Pretvaranje kinetičke energije u električnu energiju. Neobični električni generatori
Vjetroelektrane postaju prilično raširene. Prilično su pogodni za upotrebu u ravnim područjima s čestim i jakim vjetrovima. Njegov dizajn nije jako kompliciran i mnogi vlasnici privatnih kuća razmišljaju o ugradnji vjetroturbina ili solarnih panela.
Dakle, vjetrogenerator ili vjetroelektrana ili vjetroelektrična instalacija je uređaj za pretvaranje kinetičke energije vjetra u električnu energiju. Primitivni dizajn takvog vjetrogeneratora prikazan je na donjoj slici:
Vjetrogeneratori se mogu podijeliti na industrijske i kućne. Industrijske vjetroturbine obično instaliraju komunalne korporacije ili vlade i umreže ih zajedno kako bi stvorile elektrane koje koriste energiju vjetra za proizvodnju električne energije. Velika prednost ovakvih elektrana je što im nisu potrebne sirovine (ugalj, nafta, gas) za proizvodnju električne energije, a ne stvaraju otpad tokom rada. Ali za njih postoje i zahtjevi - visok prosječni godišnji nivo vjetra, inače njihova upotreba neće biti ekonomski isplativa. Snaga modernih vjetrogeneratora može doseći 6 MW.
Danas za razuman novac možete kupiti vjetrogenerator za seosku kuću i na taj način snabdjeti svoju seosku kuću strujom. Obično je vjetroturbina snage 1 kW dovoljna za napajanje male kuće, ali pri brzini vjetra od 8 m/s.
Ako prosječna godišnja brzina vjetra nije dovoljna da u potpunosti napaja kuću, vjetroturbina se može dopuniti solarnim ćelijama ili dizel agregatom. U ovom slučaju, vjetrogeneratori s vertikalnim osama mogu biti dopunjeni manjim vjetrogeneratorima. Na primjer, Darrieus turbina može se prilično uspješno nadopuniti sa Savonius rotorom, a istovremeno se ne ometaju, već se savršeno nadopunjuju.
Vjetroelektrane u kući
U pravilu se u domaćinstvima vjetroturbine razmatraju sa stanovišta značajnih ušteda u grijanju, održavanju staklenika (rasvjete), kao i za smanjenje potrošnje električne energije iz mreže, a ponekad i njene proizvodnje natrag u mreže. Velika varijabilnost vjetra onemogućuje predviđanje približne količine električne energije koju određena instalacija može proizvesti. Stoga se kod konstrukcije vjetrogeneratora postavlja i pitanje stabilizacije energije koju proizvodi.
Glavna prepreka masovnom usvajanju vjetrogeneratora je prilično visoka cijena po kilovatu snage. Takođe, nisu mali ni troškovi njihovog rada.
Jedna od najvažnijih karakteristika vjetroturbine je takozvani faktor iskorištenja energije vjetra (WEC). Za najbolje vjetrenjače ovaj koeficijent dostiže 60-80%, au prosjeku 40-45%. Za amaterske vjetrenjače obično ne prelazi 35%.
Ispod je tabela koja daje približne vrijednosti za ovisnost instalacijske snage o promjeru lopatica i brzini vjetra:
Proračun vjetrogeneratora
Da biste odabrali ispravnu jedinicu, potrebno je precizno odrediti preovlađujući smjer vjetra i njegovu prosječnu brzinu na mjestu gdje će vjetroturbina biti postavljena. Treba imati na umu da je početna brzina rotacije lopatica približno 2 m/s, a maksimalni učinak će se postići pri brzini od 9 – 12 m/s. Snaga vjetroturbine ovisi samo o prečniku propelera i brzini vjetra.
Ispod su najjednostavnije formule za izračunavanje snage vjetroturbine:
Gdje je: P – snaga, izražena u kW;
D – prečnik propelera, izražen u metrima;
V – brzina vjetra, m/s;
Gdje je: P – snaga, izražena u W;
S je površina preko koje vjetar duva okomito, izraženo u m2;
V – brzina vjetra, m/s;
Kao što se vidi iz gornjih formula, na snagu vjetroturbine možemo utjecati prečnikom propelera, jer ne možemo utjecati na brzinu vjetra. Nakon što ste izračunali približnu snagu dobivenu od instaliranja vjetrenjače, možete shvatiti da li je vrijedno instalirati vjetrenjaču? Ako ugradnja vjetroturbine nije praktična, možete odabrati drugi alternativni izvor energije (solarni paneli) ili instalirati nekoliko vjetroturbina.
Pronalazak se odnosi na pretvarače energije slobodnog toka, na primjer u oblasti energije vjetra, netradicionalne energije, hidroenergije, kao i instrumentacije. Dva fizička efekta se koriste zajedno: autooscilacije i elektromagnetna indukcija. Energija nadolazećeg toka se pretvara zbog elektromagnetne indukcije koja nastaje pri samooscilacijama metalnih struna (elastičnih provodnika) smještenih u nadolazećem toku i smještenih u magnetskom polju. Prema zakonu elektromagnetne indukcije, metalna struna, koja vrši oscilatorna kretanja u magnetskom polju, postaje generator električne energije (struje). Karakteristika metode vam omogućava da povećate snagu pretvarača povećanjem broja nizova u pretvaraču na potreban broj. 1 ill.
Pronalazak se odnosi na pretvarače energije slobodnog toka i može se koristiti u oblasti energije vjetra, netradicionalne energije, hidroenergije, kao i u instrumentaciji.
Za pretvaranje kinetičke energije strujanja u električnu, poznati su vjetromotori s vertikalnom i horizontalnom osom rotacije.
Vjetroturbine s okomitom osom rotacije imaju niz nedostataka:
Sporost;
Koriste mjenjače, koji značajno smanjuju efikasnost i pouzdanost vjetroturbine.
Ograničena veličina lopatica vjetroagregata s horizontalnom osi određuje ograničenje snage vjetroturbina, a korištenje uređaja za okretanje radnog kola u smjeru okomitom na kretanje strujanja vjetra uzrokuje smanjenje pouzdanosti. i efikasnost vjetroturbine, a također povećava njenu cijenu.
Poznat je pretvarač energije protoka (vidi RU 2142572 C1, objavljen 10. decembra 1999., IPC 6 F 03 D 5/06), koji koristi konverziju kinetičke energije strujanja u potencijalnu, a zatim u mehaničku. Za to se koristi šuplje tijelo. Zamjenjuje impeler (lopatice), što smanjuje veličinu i povećava pouzdanost pretvarača energije protoka.
Nedostatak ovog pretvarača je upotreba mehaničkih pretvarača kretanja, koji smanjuju efikasnost, pouzdanost i povećavaju cijenu i veličinu pretvarača energije protoka.
Najbliže rješenje (prototip) je metoda konverzije energije, koja se sastoji u tome da se konverzija provodi zbog elektromagnetne indukcije postavljanjem provodnika u magnetsko polje i izlaganjem dolaznom toku (vidi JP 11294314, IPC 7 F 03 D 9/00, 26.10.1999.
Nedostatak ove metode je niska efikasnost.
Tehnički cilj pronalaska je povećanje efikasnosti korišćenja ove metode.
Tehnički rezultat postiže se činjenicom da se u metodi konverzije energije, koja se sastoji u tome da se konverzija vrši zbog elektromagnetne indukcije postavljanjem provodnika u magnetsko polje i izlaganjem dolaznom toku, metalne elastične žice postavljeni su kao provodnik.
Ilustracija rada predloženog pretvarača je prikazana na crtežu.
Samooscilacije istegnute metalne žice 1 postavljene u magnetsko polje 2 su podržane kinetičkom energijom nadolazećeg toka 3.
Frekvencija i amplituda stabilnih oscilacija određuju se parametrima strune i parametrima njene interakcije sa nadolazećim tokom. Frekvencija vibracije žice (ν):
gdje je S površina poprečnog presjeka;
Q - napetost;
ρ - gustina materijala;
n je cijeli broj.
Prema zakonu elektromagnetne indukcije, metalna struna (1), koja vrši oscilatorna kretanja u magnetskom polju (2), postaje generator električne energije (struje).
Rezultirajuća elektromotorna sila (∈) može se procijeniti pomoću formule:
gdje je v brzina kretanja;
B - jačina magnetnog polja;
l je dužina provodnika;
α je ugao između linija magnetnog polja i žice.
Karakteristika metode vam omogućava da povećate snagu pretvarača povećanjem broja nizova u pretvaraču na potreban broj.
Metoda konverzije energije, koja se sastoji u tome da se konverzija vrši elektromagnetskom indukcijom stavljanjem provodnika u magnetsko polje i izlaganjem dolaznom strujanju, naznačena time što se kao provodnik postavljaju metalne elastične žice.
Šta se može reći o metodama direktne konverzije energije?
Metoda direktne konverzije energije odnosi se na proizvodnju električne energije iz toplinske energije u kojoj se smanjuje broj međufaza konverzije energije ili se barem pojednostavljuje proces dobivanja električne energije iz toplinske energije. Najčešće (ali ne uvijek ( Dakle, u magnetohidrodinamičkoj metodi dobijanja električne energije iz toplotne energije, koja se obično klasifikuje kao metoda direktne konverzije energije i o kojoj će biti reči u nastavku, očuvana je faza pretvaranja toplotne energije u mehaničku.)) međupretvaranje toplotne energije u mehaničku energiju je isključeno.
U širem smislu, metoda direktne konverzije energije odnosi se na proizvodnju električne energije ne samo iz toplinske energije, već i iz kemijske energije (u gorivnim ćelijama) i iz energije elektromagnetnog zračenja (u fotoelektričnim pretvaračima). Upravo su ova pitanja obrađena u ovom odjeljku. Prije svega, upoznaćemo se sa magnetohidrodinamičkom metodom, budući da je ona, po svemu sudeći, razvijenija od drugih za proizvodnju velikih količina električne energije, a to je ono što nas, u skladu sa temom ove knjige, prvenstveno zanima.
Magnetohidrodinamička metoda (MHD metoda). Prava magnetohidrodinamička metoda pretvaranja toplotne energije u električnu zasnovana je na upotrebi dve vrste pretvarača: toplotnog motora, koji podseća na gasnu turbinu, pretvaranja toplote u kinetičku energiju gasnog mlaza (produkata sagorevanja) i neobičnog elektrodinamička mašina, koja pretvara kinetičku energiju mlaza gasa u električnu energiju.
To se dešava na sledeći način (slika 23). Kao rezultat sagorijevanja organskog goriva (na primjer, prirodnog plina), nastaju plinoviti produkti sagorijevanja. Neophodno je da njihova temperatura ne bude niža od 2500 °C. Na ovoj temperaturi plin postaje električno provodljiv i prelazi u stanje plazme. Drugim riječima, dolazi do jonizacije plina: elektroni se uklanjaju iz molekula plina. Plazma na tako relativno niskoj temperaturi (najmanje 2500°C) je samo djelomično ionizirana: ne sastoji se samo od proizvoda ionizacije - električnih nabijenih slobodnih elektrona i jona (pozitivno nabijenih čestica koje nastaju kao rezultat gubitka jednog ili više elektrona od strane molekul), ali i molekule koji još nisu prošli ionizaciju.
Što je temperatura viša, veća je jonizacija gasa i, posljedično, njegova električna provodljivost. Na temperaturi od oko 10 hiljada stepeni, svaki gas je potpuno jonizovan - sastoji se samo od slobodnih elektrona i atomskih jezgara.
Plazma s kojom smo se susreli pri razmatranju termonuklearnih procesa, a čija se temperatura mjeri u milionima stepeni, naziva se visokotemperaturnom. Plazma koja se koristi u MHD generatorima i ima temperaturu mjerenu u hiljadama stupnjeva naziva se niskotemperaturnom.
A da bi niskotemperaturna plazma produkata izgaranja imala dovoljnu električnu provodljivost već na temperaturi od oko 2500 ° C, potrebno je dodati jednu od lako jonizujućih tvari, obično alkalnih metala: natrij, kalij ili cezij. Pare ovih supstanci ioniziraju se na nižoj temperaturi.
Plazma sa malim dodatkom supstance koja se lako jonizuje na temperaturi od, recimo, 2600°C (slika 23) ulazi u kanal MHD generatora i smanjenjem svoje toplotne energije se tamo ubrzava do brzine koja je bliska zvuku ili čak i više. Prolazeći kroz kanal, električno vodljiva plazma prelazi preko strujnih vodova posebno kreiranog magnetnog polja, koje ima visoku indukciju. Ako je smjer kretanja toka okomit na linije magnetskog polja, a električna provodljivost plazme, brzina strujanja i indukcija magnetskog polja dovoljno veliki, tada, u skladu sa zakonima elektrodinamike, u smjeru okomitom na oba kretanjem toka i linijama magnetnog polja, od jednog zida kanala do drugog će teći električna struja kroz plazmu. Da biste to učinili, naravno, potrebno je spojiti elektrode postavljene na suprotnim zidovima kanala na vanjsko kolo.
Kao što se može vidjeti iz gore navedenog, princip rada MHD generatora se ne razlikuje od principa rada konvencionalnog elektromehaničkog generatora. U oba slučaja, električni vodič prelazi linije magnetskog polja, zbog čega se u vodiču stvara emf. U elektromehaničkom generatoru, provodnik je električno provodljivi metal rotora, a u MHD generatoru to je tok električno provodljive plazme.
Interakcija električne struje koja teče kroz plazmu sa magnetnim tokom stvara silu koja usporava kretanje plazme duž kanala. Na taj se način kinetička energija strujanja plazme pretvara u električnu energiju.
Koja je privlačna strana MHD generatora?
Kao što već dobro znamo, za povećanje efikasnosti toplotnog motora potrebno je povećati početnu temperaturu radnog fluida. Ali u toplotnim motorima termoelektrana - parnim turbinama - početna temperatura vodene pare nije podignuta, kao što je već spomenuto, iznad 540 ° C. To se objašnjava činjenicom da su najkritičniji elementi turbine (posebno lopatice rotora) ) istovremeno su izloženi visokoj temperaturi i velikom mehaničkom opterećenju. U kanalu MHD generatora uopće nema pokretnih dijelova, pa samim tim materijal od kojeg su izrađeni najkritičniji elementi konstrukcije ne doživljava značajnije mehaničko naprezanje. Ovo je jedna od najvažnijih prednosti MHD generatora.
Čitalac može primijetiti da ne postoji materijal koji može izdržati temperature od 2600°C. Zar to ne čini ideju o MHD generatoru neizvodljivom?
Zaista, takav materijal ne postoji, visokotemperaturni strukturni elementi moraju se hladiti (obično vodom). Ali jedno je hlađenje stacionarnih strukturnih elemenata, kao u MHD generatoru, a sasvim drugo hlađenje rotirajućih (i to vrlo velikom brzinom), kao u parnoj turbini.
Treba napomenuti da se u MHD generatoru kao radni fluid mogu koristiti ne samo plin (plazma), već i tekući metali. Trenutno, plazma MHD generatori privlače veliku pažnju. Mogu biti otvorene ili zatvorene. Riječ je o plazma MHD instalaciji otvorenog tipa.
Na izlazu iz kanala MHD generatora proizvodi sagorevanja (plazma) i dalje imaju visoku temperaturu, obično oko 2000°C. Na nižoj temperaturi, plazma postaje nedovoljno električno provodljiva i stoga je nastavak procesa u MHD generatoru nemoguć. neprofitabilan.
Istovremeno, proizvodi sagorevanja na izlazu iz kanala MHD generatora takođe imaju, kako je navedeno, visoku temperaturu (veću nego u peći konvencionalnog kotla), a njihova toplotna energija se, naravno, mora iskoristiti. . Najlakši način za rješavanje ovog problema je da instalacija bude dvostepena (vidi sliku 23).
Dakle, gorivo, lako jonizujući aditiv i zagrijani oksidator (na primjer, zrak obogaćen kisikom) se dovode u komoru za izgaranje. Proizvodi sagorevanja temperature oko 2600°C ulaze kroz mlaznicu u kanal MHD generatora ( Kanal na slici je šematski prikazan. Nisu prikazani magnetni sistem koji stvara magnetno polje, sistem uklanjanja struje i hlađenje zidova kanala.), a iz kanala (na temperaturi od oko 2000 ° C) - u generator pare. Ovdje se zbog topline koju odaju izduvni plinovi zagrijava voda i stvara se i pregrijava vodena para. U generatoru pare ili u zasebnom grijaču zraka zagrijava se oksidant koji se šalje u komoru za izgaranje. Lako jonizujući aditiv se uklanja iz generatora pare (i zatim se ponovo koristi). Prikazano na sl. 23, parni dio kruga se u principu ne razlikuje od onog prikazanog na sl. 2 i 11 (šeme termoelektrana i nuklearnih elektrana).
Glavna prednost MHD elektrane je ta što omogućava postizanje visoke efikasnosti, koja će, po svemu sudeći, doseći 50-60 ( Ovako širok raspon vrijednosti efikasnosti MHD elektrane uglavnom se objašnjava mogućnošću korištenja različitih tehničkih rješenja i postignutom temperaturom zagrijavanja oksidatora (od 1500 do 2000°C).) naspram 40% za najbolje termoelektrane. Većina postojećih i trenutno u izgradnji eksperimentalnih i pilot-industrijskih MHD instalacija je projektovana za rad na gasno gorivo. Međutim, u budućnosti je upotreba uglja više obećavajuća.
Još jedna važna prednost MHD elektrana je njihova visoka manevarska sposobnost, stvorena mogućnošću potpunog isključivanja MHD stepena.
Prikazano na sl. 23, dijagram MHD elektrane naziva se otvorenim jer su radni fluid MHD generatora produkti izgaranja, koji se nakon prolaska kroz kanal i generator pare ispuštaju u atmosferu.
U radu na stvaranju moćnih MHD generatora mora se suočiti sa složenim naučnim i tehničkim pitanjima. To uključuje problem materijala za MHD kanale, prvenstveno za njihove vruće zidove i elektrode. Naravno, bilo bi moguće, uz intenzivno hlađenje, smanjiti temperaturu zidova i elektroda na potpuno prihvatljivu, što bi omogućilo dugotrajan rad, ali bi to dovelo do velikog gubitka topline i smanjenja efikasnosti. MHD generatora, kao i na smanjenje temperature slojeva plazme zida i blizu elektrode, smanjuje njihovu električnu provodljivost i na kraju pogoršava performanse generatora. Izazov je stvoriti materijale za vruće zidove i elektrode koji mogu raditi dugo vremena i pouzdano na najvišoj mogućoj temperaturi. Mnogo se nade polaže na cirkonijum dioksid kao materijal za elektrode i na metalne okside, posebno magnezijev oksid, za vruće zidove.
Nije lak zadatak napraviti magnetni sistem, pogotovo s obzirom na to da je poželjno imati indukciju od 5 - 6 Tesla (50 - 60 hiljada gausa), a vjeruje se da bi dužina kanala trebala biti oko 20 m da je najperspektivniji supravodljivi magnetni sistem hlađen tečnim helijumom.
Postoje i druga složena pitanja koja treba riješiti. Tu spadaju: stvaranje efikasnog električnog pretvarača za pretvaranje jednosmerne struje u naizmeničnu (jednosmerna struja se dobija u MHD generatoru), uređaj za uklanjanje lako jonizujućeg aditiva, stvaranje parnog generatora sa posebnim karakteristikama i još neke .
Uprkos svim poteškoćama, u Sovjetskom Savezu rad na polju MHD konverzije energije je toliko uznapredovao da se trenutno radi na stvaranju industrijske MHD instalacije kapaciteta oko 500 MW.
Može se pretpostaviti da će se u budućnosti u nuklearnim elektranama koristiti moćne MHD instalacije. Tada će mjesto komore za izgaranje zauzeti nuklearni reaktor, a radni fluid MHD generatora, naravno, neće biti produkti izgaranja, već lakše jonizirani plin, na primjer helijum. Pošto će helijum prirodno cirkulisati u zatvorenoj petlji (kolo MHD elektrane se naziva zatvorenim), skuplji metal cezij, ali koji znatno povećava električnu provodljivost plazme, može se koristiti kao lako jonizujući aditiv. Uzimajući u obzir sve rečeno, potrebna maksimalna temperatura helijum-cezijum plazme može biti niža - reda veličine 1500°C (a ne 2600°C, kao za razmatrani otvoreni krug).
Stoga se u nuklearnom reaktoru helijum mora zagrijati na najmanje 1500°C. Trenutno takvi nuklearni reaktori visoke temperature ne postoje. Ali možemo se nadati da je njihovo stvaranje pitanje vremena.
Od ostalih metoda direktne konverzije energije, veliki je interes upotreba fotoelektričnih pretvarača (o njima je već bilo riječi u odjeljku „Solarna energija”), termoelektričnih generatora, termoelektričnih pretvarača i gorivnih ćelija. Međutim, izgledi za korištenje ovih metoda i uređaja u velikom energetskom sektoru još nisu u potpunosti jasni. Stoga ćemo se ukratko zadržati na njima.
Termoelektrični generatori (TEG). Rad termoelektričnog generatora zasniva se na Seebeck efektu, dobro poznatom u fizici. Sastoji se u činjenici da u električnom krugu koji se sastoji od različitih elemenata, pod uvjetom da kontakti (spjevi) između njih imaju različite temperature, nastaje elektromotorna sila.
Na sl. Na slici 24 prikazano je takvo električno kolo koje se sastoji od dva vodiča - bakra i konstantana (legura bakra i nikla), koji se koriste za mjerenje temperature. Jedan od spojeva je na temperaturi koju treba izmjeriti ( tn), a drugi na konstantnoj temperaturi ( t 0), na primjer, na praktično konstantnoj temperaturi mješavine vode i leda. Po veličini elektromotorne sile mjerene galvanometrom, moguće je odrediti s visokim stupnjem tačnosti tn.
Ako napravite električni krug od različitih materijala (obično poluvodiča) povezanih u seriju, drugim riječima, krug od pojedinačnih termoelemenata, dobit ćete termoelektrični generator. Elektromotorna sila koju stvara bit će proporcionalna broju termoelemenata.
Dakle, termoelement, kao i MHD generator, pretvara toplotnu energiju u električnu energiju. Shodno tome, efikasnost termoelementa je regulisana drugim zakonom termodinamike.
Nažalost, termoelektrični generatori su još uvijek skupi i njihova efikasnost je niska. Stoga se koriste kao mali, obično autonomni izvori energije.
Termionski pretvarači (TEC). Ako se bilo koje čvrsto tijelo (metal, poluprovodnik) stavi u vakuum, tada će određeni broj elektrona ovog tijela otići u vakuum ( Opisani fenomen se uočava i u tečnostima.). Ovaj fenomen se naziva termoionska emisija, a čvrsto tijelo koje emituje elektrone naziva se emiter. Što je temperatura emitera viša, to je veća emisija elektrona. Tokom emisije elektrona, emiter se hladi. Neko vrijeme nakon početka emisije elektrona (nakon stavljanja tijela u vakuum) uspostavit će se ravnoteža: koliko će elektrona u jedinici vremena napustiti čvrsto tijelo zbog emisije elektrona, isti broj će se vratiti u njega kao rezultat takozvane kondenzacije elektrona. Hlađenje čvrste supstance u stanju ravnoteže više se ne dešava.
Ali možete to učiniti drugačije: stavite dva tijela (dvije elektrode) u vakuum, a toplina se dovodi do jednog od njih (elektrode emitera) i održava na višoj temperaturi, a toplina se uklanja iz drugog (kolektorske elektrode) tako da da je temperatura ostala niža.
Ako su emiter i kolektor sada zatvoreni vanjskim električnim krugom, struja će teći kroz njega; Opisani uređaj će postati izvor struje, termoelektrični pretvarač (TEC). Iz navedenog proizilazi da TEC (kao i TEG) pretvara toplotnu energiju u električnu (zaobilazeći fazu mehaničke energije) i stoga podliježe ograničenjima utvrđenim drugim zakonom termodinamike.
Kada bi korišćenjem TEP-a bilo moguće dobiti velike količine električne energije, a njeni glavni tehničko-ekonomski pokazatelji (cena i efikasnost) bili bi povoljni, onda bi energetski sektor dobio, u vidu TEP-a, dobar električni generator koji radi na princip direktne konverzije energije.
Trenutno još nisu postignuti takvi tehničko-ekonomski pokazatelji TEP-a koji bi mogli zadovoljiti energetsku industriju. Stoga se TEC i dalje koriste, poput TEG-a, u slučajevima kada su potrebne relativno male snage. Međutim, rad na poboljšanju TEP indikatora odvija se velikom brzinom.
Gorivne ćelije. Gorivna ćelija direktno pretvara hemijsku energiju u električnu energiju. Koji je princip rada i kakva je struktura gorive ćelije?
Možete, na primjer, spaliti vodonik u atmosferi kisika. Kao rezultat, nastaje voda i oslobađa se toplina, koja se zatim može koristiti u termoenergetskom motoru. Ili možete ići drugim putem, kao što se radi u gorivnoj ćeliji, tako što ćete reakciju sagorijevanja vodonika podijeliti na dva procesa, od kojih jedan uključuje vodonik, a drugi kisik.
Dijagram gorivne ćelije je prikazan na sl. 25. Sastoji se od dvije elektrode od kojih se jedna napaja vodonikom, a druga kisikom i elektrolitom. Značajna razlika između gorivne ćelije i električne baterije i njena prednost je u tome što se zaliha goriva i oksidatora u gorivoj ćeliji, u ovom slučaju vodonika i kisika, kontinuirano obnavlja.
Vodik, koji pada na metalnu elektrodu i nalazi se na razdvajanju tri faze - čvrste elektrode, elektrolita i gasne faze - prelazi u atomsko stanje (njegova dvoatomska molekula se deli na atome), a atomi se dele na slobodne elektrone i atomska jezgra. (joni). Elektroni ulaze u metal, a atomska jezgra ulaze u otopinu (elektrolit). Kao rezultat toga, elektroda je zasićena negativno nabijenim elektronima, a elektrolit je zasićen pozitivno nabijenim ionima.
Sličan proces se događa i na drugoj elektrodi na koju se dovodi kisik. Kao rezultat procesa koji se odvijaju na površini elektrode, na njoj se pojavljuju pozitivni električni naboji. Osim toga, pojavljuju se negativno nabijeni OH ioni, koji ostaju u elektrolitu i, spajajući se s ionima vodika, formiraju vodu.
Ako obje elektrode povežete s vanjskim kolom, nastat će električna struja (slika 25). Na taj način se hemijska energija pretvara u električnu energiju. Pošto gorivna ćelija nema srednji korak pretvaranja hemijske energije u toplotnu, njena efikasnost nema ograničenja toplotnog motora. Vodonik-kiseonički element radi na niskim temperaturama, a njegova efikasnost lako može dostići 65 - 70%.
Međutim, ne treba misliti da je stvaranje gorivne ćelije jednostavno i lako. Obično je sve relativno jednostavno dok govorimo o šemi, ali čim pređete na njegovu implementaciju, nastaju mnoge poteškoće. Stoga nije slučajno da se ideja gorivne ćelije pojavila sredinom 19. stoljeća, ali do danas ne postoji odgovarajući dizajn za široku upotrebu.
Postoje mnoge poteškoće u problemu gorivih ćelija: izvođenje svih procesa velikom brzinom (ključ za dobijanje velikih apsolutnih i specifičnih snaga); odabir materijala i izrada visokokvalitetnih elektroda; stvaranje visoko efikasnih elektrolita (tečnih i čvrstih u zavisnosti od vrste gorivne ćelije); mogućnost rada na jeftino gorivo.
Električne mašine se prema namjeni dijele u dvije glavne vrste: električni generatori I električni motori. Generatori su dizajnirani za proizvodnju električne energije, a elektromotori su dizajnirani da pokreću kotače lokomotiva, rotiraju osovine ventilatora, kompresora itd.
U električnim mašinama dolazi do procesa konverzije energije. Generatori pretvaraju mehaničku energiju u električnu energiju. To znači da da bi generator radio, njegova osovina mora biti rotirana nekom vrstom motora. Na dizel lokomotivi, na primjer, generator pokreće dizel motor, na termoelektrani - parna turbina.
Električni motori, s druge strane, pretvaraju električnu energiju u mehaničku energiju. Dakle, da bi motor radio, mora biti povezan žicama na izvor električne energije, ili, kako kažu, priključen na električnu mrežu.
Princip rada svake električne mašine zasniva se na upotrebi fenomena elektromagnetne indukcije i pojave elektromagnetnih sila tokom interakcije provodnika sa strujom i magnetnim poljem. nastaju tokom rada i generatora i elektromotora. Stoga se često govori o generatorskim i motornim načinima rada električnih strojeva.
U rotirajućim električnim mašinama, dva glavna dijela su uključena u proces pretvaranja energije: armatura i induktor sa svojim namotajima, koji se pomiču jedan u odnosu na drugi. Induktor stvara magnetno polje u automobilu.
U namotaju armature. i nastaje električna struja. Kada struja u namotaju armature stupi u interakciju sa magnetnim poljem, stvaraju se elektromagnetne sile kroz koje se ostvaruje proces konverzije energije u mašini.
O implementaciji procesa konverzije energije u električnoj mašini
Sljedeće odredbe proizlaze iz osnovnih Poincaréovih i Barkhausenih teorema o električnoj snazi:
1) direktna recipročna konverzija mehaničke i električne energije je moguća samo ako je električna energija energija naizmenične električne struje;
2) da bi se izvršio proces takve konverzije energije potrebno je da u za to predviđenom sistemu električnih kola postoji ili promenljiva električna induktivnost ili promenljiva električna kapacitivnost,
Iz prve pozicije proizlazi da se mehanička energija u električnoj mašini može pretvoriti samo u energiju naizmjenične električne struje ili obrnuto.
Očigledna kontradiktornost ove tvrdnje sa činjenicom postojanja električnih mašina jednosmerne struje razrešava se činjenicom da u „jednosmernoj mašini“ imamo dvostepenu konverziju energije.
Dakle, u slučaju generatora električne mašine jednosmerne struje, imamo mašinu u kojoj se mehanička energija pretvara u energiju naizmenične struje, a ova potonja se zbog prisustva posebnog uređaja koji predstavlja „promenljivi električni otpor“ pretvara u energija jednosmerne struje.
U slučaju motora električnih strojeva, proces očito ide u suprotnom smjeru: energija istosmjerne električne struje koja se dovodi u motor električne mašine pretvara se kroz prethodno spomenuti promjenjivi otpor u energiju naizmjenične električne struje, a potonju u mehaničku energiju.
Ulogu pomenutog promjenjivog električnog otpora ima „klizni električni kontakt“, koji se u konvencionalnoj „DC komutatorskoj mašini“ sastoji od „četke električne mašine“ i „komutatora električne mašine“, a u „unipolarnom DC električnom mašina” „četke za električne mašine” i „komutatora za električne mašine”.
Budući da je za kreiranje procesa konverzije energije u električnoj mašini potrebno imati ili „promjenjivu električnu induktivnost“ ili „promjenjivu električnu kapacitivnost“, električna mašina može biti izrađena ili na principu elektromagnetne indukcije ili na principu elektromagnetne indukcije. princip električne indukcije. U prvom slučaju dobijamo "induktivnu mašinu", u drugom - "kapacitivnu mašinu".
Kapacitivne mašine još nemaju praktičan značaj. Električne mašine koje se koriste u industriji, transportu i svakodnevnom životu su induktivne mašine, iza kojih se u praksi ukorijenio kratki naziv „električna mašina“, što je u suštini širi pojam.
Princip rada električnog generatora.
Najjednostavniji električni generator je zavojnica koja rotira u magnetskom polju (slika 1, a). U ovom generatoru, zavoj 1 predstavlja namotaj armature. Induktor je trajni magnet 2, između kojih se rotira armatura 3.
Rice. 1. Šematski dijagrami najjednostavnijeg generatora (a) i elektromotora (b)
Kada se zavojnica rotira određenom frekvencijom rotacije n, njegove strane (provodnici) sijeku linije magnetskog polja fluksa F i u svakom provodniku se indukuje e. d.s. e Kada se prihvati na sl. 1, a smjer rotacije armature je e. d.s. u provodniku koji se nalazi ispod južnog pola, prema pravilu desne ruke, usmjeren je od nas, i e. d.s. u provodniku koji se nalazi ispod sjevernog pola - nama.
Ako spojite prijemnik električne energije 4 na namotaj armature, tada će električna struja I teći kroz zatvoreni krug U vodičima namotaja armature, struja I će biti usmjerena na isti način kao e. d.s. e.
Otkrijmo zašto je za rotiranje armature u magnetskom polju potrebno potrošiti mehaničku energiju dobivenu iz dizel motora ili turbine (primarni motor). Kada struja i prolazi kroz vodiče smještene u magnetskom polju, na svaki provodnik djeluje elektromagnetska sila F.
Kada je naznačeno na sl. 1, a u smjeru struje prema pravilu lijeve strane, sila F usmjerena ulijevo djelovat će na provodnik koji se nalazi ispod južnog pola, a sila F usmjerena udesno djelovat će na provodnik koji se nalazi ispod sjevernom polu. Ove sile zajedno stvaraju elektromagnetski moment M usmjeren u smjeru kazaljke na satu.
Iz razmatranja Sl. 1, ali je to jasno elektromagnetski moment M, koji nastaje kada generator oslobađa električnu energiju, usmjeren je u smjeru suprotnom od rotacije provodnika, pa je to kočni moment koji teži da uspori rotaciju armature generatora.
Da bi se spriječilo zaustavljanje sidra, potrebno je primijeniti vanjski moment Mvn na osovinu armature, suprotan momentu M i jednak mu po veličini. Uzimajući u obzir trenje i druge unutrašnje gubitke u mašini, spoljni moment mora biti veći od elektromagnetnog momenta M koji stvara struja opterećenja generatora.
Slijedom toga, da bi se nastavio normalan rad generatora, potrebno mu je snabdjeti mehaničku energiju izvana - rotirati njegovu armaturu pomoću neke vrste motora 5.
U nedostatku opterećenja (sa otvorenim vanjskim krugom generatora), generator radi u praznom hodu. U ovom slučaju, potrebna je samo količina mehaničke energije koja je potrebna od dizel motora ili turbine da bi se savladalo trenje i nadoknadi drugi unutrašnji gubici energije u generatoru.
S povećanjem opterećenja generatora, odnosno električne snage Rel koju proizvodi, struja I koja prolazi kroz provodnike namotaja armature i kočni moment M koji se stvara, povećava se mehanička snaga Pmx, koju generator mora dobiti od dizel motora ili turbina da bi nastavio normalan rad.
Dakle, što više električne energije troše, na primjer, elektromotori dizel lokomotive iz generatora lokomotive, to više mehaničke energije uzima dizel motor koji ga rotira i to više goriva mora biti dovedeno u dizel motor.
Iz gore navedenih uslova rada električnog generatora proizilazi da ga karakteriziraju:
1. podudarnost u smjeru struje i i e. d.s. u provodnicima namotaja armature. Ovo ukazuje da mašina isporučuje električnu energiju;
2. pojava elektromagnetnog kočnog momenta M usmjerenog protiv rotacije armature. To implicira potrebu da mašina dobije mehaničku energiju izvana.
Princip rada elektromotora.
U principu, električni motor je dizajniran na isti način kao i generator. Najjednostavniji elektromotor je zavojnica 1 (slika 1, b), smještena na armaturi 3, koja rotira u magnetskom polju polova 2. Provodnici zavojnice formiraju namotaj armature.
Ako spojite zavojnicu na izvor električne energije, na primjer, na električnu mrežu 6, tada će električna struja I početi teći kroz svaki od njegovih vodiča. Ova struja, u interakciji s magnetskim poljem polova, stvara elektromagnetnu snage F.
Kada je naznačeno na sl. 1, b u smjeru struje, sila F usmjerena udesno djelovat će na provodnik koji se nalazi ispod južnog pola, a sila F usmjerena ulijevo djelovat će na provodnik koji se nalazi ispod sjevernog pola. Kao rezultat kombinovanog djelovanja ovih sila, stvara se elektromagnetski moment M, usmjeren u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, što uzrokuje rotaciju armature i vodiča određenom frekvencijom n. Ako spojite armaturno vratilo na bilo koji mehanizam ili uređaj 7 (kotači dizelske ili električne lokomotive, alatni stroj, itd.), tada će električni motor uzrokovati rotaciju ovog uređaja, tj. dati mu mehaničku energiju. U tom slučaju će vanjski moment Mvn koji stvara ovaj uređaj biti usmjeren protiv elektromagnetnog momenta M.
Hajde da saznamo zašto se električna energija troši kada se rotira armatura elektromotora koji radi pod opterećenjem. Kako je utvrđeno, kada se provodnici armature rotiraju u magnetskom polju, u svakom vodiču se indukuje e. d, čiji je smjer određen pravilom desne strane. Stoga, sa podacima prikazanim na sl. 1, b smjer rotacije e. d.s. e inducirano u provodniku koji se nalazi ispod južnog pola bit će usmjereno od nas, i e. d.s. e, indukovana u provodniku koji se nalazi ispod sjevernog pola, biće usmjerena prema nama. Od sl. 1, b jasno je da e. d.s. e, inducirane u svakom provodniku, usmjerene su protiv struje i, odnosno onemogućavaju njen prolazak kroz provodnike.
Da bi struja i nastavila da teče kroz provodnike armature u istom smeru, odnosno da bi elektromotor nastavio normalno da radi i razvio potreban obrtni moment, potrebno je na ove provodnike primeniti spoljašnji napon U, usmjereno prema e. d.s. i veći po veličini od ukupnog e. d.s. E induciran u svim serijski povezanim provodnicima armaturnog namotaja. Stoga je potrebno elektromotor opskrbiti električnom energijom iz mreže.
U nedostatku opterećenja (vanjski kočni moment koji se primjenjuje na osovinu motora), elektromotor troši malu količinu električne energije iz vanjskog izvora (mreže) i kroz njega prolazi mala struja praznog hoda. Ova energija se troši za pokrivanje unutrašnjih gubitaka energije u mašini.
Kako se opterećenje povećava, struja koju troši elektromotor i elektromagnetski moment koji razvija se povećavaju. Posljedično, povećanje mehaničke energije koju daje elektromotor kako raste opterećenje automatski uzrokuje povećanje električne energije koju uzima iz izvora.
Iz gore navedenih radnih uslova elektromotora proizilazi da ga karakteriziraju:
1. podudarnost u smjeru elektromagnetnog momenta M i brzine rotacije n.
Ovo karakteriše izlaz mehaničke energije mašine;
2. pojava e u provodnicima namotaja armature. d.s., usmjerena protiv struje i i vanjskog napona U. To podrazumijeva potrebu da mašina prima električnu energiju izvana.
Princip reverzibilnosti električnih mašina
Proces pretvaranja mehaničke energije u električnu energiju u generatoru i električne energije u mehaničku energiju u motoru povezan je sa indukcijom e. d.s. u provodnicima namota armature koji se rotiraju u magnetskom polju i nastanku elektromagnetskih sila kao rezultat interakcije magnetskog polja i vodiča sa strujom.
Razlika između generatora i elektromotora je samo u relativnom smjeru e. d.s, struja, elektromagnetski moment i brzina rotacije.
Sumirajući razmatrane procese rada generatora i elektromotora, možemo ustanoviti princip reverzibilnosti električnih mašina. Po ovom principu bilo koja električna mašina može raditi i kao generator i kao elektromotor i prelaziti iz generatorskog u motorni mod i obrnuto.
Rice. 2. Smjer e. d.s. E, struja I, frekvencija rotacije armature n i elektromagnetski moment M pri radu DC električne mašine u motornom (a) i generatorskom (b) režimu
Da bismo razjasnili ovu situaciju, razmotrimo rad pod različitim uslovima. Ako je vanjski napon U veći od ukupnog e. d.s. E. u svim serijski povezanim provodnicima namotaja armature, tada će struja I teći u smjeru prikazanom na sl. 2, a u pravcu će mašina raditi kao elektromotor, trošeći električnu energiju iz mreže i oslobađajući mehaničku energiju.
Međutim, ako iz bilo kojeg razloga e. d.s. E postane veći od vanjskog napona U, tada će struja I u namotu armature promijeniti svoj smjer (slika 2, b) i poklopit će se sa e. d.s. E. U ovom slučaju će se promijeniti i smjer elektromagnetnog momenta M, koji će biti usmjeren protiv brzine rotacije n. Slučajnost u pravcu e. d.s. E i struja I znači da je mašina počela da isporučuje električnu energiju u mrežu, a pojava kočnog elektromagnetnog momenta M ukazuje da mora da troši mehaničku energiju izvana.
Stoga, kada e. d.s. E, induciran u provodnicima armaturnog namota, postaje veći od napona mreže U, mašina prelazi iz režima rada motora u režim generatora, tj. na E< U mašina radi kao motor, a kada E > U radi kao generator.
Prelazak električne mašine iz motornog u generatorski režim može se izvršiti na različite načine: smanjenjem napona U izvora na koji je spojen namotaj armature ili povećanjem e. d.s. E u namotaju armature.