Источники электрической энергии и как она вырабатывается: устройство накопителей

Электроэнергия простыми словами

Заряжаете ли вы свой смартфон или пользуетесь интернетом, электричество является неотъемлемой частью вашей повседневной жизни. В этом термине есть две составляющие — «электричество» и «энергия». Термин «энергия» может иметь разные значения. Для целей этой статьи вы можете думать о ней как о потенциальной энергии. При слове «электричество» можно ожидать, что здесь речь идет о потенциальной энергии заряженных частиц.

Подобно тому, как потенциальная энергия увеличивается при подъеме на гору, электрическая энергия положительной частицы увеличивается, когда она «поднимается» в электрическом поле. Электрическое поле оставляет потенциал в каждой точке пространства (подобно горе, где каждая точка имеет разную высоту). Под «подъемом электрического поля» мы подразумеваем, что положительные частицы перемещаются из точки с низким потенциалом в точку с высоким потенциалом.

Формулы

Аналогично потенциальной энергии в гравитационном поле, существует формула для электрической энергии заряда величины q, который находится в точке с потенциалом U: Епот, эл = q * U. Приведенная выше формула отражает потенциальную энергию заряда q.

Но что происходит, когда через него проходит ток? Затем вы заменяете заряд q в формуле Эпота на I * t, силу тока I, умноженную на время t. Таким образом, вы получаете эту формулу. Эпот, эл = I * t * U .

Конденсаторы также могут накапливать электрическую энергию. Формула для расчета запасенной энергии выглядит следующим образом: Ec = 0,5 * C * U2 , где C — емкость конденсатора.

Единица измерения электрической энергии

Поскольку электрическая энергия является одной из форм энергии, она имеет единицу измерения, называемую джоулем, сокращенно [ J ]. Он обозначается как джоуль, эл . Электроэнергия также измеряется в ватт-секундах [ Вт * сек ]. То есть, 1 Дж = 1 Вт*сек.

Чтобы дать вам представление о том, сколько электрической энергии содержится в 1 Дж, вот простой пример: для того чтобы лампочка мощностью 1 Вт горела в течение одной секунды, вам потребуется 1 Дж электрической энергии.

Давайте кратко рассмотрим единицы измерения для этого примера. Ватт — это единица измерения мощности. Мощность P определяется как работа в единицу времени, т.е. P = W / t .

Поэтому мощность также имеет единицу измерения джоуль в секунду: [ P ] = J/s.

Таким образом, умножение мощности на время дает единицу энергии. [ P ] * [ t ] = s * J / s = J .

Кратным 1 Вт является 1 кВт/ч: 1 кВт * h = 3,6 * 106 Вт * с = 3,6 * 106 Дж .

Единица измерения «ватт» названа в честь шотландского изобретателя Джеймса Уотта (1776-1819), а единица измерения «джоуль» — в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818-1889).

Что такое электрическая энергия?

В этом разделе мы подробнее рассмотрим электрическую энергию.

Распределения заряда

Представьте себе, что в пустой комнате один за другим берутся электрические заряды. Таким образом, у вас есть набор носителей заряда. Работа, которую вы пытаетесь выполнить, в некоторой степени содержится в этом наборе. Что это за энергия, здесь не важно. Важнее то, что это накопление оставляет электрический потенциал U(r) в каждой точке пространства.

Что делает этот электрический потенциал? Если теперь вы хотите перенести другой заряд q в точку r, вы должны совершить работу Wel : Wel = q * U (r).

Если мы также предположим, что электрический потенциал в положении контейнера равен нулю, то этот заряд q содержит проделанную вами работу в виде потенциальной энергии WEL. и именно эта потенциальная энергия называется электрической энергией.

Аналогия с гравитацией

Давайте более глубоко рассмотрим аналогию с гравитацией. Чтобы рассчитать потенциальную энергию на высоте h над землей, вы используете формулу. Эббет, g = m*g*h. В этой формуле m представляет собой массу, а g — ускорение свободного падения. Чтобы сделать аналогию с электрической энергией более очевидной, давайте объединим произведение g * h с символом Ug, т.е. Ug = g * h .

Таким образом, потенциальная энергия равна. Эболт, g = m * Ug .

Рассмотрим кратко единицы измерения Ug. Единицей потенциальной энергии является джоуль, а единицей массы — килограмм. Поэтому применяется [ Ug ] = Дж / кг.

Если теперь заменить m на заряд q, а Ug на электрический потенциал U, то получится формула для электрической энергии: Епот, эл = q * U .

Здесь мы также рассматриваем единицу измерения U. Единицей электрической энергии является джоуль, а единицей q — кулон. Таким образом, [ U ] = J / Cl .

Рисунок 1. Аналогия между электричеством и гравитацией

Теперь вы понимаете аналогию между «электрическим падением» и гравитацией? Если нет, возможно, приведенная ниже таблица поможет вам.

Тип	Потенциальная энергия	Единица измерения «потенциала»
Гравитационная сила	Гравитационная сила, g = m * Ug	[Ug] = Дж/кг
Электричество	Эбот, эл = q * U	[U] = J / kl

Электричество, однако, имеет особенность, которую нельзя сравнить с гравитацией: «масса» может быть только положительной, заряд может быть положительным или отрицательным. Смартфон всегда ускоряется по направлению к земле, потому что гравитационная потенциальная энергия там меньше, чем на высоте h. Положительные заряды ведут себя аналогичным образом: они ускоряются от места с высоким потенциалом к месту с низким потенциалом.

Таким образом, в отличие от «массы» и положительных зарядов, отрицательные заряды движутся в направлении более высокого потенциала.

Аккумуляторы

Представьте себе простую схему: батарея подключена к лампочке. После замыкания цепи электрическая энергия, содержащаяся в отрицательных зарядах на отрицательной клемме, преобразуется в кинетическую энергию — отрицательные заряды ускоряются. Проходя через лампочку, они сталкиваются с атомами нити накаливания. При этом отрицательные заряды отдают часть своей кинетической энергии атомам нити. Затем они приводятся в вибрацию, в результате чего нить нагревается. Это нагревание приводит к испусканию света. Именно этот свет ваши глаза воспринимают как свечение лампочки.

Примечание: Преобразование энергии в цепи «батарея-лампочка».

Электрическая энергия отрицательного заряда -> кинетическая энергия отрицательного заряда -> кинетическая энергия атомов в нити накала -> излучение света.

Рис. 2. Пример простой схемы батареи Telegram-канал @asutpp_ru

Виды источников электрического тока

Существует несколько типов источников тока.

• Механическая.
• Тепловой.
• Свет.
• Химические вещества.

Механические источники

Эти источники преобразуют механическую энергию в электрическую. Это преобразование происходит в специальном оборудовании — генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где двигатель приводится в движение потоком газа или пара, и гидроэлектрогенераторы, которые преобразуют энергию падающей воды в электрическую энергию. Именно механические преобразователи вырабатывают большую часть электроэнергии на Земле.

Тепловые источники

Здесь тепловая энергия преобразуется в электрическую. Электрический ток генерируется за счет разницы температур между двумя парами металлов или полупроводников — термопарами, которые находятся в контакте. В этом случае заряженные частицы переносятся из нагретой зоны в холодную. Величина тока напрямую зависит от разницы температур: чем больше разница температур, тем больше ток. Термопары на основе полупроводников имеют тепловой потенциал в 1000 раз выше, чем биметаллические термопары, поэтому их можно использовать в качестве источников тока. Металлические термопары используются только для измерения температуры.

СОВЕТ: Чтобы изготовить термопару, необходимо соединить 2 разных металла.

В настоящее время разработан новый элемент, основанный на преобразовании тепла, выделяемого при естественном распаде радиоактивных изотопов. Этот элемент известен как радиоизотопный термоэлектрический генератор. Хорошо зарекомендовавший себя генератор, в котором используется изотоп плутония-238, уже применялся на космических аппаратах. Его мощность составляет 470 Вт при напряжении 30 В. Поскольку период полураспада этого изотопа составляет 87,7 лет, генератор имеет очень долгий срок службы. Тепловой преобразователь представляет собой биметаллическую термопару.

Световые источники

С развитием физики полупроводников в конце двадцатого века появился новый источник электрического тока — солнечные батареи, в которых световая энергия преобразуется в электрическую. Они используют свойства полупроводников для получения напряжения при воздействии светового потока. В частности, этим эффектом обладают кремниевые полупроводники. Однако эффективность таких ячеек не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в аэрокосмической промышленности, а также начинают использоваться в повседневной жизни. Цена этого источника энергии снижается, но все еще остается довольно высокой: около 100 рублей за 1 ватт.

Вакуумные фотоэлементы

В вакуумном солнечном элементе свет светит на металлическую пластину и выбивает электроны с ее поверхности. Эта пластина называется катодом.

Выбитые электроны захватываются другим электродом. Это называется анодом и обычно имеет форму металлической сетки.

Оба электрода находятся в стеклянном цилиндре, из которого удален воздух. Проблема заключается в том, что молекулы воздуха могут препятствовать движению электронов, выходящих из пластины. Для предотвращения этого из цилиндра откачивается воздух (рис. 7).

Таким образом, под воздействием света в вакууме между катодом и анодом создается поток заряженных частиц. Они движутся в одном направлении от катода к аноду. Это означает, что свет вызывает ток в фотоэлементе. Таким образом, световая энергия преобразуется в электрическую.

Солнечные батареи

Другим источником тока, использующим световую энергию для выработки электричества, является так называемый солнечный элемент. Они изготовлены из полупроводниковых пластин (рис. 8).

Падающий свет не выбивает электроны из полупроводника. Вместо этого он заставляет электроны перейти в состояние, в котором они обладают дополнительной энергией и могут свободно перемещаться по полупроводнику, генерируя электрический ток.

Химические источники

Все химические источники можно разделить на 3 группы.

1. Электростатика
2. Перезаряжаемые батареи
3. Тепловая энергия

Гальванические батареи работают за счет взаимодействия двух различных металлов, помещенных в электролит. Парами металла и электролита могут быть различные химические элементы и их соединения. От этого зависят тип и характеристики клетки.

Важное замечание: электрохимические элементы можно использовать только один раз, т.е. их нельзя восстановить после разрядки.

Существует 3 типа электрохимических элементов (или батарей)

1. Соленая вода.
2. Щелочь.
3. Литий.

В рассольной или «сухой» батарее используется пастообразный электролит, который изготавливается из соли определенного металла и помещается в цинковую чашку. Катодом является графито-марганцевый стержень, помещенный в центр стакана. Дешевые материалы и простота производства делают эти батареи самыми дешевыми из всех существующих. Однако они явно уступают щелочным и литиевым батареям.

В щелочных батареях в качестве электролита используется пастообразный раствор щелочного гидроксида калия. Цинковый анод заменяется цинковым порошком, что увеличивает отдачу тока и срок службы батареи. Эти батарейки служат в 1,5 раза дольше, чем солевые батарейки.

В литий-ионных батареях анод изготовлен из лития, щелочного металла, что значительно увеличивает время работы. В то же время, однако, цена выросла из-за относительно высокой стоимости лития. Кроме того, в зависимости от материала катода литиевые батареи могут иметь разное напряжение. Батареи выпускаются с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.

Батареи являются источниками тока и могут проходить несколько циклов заряда-разряда. Основными типами батарей являются.

1. Свинцово-кислотные аккумуляторы.
2. Литий-ионный.
3. Никель-кадмий.

Свинцово-кислотные батареи состоят из свинцовых пластин, погруженных в раствор серной кислоты. При замыкании внешнего контура происходит химическая реакция, в результате которой свинец превращается в сульфат свинца на катоде и аноде и образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца и диоксида свинца на катоде.

ИНФОРМАЦИЯ! Элемент свинцово-цинкового аккумулятора производит напряжение 2 В. Соединяя элементы последовательно, можно получить напряжение, кратное 2. В автомобильном аккумуляторе, например, напряжение составляет 12 В, поскольку соединены шесть элементов.

Литий-ионные батареи получили свое название от того, что носителем электричества в электролите являются ионы лития. Ионы образуются на катоде, который изготовлен из солей лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксида кобальта и других соединений на подложке из медной фольги.

Напряжение варьируется от 3 В до 4,2 В, в зависимости от используемых компонентов. Низкая скорость саморазряда и большое количество циклов заряда/разряда делают литий-ионные батареи очень популярными в бытовой технике.

Важное замечание: литий-ионные батареи очень чувствительны к перезарядке. Поэтому для их зарядки используйте только предназначенные для них зарядные устройства, в которые встроены специальные схемы, предотвращающие перезарядку. В противном случае аккумулятор может разрушиться и загореться.

Никель-кадмиевые батареи имеют катод из солей никеля на стальных элементах и анод из солей кадмия на стальных элементах, а электролит представляет собой смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение этой батареи составляет 1,37 В. Батарею можно заряжать и разряжать от 100 до 900 циклов.

СОВЕТ: Никель-кадмиевые батареи можно хранить в разряженном состоянии, в отличие от литий-ионных батарей.

Термохимические батареи используются в качестве резервного источника энергии. Они обеспечивают отличные характеристики по плотности тока, но имеют очень короткий срок службы (не более 1 часа). В основном они используются в ракетной технике, где требуется надежность и короткий срок службы.

Важное замечание: Первоначально термохимические источники не могут вырабатывать ток. Электролит находится в твердой форме, и для того, чтобы он был эффективным, его необходимо нагреть до 500-600°C. Нагрев осуществляется с помощью специальной пиротехнической смеси, которая поджигается в соответствующее время.

Алессандро Вольта и его первый гальванический элемент

До исследований Вольты уже было известно, как вырабатывать электричество. Однако эксперименты с электричеством, проведенные другими учеными в лаборатории, дали ток лишь на долю секунды. Не было источника, который мог бы создать электрический ток даже за несколько секунд.

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый электроприбор, который мог вырабатывать электричество в течение длительного времени. В его честь устройство стало называться вольтовым стержнем.

Ученый определил, что для создания электрохимического (электрического) эффекта необходимы два различных металла и проводящая жидкость.

Он долгое время проводил эксперименты, используя различные металлы и изучая их свойства.

В процессе работы Вольта сделал вертикальную колонну, укладывая попеременно медные монеты и цинковые пластины. Между этими металлами он поместил кожаные кольца, пропитанные соленой водой (рис. 10).

Так он создал первую в мире электрическую батарею. Принцип работы заключается в преобразовании химической энергии в электрическую.

Соединив концы собранной колонны проволокой, он наблюдал за ее нагреванием и таким образом определил действие электрического тока.

Алессандро использовал свой язык, чтобы сравнить, больше или меньше электричества вырабатывает тот или иной столб. Просто прикоснувшись языком к клеммам электрохимического элемента, который он создает.

Такой столб, высотой в полметра, создавал довольно чувствительное напряжение.

В марте 1800 года Вольта написал письмо в Лондонское королевское общество, в котором подробно описал результаты своей работы. А в июне она уже считалась сенсацией среди ученых того времени.

Наполеон пригласил Вольту в Париж и лично присутствовал на его лекциях и экспериментах, а после наградил изобретателя.

Это изобретение сделало изобретателя знаменитым. Вскоре последовали и другие открытия в области физики.

Какие открытия были совершены благодаря столбу Вольта

В том же году с помощью вольтова столба вода была разложена на водород и кислород. Это сделали Карлайл и Николсон.

А три года спустя, в 1803 году, Василий Петров создал самый большой в мире электрический столб. Он вырабатывал 1 700 вольт и содержал более 4 000 медных и цинковых колец. Этот столб помогал создавать электрическую дугу для сварки металлов.

После работы Петрова в России начали использовать электрические взрыватели для взрывчатых веществ.

Четыре года спустя, в 1807 году, ученый по имени Давид открыл металлический калий.

Поскольку вольтов столб был способен вырабатывать электрический ток в течение длительного времени — нескольких часов — электричество получило широкое распространение.

По истечении этого времени на металле появился оксид, который препятствовал производству электрического тока. Необходимо было разобрать здание и протереть металл, чтобы избавить его от этого окисла. А куски кожи приходилось время от времени смачивать соленой водой.

Сухой гальванический элемент — батарейка

После открытия Вольта, во второй половине 1880-х годов, немецкий инженер Карл Гасснер изобрел сухой элемент.

Его называли «сухим элементом», поскольку он содержал гелеобразное соединение, а не жидкий электролит. Эти батареи можно наклонять или даже переворачивать, не боясь пролить электролит. В результате они гораздо удобнее, чем жидкие.

Химические превращения происходят внутри клетки. Эти превращения являются экзотермическими, так как происходят с выделением энергии. Затем внутренняя энергия источника преобразуется в электрическую энергию.

Например, в современном сухом элементе (рис. 11) цинк реагирует с хлоридом аммония, принимая отрицательный заряд.

При запуске этих реакций расходуется некоторая часть источника. Например, цинковый электрод.

Из-за этого химические реакции в электрохимической ячейке будут необратимыми. Через некоторое время ресурсов не будет хватать для осуществления нормальных химических реакций.

Когда химическая реакция замедляется, клетка перестает вырабатывать ток. В этом случае говорят, что клетка истощена — «мертвая клетка».

Отбракованные электрохимические элементы должны быть переработаны. Это позволяет повторно использовать некоторые из их компонентов, а не загрязнять окружающую среду.

Мировая промышленность производит целый ряд стандартизированных батарей (Рисунок 12).

Например, тип AA — это пальчиковая батарейка или тип AAA — тонкая пальчиковая батарейка. Аналогично, есть размеры, обозначаемые как C D и N. Их ЭДС составляет 1,5 вольта.

Существуют и другие типы, например, «квадратные» элементы 3R12 с ЭДС 4,5 вольт, используемые в карманном фонарике. Существуют также небольшие батареи типа p3 с током 9 вольт, часто называемые «Крона» или «Корунд».

Гальванические батареи отмечены специальным значком на электрической схеме.

Аккумуляторы и их виды

Структура ячейки поверхностно похожа на структуру электрохимической ячейки. Имеется корпус, в котором находятся две пластины из разных металлов. Один из них действует как положительный электрод, а другой — как отрицательный. Эти пластины помещаются в электролит (рис. 13).

Однако, в отличие от электрохимических батарей, перезаряжаемые батареи являются устройствами многоразового использования.

Они получили свое название благодаря тому, что могут хранить, то есть накапливать, электрическую энергию. Накопленная энергия затем передается потребителю.

Химические реакции в аккумуляторных батареях могут протекать в двух направлениях (заряд-разряд).

Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить. Для этого используются специальные источники тока, называемые зарядными устройствами. Они пропускают зарядный ток через батарею.

Этот ток вызывает химическую реакцию в аккумуляторе, в ходе которой в нем накапливается электрический заряд. Один электрод заряжен положительно, а другой — отрицательно.

Накопленную в аккумуляторе энергию можно затем использовать, подключив его к перезаряжаемой батарее.

Аккумуляторные батареи принято называть
— по типу используемой жидкости — кислотная, щелочная.
— или по названию металла, используемого в качестве электрода — свинец, железо-никель, литий и т.д.

В качестве электродных пластин могут использоваться следующие металлы: свинец, железо, литий, титан, кобальт, кадмий, никель, цинк, серебро, алюминий.

Существуют аккумуляторы с гелеобразным электролитом. Эти батареи можно наклонять в разные стороны, не опасаясь утечки электролита. В качестве примера можно привести литий-полимерные батареи, используемые в мобильных телефонах.

Примечание: Чем больше геометрия электрода источника, тем больший выход тока он может обеспечить в полезной нагрузке. По этой причине 12- и 24-вольтовые автомобильные аккумуляторы, предназначенные для высоких токовых нагрузок, имеют массу 10 кг и более.

Аналогия между источником тока и водяным насосом

Метафора потока жидкости часто применяется к электрическим токам.

Независимо от типа энергии, преобразуемой в электрическую, принцип работы источника тока в некоторой степени похож на принцип работы насоса. Разница заключается в том, что источник тока накачивает электрический заряд, а не жидкость.

Рассмотрим замкнутый контур, состоящий из трубы и насоса, который приводит воду в движение так, что она начинает циркулировать по трубе (рис. 14a).

Частицы воды движутся, и, поскольку насос создает и поддерживает разность давлений, вода циркулирует.

На рисунке 14 треугольные круги обозначают насос. Направление потока воды обозначено стрелкой. С левой стороны насоса давление ( большое P_{1}), а с правой стороны ( большое P_{2}) (рис. 14a).

Используя неравенство

`[Large P_{1}>P_{2}]

отметим, что давление на левой стороне насоса будет больше, чем на правой.

Подобно движению частиц воды, заряд будет перемещаться, а ток циркулировать в замкнутой цепи благодаря разности потенциалов, создаваемой содержащимся в этой цепи элементом (рис. 14b) — источником тока.

Сила, перемещающая заряд во внешней цепи, обусловлена тем, что источник тока создает разность потенциалов и электрическое поле на своих выводах.

Потенциалы (большой varphi_{1}) и (большой varphi_{2}) отмечены слева и справа от источника. Кроме того, потенциал слева от источника больше, чем потенциал справа.

Это представлено неравенством

[большой varphi_{1}>varphi_{2}].

Обратите внимание, что источник тока (внешняя сила) заставляет электроны, то есть отрицательно заряженные частицы, двигаться из точки с более низким потенциалом в точку с более высоким потенциалом, в то время как ток движется в противоположном направлении — от «+» к «-«.

Разность потенциалов также известна как электрическое напряжение.

[большая Дельта варфи = варфи_{2} — варфи_{1} = U ].

потенциал, в вольтах.

U (большое U (левое B (правое)) — напряжение в вольтах.

Отличие реального источника от идеального

Согласно законам физики, идеальный источник сигнала должен иметь бесконечное внутреннее сопротивление для обеспечения постоянного тока в нагрузке. Реальный источник имеет конечное внутреннее сопротивление, что означает, что ток зависит от внешней нагрузки и внутреннего сопротивления.

Одним словом, все дело в разнообразии современных источников тока. Как видно из этого обзора, к настоящему времени разработано значительное количество источников с характеристиками, подходящими для любого применения.

Применение электрической энергии

Широкий спектр применения электрической энергии объясняется ее ценными свойствами и возможностью эффективного преобразования в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и химическую) с целью приведения в действие машин и механизмов, получения тепла и света, изменения химического состава веществ, изготовления и обработки материалов и т.д.

Преобразование электрической энергии в механическую с помощью электродвигателей позволяет удобным, технически совершенным и экономически выгодным способом запускать большое количество и разнообразие рабочих машин и механизмов (металлорежущие станки, прокатные станы; подъемно-транспортные машины, насосы, вентиляторы, швейные и обувные машины, молотилки, зерноочистительные и мукомольные машины и т.д.).

Электродвигатели приводят в движение поезда, морские и речные суда, городской транспорт. С применением электродвигателей в промышленности стало возможным отказаться от неудобных и неэффективных групповых приводов, переоборудовать рабочие машины в индивидуальные приводы (каждый со своим электродвигателем), а сложные машины (например, прокатные станы, бумагоделательные машины и т.д.) — в многодвигательные, когда каждая группа двигателей выполняет в приводе свою определенную функцию.

Электрификация производственных машин делает возможной не только механизацию, но и автоматизацию энергетических процессов, поскольку электродвигатели могут изменять мощность и скорость привода в широком диапазоне.

Во многих процессах электрическая энергия преобразуется в тепловую и химическую. Например, электронагрев и электролиз позволяют получать высококачественные специальные стали, цветные металлы и обеспечивать высочайшую чистоту производимых материалов. Электротермическая обработка металлов, резиновых изделий, пластмасс, стекла и дерева позволяет получать высококачественную продукцию.

Электрохимические процессы, лежащие в основе гальваники, позволяют получать коррозионно-стойкие покрытия, идеальные лучеотражающие поверхности и т.д.

Электрическая сварка получила значительное развитие, особенно в нашей стране, и обеспечивает высокую производительность труда и другие технико-экономические показатели.

Электрические источники света обеспечивают высококачественное искусственное освещение. Благодаря использованию электрической энергии были достигнуты выдающиеся результаты в области коммуникационной техники, автоматизации, электроники, управления и контроля технических процессов.

В областях медицины, биологии, астрономии, геологии, математики и т.д., где до недавнего времени использовалось электрооборудование общего назначения (электрические лампы, электронагреватели, электродвигатели и т.д.), сейчас внедряется все больше электрических приборов, машин и оборудования, обеспечивающих дальнейшее развитие этих областей в научном и прикладном плане.

Электронно-вычислительные машины имеют огромное значение для развития науки и техники, они становятся широко распространенным и эффективным инструментом для научных исследований, экономических расчетов, планирования, контроля производственных процессов, диагностики заболеваний и т.д.

Получение электрической энергии

Электроэнергия может вырабатываться непосредственно из других форм энергии или путем промежуточного преобразования.

Для этого используются природные энергетические ресурсы, такие как реки и водопады, океанские приливы, ископаемое топливо, ядерное топливо, солнечная радиация, энергия ветра и геотермальные ресурсы.

Большое количество электроэнергии вырабатывается на электростанциях с помощью электромеханических генераторов — преобразователей для преобразования механической энергии в электрическую.

На гидроэлектростанциях механическая энергия генераторов поступает от водяных турбин, которые, в свою очередь, получают энергию от рек, постоянно обновляемых природой. На тепловых электростанциях используется энергия ископаемого топлива. Тепловая энергия, полученная при сгорании топлива, поступает в тепловую турбину (паровую, газовую), где преобразуется в механическую энергию и передается генератору.

На атомных электростанциях тепловая энергия получается из энергии, содержащейся в атомных ядрах, в остальном схема получения электрической энергии такая же, как и на тепловых электростанциях.

С помощью электрохимических, термоэлектрических, термоионных и фотоэлектрических генераторов химическая, тепловая и лучистая энергия преобразуется непосредственно в электрическую. Низкая мощность этих устройств делает их непригодными для мощной техники; они используются в радиотехнике, автоматике, космической технике.

Магнитогидродинамические генераторы и устройства для прямого преобразования термоядерной энергии в электрическую энергию являются дополнительными перспективами для получения большого количества электрической энергии.

Передача и распределение электрической энергии

Широкое использование электрической энергии и концентрация природных энергетических ресурсов в различных географических районах приводит к необходимости передачи и распределения электроэнергии на большие расстояния к приемникам в широком диапазоне мощности.

В СССР действует более 1 000 километров линий электропередачи (самая крупная — между Волжской ГЭС, названной в честь 22-го заседания Центрального политического бюро, и Москвой). Ведется строительство очень длинных линий электропередач (3500-5000 км) из Сибири в европейский регион.

Электроэнергия может быть легко распределена между любыми получателями энергии. Устройства малой мощности (в ваттах и долях цента) используются в коммуникационной, автоматизированной и измерительной технике. В то же время существуют электрические устройства (двигатели, системы отопления) мощностью в тысячи и десятки тысяч киловатт.

Металлические провода (алюминиевые, стальные, медные) используются для сетей передачи и распределения электроэнергии. В проволоке и в окружающем ее диэлектрике генерируется электромагнитное поле, несущее энергию.

В присутствии провода поле достигает высокой концентрации, так что передача происходит с высоким коэффициентом полезного действия и в количествах, достаточных для управления различными приемниками, в том числе высокой мощности.

В радиотехнике передача электромагнитного поля используется без соединительных проводов, так что поле, распространяющееся через пространство, рассеивается в большом объеме. Приемник получает лишь небольшое количество энергии, которой недостаточно для питания машин, отопительного оборудования, источников света и т.д. Однако этот метод подходит для передачи информации, поскольку для воспроизведения сигнала достаточно небольшого количества энергии от передатчика.

Электрификация народного хозяйства и ее значение

Ценные свойства электричества были замечены уже тогда, когда наука и техника сделали первые шаги в его использовании.
Более 100 лет назад Маркс и Энгельс предсказали далеко идущее влияние электрификации на развитие человеческого общества.

Об этом неоднократно писал и говорил В.И. Ленин. Он видел не только технические и экономические возможности, но и особую социальную значимость электрификации.

Указывая на необходимость электрификации, Ленин не ограничивал ее роль периодом восстановления народного хозяйства и построения основ социализма, а видел в ней материально-техническую основу коммунистического общества». Ни о каком восстановлении народного хозяйства и коммунизма не может быть и речи, если Россия не перейдет на другую технологию, более высокую, чем раньше. Коммунизм — это советская власть плюс электрификация всей страны, ибо без электрификации невозможно поднять промышленность».
В феврале 1920 года начала работу созданная по инициативе Ленина Государственная комиссия по электрификации России (ГОЭЛРО). При постоянном внимании и поддержке Ленина комитет разработал комплексный план восстановления и развития важнейших отраслей народного хозяйства на основе электрификации. В декабре того же года план был принят на 8-м Всероссийском съезде Советов. Планы ГОЭЛРО не были огромными по сравнению с нынешним уровнем электрификации — в течение 10-15 лет планировалось построить 30 электростанций общей мощностью 1,5 млн кВт/ч, производящих 8,8 млрд кВт/ч электроэнергии в год. Но в то время, во времена разрухи и голода, даже такой план казался многим нереальным. В.И. Ленин твердо верил в успех дела и отмечал выдающееся экономическое и политическое значение плана, говоря: «По-моему, это наша вторая партийная программа».
ГОЭЛРО планировалось завершить в течение 10 лет, и к 1935 году мощность построенных электростанций превысила намеченную почти в 2,5 раза.
О дальнейшем развитии энергетического сектора можно судить по динамике производства электроэнергии (таблица B.1).

Быстрый рост годового производства электроэнергии был обусловлен в основном увеличением ввода в эксплуатацию новых тепловых и гидроэлектростанций. В то же время на первый план вышла тенденция к увеличению единичной мощности электростанций и их энергоблоков.

Таблица B.1

Год	1913	1931	1940	1960	1965	1970	1975	1980
Производство электроэнергии, млрд кВт/ч	2,03	10,7	48,3	292,3	506,7	740,9	1038	1295

Спрос на электроэнергию в национальной экономике неуклонно растет, что является основной причиной увеличения производства электроэнергии. Для удовлетворения этих потребностей необходимо не только строительство новых электростанций, но и линий электропередач, различных электроустановок, потребляющих электроэнергию, увеличение производства трансформаторов, электродвигателей, распределительных устройств, электротехнических материалов, различного оборудования и приборов для автоматизации производственных процессов, электрификация домохозяйств и т.д.

В энергосистеме (источник-приемник) энергия не накапливается, т.е. пока она поступает в генератор, она полностью преобразуется в другую форму в приемнике. Таким образом, быстрый рост производства электроэнергии свидетельствует о том, что в целом электрификация происходит такими же темпами, включая ее передачу, распределение и использование.

В настоящее время примерно одна треть добываемых в мире энергетических ресурсов используется для производства электроэнергии. Потребление электроэнергии растет в среднем в два раза быстрее, чем потребление энергоресурсов в целом. в 1960 году было произведено около 2 триллионов кВт/ч электроэнергии, а в 1975 году — около 650 миллиардов кВт/ч. По прогнозам экспертов, потребление электроэнергии также примерно утроится в период с 1980 по 2000 год, достигнув к началу следующего столетия ошеломляющего уровня в 30 000 миллиардов киловатт-часов.

Электрификация в Советском Союзе, которая является и будет оставаться основой для дальнейшего научно-технического и социального прогресса, развивается еще более быстрыми темпами. Решается амбициозная задача: проведение полной электрификации по всей стране для создания материальной базы коммунистического общества.

Полная электрификация означает, что электричество используется повсеместно: в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве и повседневной жизни. Особое внимание уделяется комплексно-механизированному и автоматизированному производству, широкому использованию электронно-вычислительной техники, электрификации отраслей и технических процессов во всех секторах народного хозяйства, где по каким-либо причинам электроэнергия используется недостаточно.
Важнейшей задачей является рациональное использование электрической энергии и минимизация потерь при ее потреблении, производстве, передаче и распределении.

Цель экономии направлена не только на электроэнергию, она распространяется на все энергоресурсы. Она является частью более масштабных общих усилий по сохранению и рациональному использованию всех видов материальных, трудовых и финансовых ресурсов.

В отчетном докладе XXVI съезду КПСС говорится, что от этой работы, от умелого и эффективного использования всех имеющихся ресурсов зависит дальнейшее развитие экономики страны. Конгресс заявил, что соблюдение общественных интересов и возможность полного и быстрого использования всех ресурсов являются одними из важнейших принципов экономической стратегии ВМС в предстоящий период.

По предварительным оценкам, человечество обладает достаточными запасами ископаемого топлива, чтобы потреблять его в течение примерно 150 лет в 2000 году. При таком же уровне потребления только 10% рек мира могли бы вырабатывать электроэнергию, и еще меньше можно ожидать от использования энергии приливов и ветра. С технической точки зрения, возможности использования энергии внутриземного тепла и солнечной радиации очень ограничены. Поэтому основными источниками энергии в ближайшем будущем будут ископаемое и ядерное топливо.

Планируемое ускорение строительства атомных электростанций обусловлено не только необходимостью экономить ископаемое топливо, но и их решающими преимуществами с точки зрения загрязнения окружающей среды.
Чтобы избавить человечество от угрозы «энергетического голода» и устранить вредное воздействие на окружающую среду, ученые ищут новые способы выработки электроэнергии, увеличивают мощность и эффективность установок и преобразуют тепловую, химическую и солнечную энергию непосредственно в электрическую.

Я рекомендую вам подробно изучить эти предметы.

Электротехника Основы теории электрических цепей

Больше лекций с примерами решений и объяснениями.

• Цепи
• Токи
• Цепи постоянного тока
• Методы анализа сложных цепей
• Операторы переходных процессов Методы расчета переходных процессов
• Методы для метода пространства состояний схем
• Методы проектирования схем
• Цепи с распределенными параметрами

Коэффициент нагрузки.

Также в этой проблеме: вода

нагрузка зависит от времени суток, месяца года, погоды и климата, географического положения и экономических факторов.

Максимальная (пиковая) нагрузка может быть достигнута только в течение нескольких часов в году, но мощность электростанции или сети также должна быть рассчитана на пиковую нагрузку. Избыточная или резервная мощность также необходима для того, чтобы отдельные агрегаты могли быть остановлены для технического обслуживания и ремонта. Резервная мощность должна составлять около 25% от общей установленной мощности.

Эффективность электростанции и энергосистемы можно описать как процентное соотношение фактически произведенной за год электроэнергии (в кВт/ч) по сравнению с максимально возможной годовой выработкой (в тех же единицах). Коэффициент нагрузки не может быть 100%, поскольку электростанции неизбежно приходится отключать для регулярного технического обслуживания и ремонта в случае аварийных поломок.

КПД электростанции.

Тепловой КПД угольной электростанции можно оценить по массе угля, сожженного (в килограммах) для производства одного киловатт-часа электроэнергии. Этот показатель (удельный расход топлива) неуклонно снижался с 15,4 кг/кВтч в 1920-х годах до 3,95 кг/кВтч в начале 1960-х годов, но постепенно увеличился до 4,6 кг/кВтч в 1990-х годах. Этот рост в основном связан с внедрением пылегазоочистных установок, потребляющих 10% мощности электростанций, и переходом на более чистые (с низким содержанием серы) угли, которые не были спроектированы на многих электростанциях.

В процентном выражении современные тепловые электростанции имеют тепловой КПД не более 36%, в основном за счет потерь тепла, уносимого выхлопными газами — продуктами сгорания.

Атомные электростанции, работающие при более низких температурах и давлениях, имеют несколько меньший общий КПД — около 32%.

Газовые турбины с котлами-утилизаторами (парогенераторами, использующими отработанное тепло) и дополнительными паровыми турбинами могут иметь КПД более 40%.

Чем выше рабочая температура и давление пара, тем выше тепловой КПД паровой электростанции. В начале 20-го века эти параметры составляли 1,37 МПа и 260 градусов Цельсия, тогда как сегодня распространены давления свыше 34 МПа и температуры свыше 590 градусов Цельсия (атомные электростанции работают при более низких температурах и давлениях, чем крупнейшие тепловые электростанции, поскольку максимально допустимая температура активной зоны реактора ограничена нормативными документами).

В современных турбинных электростанциях пар, частично сброшенный в турбине, отбирается в промежуточной точке для повторного нагрева (промежуточный перегрев) до начальной температуры, что может обеспечить две или более ступеней промежуточного перегрева. Пар из других точек турбины отводится для предварительного подогрева питательной воды для парогенератора. Эти меры значительно повышают тепловую эффективность.

Экономика электроэнергетики.

В таблице показано потребление электроэнергии на душу населения в ряде стран мира.

Таблица «Годовое потребление электроэнергии на душу населения».

Потребление электроэнергии на душу населения в год (кВт/ч, начало 1990-х годов)
Норвегия	22485	Бразилия	1246
Канада	14896	Мексика	1095
Швеция	13829	Индейка	620
Соединенные Штаты	10280	Либерия	535
Германия	6300	Египет	528
Бельгия	5306	Китай	344
Россия	5072	Индия	202
Япония	5067	Заир	133
Франция	4971	Индонезия	96
Болгария	4910	Судан	50
Италия	3428	Бангладеш	39
Польша	3327	Чад	14

ПАРОТУРБИННЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Паровые электростанции, работающие на угле, нефти или газе, обеспечивают большую часть мировой электроэнергии.

Парогенераторы.

Парогенератор паровой электростанции на ископаемом топливе представляет собой котельную систему с топкой, испарительной поверхностью (где вода превращается в пар), пароперегревателем, который повышает температуру пара до 600°C перед его поступлением в турбину. до 600°C, промежуточным (вторичным) пароперегревателем для перегретого пара, который частично сбрасывается в турбину, угольным экономайзером, в котором питательная вода нагревается дымовыми газами, и воздухоподогревателем, в котором дымовой газ отдает свое остаточное тепло воздуху и подается в топку.

Для подачи воздуха, необходимого для горения, используются вентиляторы, создающие искусственную или принудительную тягу в топке. В некоторых парогенераторах тяга создается вытяжным вентилятором (дымососом), в других — приточным вентилятором (напорным вентилятором), чаще всего обоими, что обеспечивает так называемую сбалансированную тягу и нейтральное давление в топке.

В процессе сжигания топлива негорючие компоненты (до 12-15% от общего количества битуминозного угля и 20-50% от бурого угля) оседают на дно камеры сгорания в виде шлака или сухой золы. Остальное проходит через печь в виде пыли, а выхлопные газы необходимо очистить, прежде чем они попадут в атмосферу. Удаление золы осуществляется с помощью циклонов и электрофильтров, в которых частицы пыли заряжаются и оседают на линиях сбора или пластинах с противоположными зарядами.

Нормативы для новых электростанций ограничивают не только выброс твердых частиц, но и выброс диоксида серы в атмосферу. Поэтому химические скрубберы, обычно устанавливаемые ниже по потоку от электрофильтра, предусматриваются непосредственно в канале дымовых газов выше по потоку от дымовой трубы. В скруббере (мокром или сухом) сера удаляется из дымового газа с помощью различных химических процессов.

Из-за требуемой высокой степени удаления пыли и золы сегодня также используются тканевые фильтры-шейкеры с обратной промывкой, которые содержат сотни больших тканевых фильтрующих рукавов.

Электрогенераторы.

Электрические генераторы приводятся в движение так называемым тяговым электродвигателем, например, турбиной. Вращающийся вал тягового электродвигателя соединен с валом генератора и обычно несет магнитные полюса и обмотки возбуждения. Магнитное поле тока, создаваемое в обмотке возбуждения небольшим вспомогательным генератором или твердотельным устройством (возбудителем), проходит через проводники обмотки статора (неподвижной станины генератора), так что в этой обмотке индуцируется переменный ток и выводится через выходные клеммы генератора. Большие трехфазные генераторы переменного тока вырабатывают три отдельных, но согласованных тока в системе из трех отдельных проводников при напряжении до 25 кВ. Проводники подключаются к трехфазному повышающему трансформатору, от которого выходная мощность передается в центр потребления по трехфазным высоковольтным линиям электропередачи.

Мощные современные турбогенераторы имеют закрытую систему вентиляции и используют водород в качестве охлаждающего газа. Водород не только рассеивает тепло, но и снижает аэродинамические потери. Водород работает при давлении от 0,1 до 0,2 мегапаскалей. Для более интенсивного охлаждения генератора водород также может быть запрессован в полые проводники статора. В некоторых моделях генераторов обмотки статора охлаждаются водой.

Чтобы повысить эффективность охлаждения и уменьшить размеры генератора, в настоящее время изучается возможность создания генератора с охлаждением жидким гелием.

Паровые турбины.

Пар из пароперегревателя парогенератора, поступающий в турбину, проходит через систему профилированных входных сопел (сопловых аппаратов). В то же время давление и температура пара снижаются, а скорость значительно увеличивается. Высокоскоростная струя пара попадает на рабочее колесо рабочих лопаток (с аэродинамическим профилем), прикрепленных к ротору турбины, и энергия пара преобразуется в энергию вращения ротора.

Пар проходит через ряд дефлекторов и лопастей, пока его давление не упадет примерно до 2/3 атмосферного давления, а температура не достигнет уровня, необходимого для предотвращения конденсации пара (32-38°C).

На выходе из турбины пар обтекает пучок конденсатора, через него прокачивается холодная вода, и, отдавая тепло воде, пар конденсируется, что позволяет поддерживать небольшой вакуум. Конденсат, скапливающийся в нижней части конденсатора, опорожняется насосом и, пройдя через серию нагретых теплообменников, возвращается в парогенератор, чтобы снова начать цикл. Пар для этих нагретых теплообменников отбирается из различных точек парового контура турбины и постепенно повышается по температуре до соответствия температуре возврата конденсата.

Из-за большого количества воды, необходимой для конденсатора, предпочтительно строить крупные тепловые электростанции вблизи больших водохранилищ. Если запас воды ограничен, строятся градирни. В градирне вода, используемая для конденсации пара в конденсаторе, подается насосом в верхнюю часть градирни, откуда она стекает по ряду перегородок, распределенных тонким слоем на большой площади. Воздух, поступающий в башню, поднимается за счет естественной вентиляции или принудительной вентиляции, создаваемой мощными вентиляторами. Движение воздуха ускоряет испарение воды, которая охлаждается за счет испарения. Во время этого процесса 1-3% охлаждающей воды теряется и уходит в атмосферу в виде облака пара. Охлажденная вода направляется обратно в конденсатор, и цикл повторяется. Градирни также используются в тех случаях, когда забор воды осуществляется из водоема — чтобы отработанная теплая вода не сбрасывалась в природный водоем.

Мощность самых крупных паровых турбин достигает 1600 мегаватт. Ступени высокого, среднего и низкого давления могут быть выполнены на одном роторе, в этом случае турбина называется одновальной. Однако более крупные турбины часто имеют двухвальную конструкцию: промежуточная и низконапорная ступени установлены на роторе, отдельном от ступени высокого давления. Максимальная температура пара перед турбиной зависит от типа стали, используемой для паропроводов и пароперегревателей, и обычно достигает 540-565°C, но может достигать и 650°C.
См. также турбину.

Регулирование и управление.

Во-первых, необходимо точно поддерживать стандартную частоту генерируемого переменного тока. Частота тока зависит от частоты вращения вала турбины и генератора, поэтому необходимо точно регулировать расход (скорость потока) пара на входе в турбину в соответствии с изменениями внешней нагрузки. Это осуществляется с помощью очень точного контроллера с компьютерным управлением, воздействующего на впускной регулирующий клапан турбины. Микропроцессорный контроллер координирует работу различных блоков и подсистем установки. Компьютеры в центральном диспетчерском пункте автоматически запускают и останавливают паровые котлы и турбины, обрабатывая данные с более чем 1 000 различных точек электростанции. Автоматическая система управления (АСУ) контролирует синхронную работу всех электростанций в энергосистеме и регулирует частоту и напряжение.

ДРУГИЕ ВИДЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Гидроэлектростанции.

Около 23% электроэнергии в мире вырабатывается на гидроэлектростанциях. Они преобразуют кинетическую энергию падающей воды в механическую энергию турбин, которые, в свою очередь, приводят в действие электромеханические генераторы тока. Крупнейшая в мире гидроэлектростанция расположена в Итайпу на реке Парана, которая разделяет Парагвай и Бразилию. Его мощность составляет 750 мегаватт. Гидроэлектростанция Итайпу имеет в общей сложности 18 агрегатов.

Насосные аккумуляторные электростанции (НЭС) оснащены агрегатами (гидравлическими и электрическими машинами), предназначенными для работы в турбинном и насосном режиме. В периоды низкой нагрузки насосно-аккумулирующая электростанция перекачивает воду из нижнего резервуара в верхний, а в периоды высокой нагрузки использует запасенную воду для выработки пиковой энергии. Время запуска и переключения режимов составляет несколько минут.

Газотурбинные установки

ГТУ широко используется на небольших электростанциях, принадлежащих муниципальным или промышленным компаниям, а также в «пиковых» установках на более крупных электростанциях. Мазут или природный газ сжигается в камере сгорания ГТУ, и газ высокой температуры и давления воздействует на рабочее колесо турбины так же, как пар в паровой турбине. Вращающийся ротор газовой турбины приводит в действие генератор, а также воздушный компрессор, который подает в камеру сгорания воздух, необходимый для горения. Около 2/3 энергии поглощается компрессором; горячие выхлопные газы отводятся в дымоход после турбины. По этой причине газовые турбины не очень эффективны, но они также имеют низкую капитальную стоимость по сравнению с паровыми турбинами той же мощности. Если ГТУ используется только несколько часов в год в периоды пиковой нагрузки, высокие эксплуатационные расходы компенсируются низкими капитальными затратами, поэтому экономически целесообразно использовать ГТУ для обеспечения 10% от общей мощности станции.

На газотурбинных электростанциях комбинированного цикла (ПГУ) высокотемпературные выхлопные газы газовой турбины направляются не в дымовую трубу, а в котел-утилизатор, который производит пар для паровой турбины. КПД такой установки выше, чем КПД лучшей паровой турбины, взятой отдельно (около 36%).

Электростанции с ДВС

Муниципальные и промышленные электростанции обычно используют дизельные и бензиновые двигатели внутреннего сгорания для привода своих генераторов.

Двигатели внутреннего сгорания очень неэффективны из-за своего термодинамического цикла, но этот недостаток компенсируется низкими капитальными затратами. Мощность самых больших дизельных двигателей составляет около 5 мегаватт. Их преимущество в том, что они имеют небольшие размеры, что позволяет легко подвести их близко к электрической системе муниципалитета или завода. Они не требуют большого количества воды, поскольку нет выхлопных газов для конденсации; ее достаточно для охлаждения цилиндров и смазочного масла. В установках с большим количеством дизельных или бензиновых двигателей их отработанные газы собираются в коллекторе и подаются в парогенератор, что значительно повышает общую эффективность.

Атомные электростанции

Атомные электростанции вырабатывают электроэнергию так же, как и обычные электростанции, работающие на ископаемом топливе, — с помощью мотор-генераторов, приводимых в движение паровыми турбинами. Однако пар производится путем деления в контролируемой цепной реакции изотопов урана или плутония в ядерном реакторе. Теплоноситель, циркулирующий по контуру охлаждения активной зоны реактора, отводит выделившееся тепло реакции и генерирует пар, напрямую или через теплообменник, для питания турбин.

Капитальные затраты на строительство атомной электростанции очень высоки по сравнению с электростанциями той же мощности, работающими на ископаемом топливе: в США они составляют в среднем около $3,000/кВт, по сравнению с $600/кВт для угольных электростанций. Однако атомные электростанции потребляют очень небольшое количество ядерного топлива, что может быть очень важно для стран, которым в противном случае пришлось бы импортировать обычное топливо.

Солнечные, ветровые, геотермальные электростанции

Солнечная энергия преобразуется непосредственно в электричество с помощью полупроводниковых фотоэлектрических генераторов тока, но капитальные затраты на эти преобразователи и их установку делают стоимость установленной мощности в несколько раз выше, чем у тепловых электростанций. В настоящее время действует несколько крупных солнечных электростанций; самая большая из них, мощностью 1 МВт, расположена в Лос-Анджелесе, штат Калифорния. Эффективность преобразования составляет 12-15%. Солнечная радиация также может быть использована для выработки электроэнергии с помощью большой зеркальной системы с компьютерным управлением для концентрации солнечных лучей на парогенераторе, установленном в центре башни. Пилотная установка такого типа мощностью 10 мегаватт была построена в Нью-Мексико. Солнечные электростанции в США вырабатывают около 6,5 млн кВт/ч в год.

Проектировщики ветряных электростанций мощностью 4 МВт, построенных в США, столкнулись с множеством трудностей из-за их сложности и большого масштаба. В Калифорнии было создано несколько «ветряных ферм» с сотнями небольших ветряных турбин, подключенных к местной сети. Ветряные электростанции окупаются только в том случае, если скорость ветра превышает 19 км/ч и ветер более или менее постоянен. К сожалению, они очень шумные, поэтому их нельзя устанавливать вблизи населенных пунктов.

Накопители электрической энергии

Электрическую энергию можно хранить различными способами. Сегодня наиболее распространенными и широко используемыми являются конденсаторы, ионообменники, химические преобразователи и накопители заряда активных частиц.

Конденсатор

Этот тип аккумулятора является знакомым устройством, конструкция так называемой лейденской бутылки изучалась еще в школьных курсах физики. Электрический заряд накапливается на двух пластинах. Современные конденсаторы имеют прокладку из полимера с высокой пробивной способностью. Это позволяет.

• Хранение большого количества энергии.
• Работа при высоких напряжениях.
• Обеспечивает безопасное использование.
• Обеспечивает малые размеры устройств хранения.

Параллельное соединение элементов позволяет создать батарею с необходимой емкостью. Этот тип накопителей не может хранить энергию без потерь в течение длительных периодов времени. Кроме того, он собирает довольно мало. Однако конденсатор может быть достаточно эффективным при низком потреблении. Сегодня именно этот тип конденсатора используется в аварийных светодиодных светильниках.

Во время отключения питания конденсатор заряжается. При отсутствии электроэнергии индикатор будет работать в течение получаса, чтобы можно было принять меры по устранению причины отключения электроэнергии, лечь спать или перевести устройство в режим защиты.

Ионистор

Иономеры, или, как их еще называют, суперконденсаторы, используют несколько иную схему хранения энергии. Здесь заряд распределяется в виде заряженных частиц в объеме рабочей среды. В результате получается огромное (по сравнению с конденсатором) время и емкость хранения энергии, но чрезвычайно чувствительное к температуре. Чем ниже температура среды, тем ниже выходной ток накопителя энергии.

Аккумуляторы химического преобразования

Электрохимические батареи являются основой для большинства автомобилей, мотоциклов и других привычных типов батарей. Схема устройства хранения данных проста.

• Заряженные ионы образуются при взаимодействии металлической пластины и кислоты.
• В этом процессе соли осаждаются на пластинах из катализатора.
• По мере уменьшения насыщенности электролита ячейка истощается — выход энергии уменьшается.

Во время зарядки происходит обратный процесс. Электролиз восстанавливает свойства электролита, перенося металл на донорскую пластину. Преимущества электрохимических ячеек многочисленны. Вы можете получить стабильно высокий выходной ток, что очень важно для запуска мощных устройств. Легко создать устройство с высокой производительностью, которое пригодится для длительной эксплуатации широкого спектра оборудования.

К недостаткам классического типа электрохимической ячейки относится ограниченное количество циклов заряда-разряда. Некоторые соли металлов становятся инертными, пластины приходят в негодность, а электролит истощается. Эти недостатки в значительной степени нейтрализуются в коллоидной камере. Этот современный источник энергии содержит коллоидный электролит. В этом электролите происходит процесс ионизации. Недостатком, однако, является его большая чувствительность к температуре. Если температура падает и гель затвердевает, выходной ток падает.

Накопление энергии наработкой топлива

Этот метод состоит из двух совершенно отдельных этапов: накопление энергии («зарядка») и использование энергии («разрядка»). Традиционные виды топлива обычно имеют большую удельную энергию, могут храниться в течение длительного времени и просты в использовании. Но жизнь не стоит на месте. Внедрение новых технологий предъявляет повышенные требования к топливу. Этого можно достичь путем совершенствования существующих видов топлива и разработки новых, более высокоэнергетических видов топлива.

Широкому внедрению новых образцов препятствуют неадекватные технические процессы, высокий риск пожара и взрыва при эксплуатации, необходимость в высококвалифицированном персонале и высокая стоимость технологии.

Безтопливное химическое накопление энергии

В этом типе хранения энергии энергия накапливается путем преобразования одних химических веществ в другие. Примером может служить гашеная известь, которую нагревают до неопасного состояния. Накопленная энергия высвобождается в виде тепла и газа при «разрядке». Именно это и происходит, когда для гашения извести используется вода. Чтобы реакция началась, обычно достаточно соединить компоненты. По сути, это термохимическая реакция, за исключением того, что она происходит при температуре в сотни или тысячи градусов. В результате используемое оборудование гораздо сложнее и дороже.

Электромобиль как накопитель

Электромобили имеют аккумуляторы, выпрямители и инверторы — все элементы накопительного оборудования, используемого для сглаживания пиков электроэнергии. Почему бы не использовать электромобиль в качестве накопителя энергии, пока он стоит в гараже?

Renault и Nissan уже выпускают электромобили, способные высвобождать энергию, накопленную в аккумуляторах. И компания Schneider Electric создала электрическую зарядную станцию, которая поддерживает эту функцию. Великобритания рассматривает возможность сделать парковку электромобилей бесплатной в обмен на то, что они будут отдавать определенное количество электроэнергии в сеть, когда они это делают.

Renault выпускает электромобиль, способный работать в качестве накопителя энергии

Наконец, в той же Великобритании рассматривается законопроект, который обяжет владельцев электромобилей подключать их к электросети, чтобы уравновесить все время, когда они не ездят. С 2018 года Renault проводит крупномасштабные эксперименты на португальском острове Мадейра, чтобы протестировать технологию, которая возвращает электроэнергию в сеть от электромобилей.

Будущее — за распределенным хранением энергии?

До недавнего времени технология сглаживания пиков выработки и потребления электроэнергии основывалась на реалиях 20-го века — централизованной энергетической системе, не имеющей возможности контролировать оборудование, установленное в помещениях потребителей. Установка огромного аккумуляторного хранилища в Австралии — это лишь один из способов улучшить энергетическую систему, созданную в прошлом веке, но не кардинально изменить ее.

По мере распространения альтернативных источников энергии производство электроэнергии становится все более децентрализованным. И уже невозможно точно определить, где именно в энергосистеме должны быть подключены гигантские батареи для балансировки. По мнению автора статьи, будущее принадлежит не только децентрализованному производству электроэнергии, но и децентрализованному хранению энергии. Каждая квартира, офис или завод будут иметь локальное хранилище энергии. Пользователей будут поощрять (и обязывать) подключать устройства хранения данных к системе управления либо с помощью скидок, либо с помощью строгих законодательных требований. Энергетическая компания будет использовать технологию IoT для дистанционного регулирования накопления и выдачи электроэнергии в сеть. Таким образом, пики производства и потребления электроэнергии будут сглажены.

Действительно, «первым укусом» такого подхода стали крупные инвестиции правительства Великобритании в разработку технологии использования электромобилей в качестве сетевых накопителей, а также проект по принуждению владельцев электромобилей использовать их таким образом.

В результате огромные накопители энергии, такие как гидроэлектростанции или огромные аккумуляторы, установленные в австралийской пустыне, вообще не понадобятся. Электроэнергия будет храниться только на кончиках пальцев пользователя, в дешевых, компактных устройствах. Развитие технологии суперконденсаторов обеспечит надежность и безопасность таких накопителей.

Как выбрать накопитель электрической энергии для частного дома

Перебои в подаче электроэнергии — довольно частое явление в новостройках, старых зданиях и особенно в частных домах. Неисправности возникают на подстанциях, неисправности в линиях, неисправности в защитном оборудовании. Современные системы накопления энергии позволяют комфортно пережить это возмущение без ущерба для бытовой техники.

Принцип работы

Источник бесперебойного питания для вашего дома

Принцип работы заключается в том, что при наличии внешней сети инвертор передает напряжение потребителю, а встроенное зарядное устройство заряжает аккумуляторы. В случае сбоя в сети инвертор немедленно переключается на работу от батареи и преобразует постоянное напряжение в переменное.

Накопители энергии делятся на 2 категории в зависимости от их назначения.

• Источник бесперебойного питания (ИБП) обеспечивает питание бытовых приборов.
• Для обеспечения бесперебойного электроснабжения дома в случае отключения электроэнергии.

Они различаются по составу, размеру, мощности, стоимости и времени разрядки. Они могут располагаться внутри или снаружи здания в отдельной конструкции.

Как выбрать аккумулятор для дома

ИБП мощностью 0,8 кВт для дачи

Если перебои в подаче электроэнергии стали регулярным явлением, вам следует подумать о приобретении аккумулятора для дома. Компьютерная батарея не решит проблему, так как ее срок службы ограничен. Вам нужно устройство, которое прослужит несколько часов, а лучше день. Такой технический помощник пригодится в случае серьезного сбоя на линии.

Критерии отбора следующие

• Сложность установки и ввода в эксплуатацию
• Стоимость доставки и специального обслуживания.
• Устойчивость к колебаниям температуры и влажности.
• Коэффициент полезного действия; в современном оборудовании он достигает 98%.
• Срок службы — от 5000 до 10000 часов.
  
  Источник бесперебойного питания SVEN RT-500
• Перегрузочная способность (выдерживание нагрузки при запуске генератора) — 200-300%.
• Время автоматического запуска: в случае отключения питания хорошее домашнее устройство хранения данных уже начинает процесс преобразования в течение 10 миллисекунд.
• Способны работать при небольших нагрузках.
• Автономность — Топливный бак рассчитан на сутки работы двигателя.
• Качество тока — качественный накопитель электрической энергии обеспечивает ток, который не отклоняется от промышленных значений более чем на 2%.
• Количество циклов заряда-разряда — не менее 500.
• Мощность — исходя из резерва потребителя 30%, но не менее 6 кВ.
• Создаваемый шум — преобразователь работает без шума.

Современные накопители электрической энергии большой емкости могут обеспечить дом энергией на 1-2 дня. При восстановлении электропитания нет необходимости их отключать, все происходит автоматически.

Большая домашняя батарейка

Большие бытовые аккумуляторы

Big Home Battery, производимая российской компанией «Экомоторс», является дешевым и эффективным аналогом накопителя Tesla PowerWall. Используется для резервного питания в частных домах, дачах, офисах и других объектах, где в любой момент может отключиться электричество. Его также можно устанавливать в автофургонах, передвижных домах и мобильных столовых. В течение ночи устройство накапливает энергию с низкой скоростью. Он имеет компактные размеры и может быть установлен вертикально или горизонтально на стене.

Технические особенности.

• Емкость — 7,8 кВтч.
• Напряжение батареи — 24 В.
• Мощность — 7,2 кВт.
• Размеры — 1000 x 500 x 250 мм.
• Вес — 100 кг.
• Количество циклов — 7 000.

Мониторинг работы и состояния устройства с помощью планшета Android с возможностью экспорта информации на ПК или мобильный телефон.

Накопители электроэнергии для дома

Системы хранения энергии

Системы накопления энергии в частных домах могут обеспечивать электроэнергией в течение 24-48 часов. Это зависит от степени полной зарядки батарей, количества потребителей и емкости батарей.

Используются следующие типы батарей

• Свинцово-кислотные аккумуляторы. Недорогие, имеют хорошую перезаряжаемость и быстро достигают полной емкости.
• Литий-ионный. Легкий вес, низкий саморазряд и высокая емкость.

Вы выбираете в соответствии со своими потребностями и бюджетом.

Устройство накопителей

Накопитель электроэнергии для дома и коттеджа представляет собой систему, состоящую из двух функциональных блоков, выполняющих определенные задачи.

• Батарейный блок. Батарейный блок может использоваться для хранения энергии от промышленной сети, от топливных или ветряных турбин, от солнечных панелей или от водяных турбин.
• Отдельный инвертор. Заряжает аккумулятор до заданного значения в режиме ожидания. В случае отключения электроэнергии он переключается на преобразователь постоянного тока в переменный (220 В или 380 В) для подачи его во внутреннюю сеть дома.

Эти устройства выпускаются во встроенном, отдельно стоящем, напольном и настенном исполнении.

Типовое решение и модернизация

Инвертор SIN Energy 48-220 18 кВт HYBRID

В зависимости от требований и частоты отключений электроэнергии можно приобрести один или несколько блоков, которые подключаются последовательно или параллельно.

Для установки в помещениях предпочтительнее использовать AGM и гелевые модели. Они герметичны, выдерживают полный разряд и не требуют технического обслуживания.

Продукты с жидким электролитом выделяют кислотные пары, которые вредны для здоровья. Их можно устанавливать только на открытом воздухе. Из-за частой разрядки эти модели быстро изнашиваются.

Клиенты могут приобрести продукты со следующими обновлениями и функциями

• Мощность.
• Вместимость.
• Сила тока.
• Напряжение.
• Время работы.
• Количество этапов.

Окончательная цена в зависимости от внесенных изменений.

Применение накопителей электроэнергии

Источник бесперебойного питания для газовых котлов

Бытовые и промышленные накопители энергии могут использоваться для повышения мощности, бесперебойного энергоснабжения в чрезвычайных ситуациях и автономного питания неподключенных объектов.

Это могут быть.

• Дома.
• Летние домики.
• Кафе.
• Семинар.
• Магазин для рабочих.
• Котельная.
• Водная станция.
• Склад.
• Гаражи.

Инверторный блок не зависит от условий окружающей среды и может заряжаться от внешнего источника, в том числе во время работы.