

Гидроаккумулирующая электростанция представляет собой такую гидроэлектростанцию, в которой поступление воды в водоем верхнего бьефа обеспечивается искусственно, посредством насосов, работающих за счет электроэнергии из системы. Она оборудована кроме турбин насосами (помпами) или только турбинами, которые могут работать в режиме помп (обратные турбины) для подъема воды в часы малых нагрузок в энергосистеме с нижнего бьефа в водохранилище верхнего бьефа за счет подключения к энергосистеме. При больших нагрузках ГАЭС работают как обычные ГЭС.

Тепловые схемы АЭС зависят от типа реактора; вида теплоносителя; состава оборудования и могут быть одно-, двух-, и трехконтурными.

Схема выработки электроэнергии на одноконтурной АЭС представлена па рисунке 9. Пар вырабатывается непосредственно в реакторе и поступает в паровую турбину. Отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и конденсат подается насосом в реактор. Схема проста, экономична. Однако пар (рабочее тело) на выходе из реактора становится радиоактивным, что предъявляет повышенные требования к биологической защите и затрудняет проведение контроля и ремонта оборудования.

Рисунок 9 - Тепловая схема простейшей одноконтурной атомной электростанции

1 - атомный реактор; 2 - турбина; 3 - электрогенератор; 4- конденсатор водяных паров; 5 - питательный насос

В двухконтурных схемах производства электроэнергии на АЭС имеется два самостоятельных контура (рисунок 10) - теплоносителя и рабочего тела. Общее оборудование у них - парогенератор, в котором нагретый в реакторе теплоноситель отдает свою теплоту рабочему телу и при помощи циркуляционного насоса возвращается в реактор.

Рисунок 10 - Тепловая схема простейшей двухконтурной атомной электростанции

1 - атомный реактор; 2 - теплообменник-парогенератор; 3 - главный циркуляционный насос; 4 - турбина; 5 - электрогенератор; 6 - конденсатор водяных паров; 7 - питательный насос

Давление в первом контуре (контуре теплоносителя) значительно выше, чем во втором. Полученный в теплогенераторе пар подается в турбину, совершает работу, затем конденсируется, и конденсат питательным насосом подается в парогенератор. Хотя парогенератор усложняет установку и уменьшает её экономичность, но препятствует радиоактивности во втором контуре.

В трехконтурной схеме теплоносителями первого контура служат жидкие металлы (например, натрий). Радиоактивный натрий из реактора поступает в теплообменник промежуточного контура с натрием, которому отдает теплоту и возвращается в реактор. Давление натрия во втором контуре выше, чем в первом, что исключает утечку радиоактивного натрия. В промежуточном втором контуре натрий отдает теплоту рабочему телу (воде) третьего контура. Образовавшийся пар поступает в турбину, совершает работу, конденсируется и поступает в парогенератор.

Трехконтурная схема требует больших затрат, но обеспечивает безопасную работу реактора.

Отличие ТЭС от АЭС состоит в том, что источником теплоты на ТЭС является паровой котел, в котором сжигается органическое топливо; на АЭС -ядерный реактор, теплота в котором выделяется делением ядерного топлива, обладающего высокой теплотворной способностью (в миллионы раз выше, чем органическое топливо). Один грамм урана содержит 2,6 10 ядер, при делении которых выделяется 2000 кВт ч энергии. Для получения такого же количества энергии нужно сжечь более 2000 кг угля.

Однако при эксплуатации АЭС образуется большое количество радиоактивных веществ в топливе, теплоносителе, конструкционных материалах. Поэтому АЭС является источником радиационной опасности для обслуживающего персонала и проживающего вблизи населения, что повышает требование к надежности и безопасности её эксплуатации.

Теплоэлектрацентраль (ТЭЦ) - это тепловая электростанция, выраба-тывающая не только электрическую энергию, но и тепло, отпускаемое потре-бителям в виде пара и горячей воды для коммунально-бытового потребления. При такой комбинированной выработке тепловой и электрической энергии в тепловую сеть отдается главным образом теплота отработавшего в турбинах пара (или газа), что приводит к снижению расхода топлива на 25-30 % по сравнению с раздельной выработкой энергии на КЭС или ГРЭС (государственные районные электростанции) и теплоты в районных котельных.

https://pandia.ru/text/78/077/images/image003_160.gif" width="132" height="60">2010

УДК 621.314(075)

Рецензенты: заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор кафедры «Эксплуатация энергооборудования и электрические машины» Саратовского государственного аграрного университета, д. т. н. ; коллектив кафедры «Электроснабжение» Ульяновского государственного технического университета (декан энергетического факультета, профессор)

Угаров, энергии: учеб. пособие / , . Под ред. д. т. н. ; ВолгГТУ, Волгоград, 2010. – 96 с.

Рассмотрены методы преобразования энергии и технические средства – преобразователи для их реализации. Приведены расчетные соотношения для ряда преобразователей энергии. В издании использованы материалы источников, приведенных в конце пособия, а также материалы лекций авторов, прочитанных для студентов по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий» и направлениям «Электроэнергетика», «Электротехника».

Предназначено для студентов энергетических специальностей, обучающихся по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий» и направлениям «Электроэнергетика», «Электротехника».

Ил. 32. Табл. 2. Библиогр.: 21 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ISBN 0558-9 Ó Волгоградский

государственный

технический

Инновационная деятельность" href="/text/category/innovatcionnaya_deyatelmznostmz/" rel="bookmark">инновационной деятельностью в той или иной стране. Об этом свидетельствует опыт лучших нефтедобывающих фирм, освоивших за последние 25 лет несколько поколений новых технологий , и коренная модернизация заводов по переработке углеводородного сырья.

Основные энергоносители – нефть и газ – будут израсходованы в ближайшие десятилетия. Под разными предлогами их остатки пытаются присвоить себе развитые страны, которые израсходовали свои энергоресурсы и поэтому попали в энергетическую зависимость от стран третьего мира, не относящихся к так называемому “золотому миллиарду”. Сегодня вся энергетика этих стран практически обеспечивается импортными нефтью и газом. Запасы урановой руды, пригодной для обработки и использования в атомных реакторах, тоже могут быть исчерпаны в недалеком будущем, после нефти и газа.

В связи с этим актуальной проблемой является изыскание таких источников энергии, которые принципиально неисчерпаемы и не вносят дестабилизирующих факторов в окружающую среду. Другой актуальной проблемой является разработка и создание установок, способных преобразовывать энергию, содержащуюся в окружающей среде, включая космос, в такие виды, которые были бы пригодны для использования человечеством. Такие попытки уже известны: это энергия потоков воды, воздуха, солнечная энергия, энергия воды, приливов и отливов океана, внутреннего тепла Земли и др.

2. Виды энергий и принципы их преобразования

2.1. Классификация видов энергий

В современном научном представлении под энергией понимается общая мера различных форм движения материи. Для количественной характеристики качественно различных форм движения материи и соответствующих им взаимодействий условно вводят различные виды энергии: тепловую, механическую, ядерную, электромагнитную и др.

Различают первичную и вторичную энергии. Первичной называют энергию, непосредственно запасенную в природе: энергия топлива, ветра, тепло Земли и др. Энергия, получаемая после преобразования первичной энергии в специальных условиях, называемых энергетическими, считается вторичной (например, энергия пара, электрическая, горячей воды и т. д.).

Получение энергии необходимого вида происходит в процессе энергетического производства и осуществляется путем преобразования первичной энергии во вторичную.

Почти вся подлежащая использованию и дальнейшему преобразованию энергия сначала превращается в тепловую энергию в промышленных и отопительных печах, двигателях и механизмах, бытовых приборах (50 %), в котельных (10 %), котлах тепловых электростанций и реакторах атомных станций (40 %). Около полученной тепловой энергии используется без дальнейшего преобразования в другие виды энергии (в промышленных и отопительных печах, а также в виде пара, горячей воды и т. д.). Примерно часть полученной тепловой энергии идет на выработку электрической энергии, претерпев предварительное преобразование в механическую энергию в турбинных установках. Менее Электрический транспорт" href="/text/category/yelektricheskij_transport/" rel="bookmark">электрического транспорта , различного оборудования предприятий. Примечательно, что примерно шестая часть электрической энергии вновь преобразуется в тепловую.

Научно обоснованная классификация видов энергии составлена. В её основе лежит комплексный критерий, включающий виды материи, формы ее движения и виды взаимодействий.

Виды материи: атом, электрон, фотон, нейтрино и т. д.

Формы движения: механическая, электрическая, тепловая и т. д.

Виды взаимодействия: ядерное (сильное), электромагнитное, слабое (с участием нейтрино) и гравитационное (сверхслабое).

На основе комплексного критерия можно выделить следующие виды энергии:

1. Аннигиляционнная энергия – полная энергия системы, «вещество – антивещество», освобождающаяся в процессе их соединения и аннигиляции (взаимоуничтожения) в различных видах.

2. Ядерная энергия – энергия связи нейтронов и протонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер; в последнем случае ее называют “термооядерной”.

3. Химическая (логичнее – атомная) энергия – энергия системы из двух или более реагирующих между собой веществ. Эта энергия освобождается в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях.

4. Гравистатическая энергия – потенциальная энергия ультраслабого взаимодействия всех тел, пропорциональная их массам. Практическое значение имеет энергия тела, которую она накапливает, преодолевая силу земного притяжения.

5. Электростатическая энергия – потенциальная энергия взаимодействия электрических зарядов, т. е. запас энергии электрически заряженного тела, накапливаемый в процессе преодоления им сил электрического поля.

6. Магнитостатическая энергия – потенциальная энергия взаимодействия “магнитных зарядов” или запас энергии, накапливаемый телом, способным преодолевать силу магнитного поля в процессе перемещения против направления действия этих сил. Источником магнитного поля может быть постоянный магнит, электрический ток.

7. Нейтриностатическая энергия – потенциальная энергия слабого взаимодействия “нейтринных зарядов” или запас энергии, накапливаемый в процессе преодоления сил β-поля – “нейтринного поля.” Вследствие огромной проникающей способности нейтрино накапливать энергию таким образом практически невозможно.

8. Упругостная энергия – потенциальная энергия механически упругого измененного тела (сжатая пружина, газ), освобождающаяся при снятии нагрузки чаще всего в виде механической энергии.

9. Тепловая энергия – часть энергии теплового движения частиц тел, которая освобождается при наличии разности температур между данным телом и телами окружающей среды.

10. Механическая энергия – кинетическая энергия свободно движущихся тел и отдельных частиц.

11. Электрическая (электродинамическая) энергия – энергия электрического тока во всех его формах.

12. Электромагнитная (фотонная) энергия – энергия движения фотонов электромагнитного поля.

13. Мезонная (мезонодинамическая) энергия – энергия движения мезонов (пионов) – квантов ядерного поля, путем обмена которыми взаимодействуют нуклоны (теория Юкавы,1935 г.)

14. Гравидинамическая (гравитационная) энергия – энергия движения гипотетических квантов гравитационного поля – гравитонов.

15. Нейтринодинамическая энергия – энергия движения всепроникающих частиц β-поля – нейтрино.

Из перечисленных 15 видов энергии практическое значение имеют пока только 10: ядерная, химическая, упругостная, гравистатическая, электрическая, электромагнитная, электростатическая, магнитостатическая, тепловая, механическая.

Непосредственно же используются всего четыре вида: тепловая (около 75 %), механическая (около 20–22 %), электрическая (около 3–5 %) и электромагнитная (менее 1 %). Причем так широко вырабатываемая, подводимая по проводам электрическая энергия выполняет в основном роль переносчика энергии.

Главным источником непосредственно используемых видов энергии служит пока химическая энергия минеральных органических горючих (уголь, нефть, природный газ и др.), запасы которой, составляющие доли процента всех запасов энергии на Земле, находятся на грани истощения.

С декабря 1942 г., когда был пущен первый ядерный реактор, в роли нового источника энергии на сцену вышли ядерные и термоядерные топлива.

В будущем возможно появление как новых видов энергии, так и новых источников энергии. Классификация видов энергии позволяет исследовать и оценить все их возможные взаимопревращения.

2.2. Превращение и преобразование видов энергии

Сведем в таблицу-матрицу все виды энергий, имеющих практическое значение, и проанализируем возможности их взаимопревращений (рис. 2.2.1).

Анализ различных энергетических процессов показывает, что для превращения видов энергии необходимо выполнить два условия:

1) обеспечить должный уровень концентрации энергии;

2) подобрать рабочее тело определенных свойств.

При всех превращениях энергии, строго говоря, должна изменяться гравистатическая энергия ее систем – носителей, если их положение по отношению к поверхности Земли меняется.

Из матрицы превращений энергии следует, что возможности эти весьма ограничены. Самые простые, надежные и перспективные пути уже использованы и могут лишь совершенствоваться в направлении повышения экономичности превращений и удельной энергопроизводительности, т. е. мощности преобразователя.

Е ИЭ – естественный (природный) источник энергии;

И ИЭ – искусственный ИЭ;

Н Э – накопитель энергии;

ПЕРЭ – переносчик энергии.

Рис. 2.2.1. Матрица возможных превращений и преобразование видов энергии,

имеющих практическое значение

Остались резервы в виде прямого превращения ядерной энергии в электрическую и механическую, химической в механическую, гравистатической в механическую. Перспективны превращения ядерной энергии в химическую и упругостную, гравистатической – в упругостную путем зарядки пружин и баллонов с газом в глубинах морей.

2.3. Преобразование энергии – проблема современной энергетики

Все сферы жизни и деятельности человека: приготовление пищи, промышленность, сельское хозяйство , транспорт, связь, создание комфортных условий в жилищах и производственных помещениях – требуют разнообразных форм энергии. Преобразование энергии первичных источников часто не удовлетворяет потребителей именно в видах получаемых энергий и требует необходимости их преобразований.

Современной науке известно 15 видов энергий, связанных с движением или различным взаимным расположением самых разнообразных материальных тел или частиц.

В зависимости от характера движения и природы сил, действующих между этими частицами, изменение энергии в системах таких частиц может проявляться в форме механической работы, в протекании электрического тока, в передаче теплоты, в изменении внутреннего состояния тел, в распространении электромагнитных колебаний и т. п.

Фундаментальным законом, управляющим преобразованием энергии, является закон сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия не может исчезать или возникать из ничего. Она может лишь переходить из одного вида в другой.

А. Эйнштейн установил взаимопревращаемость энергии и массы и тем самым расширил смысл закона сохранения энергии, который теперь в обобщенном виде формулируется как закон сохранения энергии и массы. В соответствии с этим законом всякое изменение энергии тела ∆Е связано с изменением его массы ∆m формулой:

∆Е = ∆mс2 ,

где с – скорость света в вакууме , равная 3·108 м/с.

Из этой формулы следует, что если в результате какого-либо процесса масса всех тел, участвующих в процессе, уменьшится на 1 г, то при этом выделится энергия, равная 9·1013 Дж, что эквивалентно 3000 т условного топлива. Большинство практически наблюдаемых процессов являются макроскопическими и изменением массы можно пренебречь, однако при анализе ядерных превращений необходим закон сохранения энергии и массы.

При преобразовании энергии в каком-либо устройстве какая-то часть ее теряется. Эффективность этого устройства принято характеризовать обычно коэффициентом полезного действия, который можно определить согласно рис. 2.3.1.

Рис. 2.3.1. Схема для определения КПД

Согласно рис. 2.3.1, КПД можно определить как

https://pandia.ru/text/78/077/images/image015_59.gif" width="72 height=41" height="41">.

Потери энергии не нарушают закон сохранения энергии и означают лишь потери для того полезного эффекта, ради которого совершается преобразование энергии.

Последнее выражение показывает, что полезно используется только часть первичной энергии, которая была предназначена для получения полезного эффекта.

Все потери энергии в конечном итоге превращаются в теплоту, которая отдается окружающей среде (атмосферному воздуху, водоемам).

Следует отметить одно важное обстоятельство. Так как в соответствии с законом сохранения энергия не исчезает, то, следовательно, энергия первичных источников энергии, используемых в процессе деятельности человека почти полностью, передается в виде тепловой энергии окружающей среде. Таким образом, вся преобразуемая энергия, включая и потери энергии, в конечном счете, преобразуется в теплоту. Оговорка «почти» означает, что лишь очень небольшая часть производимой энергии на какое-то время сохраняется в виде потенциальной или внутренней энергии в сооружениях, изделиях, продуктах, производимых человеком.

Преобразование тепловой энергии

В связи с тем, что первичные источники энергии (газ, нефть, уголь) мы используем для получения тепловой энергии, с целью дальнейшего ее преобразования, возникает мысль об использовании тепловой энергии, отданной в процессе преобразования окружающей среде.

Второй закон термодинамики, представляющий универсальный закон природы, полагает запрет на такое «повторное» использование тепловой энергии.

Этот закон утверждает, что теплота является особой формой передачи энергии, и формулируется следующим образом: во всех реальных процессах любые формы энергии могут самопроизвольно превращаться в теплоту, но самопроизвольное превращение теплоты в другие формы энергии невозможно.

Это означает, что любая форма энергии может превратиться в теплоту без того, чтобы в этом процессе участвовали какие-нибудь дополнительные тела, состояние которых по окончании процесса как-то бы изменилось. Наоборот, теплота не может превратиться в другие формы энергии без того, чтобы в каких-либо окружающих телах по окончании процесса преобразования не остались бы какие-то изменения.

Таким образом, если закон сохранения энергии (первый закон термодинамики) утверждает взаимную превратимость и эквивалентность всех видов энергии, то второй закон термодинамики отмечает особенность теплоты, ее неравноправность в процессах преобразования энергии.

В термодинамике доказано, что для непрерывного получения работы из теплоты необходимо иметь рабочее тело, которое осуществляло бы последовательность круговых процессов, т. е. таких процессов, при которых оно периодически возвращалось бы в исходное состояние. В каждом таком круговом процессе, иначе называемом циклом, рабочее тело получает некоторое количество теплоты Q1 от первичного источника энергии при достаточно высокой температуре и отдает меньшее количество теплоты Q2 окружающей среде (воде или воздуху). Так как само рабочее тело, вернувшись в результате осуществления цикла в исходное состояние, не изменяет свою внутреннюю энергию, то в соответствии с первым законом термодинамики разность тепла превращается в работу:

L = Q1 - Q2 .

Возможность и эффективность преобразования теплоты в другие формы энергии (механическую, электрическую), в первую очередь, определяется температурой, при которой теплота Q1 может быть передана рабочему телу. На тепловой электростанции рабочим телом является водяной пар, который в паротурбинной установке получает теплоту от продуктов сгорания при наивысшей температуре около 540 оС.

Температура, при которой отдается теплота Q2 , также существенна с точки зрения эффективности преобразования теплоты в работу.

Однако, поскольку теплота Q2 отдается окружающей среде, в реальных условиях эта температура может изменяться лишь в нешироких пределах.

Эффективность преобразования теплоты в работу оценивают термическим КПД η t , под которым понимают отношение работы L , получаемой за цикл, к теплоте Q1 , получаемой рабочим телом от первичного источника энергии:

shortcodes">