Мировое потребление энергии во всех ее видах, в том числе и электроэнергии, находится в непосредственной зависимости от численности населения. Население Земли растет особенно значительно в последнее время и к 2000 г. составит, по существующим прогнозам, примерно 6 млрд. человек. Динамика роста населения во второй половине XX в. такова, что к 2000 г. население возрасло более чем в 2 раза по сравнению с 1950 г. (табл. 3.1). Большая доля в приросте населения приходится на развивающиеся страны. Наряду с увеличением общего потребления энергии в мире растет также доля энергии, приходящаяся на одного человека (табл. 3.1).
Огромные потребности в энергии ставят перед человечеством проблему разработки новых способов ее получения. В настоящее время уже нельзя довольствоваться существующими, ставшими традиционными способами преобразования различных видов энергии в электрическую из-за ограниченности запасов органического топлива, которое расточительно используется при сжигании в топках. КПД современных ТЭС не превышает 40%. Это означает, что большая часть получаемой теплоты теряется и оказывает пагубное «тепловое загрязнение» на близрасположенные водоемы. Кроме того, при сжигании топлива плохо используется вещество, вовлеченное в процесс преобразования энергии. КПД по использованию вещества составляет у ТЭС ничтожно малую величину.
Таблица 3.1
Следовательно, процесс сжигания топлива сопровождается огромными выбросами побочных продуктов, загрязняющих окружающую среду. Поэтому разработка новых способов преобразования энергии, позволяющих уменьшить выбросы отходов в атмосферу, относится к важнейшим социальным проблемам. Это, конечно, не означает, что современнее ТЭС, ГЭС и АЭС не соответствуют духу времени и их строительство будет прекращено.
В обозримом будущем ТЭС останутся одними из основных, поэтому совершенствование их конструкции, улучшение термодинамического цикла актуально для большой энергетики.
Большие надежды возлагаются на АЭС, внедрение которых происходит во многих странах мира с невиданными в истории техники темпами. Ожидается, что к 2000 г. суммарная мощность АЭС в мире составит 3500-3600 ГВт, в то время как общая энергетическая мощность достигнет 7000-7200 ГВт. Иными словами, предполагается, что не менее 50% всей располагаемой человечеством энергетической мощности будет приходится на АЭС. Приведенные цифры свидетельствуют о большом темпе развития, в особенности если учесть, что первая АЭС была построена в 1954 г.
По использованию вещества на АЭС КПД значительно выше, чем на ТЭС (см. табл. 2.1), но при условии что это вещество специально подготовлено для выполнения функций ядерного топлива. При этом на АЭС классический термодинамический цикл преобразования теплоты в механическую энергию, которая затем генераторами преобразуется в электрическую, приводит к большим потерям энергии, получаемой в реакторах. Таким образом, на современных АЭС не удается избежать основных принципиальных недостатков, свойственных ТЭС.
Заманчива перспектива науки - получить эффективные способы непосредственного преобразования ядерной энергии в электрическую. Предвидев то огромное значение, которое ядерная энергия призвана сыграть в истории человечества, Герберт Уэллс в начале XX в. писал; «...уже занималась заря мощи и свободы под небом озаренным надеждой, перед ликом науки, которая, подобно благодетельной богине, держала в сильных рукам над кромешным мраком человеческой жизни изобилие, мир, ответ на бесчисленные загадки, ключи к славнейшим деяниям, ожидая, пока люди соблаговолят их взять...».
Широко используемые во многих странах мира ГЭС сооружаемые на реках, и в дальнейшем будут развиваться как весьма современные преобразователи энергии в возобновляемой форме. В связи с возрастающим загрязнением биосферы и ограниченностью запасов топлива повышается интерес к «чистым» электростанциям, использующим энергию морских приливов, теплоту земных недр, энергию солнечной радиации.
Таким образом, вместе с развитием цивилизации и технического прогресса будут совершенствоваться существующие, ставшие классическими, и создаваться новые, более эффективные способы преобразования энергии. В отдаленной перспективе человечество будет располагать арсеналом качественно иных источников энергии, и то, чем оно пользуется сегодня, неизбежно отойдет в прошлое, как в настоящее время стали историческими паровые машины.
Несмотря на бурный прогресс в энергетике и высокие темпы наращивания энергетического потенциала планеты, производство энергии недостаточно. Все еще приходится считаться с тем реальным фактом, что большая часть населения планеты голодает, страдает от нищеты и загрязнения окружающей среды.
Кроме того, потребление энергии в мире (различных странах) крайне неравномерно, а как показано выше, потребление энергии в стране определенным образом связано с культурным уровнем (см. с. 19) ее населения. Развитие цивилизации и производство материальных ценностей также непосредственно связаны с количеством потребляемой энергии и ее качеством.
Для улучшения условий жизни людей на планете, значительного повышения производительности труда, изменения ландшафтов в широких масштабах, а также решения ряда других жизненно важных проблем наряду с созданием необходимых социальных условий развития важное значение имеет получение достаточно больших количеств энергии.
Как справедливо пишут американские ученые Г. Сиборг и У. Корлисс, «...дешевая энергия - это значит пища в достатке, обилие пресной воды, чистый воздух и все то, что принято называть признаками цивилизации».
Нехватка в современном мире продуктов сельского хозяйства ставит перед правительствами ряда стран проблему повышения их производства. В некоторой мере увеличение продуктов питания можно получить за счет использования пригодных для земледелия пустующих земель. Однако эти возможности имеются не во всех нуждающихся в продовольствии странах и, кроме того, они ограничены. В условиях быстрого увеличения численности населения решение проблемы продуктов питания возможно только путем интенсификации сельского хозяйства и в первую очередь орошения земли. Запасы пресной воды, пригодной для целей орошения, невелики. Издавна люди мечтали использовать для нужд сельского хозяйства морскую воду, омывающую берега. Опреснение морской воды в промышленных масштабах становится возможным в настоящее время, когда с помощью наиболее пригодных для этого АЭС стало доступным получение в больших количествах теплоты, необходимой для дистилляции морской воды.
По существующим подсчетам 1/3 Земли из-за отсутствия влаги не заселена, в то время как 1/2 населения земного шара «теснится» на 1/10 суши. С помощью дешевых источников энергии можно было бы незаселенную территорию Земли превратить в процветающую, открывающую широкие горизонты для значительной части населения планеты.
Огромные количества энергии потребуются человечеству также для решения таких задач, как изменение климата на обширных пространствах путем изменения направления морских течений или сооружения водоемов с большой поверхностью испарения, преобразование ландшафта, строительство искусственных морских заливов и т. п.
Применяемые в современной энергетике способы получения электрической энергии сопровождаются большими потерями и основаны на расточительном использовании органического топлива. В будущем, по мере возрастания потребности в больших количествах дешевой энергии и более рационального использования природного сырья для производства продуктов химической, фармацевтической промышленности и т. п., неизбежно на смену ставшим традиционными способам преобразования энергии придут качественно новые способы, в первую очередь способы непосредственного преобразования теплоты и химической энергии в электрическую.
Способы непосредственного преобразования различных видов энергии в электрическую основываются на физических явлениях и эффектах, открытых в прошлом. Их практическое применение совершенствуется по мере прогресса в науке и технике, накопления богатого экспериментального материала и использования новейшей технологии. Однако способы непосредственного получения электрической энергии пока не конкурентоспособны со способами преобразования энергии, применяемыми на современных электрических станциях. Непосредственное получение в больших количествах электроэнергии преобразованием теплоты, химической и ядерной энергии относится к новым, перспективным способам, которые несомненно станут основными и значительно увеличат доступные энергетические ресурсы планеты.
Непосредственное получение электрической энергии уже широко используется в автономных источниках энергии небольшой мощности, для которых показатели экономичности работы не имеют решающего значения, а важны надежность работы, компактность, удобство обслуживания, небольшая масса и т. д. Такие источники энергии применяются в системах сбора информации в труднодоступных местах Земли и в межпланетном пространстве, на космических аппаратах, самолетах, судах и т. п. Суммарная установленная мощность миллиардов автономных источников электроэнергии, несмотря на их скромные размеры, превосходит мощность всех стационарных электростанций, вместе взятых.
Работа автономных источников, непосредственно преобразующих различные виды энергии в электрическую, основана либо на химических, либо на физических эффектах. В химических источниках, например, таких, как гальванические элементы, аккумуляторы, электрохимические генераторы и т. п., используется энергия окислительно-восстановительных реакций химических реагентов. Физические источники электроэнергии, такие, как термоэлектронные генераторы, фотоэлектрические батареи, термоэмиссионные генераторы, работают в соответствии с различными физическими эффектами.
К одной из центральных физико-технических задач энергетики относится создание магнитогидродинамических генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую. Возможности практической реализации такого рода преобразования энергии в широких промышленных масштабах появляются в связи с успехами в атомной физике, физике плазмы, металлургии и ряде других областей.
Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую позволяет существенно повысить эффективность использования топливных ресурсов.
Для современной электроэнергетики большое значение имеет открытый Фарадеем закон электромагнитной индукции, который утверждает, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. При этом проводник может быть твердым, жидким или газо - образным. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостям ми или газами, называется магнитогидродинамикой.
Еще Кельвин показал, что движение в устье река соленой воды в магнитном поле Земли вызывает появление ЭДС. Схема такого МГД-генератора Кельвина показана на рис. 3.1. В соответствии с законом электромагнитной индукции сила тока в проводниках 1, присоединенных к пластинам 2, опущенным в воду вдоль берегов реки, пропорциональна индукции магнитного поля! Земли и скорости течения соленой морской воды в реке.1 При изменении направления течения воды в реке изменялось также и направление электрического тока в проводниках между пластинами.
Принципиальная схема действия современного МГД-1 генератора (рис. 3.2) мало отличается от приведенной на рис. 3.1. В рассматриваемой схеме между металлическими пластинами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающего кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами! внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток ионизированного газа - плазмы - тормозится под действием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнитного потока, Можно провести аналогию между возникающими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии и происходит путем совершения работы по преодолению сил торможения.
Если какой-либо газ нагреть до высокой температуры (~3000°С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.
Рис. 3.3. Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой установкой: " - камера сгорания; 2 - теплообменник; 3 - МГД-генератор; 4 - обмотка электромагнита; 5 - парогенератор; 6 - турбина; 7 - генератор; 3 - конденсатор; 9 - насос
Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой установкой показана на рис. 3.3. В камере сгорания сжигается органическое топливо, получаемые при этомпродукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расширяющийся канал МГД-генератора. Сильное магнитное поле создается мощными электромагнитами. Температура газа в канале генератора должна быть не ниже 2000°С, а в камере сгорания 2500-2800°С. Необходимость ограничения минимальной температуры газов, покидающих МГД-генерато-ры, вызывается настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000°С, что у них практически исчезает магнитогидро-дннамическое взаимодействие с магнитным полем.
Теплота отработанных в МГД-генераторах газов вначале используется для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, и, следовательно, повышения эффективности процесса его сжигания. Затем в паросиловой установке теплота расходуется на образование пара и доведение его параметров до необходимых величин.
Выходящие из канала МГД-генератора газы имеют температуру примерно 2000°С, а современные теплообменники, к сожалению, могут работать при температурах, не превышающих 800°С, поэтому при охлаждении газов часть теплоты теряется.
На рис. 3.4 (см. форзац II) схематически показаны основные элементы МГД-электростанции с паросиловой установкой и их взаимосвязи.
Трудности в создании МГД-генераторов состоят в получении материалов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам предъявляют высокие требования, так как они должны длительно работать в агрессивных средах при высоких температурах (2500-2800°С). Для нужд ракетной техники созданы материалы, способные работать в таких условиях, однако они могут работать непродолжительное время - в течение минут. Продолжительность работы промышленных энергетических установок должна исчисляться, по крайней мере, месяцами.
Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Например, вольфрамовая нить в электрической лампе при температуре 2500-2700°С может работать в вакууме или среде нейтрального газа несколько тысяч часов, а в воздухе расплавляется через несколько секунд.
Понижение температуры плазмы добавлением к ней присадок вызывает повышенную коррозию конструкционных материалов. В настоящее время созданы материалы, которые могут работать длительно при температуре 2200-2500°С (графит, окись магния и др.), однако они не способны противостоять механическим напряжениям.
Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для МГД-генератора пока не решена. Ведутся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшой добавкой цезия при температуре 2000°С имеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500°С. Разработан проект МГД-гекератора, работающего по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно циркулирует в системе.
Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить пропусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагревания обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможности наименьшим. Поэтому в качестве таких проводников целесообразно использовать сверхпроводящие материалы.
МГД-генераторы с ядерными реакторами. Перспективны МГД-генераторы с ядерными реакторами, используемыми для нагреваний газов и их термической ионизации. Предполагаемая схема такой установки показана на рис. 3.5.
Трудности создания МГД-ген ер а тор а с ядерным реактором состоят в том, что современные тепловыделяющие элементы, содержащие уран и покрытые окисью магния, допускают температуру, не намного превышающую 600°С, в то время как для ионизации газов необходима температура, равная примерно 2000°С.
Первые опытные конструкции МГД-генерато-ров имеют пока высокую стоимость. В будущем можно ожидать существенного снижения их стоимости, что позволит успешно использовать МГД-генераторы для покрытия пиков нагрузки в энергосистемах, т. е. в режимах относительно непродолжительной работы. В этих режимах КПД не имеет решающего значения и МГД-генераторы могут использоваться и без паросиловой пристройки.
В настоящее время в СССР сооружены мощные опытно-промышленные образцы МГД-преобразователей энергии, на которых ведутся исследования по совершенствованию их конструкции и созданию эффективных МГД-электростанций, конкурентоспособных с обычными электростанциями.
Рис. 3.5. Проект МГД-генератора с ядерным реактором:
1 - ядерный реактор; 2 - сопло; 3 - МГД-генератор; 4 - место конденсации щелочных металлов; 5 - насос; 6 - место ввода щелочных металлов
Из всех устройств, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, термоэлектрические генераторы (ТЭГ) относительно небольшой мощности применяются наиболее широко.
Основные достоинства ТЭГ: 1) отсутствуют движущиеся части; 2) нет необходимости в высоких давлениях; 3) могут использоваться любые источники теплоты;
4) имеется большой ресурс работы.
В качестве источников энергии ТЭГ широко используют на космических объектах, ракетах, подводных лодках, маяках и многих других установках.
В зависимости от назначения ТЭГ могут преобразовывать в электрическую энергию теплоту, получаемую в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива и т. д. Тепловая энергия, получаемая при распаде радиоактивных изотопов и делении ядер тяжелых элементов в реакторах, стала применяться в ТЭГ с конца 50-х годов.
Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека. В 1921 г. Зеебек сообщил об экспериментам, связанных с отклонением магнитной стрелки вблизи термоэлектрических цепей. В этих исследованиях Зеебек не рассматривал задачу получения энергии. Сущность открытого эффекта состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактов материалов.
Эффект Зеебека можно качественно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов различна в разных проводниках и по-разному увеличивается с повышением температуры. Если вдоль проводника существует перепад температур, то возникает направленный поток электронов от горячего спая к холодному, вследствие чего у холодного спая образуется избыток отрицательных зарядов, у горячего - избыток положительных. Поток этот более интенсивен в проводниках с большой концентрацией электронов. В простейшем термоэлементе, замкнутая цепь которого состоит из двух проводников с разными концентрациями электронов и спаи поддерживаются при разных температурах, возникает электрический ток. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопление электронов на холодном конце увеличивает его отрицательный потенциал до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между электронами, смещающимися к холодному концу, и электронами, уходящими от холодного конца под действием возникшей разности потенциалов. Чем меньше электропроводность материала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, следовательно, тем выше ЭДС. Поэтому полупроводниковые элементы более эффективны, чем металлы.
Одно из практических применений ТЭГов - тепловой насос в одной части выделяющий, а в другой - поглощающий теплоту за счет электрической энергии. Если изменить направление тока, то насос будет работать в противоположном режиме, т. е. части, в которых происходит выделение и поглощение теплоты, поменяются местами. Такие тепловые насосы могут успешно применяться для терморегуляции жилых и прочих помещений. Зимой насосы нагревают воздух в помещении и охлаждают его на улице (рис. 3.6, а), а летом, наоборот, охлаждают воздух в помещении и нагревают на улице (рис. 3.6,б). На рис. 3.6, в показаны общий вид и схема установки теплового насоса в помещении.
В настоящее время созданы полупроводники, работающие при температуре более 500°С. Однако для промышленного ТЭГ потребуется температуру горячего спая довести примерно до 1100°С. При таком повышении температуры полупроводники различных типов проявляют тенденцию к превращению в собственно полупроводники, у которых числа носителей положительных и отрицательных зарядов равны. Эти заряды при создании градиента температуры перемещаются от горячего спая к холодному в равном количестве и, следовательно, накапливание потенциала не происходит, т. е. не создается термо-ЭДС. Собственно полупроводники бесполезны для целей генерирования термоэлектрического тока.
В настоящее время широко ведутся исследования по созданию полупроводников, работающих при высоких температурах. Для работы ТЭГа можно использовать теплоту, получаемую в реакторах при делении ядер тяжелых элементов. Однако в этом случае требуется решить ряд задач, в частности определить влияние эффекта сильного радиационного воздействия на полупроводниковые материалы, так как ядерное горючее может находиться в непосредственном контакте с полупроводниковыми материалами.
Вопрос о целесообразности применения тех или иных источников энергии решается в пользу ТЭГ в тех случаях, когда ведущее значение имеет не КПД, а компактность, надежность, портативность, удобства.
В СССР создан надежный промышленный ТЭГ на ядерном горючем - «Ромашка». Электрическая мощность его равна 500 Вт.
Естественный радиоактивный распад ядер сопровождается выделением кинетической энергии частиц и у-квантов. Эта энергия поглощается средой, окружающей радиоактивный изотоп, и превращается в теплоту, которую можно использовать для получения электрической энергии термоэлектрическим способом. Установки, преобразующие энергию естественного радиоактивного распада в электрическую энергию с помощью термоэлементов, называются радиоизотопными термогенераторами. Радиоизотопные термогенераторы надежны в работе, обладают большим сроком службы, компактны и успешно используются в качестве автономных источников энергии для различных установок космического и наземного назначений.
Современные радиоизотопные генераторы имеют КПД, равный 3-5%, и срок службы от 3 месяцев до 10 лет. Технико-экономические характеристики этих генераторов в будущем могут быть значительно улучшены. В настоящее время создаются проекты генераторов мощностью до 10 кВт.
К радиоизотопным термогенераторам проявляют интерес различные отрасли науки и техники. Их предполагается использовать в виде источника энергии искусственного сердца человека, а также для стимулирования работы различных органов в живых организмах. Особенно пригодными оказались радиоизотопные термогенераторы при освоении космического пространства, где необходимы источники энергии, способные длительно и надежно работать в неблагоприятных условиях воздействия ионизирующих излучений, в радиационных поясах, на поверхности других планет и их спутников.
Явление термоэлектронной эмиссии было открыто Т. Эдисоном в 1883 г. Работая над созданием электрической лампы, Эдисон помещал в колбе две нити. Когда перегорала одна из них, он поворачивал лампу и включал другую. Во время испытания ламп обнаруживалось, что некоторое количество электричества переходит к холодной нити, т. е. электроны «испаряются» с горячей нити - катода - и движутся к холодной нити - аноду - и далее во внешнюю электрическую цепь. При этом часть тепловой энергии, расходуемой на нагревание катода, переносится электронами и отдается аноду, а часть энергии электронов выделяется во внешней электрической цепи при протекании электрического тока.
Анод разогревается за счет теплоты, приносимой электронами. Если бы температуры катода и анода были одинаковыми, то теплота «испарения» электронов с катода в точности была бы равна теплоте «конденсации» электронов на аноде и не было бы преобразования теплоты в электрическую энергию. Чем меньше температура анода по сравнению с температурой катода, тем большая часть тепловой энергии превращается в элeктpичeскую. Простейшая схема термоэмиссионного преобразователя энергии показана на рис. 3.7.
Рис. 3.7. Устройство термоэмиссионного преобразователя
энергии: 1 - катод; 2 - анод
В процессе термоэлектронной эмиссии с поверхности металлов происходит выход свободных электронов. В металлах содержится большое число свободных электронов - около 6×10 21 в 1 см 3 . Внутри металла силы притяжения электрона сбалансированы положительно заряженными ядрами (рис. 3.8). Непосредственно у поверхности на электроны действуют результирующие силы притяжения, для преодоления которых и выхода за пределы металла электрону нужно обладать достаточной кинетической энергией. Увеличение кинетической энергии происходит при нагревании металла.
Рис. 3.8. Возникновение результирующих сил, действующих на электрон в металле и вблизи его поверхности
В энергетических термоэмиссионных генераторах для нагревания катода можно воспользоваться теплотой, получаемой в результате ядерной реакции. Схема ядерного термоэмиссионного преобразователя приведена на рис. 3.9. КПД первых таких преобразователей был равен примерно 15%; по существующим прогнозам его можно довести до 40%.
Испускание электронов в термоэмиссионных генераторах вызывается нагреванием катода. При радиоактивном распаде электроны (р-лучи) испускаются вследствие естественного свойства элементов. Непосредственно используя это свойство, можно осуществить прямое преобразование ядерной энергии в электрическую (рис. 3.10).
Рис. 3.9. Ядерный термоэмиссионный преобразователь: 1 - защита; 2 - охладитель; 3 -анод; 4-вакуум; 5 - катод; б -ядерное горючее
Рис. 3.10. Схема установки прямого преобразования ядерной энергии в электрическую: 1- β -радиоактивный излучатель; 2 - металлическая ампула; 3 - металлический сосуд
В электрохимических генераторах происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Возникновение ЭДС в гальваническом элементе связано со способностью металлов посылать свои ионы в раствор в результате молекулярного взаимодействия между ионами металла и молекулами (и ионами) раствора.
Рассмотрим явления, происходящие при опускании цинкового электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSO 4). Молекулы воды стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (рис. 3.11). В результате действия электростатических сил положительные ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу способствует большой дипольный момент воды.
Наряду с процессом растворения цинка происходит и обратный процесс возвращения в цинковый электрод положительных ионов цинка при достижении ими электрода в результате теплового движения.
По мере перехода положительных ионов в раствор увеличивается отрицательный потенциал электрода, препятствующий этому переходу. При некотором потенциале металла наступает динамическое равновесие, т. е. два встречных потока ионов (от электрода в раствор и обратно) будут одинаковы. Этот равновесный потенциал называется электрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита.
Важное техническое приложение гальванические элементы нашли в аккумуляторах, где вещество, расходующееся при отборе тока, предварительно накапливается на электродах при пропускании через них в течение некоторого времени тока от постороннего источника (при зарядке). Применение аккумуляторов в энергетике затруднено вследствие малого запаса активного химического горючего, не позволяющего получать непрерывно электроэнергию в больших количествах. Кроме того, для аккумуляторов характерна малая удельная мощность.
Большое внимание во многих странах мира уделяется непосредственному преобразованию химической энергии органического топлива в электрическую, осуществляемому в топливных элементах. В этих преобразователях энергии можно получить более высокие значения КПД, чем у тепловых машин. В 1893 г. немецкий физик и химикНернст вычислил, что теоретический КПД электрохимического процесса превращения химической энергии угля в электрическую равен 99,75%.
Рис. 3.11. Расположение электрических зарядов, способствующих переходу положительных ионов цинка в раствор сернокислого цинка
На рис. 3.12 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента. Электроды в топливном элементе выполнены пористыми. На аноде происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Оставшиеся электроны создают отрицательный потенциал и во внешней цепи перемещаются к катоду. Атомы кислорода, находящиеся на катоде, присоединяют к себе электроны, образуя отрицательные ионы, которые, присоединяя из воды атомы водорода, переходят в раствор в виде ионов гидроксила ОН-. Ионы гидроксила, соединяясь с ионами водорода, образуют воду. Таким образом, при подводе водорода и кислорода происходит реакция окисления горючего ионами с одновременным образованием тока во внешней цепи. Так как напряжение на выводах элемента невелико (порядка 1 В), то элементы последовательно соединяют в батареи. КПД топливных элементов очень высок. Теоретически он близок к единице а практически он равен 60- 80%.
Использование водорода в качестве топлива сопряжено с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому изыскиваются возможности применения других более дешевых видов топлива, в первую очередь природного и генераторного газа. Однако удовлетворительные скорости протекания реакции окисления газа происходят при высоких температурах 800-1200 К, что исключает применение в качестве электролитов водяных растворов щелочи. В этом случае можно использовать твердые электролиты с ионной проводимостью.
В настоящее время широко ведутся работы над созданием эффективных высокотемпературных топливных элементов. Пока удельная мощность топливных элементов все еще невелика. Она в несколько раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако успехи электрохимии и конструктивные усовершенствования топливных элементов в недалеком будущем сделают возможным применение топливных элементов в автотранспорте и энергетике. Топливные элементы бесшумны, экономичны и у них отсутствуют вредные отходы, загрязняющие атмосферу.
Рис. 3.12. Схема водородно-кислородного топливного элемента:
1 - корпус; 2- катод; 3 - электролит; 4 - анод
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.
https://pandia.ru/text/78/077/images/image011_30.jpg" width="336 height=105" height="105">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">
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
Современная наука объясняет существование электричества скоплениями зарядов противоположных знаков. В природе вырабатывается невероятное количество электричества. Силы трения в атмосфере создают огромные пространства из грозовых облаков. Между облаками, с поверхностью земли возникают напряжения в миллионы вольт. А несколько минут грозы с молниями эквивалентны по электрической мощности продолжительной работе большой электростанции.
Но молний может и не быть. Однако электроэнергия всё равно витает в пространстве между небом и землёй.
В природе существуют только медленно изменяющиеся и почти мгновенно исчезающие напряжения. Гроза постепенно набирает силу, зарядов от трения перемещающихся слоёв воздуха становится всё больше. Напряжение между облаками и поверхностью земли увеличивается.
Если движение воздушных масс в определённый момент прекратится, напряжение постепенно уменьшится. Если нет – разряд молнии моментально «обнулит» напряжение.
По мере развития науки люди научились моделировать атмосферные электрические процессы, придумав электростатическую, или как её называют иначе электрофорную машину:
Эта машина стала первым преобразователем механической энергии в электроэнергию. Однако преобразование это не удалось сделать обратимым. Хотя машина и была источником напряжения и тока, проблема состояла в том, что сделать дальнейшие преобразования электрической энергии не получалось. Но со временем наука выявила ещё одну причину возникновения электрических зарядов. Не только трение, но и магнитное поле оказалось способным создавать электричество.
Это открытие оказалось полностью определённым развитием технологий. Когда появились металлическая проволока и постоянный магнит, взаимодействие которых в природе не существует, стало возможным открытие электромагнитной индукции. При этом выяснилось, что получаемая энергия электричества напрямую связана со скоростью взаимного перемещения магнита и провода.
После открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции были изобретены различные электрические машины, в том числе и преобразователи электрической энергии. Первыми из них стали трансформаторы , которые сделали возможной передачу энергии электричества по проводам на значительные расстояния. Оказалось, что переменное напряжение на концах обмотки катушки равномерно распределяется между её витками. На каждом витке получается одинаковое по величине напряжение.
Поэтому количество витков обмотки определит напряжение, которое можно использовать для питания новой электрической цепи. Выяснилось также и то, что дополнительный виток охватывающий сердечник катушки вне основной обмотки имеет на своих концах такое же напряжение, как и виток основной обмотки. Такие катушки, охватывающие общий магнитопровод, стали называть трансформаторами. Если все катушки при этом соединялись между собой в последовательную цепь, такое устройство назвали автотрансформатором.
Автотрансформатор при одинаковых параметрах преобразования электроэнергии оказывается эффективнее трансформатора, поскольку в нём существует электрическая связь между обмотками. Поэтому он может передать потребителю большую электрическую мощность. В трансформаторе между обмотками существует только электромагнитная связь.
Но эта особенность обеспечивает полную электрическую изоляцию обмоток друг от друга. По этой причине трансформаторы широко используются во всех электрических устройствах, питающихся от электрической сети для получения безопасного электропитания этих устройств. Трансформаторы позволяют изменять лишь напряжение и ток, оставляя их частоту без какого-либо изменения. В этом качестве они применяются до сих пор. А в дальних системах электроснабжения трансформаторы достигли огромных размеров. Один из таких агрегатов показан на изображении ниже:
Но после появления трансформаторов проявилась ещё одна возможность преобразования электроэнергии.
Оказалось, что любая катушка запасает энергию в электромагнитном поле. Оно существует некоторое время после того, как по обмотке катушки перестаёт течь электроток. А на концах обмотки катушки в течение этого времени продолжает существовать напряжение. Такое явление стали называть как ЭДС самоиндукции. Выяснилось также и то, что величина ЭДС самоиндукции зависит от скорости отключения электротока в катушке.
Чем быстрее уменьшается ток, тем больше напряжение на концах обмотки. Такой преобразователь электроэнергии получил своё название по фамилии своего изобретателя и стал называться «катушкой Румкорфа», изображение которой показано ниже слева. На таком же принципе работает классическая система зажигания автомобильного бензинового двигателя.
Однако преобразовать частоту напряжения и тока длительное время можно было только при помощи вращения. Синхронный двигатель , который вращался с частотой, определяемой частотой питающего напряжения, вращал генератор. Для увеличения частоты можно было либо использовать повышающий обороты редуктор, либо увеличивать число полюсов генератора, либо и то и другое вместе. Аналогично решалась и проблема получения выпрямленного тока. Механические контакты, например, коллектора двигателя пропускали только одну половину периода тока. Эти импульсы поступали в общую электрическую цепь, и таким образом получался выпрямленный ток обоих полупериодов.
Определяющий вклад в развитие преобразования электроэнергии внесли электронные приборы. Они позволили создавать выпрямители и преобразователи частоты без подвижных частей, обеспечивая параметры электроэнергии недостижимые для устройств, созданных на механических принципах. Стало возможным создание мощных высокочастотных генераторов, именуемых инверторами. Увеличение частоты позволило в несколько раз уменьшить размеры трансформаторов.
Инверторы получили дальнейшее развитие с появлением мощных высоковольтных полупроводниковых приборов – транзисторов и тиристоров . С их появлением преобразование электроэнергии на высокой частоте охватило почти все устройства с источниками вторичного электропитания. Инверторные схемы стали широко применяться для электронных балластов газоразрядных ламп. При этом достигалось более высокое качество света при значительной экономии электроэнергии.
Наиболее весомым моментом в развитии преобразования электроэнергии стали инверторы и выпрямители для высоковольтных линий электропередачи. Такие схемы дальнего электроснабжения начали применяться достаточно давно с появлением ртутных вентилей – мощных специализированных электровакуумных приборов.
Затем они были вытеснены более эффективными тиристорами и транзисторами. Полупроводниковые преобразователи электроэнергии позволяют обеспечить передачу электрической мощности в 3,15 гигаватт/час на расстояние 2400 км в современной системе электроснабжения в Бразилии. За такими системами передачи электроэнергии будущее. ЛЭП работающие на постоянном токе лишены реактивного сопротивления и потерь электроэнергии, связанных с переменным напряжением и током.
В них нет и других процессов и явлений, очень мешающих совместной работе нескольких электрогенерирующих и передающих систем в единой схеме электроснабжения. Но трение и электромагнетизм не единственные процессы, которые используются для преобразования электроэнергии. Примерно в те же годы открытия явления электромагнитной индукции был обнаружен пьезоэлектрический эффект.
В результате нашлась группа минералов, а впоследствии были искусственно созданы материалы с пьезоэлектрическими свойствами. Эти свойства заключаются в преобразовании механического воздействия, приложенного к образцу пьезоэлектрического материала, в электрические импульсы. Но обратное преобразование электрических импульсов в механические деформации образца также возможно. На основе таких образцов можно изготовить трансформатор без обмоток и магнитных полей в сердечнике и вне его.
Такой трансформатор будет увеличивать приложенное напряжение во много раз при минимальных размерах и весе. Это будет просто керамическая пластина с припаянными проводками.
При этом получаемая мощность не будет большой. Но выигрыш в размерах и себестоимости по сравнению с электромагнитным трансформатором будет существенной. Такие пьезоэлектрические трансформаторы применяются в источниках вторичного электропитания. Также все современные курильщики пользуются зажигалками, в которых искра создаётся миниатюрным пьезоэлектрическим трансформатором.
Дальнейшее развитие преобразователей электроэнергии это битва за увеличение частоты напряжения и тока. Этот процесс связан с необходимостью создания новых полупроводниковых приборов и материалов. В сочинениях некоторых писателей фантастов упоминается энергетический луч, используемый вместо ЛЭП . Возможно, их пророчества таки сбудутся.
Можно назвать три основных способа преобразования энергии. Первый из них заключается в получении тепловой энергии при сжигании топлива (ископаемого или растительного происхождения) и потреблении ее для непосредственного обогревания жилых домов, школ, предприятий и т. п. Второй способ – преобразование заключенной в топливе тепловой энергии в механическую работу, например, при использовании продуктов перегонки нефти для обеспечения движения различного оборудования, автомобилей, тракторов, поездов, самолетов и т. д. Третий способ – преобразование тепла, высвобождающегося при сгорании топлива или деления ядер, в электрическую энергию с последующим ее потреблением либо для производства тепла, либо для выполнения механической работы.
Электроэнергия получается и при преобразовании энергии падающей воды. Электроэнергия таким образом играет роль своеобразного посредника между источниками энергии и ее потребителями (рис. 9.1). Как посредник на рынке ведет к повышению цен, так и потребление энергии в форме электричества приводит к росту цен из-за потерь при преобразовании одного вида энергии в другой. В то же время преобразование различных форм энергии в электрическую удобно, практично, а иногда это единственно возможный путь реального потребления энергии. В ряде случаев просто невозможно эффективно использовать энергию, не превратив ее в электрическую. До открытия электричества энергия падающей воды (гидроэнергия) применялась для обеспечения движения механических устройств: прядильных машин, мельниц, лесопилок и т. д. После преобразования гидроэнергии в электрическую сфера применения значительно расширялась, стало возможным ее потребление на значительных расстояниях от источника. Энергию деления ядер урана, например, невозможно непосредственно использовать без превращения ее в электрическую.
Ископаемые виды топлива, в отличие от гидроисточников, долгое время применялись лишь для отопления и освещения, а не для работы различных механизмов. Дрова и уголь, а нередко и высушенный торф сжигались для обогрева жилых домов, общественных и промышленных зданий. Уголь, кроме того, применялся и применяется для выплавки металла. Угольное масло, полученное путем перегонки угля, заливалось в лампы. Только после изобретения паровой машины в XVIII в. был по-настоящему раскрыт потенциал данного ископаемого топлива, ставшего источником не только тепла и света, но и движения различных механизмов и машин. Появились паровозы, пароходы с паровыми двигателями, работавшие на угле. В начале XX в. уголь начали сжигать в топках котлов электростанций для производства электроэнергии.
В настоящее время ископаемое топливо играет исключительно важную роль. Оно дает тепло и свет, является одним из основных источников электроэнергии и механической энергии для обеспечения огромного парка многочисленных машин и различных видов транспорта. Не следует забывать, что ископаемое органическое сырье в огромных количествах потребляется химической промышленностью для производства большого многообразия полезной и ценной продукции.
