Преобразуване на електрическа енергия в неелектрическа. Преобразуване на енергия. Управлявани и неуправляеми

Осигуряването на нуждите на човечеството с достатъчно енергия е една от ключовите задачи пред съвременната наука. Във връзка с увеличаването на потреблението на енергия от процеси, насочени към поддържане на основните условия на обществото, възникват остри проблеми не само при генерирането на големи количества енергия, но и при балансираната организация на нейните разпределителни системи. И темата за енергийната трансформация е от ключово значение в този контекст. От този процес зависи коефициентът на производство на полезен енергиен потенциал, както и нивото на разходите за обслужване на технологичните операции в рамките на използваната инфраструктура.

Обща информация за технологията на преобразуване

Необходимостта от използване на различни е свързана с различията в процесите, които изискват енергиен ресурс. Топлината е необходима за отопление, механичната енергия е необходима за задвижване на механизмите, а светлината е необходима за осветление. Електричеството може да се нарече универсален източник на енергия както по отношение на трансформацията му, така и по отношение на приложението му в различни области. Като първоначална енергия обикновено се използват природни явления, както и изкуствено организирани процеси, които допринасят за генерирането на същата топлина или механична сила. Във всеки случай е необходим определен тип оборудване или сложна технологична структура, която по принцип позволява превръщането на енергията във формата, необходима за крайно или междинно потребление. Освен това сред задачите на преобразувателя не само трансформацията се откроява като прехвърляне на енергия от един вид в друг. Често този процес служи и за промяна на някои енергийни параметри, без да ги трансформира.

Самата трансформация може да бъде едноетапна и многоетапна. Освен това, например, работата на фотокристалните слънчеви генератори обикновено се разглежда като трансформация на светлинна енергия в електричество. Но в същото време е възможно и трансформирането на топлинната енергия, която Слънцето дава на почвата в резултат на нагряване. Геотермалните модули се поставят на определена дълбочина в земята и чрез специални проводници зареждат батериите с енергийни резерви. В проста схема на преобразуване геотермалната система осигурява натрупването на топлинна енергия, която се дава на отоплителното оборудване в чист вид с основна подготовка. Сложната структура използва термопомпа в една група с топлинни кондензатори и компресори, които осигуряват преобразуване на топлина и електричество.

електрическа енергия

Съществуват различни технологични методи за извличане на първична енергия от природни явления. Но още повече възможности за промяна на свойствата и формите на енергията предоставят натрупаните енергийни ресурси, тъй като те се съхраняват в удобна за трансформация форма. Най-често срещаните форми на преобразуване на енергия включват радиация, нагряване, механични и химични операции. Най-сложните системи включват процеси на молекулярно разграждане и многостепенни химични реакции, които комбинират множество стъпки на трансформация.

Изборът на конкретен метод на трансформация ще зависи от условията на организацията на процеса, вида на първоначалната и крайната енергия. Сред най-често срещаните видове енергия, които по принцип участват в процесите на трансформация, са лъчиста, механична, топлинна, електрическа и химическа енергия. Като минимум, тези ресурси се използват успешно в индустрията и домакинствата. Особено внимание заслужават процесите на индиректно преобразуване на енергията, които са производни на една или друга технологична операция. Например, металургичното производство изисква операции за отопление и охлаждане, които произвеждат пара и топлина като производни, но не целеви ресурси. По същество това са отпадъчни продукти, които също се използват, трансформират или използват в рамките на едно и също предприятие.

Преобразуване на топлинна енергия

Един от най-старите източници на енергия по отношение на развитието и най-важният за поддържане на човешкия живот, без който е невъзможно да си представим живота на съвременното общество. В повечето случаи топлината се преобразува в електричество и простата схема за такава трансформация не изисква свързване на междинни етапи. Но в топло- и атомните електроцентрали, в зависимост от условията им на работа, може да се използва подготвителен етап с преобразуване на топлинната енергия в механична, което изисква допълнителни разходи. Днес все повече се използват директни термоелектрически генератори за преобразуване на топлинна енергия в електричество.

Самият процес на трансформация се извършва в специално вещество, което се изгаря, отделя топлина и впоследствие действа като източник на генериране на ток. Тоест термоелектрическите инсталации могат да се считат за източници на електроенергия с нулев цикъл, тъй като тяхната работа започва още преди появата на основна топлинна енергия. Основният ресурс са горивни елементи - обикновено газови смеси. Те се изгарят, което води до нагряване на топлоразпределителната метална плоча. В процеса на отвеждане на топлината чрез специален генераторен модул с полупроводникови материали се получава преобразуване на енергия. Електрическият ток се генерира от радиатор, свързан към трансформатор или батерия. При първия вариант енергията незабавно се доставя на потребителя в готов вид, а във втория се натрупва и освобождава при необходимост.

Генериране на топлинна енергия от механични

Също така един от най-често срещаните начини за получаване на енергия в резултат на трансформация. Същността му се състои в способността на телата да отделят топлинна енергия в процеса на извършване на работа. В най-простата си форма тази схема за трансформация на енергия се демонстрира чрез примера на триенето на два дървени предмета, което води до пожар. Но за да се използва този принцип с осезаема практическа полза, са необходими специални устройства.

В домакинствата преобразуването на механичната енергия се извършва в системите за отопление и водоснабдяване. Това са сложни технически структури с магнитопровод и ламинирано ядро, свързани в затворени електропроводими вериги. Също така вътре в работната камера на този дизайн има нагревателни тръби, които се нагряват под действието на работата, извършена от задвижването. Недостатъкът на това решение е необходимостта от свързване на системата към електрическата мрежа.

В индустрията се използват по-мощни преобразуватели с течно охлаждане. Източникът на механична работа е свързан към затворени водни резервоари. При движението на изпълнителните органи (турбини, лопатки или други конструктивни елементи) във веригата се създават условия за образуване на вихри. Това се случва в моменти на внезапно спиране на лопатките. В допълнение към отоплението, в този случай се увеличава и налягането, което улеснява процесите на циркулация на водата.

Повечето съвременни технически единици работят на принципите на електромеханиката. Синхронни и асинхронни електрически машини и генератори се използват в транспорта, металорежещи машини, промишлени инженерни агрегати и други електроцентрали за различни цели. Това означава, че електромеханичните видове преобразуване на енергия са приложими както за режимите на работа на генератора, така и на двигателя, в зависимост от текущите изисквания на задвижващата система.

В обобщен вид всяка електрическа машина може да се разглежда като система от взаимно движещи се магнитно свързани електрически вериги. Подобни явления включват също хистерезис, насищане, висши хармоници и магнитни загуби. Но в класическата гледна точка те могат да бъдат класифицирани като аналози на електрически машини само ако говорим за динамични режими, когато системата работи в рамките на енергийната инфраструктура.

Електромеханичната система за преобразуване на енергия се основава на принципа на две реакции с двуфазни и трифазни компоненти, както и метода на въртящи се магнитни полета. Роторът и статорът на двигателите извършват механична работа под въздействието на магнитно поле. В зависимост от посоката на движение на заредените частици се задава режим на работа - като двигател или генератор.

Генериране на електричество от химическа енергия

Общият химически източник на енергия е традиционен, но методите за нейното преобразуване не са толкова разпространени поради екологичните ограничения. Самата химическа енергия практически не се използва в чист вид - поне под формата на концентрирани реакции. В същото време естествените химични процеси заобикалят човек навсякъде под формата на високо- или нискоенергийни комбинации, които се проявяват, например, по време на горене с отделяне на топлина. Преобразуването на химическата енергия обаче е целенасочено организирано в някои отрасли. Обикновено се създават условия за високотехнологично изгаряне в плазмени генератори или газови турбини. Типичен реагент за тези процеси е горивна клетка, която допринася за производството на електрическа енергия. От гледна точка на ефективността подобни трансформации не са толкова полезни в сравнение с алтернативните методи за генериране на електричество, тъй като част от полезната топлина се разсейва дори в съвременните плазмени инсталации.

Преобразуване на енергията на слънчевата радиация

Като метод за преобразуване на енергия процесът на обработка на слънчевата светлина може в близко бъдеще да стане най-популярният в енергийния сектор. Това се дължи на факта, че дори днес всеки собственик на жилище теоретично може да закупи оборудване за преобразуване на слънчевата енергия в електрическа. Основната характеристика на този процес е, че натрупаната слънчева светлина е безплатна. Друго нещо е, че това не прави процеса напълно безплатен. Първо, ще има разходи, свързани с поддръжката на слънчевите батерии. Второ, самите генератори от този тип не са евтини, така че малко хора все още могат да си позволят първоначалната инвестиция в организирането на собствена мини-електростанция.

Какво е генератор на слънчева енергия? Това е набор от фотоволтаични панели, които преобразуват енергията на слънчевите лъчи в електричество. Самият принцип на този процес е в много отношения подобен на работата на транзистора. Силицият се използва като основен материал за производството на слънчеви клетки в различни версии. Например устройство за преобразуване на слънчева енергия може да бъде поли- или монокристално. Вторият вариант е за предпочитане по отношение на експлоатационните характеристики, но е по-скъп. И в двата случая фотоклетката се осветява, при което се задействат електродите и в процеса на движението им се генерира електродинамична сила.

Парните турбини могат да се използват в промишлеността като начин за преобразуване на енергия в приемлива форма и като независим генератор на електричество или топлина от специално насочени потоци от конвенционален газ. Турбинните машини не са единствените, използвани като устройства за преобразуване на електрическа енергия във връзка с парогенератори, но техният дизайн е оптимално подходящ за организиране на този процес с висока ефективност. Най-простото техническо решение е турбина с лопатки, към които са свързани дюзи с подавана пара. Докато лопатките се движат, електромагнитната инсталация вътре в апарата се върти, извършва се механична работа и се генерира ток.

Някои конструкции на турбини имат специални разширения под формата на етапи, където механичната енергия на парата се преобразува в кинетична енергия. Тази характеристика на устройството се определя не толкова от интересите за увеличаване на производителността на преобразуване на енергията на генератора или от необходимостта от генериране на кинетичен потенциал, а от осигуряването на възможност за гъвкаво регулиране на работата на турбината. Разширението в турбината осигурява контролна функция, която дава възможност за ефективно и безопасно регулиране на количеството генерирана енергия. Между другото, работната зона на разширяване, която е включена в процеса на преобразуване, се нарича етап на активно налягане.

Методи за пренос на енергия

Методите за трансформация на енергия не могат да се разглеждат без концепцията за нейното предаване. Днес има четири начина на взаимодействие между телата, при които се осъществява пренос на енергия - електрически, гравитационен, ядрен и слаб. Предаването в този контекст може да се разглежда и като метод на обмен, следователно извършването на работа по време на пренос на енергия и функцията за обмен на топлина са фундаментално разделени. Какви енергийни трансформации включват извършване на работа? Типичен пример е механична сила, при която макроскопични тела или отделни частици от тела се движат в пространството. В допълнение към механичната сила се разграничават също магнитна и електрическа работа. Основното обединяващо свойство за почти всички видове работа е способността за пълно количествено преобразуване помежду си. Тоест електричеството се трансформира в механична енергия, механичната работа в магнитен потенциал и т.н. Топлообменът също е често срещан метод за пренос на енергия. То може да бъде ненасочено или хаотично, но във всички случаи има движение на микроскопични частици. Броят на активираните частици ще определи количеството топлина - полезна топлина.

Заключение

Преминаването на енергия от една форма в друга е нормално, а в някои индустрии и предпоставка за производствения енергиен процес. В различни случаи необходимостта от включване на този етап може да се обясни с икономически, технологични, екологични и други фактори за генериране на ресурси. В същото време, въпреки разнообразието от естествени и изкуствено организирани методи за трансформация на енергия, по-голямата част от инсталациите, осигуряващи процеси на трансформация, се използват само за електричество, топлина и механична работа. Средствата за преобразуване на електрическа енергия са най-често срещаните. Електрическите машини, които осигуряват трансформацията на механичната работа в електричество по принципа на индукция, например, се използват в почти всички области, където се използват сложни технически устройства, възли и инструменти. И тази тенденция не намалява, тъй като човечеството се нуждае от постоянно увеличаване на производството на енергия, което ни принуждава да търсим нови източници на първична енергия. В момента най-обещаващите области в енергетиката са системите за генериране на същата електроенергия от механична енергия, произведена от Слънцето, вятъра и естествените водни потоци.

Генераторните комплекти произвеждат еднофазен или трифазен ток при индустриални честоти, а химическите източници произвеждат постоянен ток. В същото време на практика доста често възникват ситуации, когато един вид електроенергия не е достатъчен за работата на определени устройства и е необходимо да се преобразува.

За тази цел индустрията произвежда голям брой електрически устройства, които работят с различни параметри на електрическата енергия, като ги преобразуват от един тип в друг с различни напрежения, честоти, брой фази и форми на сигнала. Въз основа на функциите, които изпълняват, те се разделят на устройства за преобразуване:

просто;

с възможност за регулиране на изходния сигнал;

надарен със способността да се стабилизира.

Методи за класификация

Въз основа на естеството на извършваните операции преобразувателите се разделят на устройства:

изправяне;

обръщане в един или повече етапа;

промени в честотата на сигнала;

преобразуване на броя на фазите на електрическата система;

модификация на типа напрежение.

Според методите за управление на възникващите алгоритми, регулируемите преобразуватели работят на:

импулсен принцип, използван във вериги с постоянен ток;

фазов метод, използван във вериги на хармонични трептения.

Най-простите конструкции на преобразуватели може да не са оборудвани с контролна функция.

Всички устройства за преобразуване могат да използват един от следните видове електрически вериги:

паваж;

нула;

на базата на трансформатор или без него;

с една, две, три или повече фази.

Токоизправителни устройства

Това е най-разпространеният и най-старият клас преобразуватели, които правят възможно получаването на коригиран или стабилизиран постоянен ток от синусоидален променлив ток, обикновено при индустриална честота.

Редки експонати

Устройства с ниска мощност

Само преди няколко десетилетия радиотехниката и електронните устройства все още използваха селенови структури и устройства с вакуумни тръби.

Такива устройства се основават на принципа на токова корекция с един единствен елемент, изработен от селенова плоча. Те бяха последователно сглобени в една конструкция чрез монтажни адаптери. Колкото по-високо е напрежението, необходимо за изправяне, толкова по-голям е броят на използваните такива елементи. Те не бяха много мощни и можеха да издържат натоварване от няколко десетки милиампера.

Тръбните токоизправители създават вакуум в запечатана стъклена кутия. Той съдържаше електроди: анод и катод с нажежаема жичка, която осигуряваше потока на термоемисия.

Такива тръбни устройства осигуряваха захранване с постоянен ток за различни радио и телевизионни вериги до края на миналия век.

Игнитроните са мощни устройства

В промишлените устройства преди това бяха широко използвани устройства с живачни йони с анод и катод, работещи на принципа на контролиран заряд на дъгата. Те се използват, когато е необходимо да се работи с постоянен ток с мощност от стотици ампери при изправено напрежение до пет киловолта включително.

Използван е поток от електрони за протичане на ток от катода към анода. Създаден е от дъгов разряд, причинен в една или повече области на катода, наречени светещи катодни петна. Те се образуват при включване на спомагателната дъга от електрода за запалване преди запалването на основния.

За целта са създадени краткотрайни импулси от няколко милисекунди с интензитет на тока до десетки ампери. Промяната на формата и силата на импулсите направи възможно контролирането на работата на игнитрона.

Този дизайн осигури добро поддържане на напрежението по време на коригиране и доста висока ефективност. Но техническата сложност на дизайна и оперативните трудности доведоха до изоставянето на използването му.

Полупроводникови устройства

Диоди

Тяхната работа се основава на принципа на провеждане на ток в една посока поради свойствата на p-n прехода, образуван от контактите между полупроводникови материали или метал и полупроводник.

Диодите пропускат ток само в определена посока и когато през тях преминава променлив синусоидален хармоник, те прекъсват една полувълна и затова се използват широко като токоизправителни устройства.

Съвременните диоди се произвеждат в много широк диапазон и са надарени с разнообразни технически характеристики.

Тиристори

Тиристорът използва четири слоя проводимост, образувайки по-сложна полупроводникова структура от диод с три p-n прехода J1, J2, J3, свързани последователно. Контактите с външния слой “p” и “n” се използват като анод и катод, а с вътрешния - като управляващ електрод на UE, който се използва за включване на тиристора и извършване на регулиране.

Коригирането на синусоидалните хармоници се извършва по същия принцип като този на полупроводниковия диод. Но за да работи тиристорът, е необходимо да се вземе предвид определена особеност - структурата на вътрешните му преходи трябва да бъде отворена за преминаване на електрически заряди, а не затворена.

Това се постига чрез преминаване на ток с определена полярност през управляващия електрод. Картината по-долу показва методи за отваряне на тиристор, които също се използват за регулиране на количеството ток, преминал в различни моменти.

При подаване на ток през UE, в момента, в който синусоидата преминава през нулевата стойност, се създава максимална стойност, която постепенно намалява в точките “1”, “2”, “3”.

По този начин токът се изправя в комбинация с регулиране от тиристор. Триаците и мощните MOSFET транзистори с полеви ефекти и/или AGBT транзисторите работят в силови вериги по подобен начин. Но те не изпълняват функцията за коригиране на тока, като го предават в двете посоки. Следователно техните схеми за управление използват допълнителен алгоритъм за прекъсване на импулса.

DC/DC преобразуватели

Тези конструкции изпълняват обратната работа на токоизправителите. Те се използват за генериране на променлив синусоидален ток от постоянен ток, получен от химически източници на ток.

Редки развития

От края на 19-ти век дизайнът на електрически машини се използва за преобразуване на постоянно напрежение в променливо напрежение. Те включват електрически двигател с постоянен ток, който получава енергия от батерия или комплект батерии, и генератор на променливо напрежение, чиято арматура се върти от задвижването на двигателя.

В някои устройства намотката на генератора беше навита директно върху общия ротор на двигателя. С този метод те не само промениха формата на сигнала, но също така, като правило, увеличиха амплитудата или честотата на напрежението.

Ако три намотки, разположени на 120 градуса една от друга, бяха навити на арматурата на генератора, тогава с негова помощ се получи еквивалентно симетрично трифазно напрежение.

Umformers бяха широко използвани до 70-те години за радиолампи, оборудване за тролейбуси, трамваи и електрически локомотиви преди масовото въвеждане на полупроводникови елементи.

Инверторни преобразуватели

Принцип на действие

Като основа за нашето разглеждане ще вземем веригата за тестване на тиристора KU202 от батерия и електрическа крушка.

Във веригата за подаване на положителния потенциал на батерията към анода са вградени нормално затворен контакт на бутона SA1 и крушка с нажежаема жичка с ниска мощност. Контролният електрод е свързан чрез токоограничаващ резистор и отворения контакт на бутона SA2. Катодът е свързан твърдо към минуса на батерията.

Ако в момент t1 натиснете бутона SA2, тогава през веригата на управляващия електрод ще тече ток към катода, който ще отвори тиристора и електрическата крушка, свързана към анодния клон, ще светне. Благодарение на конструктивната характеристика на този тиристор, той ще продължи да гори дори когато се отвори контакт SA2.

Сега в момент t2 натискаме бутона SA1. Захранващата верига на анода ще бъде изключена и светлината ще изгасне, защото токът през нея ще спре.

Графиката на картината показва, че през интервала от време t1÷t2 е преминал постоянен ток. Ако превключвате бутоните много бързо, той може да се образува с положителен знак. По същия начин може да се създаде отрицателна инерция. За тази цел е достатъчно леко да промените веригата, за да позволите на тока да тече в обратна посока.

Ако в разглежданата схема заменим бутоните SA1 и SA2 с релейни контакти или транзисторни превключватели и ги превключим според определен алгоритъм, тогава ще бъде възможно автоматично да създадем ток с меандърна форма и да го настроим на определена честота, мито цикъл, период. Такива превключвания се извършват от специална електронна верига за управление.

Блокова схема на силовата секция

Като пример, помислете за най-простата система от първични вериги на инвертор, работещ на мостова верига.

Тук, вместо тиристор, специално подбрани полеви транзисторни ключове участват във формирането на правоъгълен импулс. Диагоналът на техния мост включва устойчивост на натоварване Rн. Захранващите електроди на всеки транзистор "източник" и "изтичане" са свързани гръб до гръб с шунтови диоди, а изходните контакти на управляващата верига са свързани към "портата".

Благодарение на автоматичната работа на управляващите сигнали към товара се подават импулси на напрежение с различна продължителност и знак. Техният ред и характеристики се настройват към оптималните параметри на изходния сигнал.

Под въздействието на приложените напрежения върху диагоналното съпротивление, като се вземат предвид преходните процеси, възниква ток, чиято форма вече е по-близка до синусоида, отколкото до меандър.

Трудности при техническо изпълнение

За доброто функциониране на силовата верига на инверторите е необходимо да се осигури надеждна работа на системата за управление, която се основава на превключващи ключове. Те са надарени със свойствата на двупосочна проводимост и се образуват от шунтиращи транзистори чрез свързване на обратни диоди.

За да се регулира амплитудата на изходното напрежение, най-често се използва чрез избиране на импулсната област на всяка полувълна чрез контролиране на нейната продължителност. В допълнение към този метод има устройства, които работят с преобразуване на амплитудния импулс.

По време на формирането на вериги на изходното напрежение възниква нарушение на симетрията на полувълните, което се отразява негативно на работата на индуктивните товари. Това е най-забележимо при трансформаторите.

Когато системата за управление работи, се задава алгоритъм за генериране на ключове на силовата верига, който включва три етапа:

1. прав;

2. късо съединение;

3. обратен.

При товара могат да се появят не само пулсиращи токове, но и токове с промяна на посоката, което създава допълнителни смущения на клемите на източника.

Типични проекти

Сред многото различни технологични решения, използвани за създаване на инвертори, се разглеждат три общи схеми според степента на нарастваща сложност:

1. настилка без трансформатор;

2. с нулев извод на трансформатора;

3. настилка с трансформатор.

Изходни вълнови форми

Инверторите са създадени да произвеждат напрежения:

правоъгълен;

трапец;

стъпаловидно редуващи се сигнали;

синусоида.

Фазови преобразуватели

Индустрията произвежда електрически двигатели за работа при специфични условия на работа, като се вземе предвид мощността от определени видове източници. На практика обаче възникват ситуации, когато по различни причини е необходимо да се свърже трифазен асинхронен двигател към еднофазна мрежа. За тази цел са разработени различни електрически вериги и устройства.

Енергоемки технологии

Статорът на трифазен асинхронен двигател включва три намотки, разделени на 120 градуса, навити по определен начин, всяка от които, когато към нея се подава ток от собствената фаза на напрежението, създава свое собствено въртящо се магнитно поле. Посоката на токовете е избрана така, че техните магнитни потоци да се допълват взаимно, осигурявайки взаимно действие за въртене на ротора.

Когато има само една фаза на захранващото напрежение за такъв двигател, тогава става необходимо да се формират три токови вериги от него, всяка от които също се измества на 120 градуса. В противен случай завъртането няма да работи или ще бъде непълно.

В електротехниката има два прости начина за завъртане на вектора на тока спрямо напрежението чрез свързване към:

1. индуктивен товар, когато токът започва да изостава от напрежението с 90 градуса;

2. капацитет за създаване на изпреварване на тока от 90 градуса.

Картината по-долу показва, че от една фаза на напрежение Ua можете да получите ток, изместен под ъгъл не със 120, а само с 90 градуса напред или назад. Освен това за това ще е необходимо да изберете стойностите на кондензаторите и дроселите, за да създадете приемлив режим на работа на двигателя.

В практическите решения за такива вериги те най-често избират кондензаторния метод без използване на индуктивни съпротивления. За да направите това, напрежението на захранващата фаза се подава към една намотка без никакво преобразуване и се измества от кондензатори към другата. Резултатът беше приемлив въртящ момент за двигателя.

Но за да се завърти роторът, беше необходимо да се създаде допълнителен въртящ момент чрез свързване на третата намотка през стартовите кондензатори. Невъзможно е да се използват за продължителна работа поради образуването на големи токове в стартовата верига, които бързо създават повишено отопление. Следователно тази верига беше включена за кратко, за да се увеличи инерционният момент на ротора.

Такива схеми бяха по-лесни за изпълнение поради простото формиране на кондензаторни банки с определени рейтинги от отделни налични елементи. Дроселите трябваше да бъдат изчислени и навити независимо, което е трудно да се направи не само у дома.

Въпреки това, най-добрите условия за работа на двигателя бяха създадени, когато кондензаторът и индукторът бяха интегрирани в различни фази с избора на посоки на тока в намотките и използването на резистори за потискане на тока. При този метод загубата на мощност на двигателя беше до 30%. Конструкциите на такива преобразуватели обаче не бяха икономически изгодни, тъй като те консумираха повече електроенергия за работа, отколкото самият двигател.

Стартовата верига на кондензатора също консумира повишено количество електроенергия, но в по-малка степен. В допълнение, двигателят, свързан към неговата верига, е способен да генерира мощност, малко надвишаваща 50% от тази, генерирана с нормално трифазно захранване.

Поради трудностите при свързване на трифазен двигател към еднофазна захранваща верига и големи загуби на електричество и изходна мощност, такива преобразуватели показват ниска ефективност, въпреки че продължават да работят в отделни инсталации и машини.

Инверторни устройства

Полупроводниковите елементи направиха възможно създаването на по-рационални фазови преобразуватели, произведени на индустриална основа. Техните конструкции обикновено са предназначени за работа в трифазни вериги, но могат да бъдат проектирани да работят с голям брой вериги, разположени под различни ъгли.

При работа на преобразуватели, захранвани от една фаза, се извършва следната последователност от технологични операции:

1. изправяне на еднофазно напрежение с диоден възел;

2. изглаждане на пулсации със стабилизираща верига;

3. преобразуване на постоянно напрежение в трифазно по метода на инверсия.

В този случай захранващата верига може да се състои от три еднофазни части, работещи автономно, както беше обсъдено по-рано, или една обща, сглобена, например, чрез автономна трифазна инверторна система за преобразуване, използваща неутрален общ проводник.

Тук всеки фазов товар има свои собствени двойки полупроводникови елементи, които се управляват от обща система за управление. Те създават синусоидални токове в съпротивителните фази Ra, Rb, Rc, които са свързани към общата верига на захранването чрез нулевия проводник. Той добавя текущите вектори от всяко натоварване.

Качеството на приближаване на изходния сигнал до формата на чиста синусоида зависи от цялостния дизайн и сложността на използваната верига.

Честотни преобразуватели

На базата на инвертори се създават устройства, които позволяват промяна на честотата на синусоидалните трептения в широк диапазон. За да направите това, електричеството, което им се доставя при 50 херца, претърпява следните промени:

изправяне;

стабилизиране;

високочестотно преобразуване на напрежение.

Работата се основава на същите принципи на предишните проекти, с изключение на това, че системата за управление, базирана на микропроцесорни платки, генерира високочестотно изходно напрежение от десетки килохерца на изхода на преобразувателя.

Честотното преобразуване на базата на автоматични устройства ви позволява оптимално да регулирате работата на електродвигателите в моментите на стартиране, спиране и заден ход, както и удобно да променяте скоростта на ротора. В същото време рязко се намалява вредното влияние на преходните процеси във външната електрическа мрежа.

Заваръчни инвертори

Основната цел на тези преобразуватели на напрежение е да поддържат стабилно горене на дъгата и лесно управление на всички нейни характеристики, включително запалването.

За тази цел дизайнът на инвертора включва няколко блока, които извършват последователно изпълнение:

изправяне на трифазно или монофазно напрежение;

стабилизиране на параметрите чрез филтри;

инверсия на високочестотни сигнали от стабилизирано постоянно напрежение;

преобразуване на напрежение с високо напрежение с понижаващ трансформатор за увеличаване на заваръчния ток;

вторично коригиране на изходното напрежение за образуване на заваръчна дъга.

Чрез използването на високочестотно преобразуване на сигнала значително се намаляват размерите на заваръчния трансформатор и се пестят материали за цялата конструкция. имат големи предимства при работа в сравнение с техните електромеханични аналози.

Трансформатори: преобразуватели на напрежение

В електротехниката и енергетиката трансформаторите, работещи на електромагнитен принцип, все още се използват най-широко за промяна на амплитудата на сигнала за напрежение.

Те имат две или повече намотки и през които се предава магнитна енергия за преобразуване на входното напрежение в изходно напрежение с променена амплитуда.

Директното преобразуване на химическата енергия в механична се случва, например, по време на мускулна контракция. Беше възможно да се имитира такава трансформация в лабораторни условия: беше синтезиран пластмасов филм, който в алкален разтвор се разтяга два пъти и увеличава обема си 8 пъти, а в солната киселина, напротив, се свива. В експериментите са използвани протеинови влакна и солни разтвори с различни концентрации. Деформираният филм може да извършва полезна механична работа. Директното преобразуване на химическата енергия в електромагнитна енергия се извършва в сравнително наскоро разработени химически лазери, в които атомите се възбуждат от енергията на химичните реакции. Ефективността на такова преобразуване обаче е много ниска.

Изброените методи за директно преобразуване на енергия едва ли ще намерят широко приложение за промишлено производство на енергия.

Електричеството в топлоелектрическите централи се произвежда в резултат на преобразуване на вътрешната енергия на горивото съгласно добре познатата схема:

химическа енергия на горивото -> мечтателна енергия -> механична енергия -> електрическа енергия.

При директното преобразуване на химическата енергия в електрическа се елиминират два междинни етапа на преобразуване, което води до намаляване на разсейването на енергия и следователно до увеличаване на

ефективност и в крайна сметка за опазване на природните ресурси. Следователно, тъй като изкопаемите енергийни ресурси се изчерпват и екологичните изисквания за енергийните системи и транспорта като основни потребители на енергийни ресурси стават по-строги, приносът на химическите източници на електроенергия с директно преобразуване към общите енергийни ресурси ще се увеличи с времето. Предполага се, че производството например на автомобили с електрохимични източници на енергия ще се увеличи значително в близко бъдеще.

Устройствата с директно преобразуване на енергия са известни отдавна. Те включват батерии за фенерче и различни батерии. В сравнително наскоро разработените горивни клетки се извършва и директно преобразуване на енергия. По принцип на действие те са подобни на електрохимичните клетки с тази разлика, че електродите на горивните клетки служат като катализатор и не участват пряко в генерирането на електричество. По този начин, във водородно-кислородна горивна клетка, горивото се окислява на анода, освобождавайки електрони. В резултат на това между анода и катода възниква потенциална разлика. Анодът е направен от пореста никел-керамична сплав с включване на никелови частици, а катодът е направен от същата сплав с включване на сребро. От 1 кг водород във водородно-кислородна клетка можете да получите 10 пъти повече енергия, отколкото от изгарянето на 1 кг бензин в двигател с вътрешно горене. Това произвежда вода, а не вредни изгорели газове. Изглежда, че водородните двигатели имат ясни предимства. Защо не се въвеждат масово и не заменят бензиновите двигатели? Отговорът на този въпрос включва два все още неразрешени проблема, свързани с цената и надеждността. Водородът трябва да бъде не повече от 10 пъти по-скъп от бензина, за да се конкурира успешно с него.

Водородът се получава по различни начини: чрез термохимична трансформация на изкопаеми въглеводороди и биомаса, електрохимично разлагане на вода, фотоелектрохимична и фотобиологична трансформация на вода.

Леки, но издръжливи бутилки от фибростъкло се използват за съхранение на водород в течно и газообразно състояние в стационарни и мобилни съоръжения. Тествани са и резервоари за автомобили, в които водородът е химически свързан в метални хидриди. Разработват се надеждни системи за съхранение на водород, използващи въглеродни нанотръби.

Водородът се използва в различни видове транспорт: в автомобили с двигатели с вътрешно горене, в горивни клетки за задвижване на колесни електродвигатели, във въздушни, водни и подводни съдове, в ракетни двигатели с течно гориво.

През 1999 г. BMW пусна първите модификации на автобуси и автомобили, задвижвани с водород, и изгради водородна бензиностанция за тях на летището в Мюнхен (Германия). Съвсем наскоро General Motors разработи пътнически автомобил, задвижван от водороден двигател. Едно зареждане осигурява пробег от 800 км. Ефективността на такъв двигател е много висока - около 85%, което значително надвишава тази на бензинов двигател. В същото време водородният двигател не произвежда вредни емисии: отпадъчните продукти са водни пари.

За широкото въвеждане на водородни двигатели е необходимо да се реши проблемът с евтиното производство на гориво - водород. Може би в близко бъдеще ще бъде възможно да се реши, ако водородното гориво, подобно на петрола, бъде извлечено от недрата на Земята. Последните проучвания на нашите сънародници, геолози, показаха, че в резултат на електромагнитно сондиране се наблюдава аномално явление на дълбочина 5-6 км, което се смята за свързано с наличието на безкислородни сплави и съединения на основата силиций, магнезий и желязо. Ако това предположение се потвърди чрез дълбоко сондиране, тогава ще бъде възможно да се изпомпва горещ водород директно от Земята, тъй като при взаимодействие на силиций и магнезий с вода се отделят водород и топлина. За да направите това, достатъчно е да пробиете два кладенеца - да изпомпвате вода в единия и да извлечете нагрят водород от другия. Това ще даде възможност да се произвеждат евтини енергийни ресурси в големи количества - водород и съпътстващата го топлина, а след това зареждането с водород ще стане обичайно и обичайно.

Напоследък се обръща все повече внимание не само на автомобила, задвижван с водород, но и на електрическия автомобил. Неотдавна BMW демонстрира нов електрически автомобил, базиран на натриево-серна батерия. Набира скорост много бързо – до 96 км/ч за 20 секунди, а пробегът между презарежданията е значително разстояние – 270 км. Работната температура на сярно-натриевата батерия обаче е сравнително висока - около 350 ° C, което изисква допълнителни мерки за безопасност.

Първите електрически коли се появиха не днес, не вчера, а много по-рано. Например в САЩ в началото на 20 век. 38% от колите са произведени с електрическо задвижване и батерии. До 1912 г. американските компании произвеждат приблизително 6000 електрически превозни средства годишно. Обхватът им без презареждане не беше толкова малък за нашето време - 80 км.

Разработват се и леки електрически превозни средства: електрически мотопеди, електрически скутери, мини-електрически превозни средства, задвижвани от никел-метал-хидридни батерии, които имат специфична енергийна интензивност 2-3 пъти по-голяма от оловно-киселинните.

През последните години се обръща много внимание на разработването на различни видове горивни клетки, които се различават по състава на електродите, електролита и дизайна. Например в алкалните горивни клетки електролитът е калиев хидроксид. В горивните клетки с фосфорна киселина анодът и катодът са направени от фино раздробен платинен катализатор, разпръснат върху въглеродна основа, а електролитът е матрица от силициев карбид, съдържаща фосфорна киселина. Работната температура на такива елементи е 150-220 ° C. Използват се в стационарни условия (хотели, офиси) и на различни автомобили.

Горивните клетки с разтопена въглеродна сол могат да работят с водород, въглероден окис, природен газ и дизелово гориво. Техният коефициент на полезно действие при производството на електроенергия и топлина достига 35%.

Горивните клетки с твърд оксид, чието производство стартира през 2003 г., се отличават с висока експлоатационна стабилност и надеждност, могат да консумират различни видове гориво. Мощността им е до 250 kW, а ефективността им е 85%. Горивните клетки с твърд оксид съдържат твърд керамичен електролит, направен от тънък слой циркониев оксид, катод от лантанов манганит и никелов циркониев анод. Горивните клетки от този тип работят ефективно в хибридни енергийни системи.

Създават се горивно-галванични клетки, в които катодът е пореста въглеродно-графитна плоча, в която влиза кислород от въздуха, алуминиева плоча е анод, а воден разтвор на готварска сол е електролит. Такъв елемент не се нуждае от електрическо презареждане, тъй като сам генерира енергия в процеса на окисление (електрохимично изгаряне) на метала. Ефективността на такъв процес е около 80%, а при окисляване при нормални температури 1 кг алуминий отделя приблизително толкова енергия, колкото 1 кг въглища при изгаряне на въздух при много висока температура.

Такива източници на енергия имат много предимства: простота на дизайна, пълна безопасност на работа и добри специфични енергийни характеристики. Практически има само един недостатък: високата цена на анодния материал, която се определя главно от високата енергийна интензивност на производството му. Този недостатък може да бъде сведен до минимум чрез въвеждане на нова технология за производство на алуминий. С развитието на индустрията алуминият и неговите сплави ще станат много по-евтини.

Сравнително наскоро бяха разработени литиево-йодни батерии с директно преобразуване на химическа енергия в електрическа. Тези батерии работят с твърд йоден електролит, което позволява да се получи относително голям капацитет с минимални размери и също така да се увеличи техният експлоатационен живот. Такива батерии се използват в пейсмейкъри. Техният експлоатационен живот е около 10 години, което е много повече от този на обикновените батерии.

При разработването на нови модификации на химически преобразуватели на енергия в електрическа енергия се обръща голямо внимание на увеличаването на тяхната мощност, като същевременно се намаляват разходите за генерирана електроенергия.

3.1 Енергия и нейните видове

3.2 Методи за получаване и преобразуване на енергия

3.3 Електрически и топлинни натоварвания и методи за тяхното регулиране

3.4 Директно преобразуване на слънчевата енергия в топлина и електричество

3.5 Вятърна енергия

3.6 Хидроенергия

3.7 Биоенергия

3.8 Пренос на топлинна и електрическа енергия

3.8.1 Пренос на топлинна енергия

3.8.2 Пренос на електрическа енергия

3.9 Енергиен мениджмънт на промишлени предприятия

3.1 Енергия и нейните видове

Енергия(от гръцки energeie - действие, дейност) е обща количествена мярка за движението и взаимодействието на всички видове материя. Това е способността да се извършва работа, а работата се извършва, когато физическа сила (налягане или гравитация) действа върху обект. работа- това е енергия в действие.

Във всички механизми, когато се извършва работа, енергията преминава от един вид в друг. Но в същото време е невъзможно да се получи повече енергия от един вид, отколкото друг по време на която и да е от неговите трансформации, тъй като това противоречи на закона за запазване на енергията.

Разграничават се следните видове енергия: механична; електрически; топлинна; магнитни; атомен.

Електрическиенергията е един от перфектните видове енергия. Широкото му използване се дължи на следните фактори:

Получаване на големи количества в близост до находища на ресурси и водоизточници;

Възможност за транспортиране на дълги разстояния с относително малки загуби;

Способността да се трансформира в други видове енергия: механична, химическа, топлинна, светлинна;

Без замърсяване на околната среда;

Въвеждането на принципно нови прогресивни технологични процеси с висока степен на автоматизация, базирани на електричество.

Термичененергията се използва широко в съвременните индустрии и в ежедневието под формата на пара, гореща вода и горивни продукти.

Преобразуването на първична енергия във вторична енергия, по-специално в електрическа енергия, се извършва в станции, които в имената си съдържат указания за това какъв вид първична енергия се преобразува в електрическа енергия в тях:

В топлоелектрическа централа (ТЕЦ) - топлинна;

Водноелектрически централи (ВЕЦ) - механични (енергия на движение на водата);

Помпено-акумулираща станция (ПАС) - механична (енергия на движение на вода, предварително напълнена в изкуствен резервоар);

Атомна електроцентрала (АЕЦ) - ядрена (енергетика на ядрено гориво);

Приливна електроцентрала (ТЕЦ) - приливи и отливи.

В Република Беларус повече от 95% от енергията се генерира в топлоелектрически централи, които според предназначението си се разделят на два вида:

Кондензационни топлоелектрически централи (CHPS), предназначени да генерират само електрическа енергия;

Комбинирани топлоелектрически централи (ТЕЦ), където се осъществява комбинирано производство на електрическа и топлинна енергия.

3.2 Методи за получаване и преобразуване на енергия

ТЕЦвключва набор от оборудване, в което вътрешната химическа енергия на горивото (твърдо, течно или газообразно) се преобразува в топлинна енергия на вода и пара, която се преобразува в механична ротационна енергия, която генерира електрическа енергия. Диаграмата на производството на електроенергия в топлоелектрическите централи е показана на фигура 6.

Както се вижда от представената диаграма, горивото, подадено от склада (C) към парогенератора (SG), по време на изгарянето отделя топлинна енергия, която, загрявайки водата, подадена от водоприемника (IW), я превръща в енергия водна пара с температура 550 °C. В турбината (T) енергията на водните пари се преобразува в механична ротационна енергия, която се предава на генератора (G), който я преобразува в електрическа енергия. В парния кондензатор (K) отработената пара с температура 123 ... 125 ° C отдава латентната топлина на изпаряване на охлаждащата вода и с помощта на кръгова помпа (H) отново се подава под формата на кондензат към котела-парогенератор.

Фигура 6 - Схема на работа на ТЕЦ

Конструкцията на комбинирана топлоелектрическа централа се различава от топлоелектрическа централа по това, че вместо кондензатор е монтиран топлообменник, където парата при значително налягане загрява водата, подадена към основните отоплителни линии.

Котелна централае набор от устройства за производство на пара под налягане или гореща вода. Състои се от котелен агрегат и спомагателни съоръжения, газопроводи и въздухопроводи, тръбопроводи за пара и вода с арматура, тягопроводи и др.

област, или промишлени котелни са предназначени за централизирано топлоснабдяване на жилищни и комунални услуги или самото предприятие. С пускането в експлоатация на топлоелектрическите централи част от тях останаха неработещи и могат да се използват като резервни и пикови и тогава се наричат ​​резервно-пикови.

Газотурбинен завод- това е двигател в лопатковия апарат, на който потенциалната енергия на газа се преобразува в кинетична енергия и след това частично се преобразува в механична работа, която се преобразува в електрическа енергия.

Фигура 7 - Схема на газотурбинна инсталация с топлинна енергия при = const

1 - въздушен компресор; 2 - газова турбина; 3 - електрически генератор; 4 - горивна помпа; 5 - горивна камера

В най-простата газова турбина с непрекъснато горене (Фигура 7) въздухът, компресиран до определено налягане в компресор 1, навлиза в горивната камера 5, където температурата му се повишава поради изгарянето на гориво, подавано от горивна помпа 4 при постоянно налягане. Продуктите от горенето под налягане и при висока температура се подават към турбина 2, в която се извършва работа по разширяване на газа. В същото време налягането и температурата падат. След това продуктите от горенето се отделят в атмосферата.

Завод с комбиниран цикъле турбинна топлоелектрическа централа, чийто топлинен цикъл използва два работни тела - водна пара и димни газове, постъпващи от котелния агрегат.

Въздухът, влизащ в компресора 1 (Фигура 8) от атмосферата, се компресира с нарастваща температура и се подава в горивна камера 5, в която се впръсква гориво с помощта на горивна помпа. Изгарянето на гориво става в горивна камера 5 и получените газове влизат в газова турбина 2, където се извършва работа.

Фигура 8 - Схема на инсталация с комбиниран цикъл

1 - въздушен компресор; 2 - газова турбина; 3 - електрически генератор; 4 – горивна помпа; 5 - горивна камера; 6 - нагревател; 7 - котел; 8 - парна турбина; 9 - кондензатор на водна пара; 10 - захранваща помпа

Отработените газове с температура 350 ° C и понижено налягане влизат в нагревателя 6, където отделят част от топлината за загряване на захранващата вода, постъпваща в котела 7, и след охлаждане се изпускат в атмосферата. Подхранващата вода се използва в котела за производство на пара, която влиза в парната турбина 8 при температура

540 °C. В него парата се разширява, произвеждайки техническа работа. Отработената в турбината пара постъпва в кондензатора 9, в който се кондензира, а полученият кондензат с помощта на помпа 10 се изпраща първо към нагревателя 6, където получава топлината на изхвърлените в газовата турбина газове, а след това към парният котел 7. Дебитите на парата и газа са избрани по този начин, така че водата да абсорбира максимално количество топлина от газовете. Топлинната ефективност на инсталациите е над 60%.

Внедряването на две парни турбини във Витебското производствено обединение „Витяз“, които са в състояние да генерират 1500 kW електроенергия (750 kW всяка) и месечно спестяват до 30 хиляди долара за закупуване на енергия, показва колко ефективно е прилагането на парни турбинни агрегати е. Срокът за изплащане на проекта е малко повече от година.

Водноелектрическа централае комплекс от хидравлични съоръжения и енергийно оборудване, чрез които енергията на водните потоци или резервоарите, разположени на относително по-високи нива, се преобразува в електрическа енергия.

Технологичният процес на производство на електроенергия във водноелектрически централи включва:

Създаване на различни нива на водата в горния и долния басейн;

Преобразуване на енергията на водния поток в енергия на въртене на вала на хидравличната турбина;

Преобразуване на енергията на въртене в енергия на електрическия ток чрез хидрогенератор.

Помпено съхранение електрическа централае водноелектрическа централа, в която притокът на вода в горния резервоар се осигурява изкуствено, чрез помпи, захранвани с електричество от системата. В допълнение към турбините, той е оборудван с помпи (помпи) или само турбини, които могат да работят в режим на помпа (реверсивни турбини), за да вдигат вода по време на часове с ниско натоварване в енергийната система от долния басейн към горния резервоар чрез свързване към захранването система. При високи натоварвания помпено-акумулиращите електроцентрали работят като конвенционалните водноелектрически централи.

Топлинни схеми на атомни електроцентрализависи от вида на реактора; тип охлаждаща течност; състав на оборудването и може да бъде едно-, дву- и трикръгови.

Схема за производство на електроенергия за едновериженАтомната електроцентрала е показана на фигура 9. Парата се генерира директно в реактора и влиза в парната турбина. Отработената пара се кондензира в кондензатор, а кондензатът се изпомпва в реактора. Схемата е проста и икономична. Въпреки това, парата (работната течност) на изхода на реактора става радиоактивна, което поставя повишени изисквания към биологичната защита и затруднява наблюдението и ремонта на оборудването.

Фигура 9 - Топлинна схема на най-простата едноконтурна атомна електроцентрала

1 - ядрен реактор; 2 - турбина; 3 - електрически генератор; 4- кондензатор на водна пара; 5 - захранваща помпа

IN двуконтуренВ схемите за производство на ядрена енергия има две независими вериги (Фигура 10) - охлаждаща течност и работна течност. Общото им оборудване е парогенератор, в който охлаждащата течност, загрята в реактора, предава топлината си на работния флуид и се връща в реактора с помощта на циркулационна помпа.

Фигура 10 - Топлинна схема на най-простата двуконтурна атомна електроцентрала

1 - ядрен реактор; 2 - топлообменник-парогенератор; 3 - главна циркулационна помпа; 4 - турбина; 5 - електрически генератор; 6 - кондензатор на водна пара; 7 - захранваща помпа

Налягането в първия кръг (охлаждащата верига) е значително по-високо, отколкото във втория. Парата, произведена в топлинния генератор, се подава към турбината, извършва работа, след това кондензира и кондензатът се подава към парогенератора от захранващата помпа. Въпреки че парогенераторът усложнява инсталацията и намалява нейната ефективност, той предотвратява радиоактивността във втория контур.

IN три веригаВ схемата течните метали (например натрий) служат като първични охладители. Радиоактивният натрий от реактора постъпва в междинния топлообменник с натрий, който отделя топлина и се връща обратно в реактора. Налягането на натрия във втория кръг е по-високо, отколкото в първия, което елиминира изтичането на радиоактивен натрий. В междинния втори кръг натрият предава топлина на работния флуид (вода) на третия кръг. Получената пара влиза в турбината, извършва работа, кондензира и постъпва в парогенератора.

Триконтурната схема е скъпа, но осигурява безопасна работа на реактора.

Разликата между топлоелектрическите централи и атомните електроцентрали е, че източникът на топлина в топлоелектрическите централи е парен котел, в който се изгаря органично гориво; в атомна електроцентрала - ядрен реактор, топлината в който се отделя при делене на ядрено гориво, което има висока калоричност (милиони пъти по-висока от органичното гориво). Един грам уран съдържа 2,6 10 ядра, чието делене освобождава 2000 kWh енергия. За да получите същото количество енергия, трябва да изгорите повече от 2000 кг въглища.

По време на експлоатацията на атомните електроцентрали обаче в горивото, охлаждащата течност и конструктивните материали се образува голямо количество радиоактивни вещества. Следователно атомната електроцентрала е източник на радиационна опасност за оперативния персонал и населението, живеещо в близост, което повишава изискванията за надеждност и безопасност на нейната работа.

ТЕЦ(CHP) е топлоелектрическа централа, която генерира не само електрическа енергия, но и топлинна енергия, доставяна на потребителите под формата на пара и гореща вода за битови нужди. При такова комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия, основно топлината на парата (или газа), изчерпана в турбините, се освобождава в отоплителната мрежа, което води до намаляване на разхода на гориво с 25-30% в сравнение с отделното производство на енергия в КПЦ или държавни районни електроцентрали (държавни районни електроцентрали) и топлина в районни котелни.

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

UDC 621.314(075)

Рецензенти: Заслужил деец на науката и технологиите на Руската федерация, професор в катедрата по експлоатация на енергетично оборудване и електрически машини в Саратовския държавен аграрен университет, доктор на техническите науки. ; персонал на катедрата по електроснабдяване на Уляновския държавен технически университет (декан на факултета по енергетика, професор)

Дим, енергия: учебник. надбавка / , . Изд. Доктор на техническите науки ; ВолгГТУ, Волгоград, 2010. – 96 с.

Разгледани са методите за преобразуване на енергията и техническите средства - преобразуватели за тяхното осъществяване. Дадени са изчислителни съотношения за редица преобразуватели на енергия. В изданието са използвани материали от източниците, дадени в края на ръководството, както и материали от лекции на авторите, изнесени пред студенти от специалност „Електроснабдяване на промишлени предприятия” и направления „Електроенергетика” и „Електротехника”. .

Предназначен за студенти от енергийни специалности, обучаващи се в специалност „Електроснабдяване на промишлени предприятия” и в направленията „Електроенергетика” и „Електротехника”.

I л. 32. Маса. 2. Библиография: 21 загл.

Публикува се по решение на редакционно-издателския съвет

Волгоградски държавен технически университет

ISBN 0558-9 Ó Волгоградски

състояние

технически

Иновативна дейност" href="/text/category/innovatcionnaya_deyatelmznostmz/" rel="bookmark">иновативна дейност в дадена страна. Това се доказва от опита на най-добрите нефтени компании, които са усвоили няколко поколения нови технологии през последните 25 години и радикалната модернизация на заводите за преработка на въглеводородни суровини.

Основните енергийни ресурси - нефт и газ - ще бъдат изразходвани през следващите десетилетия. Под различни предлози техните остатъци се опитват да присвоят развитите страни, които са изразходвали енергийните си ресурси и поради това са станали енергийно зависими от страни от третия свят, които не принадлежат към така наречения „златен милиард“. Днес цялото енергийно снабдяване на тези страни на практика се осигурява от внос на нефт и газ. Резервите от уранова руда, подходящи за преработка и използване в ядрени реактори, също могат да бъдат изчерпани в близко бъдеще след нефта и газа.

В тази връзка спешен проблем е да се намерят енергийни източници, които са фундаментално неизчерпаеми и не въвеждат дестабилизиращи фактори в околната среда. Друг належащ проблем е разработването и създаването на инсталации, способни да преобразуват енергията, съдържаща се в околната среда, включително космоса, във форми, които биха били подходящи за използване от човечеството. Такива опити вече са известни: това е енергията на водните потоци, въздуха, слънчевата енергия, енергията на водата, приливите и отливите на океана, вътрешната топлина на Земята и др.

2. Видове енергии и принципи на тяхната трансформация

2.1. Класификация на видовете енергии

В съвременното научно разбиране енергията се разбира като обща мярка за различни форми на движение на материята. За количествена характеристика на качествено различни форми на движение на материята и съответните им взаимодействия условно се въвеждат различни видове енергия: топлинна, механична, ядрена, електромагнитна и др.

Има първични и вторични енергии. Първичната енергия е енергия, съхранявана директно в природата: енергия от гориво, вятър, топлина на Земята и т.н. Енергията, получена след преобразуването на първичната енергия при специални условия, наречени енергийни условия, се счита за вторична (например енергия на пара, електрическа енергия , топла вода и др.).

Производството на необходимия вид енергия възниква в процеса на производство на енергия и се осъществява чрез преобразуване на първичната енергия във вторична енергия.

Почти цялата енергия, която трябва да се използва и допълнително преобразува, първо се преобразува в топлинна енергия в промишлени и отоплителни пещи, двигатели и машини, домакински уреди (50%), котелни (10%), котли на топлоелектрически централи и реактори на атомни електроцентрали (40%). Получената топлинна енергия се използва без допълнително преобразуване в други видове енергия (в промишлени и отоплителни пещи, както и под формата на пара, гореща вода и др.). Приблизително част от получената топлинна енергия се използва за генериране на електрическа енергия, като е претърпяла предварително преобразуване в механична енергия в турбинни агрегати. По-малко Електрически транспорт" href="/text/category/yelektricheskij_transport/" rel="bookmark">електрически транспорт, различно оборудване на предприятия. Трябва да се отбележи, че приблизително една шеста от електрическата енергия отново се преобразува в топлина.

Съставена е научнообоснована класификация на видовете енергия. Тя се основава на комплексен критерий, включващ видове материя, форми на нейното движение и видове взаимодействия.

Видове материя: атом, електрон, фотон, неутрино и др.

Форми на движение: механично, електрическо, термично и др.

Видове взаимодействие: ядрено (силно), електромагнитно, слабо (с участието на неутрино) и гравитационно (супер слабо).

Въз основа на комплексен критерий могат да се разграничат следните видове енергия:

1. Енергията на анихилация е общата енергия на системата „материя - антиматерия“, освободена в процеса на тяхното свързване и анихилация (взаимно унищожение) в различни форми.

2. Ядрена енергия - енергията на свързване на неутроните и протоните в ядрото, освободени под различни форми при делене на тежки и сливане на леки ядра; в последния случай се нарича "термоядрен".

3. Химическата (по-логично, атомната) енергия е енергията на система от две или повече вещества, които реагират едно с друго. Тази енергия се освобождава в резултат на преструктурирането на електронните обвивки на атомите и молекулите по време на химични реакции.

4. Гравистатичната енергия е потенциалната енергия на свръхслабото взаимодействие на всички тела, пропорционална на техните маси. От практическо значение е енергията на тялото, която то натрупва, докато преодолява силата на гравитацията.

5. Електростатичната енергия е потенциалната енергия на взаимодействието на електрически заряди, т.е. енергийният резерв на електрически заредено тяло, натрупан в процеса на преодоляване на силите на електрическото поле.

6. Магнитостатичната енергия е потенциалната енергия на взаимодействие на "магнитни заряди" или енергийният резерв, натрупан от тяло, способно да преодолее силата на магнитно поле в процеса на движение срещу посоката на действие на тези сили. Източникът на магнитното поле може да бъде постоянен магнит или електрически ток.

7. Неутриностатична енергия - потенциалната енергия на слабото взаимодействие на "неутрино заряди" или енергиен резерв, натрупан в процеса на преодоляване на силите на β-полето - "неутрино поле". Поради огромната проникваща способност на неутриното, е почти невъзможно да се натрупа енергия по този начин.

8. Еластична енергия е потенциалната енергия на механично еластично модифицирано тяло (натисната пружина, газ), освободена при премахване на товара, най-често под формата на механична енергия.

9. Топлинната енергия е част от енергията на топлинното движение на частиците на телата, която се отделя при наличие на температурна разлика между това тяло и околните тела.

10. Механичната енергия е кинетичната енергия на свободно движещи се тела и отделни частици.

11. Електрическа (електродинамична) енергия – енергията на електрическия ток във всичките му форми.

12. Електромагнитна (фотонна) енергия – енергията на движение на фотоните на електромагнитното поле.

13. Мезонна (мезонодинамична) енергия - енергията на движение на мезони (пиони) - кванти на ядрено поле, чрез обмена на които нуклоните взаимодействат (теория на Юкава, 1935 г.)

14. Гравидинамична (гравитационна) енергия - енергията на движение на хипотетични кванти на гравитационното поле - гравитони.

15. Неутринодинамична енергия - енергията на движение на всепроникващи частици на β-полето - неутрино.

От изброените 15 вида енергия засега само 10 имат практическо значение: ядрена, химическа, еластична, гравистатична, електрическа, електромагнитна, електростатична, магнитостатична, топлинна, механична.

Само четири вида се използват директно: термични (около 75%), механични (около 20–22%), електрически (около 3–5%) и електромагнитни (по-малко от 1%). Освен това електрическата енергия, която е толкова широко генерирана и доставяна чрез проводници, играе главно ролята на енергиен носител.

Основният източник на пряко използвани видове енергия все още е химическата енергия на минерални органични горива (въглища, нефт, природен газ и др.), Чиито запаси, съставляващи част от процента от всички енергийни запаси на Земята, са на ръба на изтощението.

От декември 1942 г., когато е пуснат първият ядрен реактор, ядрените и термоядрените горива се появяват на сцената като нов източник на енергия.

В бъдеще е възможно да се появят както нови видове енергия, така и нови източници на енергия. Класификацията на видовете енергия ни позволява да изучаваме и оценяваме всичките им възможни взаимопреобразувания.

2.2. Трансформация и трансформация на видове енергия

Нека да обобщим в матрична таблица всички видове енергии, които имат практическо значение, и да анализираме възможностите за тяхното взаимно преобразуване (фиг. 2.2.1).

Анализът на различни енергийни процеси показва, че за да се преобразуват видове енергия, трябва да бъдат изпълнени две условия:

1) осигурява правилното ниво на концентрация на енергия;

2) изберете работна течност с определени свойства.

При всички енергийни трансформации, строго погледнато, гравитационната енергия на нейните носещи системи трябва да се промени, ако се промени тяхното положение спрямо повърхността на Земята.

От матрицата на енергийните трансформации следва, че тези възможности са много ограничени. Най-простите, надеждни и обещаващи начини вече са използвани и могат да бъдат подобрени само в посока на повишаване на ефективността на трансформациите и специфичната енергийна производителност, т.е. мощността на преобразувателя.

E IE – естествен (естествен) източник на енергия;

ИЕ – изкуствен ИЕ;

NE – устройство за съхранение на енергия;

PERE е носител на енергия.

Ориз. 2.2.1. Матрица на възможните трансформации и трансформация на типове енергия,

от практическо значение

Остават резерви под формата на директно преобразуване на ядрената енергия в електрическа и механична, химическата в механична, гравистатичната в механична. Обещаващо е да се преобразува ядрената енергия в химическа и еластична енергия и гравистатичната енергия в еластична енергия чрез зареждане на пружини и газови бутилки в дълбините на моретата.

2.3. Преобразуването на енергия е проблем на съвременната енергетика

Всички сфери на човешкия живот и дейност: готвене, промишленост, селско стопанство, транспорт, комуникации, създаване на комфортни условия в домовете и промишлените помещения - изискват различни форми на енергия. Преобразуването на енергия от първични източници често не удовлетворява потребителите именно във видовете получавана енергия и изисква необходимостта от тяхното преобразуване.

Съвременната наука познава 15 вида енергии, свързани с движението или различни относителни позиции на голямо разнообразие от материални тела или частици.

В зависимост от естеството на движението и естеството на силите, действащи между тези частици, промяната в енергията в системи от такива частици може да се прояви под формата на механична работа, в потока на електрически ток, в преноса на топлина, при промяна на вътрешното състояние на телата, при разпространение на електромагнитни трептения и др.

Основният закон, управляващ преобразуването на енергията, е законът за запазване на енергията. Според този закон енергията не може да изчезне или да възникне от нищото. Може да преминава само от един тип в друг.

А. Айнщайн установи взаимопреобразуемостта на енергията и масата и по този начин разшири значението на закона за запазване на енергията, който сега е формулиран в обобщена форма като закон за запазване на енергията и масата. В съответствие с този закон всяка промяна в енергията на тялото ∆E се свързва с промяна в неговата маса ∆m по формулата:

∆E = ∆mс2,

Където с– скорост на светлината във вакуум, равна на 3·108 m/s.

От тази формула следва, че ако в резултат на някакъв процес масата на всички участващи в процеса тела намалее с 1 g, тогава ще се освободи енергия, равна на 9·1013 J, което е еквивалентно на 3000 тона стандартно гориво . Повечето практически наблюдавани процеси са макроскопични и промяната в масата може да бъде пренебрегната, но когато се анализират ядрените трансформации, е необходим законът за запазване на енергията и масата.

Когато енергията се преобразува в което и да е устройство, част от нея се губи. Ефективността на това устройство обикновено се характеризира с коефициента на полезно действие, който може да се определи съгласно фиг. 2.3.1.

Ориз. 2.3.1. Схема за определяне на ефективността

Според фиг. 2.3.1, ефективността може да се определи като

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

Загубите на енергия не нарушават закона за запазване на енергията и означават само загуби за полезния ефект, за който се извършва преобразуването на енергията.

Последният израз показва, че само част от първичната енергия, предназначена за получаване на благоприятен ефект, се използва полезно.

Всички загуби на енергия в крайна сметка се превръщат в топлина, която се отделя в околната среда (атмосферен въздух, водни тела).

Трябва да се отбележи едно важно обстоятелство. Тъй като, в съответствие със закона за запазване, енергията не изчезва, следва, че енергията на първичните енергийни източници, използвани в процеса на човешката дейност, почти изцяло се прехвърля под формата на топлинна енергия в околната среда. Така цялата преобразувана енергия, включително загубите на енергия, в крайна сметка се превръща в топлина. Клаузата „почти“ означава, че само много малка част от произведената енергия се съхранява известно време под формата на потенциална или вътрешна енергия в структури, продукти, продукти, произведени от човека.

Преобразуване на топлинна енергия

Поради факта, че използваме първични енергийни източници (газ, нефт, въглища) за получаване на топлинна енергия с цел нейното по-нататъшно преобразуване, възниква идеята за използване на топлинната енергия, отделена в околната среда по време на процеса на преобразуване.

Вторият закон на термодинамиката, който представлява универсален закон на природата, забранява такова „повторно използване“ на топлинна енергия.

Този закон гласи, че топлината е специална форма на пренос на енергия и се формулира по следния начин: във всички реални процеси всяка форма на енергия може спонтанно да се преобразува в топлина, но спонтанното преобразуване на топлината в други форми на енергия е невъзможно.

Това означава, че всяка форма на енергия може да бъде преобразувана в топлина без никакви допълнителни тела да участват в този процес, чието състояние по някакъв начин би се променило в края на процеса. Напротив, топлината не може да се преобразува в други форми на енергия, без да останат някои промени в някои околни тела в края на процеса на трансформация.

По този начин, ако законът за запазване на енергията (първият закон на термодинамиката) посочва взаимната конвертируемост и еквивалентността на всички видове енергия, тогава вторият закон на термодинамиката отбелязва особеността на топлината, нейната неравенство в процесите на преобразуване на енергия.

В термодинамиката е доказано, че за да се получава непрекъснато работа от топлината, е необходимо да има работен флуид, който да извършва последователност от кръгови процеси, тоест процеси, при които периодично да се връща в първоначалното си състояние. Във всеки такъв кръгов процес, иначе наричан цикъл, работният флуид получава определено количество топлина Q1от първичния източник на енергия при достатъчно висока температура и отделя по-малко топлина Q2среда (вода или въздух). Тъй като самата работна течност, след като се върне в първоначалното си състояние в резултат на цикъла, не променя вътрешната си енергия, тогава, в съответствие с първия закон на термодинамиката, топлинната разлика се превръща в работа:

L = Q1 - Q2.

Възможността и ефективността на преобразуване на топлината в други форми на енергия (механична, електрическа) се определя основно от температурата, при която топлината Q1може да се прехвърли в работната течност. В топлоелектрическа централа работният флуид е водна пара, която в парна турбина получава топлина от продуктите на горенето при най-висока температура от около 540 °C.

Температура, при която се отделя топлина Q2, е значим и от гледна точка на ефективността на преобразуване на топлината в работа.

Въпреки това, тъй като жегата Q2дадена на околната среда, в реални условия тази температура може да варира само в тесни граници.

Ефективността на превръщането на топлината в работа се оценява чрез топлинна ефективност η T, под което се разбира трудовото правоотношение Лполучени на цикъл за загряване Q1, получена от работния флуид от първичния източник на енергия:

кратки кодове">