Виды источников энергии и их использование

Наука, изучающая электричество

Электричество – природное явление. Оно частично изучается в биологии, химии и физике. Наиболее полно электрические заряды рассматриваются в рамках электродинамики – одного из разделов физики.

Теории и законы электричества

Законов, которым подчиняется электричество немного, но они полностью описывают явление:

  • Закон сохранения энергии – фундаментальный закон, которому подчиняются и электрические явления;
  • Закон Ома – основной закон электрического тока;
  • Закон электромагнитной индукции – о электромагнитном и магнитном полях;
  • Закон Ампера – о взаимодействии двух проводников с токами;
  • Закон Джоуля-Ленца – о тепловом эффекте электричества;
  • Закон Кулон – об электростатике;
  • Правила правой и левой руки – определяющие направления силовых линий магнитного поля и силы Ампера, действующей на проводник в магнитном поле;
  • Правило Ленца – определяющее направление индукционного тока;
  • Законы Фарадея – об электролизе.

Первые опыты с электричеством

Первые опыты с электричеством носили, в основном, развлекательный характер. Их суть была в лёгких предметах, которые притягивались и отталкивались под действием плохо изученной силы. Другой занимательный опыт – передача электричества через цепочку людей, взявшихся за руки. Физиологическое действие электричества активно изучал Жан Нолле, заставивший пройти электрический заряд через 180 человек.

Отрасли промышленности электроэнергетики

Список промышленных источников производства электрической энергии состоит из 4 отраслей энергетики:

  • атомная;
  • тепловая;
  • гидроэнергетика;
  • альтернативная.

Атомная энергетика

Эта отрасль энергодобычи является на сегодня самым эффективным способом получения электричества за счёт ядерной реакции. Для этого используют очищенный уран. Сердцем станции является атомный реактор.

Схема работы ядерного реактора

Источниками тепла являются ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы). Они представляют собой тонкие длинные циркониевые трубки, в которых помещены урановые таблетки. Их объединяют в группы – ТВС (тепловыделяющая сборка). Ими загружают корпус реактора, в теле которого размещены трубы с водой. Во время ядерного распада урана происходит выделение тепла, которое нагревает воду в первичном контуре до 3200.

Пар поступает на лопасти турбин, которые вращают генераторы переменного тока. Электричество через трансформаторы попадает в общую энергетическую систему.

Обратите внимание! Помня о трагедии Чернобыля, учёные всего мира совершенствуют систему безопасности работы АЭС. Последние разработки в атомной энергетике обеспечивают практически 100% безвредность атомных электростанций

Вид на АЭС

Тепловая энергетика

Тепловые электростанции работают по принципу сжигания природного топлива: угля, газа и мазута. Вода, проходящая по трубопроводам через котлы, превращается в пар и в дальнейшем подаётся на лопасти генераторных турбин.

Дополнительная информация. За 4 года эксплуатации одной группы ТВЭЛов вырабатывается такое количество электроэнергии, для получения которого ТЭС потребуется сжечь 730 цистерн природного газа, 600 вагонов угля или 900 нефтеналивных железнодорожных танкеров.

Помимо этого, тепловые электростанции сильно ухудшают экологическую обстановку в районах месторасположения. Продукты горения топлива сильно загрязняют атмосферу. Лишь только станции, работающие на газотурбинных установках, отвечают требованиям экологической чистоты.

Гидроэнергетика

Примерами эффективного применения гидроэнергетики являются Асуанская, Саяно-Шушенская ГЭС и др. Самые экологичные электростанции, использующие кинетическую энергию движения воды, не производят никаких вредных выбросов в окружающую природу. Однако массовое возведение гидросооружений ограничено совокупностью обстоятельств. Это наличие определённой величины природного водного потока, особенностью рельефа местности и многое другое.

ГЭС

Альтернативная энергетика

Научно-техническая революция не замирает ни на минуту. Каждый день приносит новшества в получение электрического тока. Пытливые умы постоянно заняты поисками новых технологий выработки электроэнергии, которые выступают в роли альтернативы традиционным способам получения электричества.

Следует упомянуть ветровые генераторы, приливные морские станции и солнечные батареи. Наряду с этим, появились устройства, вырабатывающие электроток, используя тепло разложения бытовых отходов, продуктов жизнедеятельности крупного рогатого скота. Есть такие устройства, которые используют температурную разницу различных слоёв грунта, щелочную и кислотную среду почвы на разных уровнях. Альтернативные источники электроэнергии объединяет одно – это несопоставимость выработанного количества энергии с объёмами электричества, которые получают традиционными способами (АЭС, ТЭС и ГЭС).

Авиационные генераторы постоянного тока

Генераторы
постоянного тока относятся к классу
генераторов с самовозбуждением, а по
схеме подсоединения обмотки возбуждения
к якорю — в большинстве случаев к
генераторам с параллельным возбуждением.

Генератор схематично
можно представить состоящим из двух
агрегатов: неподвижного статора с
индуктором, на сердечниках которого
смонтированы обмотки возбуждения ОВ,
и вращающегося якоря Я, служащего для
преобразования меха­нической энергии
в электрическую.

При
вращении якоря
индуцируется
переменная ЭДС, а для питания обмоток
возбуждения требуется постоянный ток,
его выпрямление осуществляется
специальным щеточно-коллекторным
устройством. В начальный период работы
генератор самовозбуждается вследствие
остаточного магнетизма в металле
полюсов. Поэтому генераторы в процессе
эксплуатации не должны перегреваться
и подвергаться резким ударам, иначе
остаточный магнетизм в полюсах может
исчезнуть.

При
работе генератора в режиме холостого
хода, т. е. с отклю­ченной внешней
сетью, ЭДС генератора зависит от частоты
враще­ния якоря n его якоря и магнитного
потока Ф в индукторе, который в свою
очередь зависит от тока возбуждения
iB:


постоянный коэффициент

Е
— ЭДС генератора; р — число пар полюсов;
N
— число активных проводников обмотки
якоря; а – число пар параллельных ветвей
обмотки якоря;

Ф — магнитный поток
возбуждения.

При
работе генератора на бортовую сеть
напряжение на его зажимах зависит от
ЭДС, тока IН
нагрузки и сопротивления RЯ
якоря: U = Е
— I
НRЯ

При
увеличении нагрузки напряжение на
зажимах генератора постепенно снижается
и может достигнуть критического значения,
после чего напряжение резко падает до
нуля наступает режим короткого замыкания.

Типовыми
представителями генераторов постоянного
тока являются генераторы серии ГСР (с
расширенным диапазоном ча­стот
вращения). Конструкция и электрическая
схема одного из мощных гене­раторов
серии ГСР представлена на рисунке.

Корпус 9 генератора
состоит из двух частей: магнитопровода
и щита. Магнитопровод, являющийся средней
частью корпуса, выполнен из электротехнической
стали и соединен со щитом спо­собом
сварки. В нем смонтированы основные 3 и
дополнительные 7 полюсы с катушками
обмоток возбуждения 4 и 6, а также
щеткодержатели 10. Дополнительные полюсы
необходимы для устранения вредного
влияния реакции якоря, которая приводит
к искрению и уменьшению индуцируемой
ЭДС.

Реакция
якоря

действие магнитного поля якоря на поле
основных полюсов машины. Реакция якоря
вызывает уменьшение магнитного потока
генератора и смещение физической
нейтрали — линии, перпендикулярной к
оси магнитного поля.

Устройство и
электрическая схема генератора серии
ГСР:

1 — патрубок; 2 —
коллектор; 3 — основной полюс; 4 — катушка
обмотки возбуждения основного полюса;
5 — упругий валик; 6 — катушка обмотки
возбуждения дополнитель­ного полюса;
7 — дополнительный полюс; 8 — якорь;
9 — корпус; 10 — щеткодер­жатели; 7
полюсы с катушками обмоток возбуждения
4 и 6, а также щетко­держатели 10.

Якорь 8, коллектор
2 и вентилятор смонтированы на общем
валу, опорами которого являются два
подшипника.

Генерируемый
ток с коллектора отводится меднографитовыми
щетками. Они устанавливаются в
щеткодержа­телях и прижимаются к
коллектору пружинами. Генератор в полете
охлаждаемся продувом воз­духа через
его внутренние полости. Воздух нагнетается
вентиля­тором через патрубок 1 и,
омывая щеточно-коллекторный узел, якорь,
полюсы и обмотки, выходит через окна в
щите корпуса.

На воздушных судах
применяются генераторы постоянного
тока следующих типов: ГС, ГСК, ГСН, ГСР
и ВГ.

Основным недостатком
генераторов постоянного тока является
недостаточно надежный контакт между
токосъемными щетками и коллектором
якоря, что особенно ярко проявляется
при полетах на больших высотах и вызывает
интенсивное искрение и сопутст­вующие
помехи работе установленного на самолете
электронного оборудования.

Комплекс
аппаратуры генератора постоянного тока
имеет регулятор напряжения,
дифференциально-минимальное реле,
автомат защиты от перенапряжения типа
АЗП и регулировочные резисторы.

Виды источников электрического тока

Существуют следующие виды источников электрического тока:

  • механические;
  • тепловые;
  • световые;
  • химические.

Механические источники

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Тепловые источники

Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.

В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор. В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой. Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.

Виды электричества в природе

Самый простой пример электричества, возникающего естественным путём – это молнии. Частицы воды в облаках постоянно сталкиваются друг с другом, приобретая положительный или отрицательный заряд. Более лёгкие, положительно заряженные частицы оказываются в верхней части облака, а тяжёлые отрицательные перемещаются вниз. Когда два подобных облака оказываются на достаточно близком расстоянии, но на разной высоте, положительные заряды одного начинают взаимно притягиваться отрицательными частицами другого. В этот момент и возникает молния. Также это явление возникает между облаками и самой земной поверхностью.

Другое проявление электричества в природе – это специальные органы у рыб, скатов и угрей. С их помощью они могут создавать электрические заряды, чтобы обороняться от хищников или оглушать своих жертв. Их потенциал – от совсем слабых разрядов, незаметных для человека, до смертельно опасных. Некоторые рыбы создают вокруг себя слабое электрическое поле, помогающее искать добычу и ориентироваться в мутной воде. Любой физический объект так или иначе искажает его, что помогает воссоздавать окружающее пространство и «видеть» без глаз.

Также электричество проявляется и в работе нервной системы живых организмов. Нервный импульс передаёт информацию от одной клетки к другой, позволяя реагировать на внешние и внутренние раздражители, мыслить и управлять своими движениями.

Виды источников электрического тока

Существует много видов источников электрического тока, однако в любом источнике производится работа по переносу зарядов между специальными клеммами, называемыми полюсами. Теперь, если к полюсам подключить электрическую цепь, то в ней возникнет непрекращающееся движение зарядов – возникнет электрический ток.

Силы, которые перемещают заряды между полюсами внутри источника, имеют природу отличную от электрической, и называются сторонними. В зависимости от природы этих сторонних сил существуют различные источники электрического тока.

Химические источники

Сторонние силы химической природы используются в гальванических элементах – батарейках и аккумуляторах. Химическое взаимодействие определяется поведением электронов внешних оболочек атомов, его энергетический порядок невелик, поэтому и электрическое поле (и напряжение), получаемое с помощью одного химического элемента невысоко. Для получения высоких напряжений химические элементы соединяются последовательно. Но получаемая энергия все равно будет относительно небольшой. Химические источники удобны там, где при не очень высоких требованиях к энергетическим параметрам требуется автономность.

Рис. 1. Химические источники тока батареи аккумуляторы.

Электромеханические источники

Сторонние силы механической природы используются в генераторах различных конструкций. Например, в лабораторной электрической машине заряды создаются с помощью трения. В промышленных генераторах заряды создаются с помощью перемещения взаимодействующих магнитных полей (здесь используется явление электромагнитной индукции). При этом можно получить очень высокие энергетические показатели. Это наиболее широко используемые источники электрического тока для промышленных целей.

Рис. 2. Электромеханические источники тока.

Тепловые источники

Сторонние силы тепловой природы используются в термоэлементах – при нагревании спаянных разнородных проводников на концах спая возникает небольшая разность потенциалов, которую можно использовать. Однако, энергия при этом получается очень небольшой. Поэтому термоэлементы используются в основном как датчики температуры в составе специальных измерительных схем.

Рис. 3. Термоэлектрические источники тока.

Фотоэлектрические источники

Сторонние силы световой природы используются в солнечных батареях. Здесь используется явление фотоэффекта – при освещении некоторых веществ световая энергия начинает выбивать из атомов электроны, тем самым, создавая электрическое поле, которое может быть использовано. Солнечные батареи способны давать относительно небольшую энергию, однако, они очень удобны там, где кроме солнечного света очень мало других видов энергии – например, в удаленных уголках Земли или в космосе.

Рис. 4. Солнечные батареи.

Что мы узнали?

Действие источника электрической энергии постоянного тока заключается в поддержании электрического поля на выводах-полюсах. Для этого используется энергия сторонних сил, природа которых отлична от электрической. По видам этих сил источники делятся на химические, электромеханические, тепловые, фотоэлектрические.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 5

    Действие химического источника постоянного тока заключается в том чтобы …

    • с помощью химических реакций создавать на полюсах постоянное электрическое поле.
    • с помощью химических реакций создавать на полюсах равные потенциалы
    • использовать тепловые явления для выработки электроэнергии
    • использовать явление фотоэффекта для получения электроэнергии.

Начать тест(новая вкладка)

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ПИТАНИЯ

Вторичные источники подключаются к первичным и преобразуют получаемую электроэнергию в выходное напряжение с требуемыми параметрами частоты, пульсации и т. д.

Основные функции вторичных источников:

  • обеспечение передачи требуемой мощности с наименьшими потерями;
  • преобразование формы напряжения (переменного напряжения в постоянное, изменение частоты, формирование импульсов;
  • преобразование значение напряжения (повышение или понижение его величины, формирование нескольких величин для разных цепей);
  • стабилизация напряжения (его показатели на выходе должны находиться в заданном диапазоне);
  • защита (чтобы напряжение, превысившее допустимые значения вследствие неисправности, не вывело из строя аппаратуру или сам ИП);
  • гальваническое разделение цепей.

Существует два основных типа источников вторичного питания (ИВП) – трансформаторный и импульсный.

Трансформаторный блок питания.

Трансформаторный, или линейный ИВП – классический блок питания. Регулировка выходного напряжения происходит в нем непрерывно, то есть линейно.

В его конструкцию последовательно входят:

  • трансформатор (корректирует напряжение в ту или иную сторону до нужной величины);
  • выпрямитель (преобразует переменное напряжение в постоянное);
  • фильтр (сглаживает пульсацию (колебания) в выпрямленном напряжении).

Также схема может включать защиту от короткого замыкания, фильтр высокочастотных помех, стабилизатор и др.

Достоинства трансформаторных ИВП:

  • простота конструкции;
  • гальваническая развязка от сети;
  • надежность в эксплуатации.

Недостатки:

  • большие габариты и вес, которые прямо пропорциональны его мощности;
  • относительно низкий КПД.

В бытовой технике линейные ИП малой мощности используются для питания плат управления стиральных машин, микроволновок, отопительных котлов.

Импульсный ИВП.

Импульсный блок питания устроен принципиально иначе и имеет более сложную конструкцию.

Он содержит:

выпрямитель (входное напряжение сначала выпрямляется – преобразуется из переменного в постоянное);
блок широтно-импульсной модуляции – ШИМ (преобразует постоянное напряжение в импульсы определенной частоты и скважности);
частотный фильтр (в блоках без гальванической развязки);
трансформатор (в блоках с гальванической развязкой от сети).

В импульсных источниках вторичного напряжения стабилизация реализуется посредством обратной связи, что позволяет поддерживать выходное напряжение на заданном уровне независимо от скачков входных параметров.

Например, в блоках с гальванической развязкой в зависимости от величины выходного сигнала изменяется скважность (отношение частоты следования импульсов к их длительности) на выходе ШИМ-контроллера. Достоинства импульсных источников питания:

Достоинства импульсных источников питания:

  • малый вес и небольшие размеры;
  • высокий КПД (до 98%);
  • широкий диапазон допустимого входного напряжения;
  • встроенная защита от короткого замыкания и других форс-мажоров;
  • невысокая цена;
  • по надежности сравнимы с трансформаторными ИП.

Недостатки:

  • являются источниками высокочастотных помех, которые нельзя полностью устранить;
  • имеют ограничение по минимальной мощности нагрузки: не включаются, если она ниже требуемой.

Импульсные источники – это зарядки мобильных телефонов, блоки питания компьютеров, оргтехники, бытовой электроники.

Гидроэнергетика

К возобновляемым источникам энергии относятся широко распространенные гидроэлектростанции. На этих объектах используется потенциальная энергия водных потоков.

Традиционные гидроэлектростанции

Возводят гидроэлектростанции, как правило, на реках. Для создания необходимого давления воды создают мощные плотины и объемные хранилища воды. Как разновидность, используют бесплотинные ГЭС.

Данным объектам (ГЭС) гидроэнергетики присущи следующие особенности.

Положительные:

  1. высокий КПД при сравнительно малых экономических затратах на строительство и дальнейшую эксплуатацию станции, отсюда низкая себестоимость электроэнергии;
  2. отсутствуют вредные выбросы в атмосферу;
  3. водохранилище как фактор, улучшающий микроклимат в районе ГЭС;
  4. возможность разведения рыб;
  5. предотвращает появление паводков, используется для орошения сельхозугодий, технического применения на заводах;
  6. обладают механизмом регулирования потребления энергии.

Отрицательные:

  1. водохранилища затопляют обширные территории, занимают земли, пригодные для сельского хозяйства;
  2. перекрытие рек существенно меняет условия для обитания ценных видов проходных рыб, многие из которых исчезают из облюбованных ранее водоемов.

Гидроэлектростанции, как возобновляемые источники энергии, эффективны для поставки электроэнергии в горные участки. Они имеются в Швейцарии, на территории России. В мировом объеме поставляемой энергии доля гидроресурсов составляет около трех процентов. В Канаде, Исландии и Китае основную часть электроэнергии вырабатывают именно гидростанции.

Красноярская гидроэлектростанция

В России строительство гидроэлектростанций всегда считалось выгодным направлением. В наши дни гидростанции вырабатывают 6 процентов электроэнергии страны. Площади крупнейших водохранилищ ГЭС составляют тысячи квадратных километров. В пример можно привести размеры Самарского водохранилища, площадь которого превышает 6400 км2.

Приливные электростанции

Особой разновидностью гидроэнергетики являются приливные электростанции, работающие на основе использования энергии приливов и отливов. Они возводятся на побережьях, где под воздействием гравитационных сил Солнца и Луны ежедневно меняется уровень воды морских и речных водоемов. Залив или устье реки перегораживают дамбой. Встроенный в неё гидроагрегат с огромными лопастями и преобразует силу прибоя в электроэнергию.

Так устроена приливная гидроэлектростанция

Такая форма получения энергии из неисчерпаемого источника очень экологична, имеет малую себестоимость. Однако само строительство требует больших вложений. Кроме того, перепады в мощности не позволяют поставлять электроэнергию в постоянном режиме. Тем не менее, станции ПЭС ценят за высокую эффективность и малое влияние на экологию. Их строительство продолжается во многих странах.

Волновые электростанции

Энергия волн представляет собой огромный потенциал. Удельную мощность морских и океанских волновых колебаний оценивают гораздо выше солнечной и ветровой. Специалисты подсчитали, что мощность волн мирового океана равна примерно 30 процентам всей потребляемой электроэнергии на Земле.

Волновая гидроэлектростанция Oyster в Шотландской прибрежной зоне мощностью 600 кВт

Работа волновых электростанций построена на превращении потенциальной энергии волн в электрическую. Выбор места строительства подобных объектов получения электричества обусловлен особенностями региона, наличием крупных водоемов и сильных ветров.

Гидроэнергетика будущего

Гидроэнергетика не стоит на месте. Постоянно придумываются новые специфические виды использования силы мирового океана. К примеру, в данный момент разрабатываются технологии использования в энергетике морских течений и разницы температур на различных глубинах.

Океанские и морские течения (Куросио, Гольфстрима и т.п.) также обладают определенной энергетической силой, потенциал которой на практике пока не оценен. Но ученые и проектировщики считают возведение гидростанций, использующих энергию водных течений, перспективном направлением в морской энергетике. Согласно технологии, применяют специальные преобразователи в виде объемных и водяных насосов.

Роторная система Seagen, расположенная у побережья Ирландии, преобразует энергию течений в электроэнергию

Электроэнергию можно получать, используя разницу температур поверхности и глубинных слоев моря или океана. Разность на глубине 400 м и верхнего слоя воды составляет 12 градусов. В данный момент уже существуют экспериментальные системы преобразования разницы температур в электричество, основанные на пьезоэффекте.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий