Преобразование энергии из одного вида в другой. Преобразование энергии: определение, виды и процесс передачи Как называется преобразование низшей энергии в высшую

Термодинамическое преобразование энергии, с кпд близким к 100%, реально

В. Михайлюк

В процессе преобразования химической энергии топлива в механическую энергию машин, нагрев рабочего тела (р.т.), иными словами накачка молекул р.т. кинетической энергией, производится с целью увеличения давления р.т. в рабочих цилиндрах, камерах сгорания. Только перепад давления, разделённый поршнем (в других типах двигателей между камерой сгорания и точкой сброса отработанного р.т.) приводит к возникновению результирующей, направленной в сторону низкого давления. Перепад температур, не является необходимым условием для работы двигателя. Вполне реальна работа двигателя в условиях, когда температура окружающей атмосферы будет выше температуры в рабочем цилиндре. Ни какого теплообмена во время совершения рабочего цикла нет. Само понятие тепло является наследием калорической теории и не соответствует молекулярной теории газообразной фазы состояния вещества. Никогда в рабочем цикле не было холодильников. Холодильник самостоятельная машина, служащая для регенерации и подготовки рабочего тела. Подготовьте запас рабочего тела получаемого с его помощью и смело отключайте его, машина будет работать. Но реаниматоры “второго начала” утверждают, роль холодильника играет более холодная атмосфера. Чтобы убедиться в абсурдности этого утверждения направьте выхлоп двигателя (можно своего автомобиля), последовательно, в пламя костра и в сосуд Дьюара, на поверхность жидкого азота. Убедились в том, что нет зависимости от температуры, и необходимости в холодильнике. Но, если перекрыть отводной канал (выхлоп), то в связи с исчезновением перепада давления произойдёт почти мгновенная остановка двигателя, к аналогичным последствиям приводит декомпрессия. Нагрев р.т., это способ съёма энергии получаемой в результате химической (ядерной) реакции топлива, с целью получения высокого давления р.т., и дальнейшим преобразованием в механическую энергию. Мы повышаем температуру р.т., за счёт энергии топлива, с целью повышения его давления до уровня кондиционного. Именно так. При температуре р.т.8000К достигаем давления в рабочих цилиндрах 25Мпа. Температуру р.т.8000К мы можем получить и при давлении 0,1Мпа, только турбины не сдвинутся с места. Где теплообмен, основа рассуждений Карно, в результате которых он сделал заключение о невозможности термодинамических преобразований с к.п.д. близким к 100%? Где холодильники, без которых невозможно преобразование энергии? Карно пошёл по пути средневековых философов, употребляя лишь слово тепло вместо “теплород”. Всё остальное как у них: тепловые резервуары, тепло течёт …. Энергетическое состояние молекул, составляющих физический объект, определяется кинетической энергией поступательного, вращательного и колебательного движений этих молекул. Количественной мерой средней кинетической энергии молекул составляющих объект является его температура. Она однозначно определяет энергетическое состояние объектов, представленных в жидкой и твёрдой фазах вещества, имеющих постоянный объём. В газообразном состоянии, объект занимает объём предоставленного пространства. Поэтому однозначно, одной температурой, энергетическое состояние объекта определяться не может. В этом случае, общая внутренняя энергия объекта, в количественном отношении, в первую очередь определяется плотностью энергии или удельной энергией, т.е. количеством внутренней энергии приходящейся на единичный объём. Температура, в этом случае, приобретает свойства качественной характеристики.

Рассмотрим уравнение Клапейрона-Менделеева:

PV = m/μ R T, запишем в виде: i/2 PV = i/2 m/μ RT;

правая часть этого уравнения, есть внутренняя энергия идеального газа W;

Следовательно W = i/2 PV, или W/V =i/2 P,

но W/V есть ничто иное как плотность внутренней энергии газа, которую обозначим W0, тогда:

W0 = i/2 P, т.е. плотность внутренней энергии газа равна давлению газа умноженному на половину числа степеней свободы газа i, дж/м3 (обратите внимание при сокращении на м мы получаем н/м2 или паскаль). Непосредственному измерению она не подлежит, но легко вычисляется через давление газа. Вот почему решающим, скорее единственным, фактором определяющим энергоёмкость рабочего объёма, является давление газа.

Для всех ныне известных тепловых двигателей от паровозного до ракетного (объединим их под названием термодинамические преобразователи 1го рода), характерно прохождение рабочим телом 3х следующих стадий, во время совершения рабочего цикла:

Накачка р.т. внутренней энергией или его нагрев, с целью увеличения плотности энергии, т.е. повышения давления.

Адиабатическое расширение р.т. с преобразованием внутренней энергии р.т. в механическую энергию машин. Движущийся со стороны преобладающего давления поршень (или другой рабочий орган), наращивающий свою кинетическую энергию от каждого превалирующего столкновения молекул р.т., со стороны рабочего цилиндра, является признаком происходящего преобразования. При таких столкновениях с поршнем, молекулы р.т. отдают ему часть скорости, импульса, энергии, в результате они и всё работающее р.т., естественно, охлаждаются. Снижение температуры р.т. и соответствующее ему уменьшение его внутренней энергии - признак совершения механической работы на такую же величину.

Сброс отработанного р.т., производится в момент, рассчитанный конструктором двигателя, когда, по его мнению, дальнейшее преобразование энергии становится нерентабельным для данной конструкции. До этого момента энергетические потери всех известных двигателей близки к 0, т.е. к.п.д. около 100%. Только в момент сброса отработанного р.т., вместе с ним утилизируется энергия равная разности энергии сбрасываемого р.т. и его энергии перед началом нагрева.

Никаких холодильников. Для повторения циклов берутся новые порции р.т., и с ними совершаются те же действия. И только если мы решили, что более рациональной будет регенерация отработанного р.т., с целью повторного его использования, мы производим сброс отработанного р.т. в холодильник. Холодильник является обособленной машиной прямо не связанной с работой двигателя, его задачей является подготовка р.т. к повторному использованию. Как видим, логика исследований Карно построена на средневековом представлении природы явлений, понятии тепла (теплорода). Потому и результат таков, что он не разобрался даже в том, что нагрев производится для повышения давления. Вывод о невозможности полного преобразования энергии в полезную работу бездоказателен и абсурден, но именно этот запрет является ярлыком “изобретателя вечного двигателя”, хотя и второго рода. Он отбросил технический прогресс человечества на многие годы. Мы с энтузиазмом взялись за решение проблемы управляемого термоядерного синтеза, ведь энергоёмкость термоядерного топлива в 5 раз превосходит ядерное, при одинаковой массе. Но то, что ядерное топливо более чем в миллион раз превосходящее по энергоёмкости лучшее химическое топливо, не выиграло конкуренции, мы проигнорировали, без единой попытки разобраться в причинах этого, далеко неординарного случая. На суперсовременных АЭС утилизируется 60% энергии распада топлива и только 40% преобразуется в электроэнергию, т.е. по назначению. Следуя по указанному Карно ложному пути, оптимисты с надеждой и умилением смотрят на гейзеры и другие горячие источники, как на альтернативу тепловым электростанциям, (как же, есть завещанный Карно перепад температур). Но если бы они измерили температуру пара на выходе из турбин в так называемый холодильник …, думаю, начался бы поиск вредителей. АЭС вызывают чувство потенциальной опасности у граждан, не смотря на то, что на них не возможен ядерный взрыв. Реальная опасность их в том, что в случаях технических аварий возможны утечки радиоактивных веществ, тепловой взрыв, и в случаях выброса в атмосферу продуктов распада, это может привести к радиоактивному заражению местности. Отсюда вывод: АЭС должны находиться глубоко под землёй, в скальных породах. Но помеха этому необходимость в охлаждающих резервуарах, которые принимают 60% энергии сгораемого топлива.

Суть выше изложенного, состоит в отрицании 2го начала термодинамики, неприемлемости его положений и утверждении других закономерностей, происходящих вовремя термодинамического преобразования энергии. Второе начало неприемлемо, т.к. в излагаемых, во 2ом начале, утверждениях употребляется понятие “тепло” идущее в разрез с общепризнанной моделью молекулярного строения веществ. Энергетическое состояние газообразного объекта определяется двумя параметрами температурой и давлением (плотностью энергии). Носителями этой энергии является совокупность молекул составляющих объект.

Восприятие внутренней энергии как самостоятельного объекта, а не как параметров частиц составляющих его, привело к созданию ошибочных теорий с “теплородом” и являющимся ему аналогом “теплом”. В свою очередь, “тепло”, как объект, требовало правило о возможных направлениях перемещения. Для тех, кто видит мир молекулярным, не требуется дополнительных пояснений о том, куда будет стремиться избыток кинетической энергии молекул в случаях неравномерного её распределения в пространстве.

Второе начало неприемлемо, т.к. декларирует невозможность полного превращения “тепла” в работу по причине обязательного наличия холодильника и неизбежных, в связи с этим потерь в нём. Но элементарные опыты отрицают необходимость в них на всех стадиях рабочего цикла. Полнота преобразования энергии топлива(химической, ядерной), в механическую энергию машин, не имеет объективных ограничений и зависит лишь от степени совершенства механизма преобразования..

Cамое парадоксальное противоречие второго начала состоит в том, что Карно, пытаясь обосновать невозможность полного превращения тепла в механическую энергию, представил свою знаменитую формулу η = (Тн – То) / Тн, прямо доказывающую обратное.

Для этого принимаем температуру нагревателя равной Тн = 8000К (5270С),

а температуру холодильника равной Т0 = 40К(температура жидкого гелия).

Тогда получим η = 0,995.

Охлаждая более доступным жидким азотом,

получим η = (800 – 77)/800 = 0,904.

Во втором случае кпд несколько дальше от 100%, но согласитесь, 90,4% стало бы сенсацией. Так что именно Карно является “отцом вечного двигателя второго рода”. Но обольщаться не стоит. Этого результата вы никогда не получите, потому что второе начало это клубок сплошных ошибок. Если быть откровенным, то мной, при том гораздо раньше, была разработана теория, термодинамического преобразователя 2го рода, с к.п.д. преобразования близким к 100%, на основании положений молекулярно кинетической теории газов и современной физики. Но это было незаконное дитя. В течении длительного периода времени я тщетно пытался доказать, что второе начало законно только для “паровозной технологии”, пока не обнаружил причину, которая меня шокировала …. Оказалось, что 2ое начало базируется, на ошибочных предположениях и утверждениях, что и было выше изложено. Даже анализ работы двигателя Карно заменил анализом движения поршня в цилиндре, под действием нагретого пара, а затем вернул его в исходное положение, путем охлаждения пара в цилиндре, что противоречит даже ему самому. Таких двигателей никогда не существовало. Р.т. не может охлаждаться из вне, в рабочем цикле.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://sciteclibrary.ru/

Электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей качества. Примечание.… …

Преобразователь электрической энергии - 4. Преобразователь электрической энергии Converter Преобразователь электроэнергии Электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с… …

преобразователь электрической энергии, - 2 преобразователь электрической энергии, преобразователь электроэнергии: Электротехническое устройство, преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и/или показателей качества в электрическую энергию с другими значениями… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Преобразователь электрической энергии - – электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей качества. ГОСТ 18311 80 … Коммерческая электроэнергетика. Словарь-справочник

Преобразователь электрической энергии - 1. Электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей качества Употребляется в… … Телекоммуникационный словарь

Преобразователь электрической энергии (Преобразователь электроэнергии) - English: Electricity converter Электротехническое изделие (устройство), преобразующее электрическую энергию с одними значениями параметров и (или) показателей качества в электрическую энергию с другими значениями параметров и (или) показателей… … Строительный словарь

ГОСТ Р 54130-2010: Качество электрической энергии. Термины и определения - Терминология ГОСТ Р 54130 2010: Качество электрической энергии. Термины и определения оригинал документа: Amplitude die schnelle VergroRerung der Spannung 87 Определения термина из разных документов: Amplitude die schnelle VergroRerung der… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Преобразователи тепловой энергии плазмы в электрич. энергию. Существуют два типа П. и. э. э. магнитогидродинамический генератор и термоэлектронный преобразователь. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор … Физическая энциклопедия

Преобразователи тепловой энергии плазмы (См. Плазма) в электрическую энергию. Существует 2 типа П. и. э. э. Магнитогидродинамический генератор и Термоэлектронный преобразователь … Большая советская энциклопедия

преобразователь частоты - преобразователь частоты Преобразователь электрической энергии переменного тока, который преобразует электрическую энергию с изменением частоты [ОСТ 45.55 99] EN frequency converter electric energy… … Справочник технического переводчика

Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях и передается потребителям главным образом в виде переменного трехфазного тока промышленной частоты 50 Гц. Однако как в промышленности, так и на транспорте имеются установки, для питания которых переменный ток частотой 50 Гц непригоден.

Вопросами, связанными с преобразованием электрической энергии из одного ее вида в другой, занимается область науки и техники, получившая название преобразовательной техники (или энергетической электроники). К числу основных видов преобразования электрической энергии относятся:

1. Выпрямление переменного тока - преобразование переменного тока (обычно промышленной частоты) в постоянный ток. Этот вид преобразования получил наибольшее развитие, так как часть потребителей электрической энергии может работать только на постоянном токе (электрохимические и электрометаллургические установки, линии передачи постоянного тока, электролизные ванны, заряжаемые аккумуляторные батареи, радиотехническая аппаратура и т.д.), другие же потребители имеют на постоянном токе лучшие характеристики, чем на переменном токе (регулируемые электродвигатели).
2. Инвертирование тока - преобразование постоянного тока в переменный. Инвертор применяется в тех случаях, когда источник энергии генерирует постоянный ток (электромашинные генераторы постоянного тока, аккумуляторные батареи и другие химические источники тока, солнечные батареи, магнитогидродинамические генераторы и т.д.), а для потребителей нужна энергия переменного тока. В ряде случаев инвертирование тока необходимо при других видах преобразования электрической энергии (преобразование частоты, преобразование числа фаз).
3. Преобразование частоты - преобразование переменного тока одной частоты (обычно 50 Гц) в переменный ток другой частоты. Такое преобразование необходимо для питания регулируемых электроприводов переменного тока, установок индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковых устройств и т. д.
4. Преобразование числа фаз. В ряде случаев встречается необходимость в преобразовании трехфазного тока в однофазный (например, для питания дуговых электропечей) или, наоборот, однофазного в трехфазный. Так, на электрифицированном транспорте используется контактная сеть однофазного переменного тока, а на электровозах используются вспомогательные машины трехфазного тока. В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной связью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное.
3. Преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (преобразование постоянного напряжения). Подобное преобразование необходимо, например, на ряде подвижных объектов, где источником электроэнергии является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а для питания потребителей требуется более высокое постоянное напряжение (например, источники питания радиотехнической или электронной аппаратуры).

Существуют и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формирование определенной кривой переменного напряжения), в частности, формирование мощных импульсов тока, которые находят применение в специальных установках, регулируемое преобразование переменного напряжения. Все виды преобразований осуществляют с использованием силовых ключевых элементов. Основные типы полупроводниковых ключей - диоды, силовые биполярные транзисторы, тиристоры, запираемые тиристоры, транзисторы с полевым управлением.

Преобразователи на тиристорах принято делить на две группы: ведомые и автономные. В первых периодический переход тока с одного вентиля на другой (коммутация тока) осуществляется под действием переменного напряжения какого-либо внешнего источника. Если таким источником является сеть переменного тока, говорят о преобразователе, ведомом сетью. К таким преобразователям относятся: выпрямители, ведомые сетью (зависимые) инверторы, непосредственные преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, преобразователи переменного напряжения. Если внешним источником напряжения, обеспечивающим коммутацию, является машина переменного тока (например, синхронный генератор или двигатель), преобразователь называют ведомым машиной.

Автономные преобразователи выполняют функции преобразования формы или регулирования напряжения (тока) путем изменения состояния управляемых силовых ключевых элементов под действием сигналов управления. К автономным преобразователям относятся импульсные регуляторы постоянного и переменного напряжения, некоторые виды инверторов напряжения.

Традиционно силовые вентильные преобразователи использовались для получения выпрямленного напряжения промышленных сетей частотой 50 Гц и для получения переменного напряжения (однофазного или трехфазного) при питании от источника постоянного напряжения. Для этих преобразователей (выпрямителей и инверторов) используют диоды и тиристоры, коммутируемые с частотой сети. Форма выходного напряжения и тока определяется линейной частью схемы и фазовой модуляцией угла регулирования.

Выпрямление и инвертирование продолжают оставаться ведущим способом преобразования электрической энергии, однако способы преобразования претерпели значительные изменения и их разновидности стали гораздо многочисленнее.

Появление новых типов силовых полупроводниковых вентилей, близких к идеальному управляемому ключевому элементу, существенно изменило подход к построению вентильных преобразователей. Получившие распространение в последние годы запираемые тиристоры (GTO - gate turn off thirystor) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ - IGBT - insolated gate bipolar transistor) успешно перекрывают диапазон мощностей до сотен и тысяч киловатт, их динамические свойства непрерывно совершенствуются, а стоимость с ростом выпуска снижается. Поэтому они успешно вытеснили обычные тиристоры с узлами принудительной коммутации. Области применения импульсных преобразователей напряжения с новыми классами приборов также расширились. Быстро развиваются мощные импульсные регуляторы как для повышения, так и для понижения постоянного напряжения питания; импульсные преобразователи часто используются в системах утилизации энергии возобновляемых источников (ветер, солнечная радиация).

Большие вложения делаются в производство энергии с использованием энергосберегающих технологий, когда возобновляемые первичные источники используются либо для возврата энергии в сеть, либо для подзарядки накопителя (аккумулятора) в установках с повышенной надежностью энергоснабжения. Появляются новые классы преобразователей для электроприводов с вентильно-индукторными двигателями (SRD - switched reluctanse drive). Эти преобразователи представляют собой многоканальные (число каналов обычно от трех до восьми) коммутаторы, обеспечивающие поочередно подключение обмоток статора двигателя с регулируемыми частотой и напряжением. Импульсные преобразователи получают широкое распространение в источниках питания бытовой аппаратуры, зарядных устройствах, сварочных агрегатах и целом ряде новых применений (пускорегулирующие устройства осветительных установок, электрофильтры и пр.).

Помимо совершенствования элементной базы силовых преобразовательных цепей на стратегию решения схемотехнических задач оказало огромное влияние развитие микроконтроллерных устройств и цифровых методов обработки информации.

Прямое преобразование химической энергии в механическую происходит, например, при сокращении мышц. Подобное преобразование удалось имитировать в лабораторных условиях: была синтезирована пластмассовая пленка, которая в щелочном растворе растягивается вдвое и увеличивается в объеме в 8 раз, а в соляной кислоте, напротив - сокращается. В экспериментах использовались белковые волокна и растворы солей различных концентраций. Деформированная пленка может совершать полезную механическую работу. Прямое преобразование химической энергии в электромагнитную происходит в разработанных сравнительно недавно химических лазерах, в которых атомы возбуждаются за счет энергии химических реакций. Однако КПД такого преобразования очень низок.

Названные способы прямого преобразования энергии вряд ли найдут широкое применение для промышленного производства энергии.

Электроэнергия на тепловых электростанциях производится в результате преобразования внутренней энергии топлива по известной схеме:

химическая энергия топлива ->мечтая энергия -> механическая энергия -> электроэнергия.

При прямом преобразовании химической энергии в электрическую исключаются две промежуточные стадии превращения, что приводит к уменьшению рассеяния энергии и, следовательно, к повышению

КПД и в конечном счете к сбережению природных ресурсов. Поэтому по мере истощения ископаемых энергоресурсов и ужесточения экологических требований к энергетическим системам и транспорту как основным потребителям энергоресурсов, вклад химических источников электроэнергии с прямым преобразованием в общие энергоресурсы с течением времени будет возрастать. Предполагается, что производство, например, автомобилей с электрохимическими источниками энергии, существенно возрастет уже в ближайшем будущем.

Устройства с прямым преобразованием энергии известны давно. Это и батареи для карманного фонарика, и различные аккумуляторы. В разработанных сравнительно недавно топливных элементах также происходит прямое преобразование энергии. По принципу действия они похожи на электрохимические элементы с той разницей, что электроды топливных элементов служат катализатором и не принимают непосредственного участия в выработке электроэнергии. Так, в водород-кислородном топливном элементе топливо окисляется на аноде, высвобождая электроны. В результате между анодом и катодом возникает разность потенциалов. Анод изготавливается из пористого никель-керамического сплава с включением никелевых частиц, а катод - из того же сплава с внедрением серебра. Из 1 кг водорода в водород-кислородном элементе можно получить энергии в 10 раз больше, чем при сгорании 1 кг бензина в двигателе внутреннего сгорания. При этом образуется вода, а не вредные выхлопные газы. Казалось бы, двигатели на водороде обладают явными преимуществами. Почему же они не внедряются широко и не приходят на смену бензиновым двигателям? Ответ на этот вопрос включает пока две нерешенные проблемы, связанные с ценой и надежностью. Водород должен быть дороже бензина не более чем в 10 раз, чтобы успешно с ним конкурировать.

Получают водород разными способами: термохимическим превращением ископаемых углеводородов и биомассы, электрохимическим разложением воды, фотоэлектрохимическим и фотобиологи- ческим превращением воды.

Для хранения водорода в жидком и газообразном состояниях на стационарных и мобильных объектах используются легкие, но прочные стеклопластиковые баллоны. Прошли также испытания баки для автомобилей, в которых водород находится в химически связанном виде в металлогидридах. Разрабатываются надежные системы хранения водорода с помощью углеродных нанотрубок.

Водород применяется в транспорте различного вида: в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания, в топливных элементах для питания колесных электродвигателей, в воздушных, водных и подводных судах, в жидкостно-ракетных двигателях.

В 1999 г. фирма BMW выпустила первые модификации автобусов и легковых автомобилей на водороде и построила для них в аэропорту Мюнхена (Германия) водородную автозаправочную станцию. Совсем недавно фирма «Дженерал Моторе» разработала легковой автомобиль с двигателем на водороде. Одна его заправка обеспечивает пробег 800 км. КПД такого двигателя очень высокий - около 85%, что существенно превышает аналогичный показатель для бензинового двигателя. При этом водородный двигатель не дает вредных выбросов: отработанные продукты - водяные пары.

Дляширокоговнедренияводородныхдвигателейнеобходиморешить проблему дешевого производства топлива - водорода. Возможно, в ближайшем будущем ее удастся решить, если водородное топливо, подобно нефти, будет извлекаться из недр Земли. Проведенные недавно исследования наших соотечественников-геологов показали, что в результате электромагнитного зондирования на глубине 5-6 км наблюдается аномальное явление, которое, как предполагается, связано с наличием бескислородных сплавов и соединений на основе кремния, магния и железа. Если такое предположение подтвердится при глубинном бурении, то откроется возможность качать горячий водород прямо из Земли, ведь при взаимодействии кремния и магния с водой выделяются водород и тепло. Для этого достаточно пробурить две скважины - в одну закачивать воду, а из другой извлекать нагретый водород. Это позволит в большом объеме производить дешевые энергоресурсы - водород и сопутствующее тепло, и тогда водородная автозаправка станет обычным и привычным делом.

В последнее время все больше внимания уделяется не только автомобилю с водородным двигателем, но и электромобилю. Не так давно фирма BMW продемонстрировала новый электромобиль на основе серно-натриевого аккумулятора. Он очень быстро набирает скорость - за 20 с до 96 км/ч, и пробег между подзарядками составляет немалое расстояние - 270 км. Однако рабочая температура серно-натриевого аккумулятора сравнительно высокая - около 350 °С, что требует дополнительных мер безопасности.

Первые электромобили появились не сегодня, не вчера, а гораздо раньше. Например, в США к началу XX в. выпускалось 38% автомобилей с электрическим приводом и питанием от батарей. К 1912 г. американские компании ежегодно производили примерно 6000 электромобилей. Длина их пробега без подзарядки была не так уж мала и для нашего времени - 80 км.

Разрабатываются и легкие электротранспортные средства: электромопеды, электророллеры, мини-электромобили на никель- металлогидридных аккумуляторах, обладающих в 2-3 раза большей удельной энергоемкостью, чем свинцово-кислотные.

В последние годы большое внимание уделяется разработке разных видов топливных элементов, которые отличаются составом электродов, электролита и конструкцией. Например, в щелочных топливных элементах электролитом служит гидрооксид калия. В топливных элементах с фосфорной кислотой анод и катод выполнены из мелкодисперсного платинового катализатора, напыленного на углеродную основу, а электролит представляет собой матрицу из карбида кремния, содержащую фосфорную кислоту. Рабочая температура таких элементов равна 150-220 °С. Применяются они в стационарных условиях (отели, офисы) и на разных автомобилях.

Топливные элементы с расплавом углеродной соли могут работать на водороде, оксиде углерода, природном газе, дизельном топливе. Их КПД при выработке электроэнергии и тепла достигает 35%.

Высокой стабильностью работы и надежностью отличаются твердооксидные топливные элементы, производство которых было налажено в 2003 г. Они могут потреблять разные виды топлива. Их мощность - до 250 кВт и КПД - 85%. Твердооксидные топливные элементы содержат твердый керамический электролит из тонкого слоя оксида циркония, лантан-манганитовый катод и никель- циркониевый анод. Топливные элементы такого вида эффективно работают в гибридных энергетических системах.

Создаются топливно-гальванические элементы, в которых катодом служит пористая угольно-графитовая пластина с поступающим в него кислородом из воздуха, анодом служит алюминиевая пластина, а электролитом - водный раствор поваренной соли. Электрическая подзарядка такому элементу не нужна, поскольку энергию он вырабатывает сам в процессе окисления (электрохимического сжигания) металла. КПД такого процесса - около 80%, и при окислении в условиях обычной температуры 1 кг алюминия выделяет примерно столько энергии, сколько 1 кг каменного угля при сгорании на воздухе при очень высокой температуре.

Достоинств у таких источников энергии много: простота конструкции, полная безопасность эксплуатации и хорошие удельные энергетические характеристики. Недостаток практически один: дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом большой энергоемкостью его производства. Такой недостаток можно свести к минимуму с помощью внедрения новой технологии производства алюминия. При ее промышленном освоении алюминий и его сплавы станут намного дешевле.

Сравнительно недавно разработаны литий-йодные батареи с прямым преобразованием химической энергии в электрическую. Эти батареи работают на твердом йодном электролите, что позволяет при минимальных их размерах получить сравнительно большую емкость, а также увеличить срок их службы. Такие батареи применяются в электрокардиостимуляторах. Срок их службы - около 10 лет, что гораздо больше, чем у обычных батарей.

При разработке новых модификаций преобразователей химической энергии в электрическую уделяется большое внимание повышению их мощности при снижении себестоимости вырабатываемой электроэнергии.

Поступающая по линиям электропередач энергия не всегда используется в чистом виде. Для выполнения специфических задач она преобразуется электротехническими устройствами, изменяющими один или несколько параметров – вид напряжения, частоту и другие.

Преобразователи электроэнергии: классификация

Эти устройства классифицируются по нескольким признакам:

Виду преобразований.
Типу конструкции.
Управляемости.

Параметры, которые изменяются

Преобразованию подвергаются следующие параметры:

Тип напряжения – из переменного в постоянное и наоборот.
Амплитудные значения тока и напряжения.
Частота.

Типы конструкций

Эти устройства подразделяются на электромашинные и полупроводниковые.

Электромашинные (вращательные) состоят из двух машин, одна – привод, а другая – исполнительное устройство. Например, для превращения переменного тока в постоянный используется асинхронный двигатель переменного тока (привод) и генератор постоянного (исполнитель). Их недостаток – большие габариты и масса. Кроме того, суммарный КПД технологической связки ниже, чем у одиночной электрической машины.

Полупроводниковые (статические) преобразователи, строятся на основе электротехнических схем, состоящих из полупроводниковых или ламповых элементов. Их КПД выше, размеры и масса небольшие, но качество электроэнергии на выходе невысокое.

Управляемые и неуправляемые

Если величина изменения параметра электрической энергии фиксированная, то используется неуправляемый преобразователь. Такие устройства применяются в первых каскадах блоков питания. Пример – силовой трансформатор, понижающий сетевое напряжение с 220 до 12 вольт.

Преобразователи с изменяемыми параметрами являются исполнительными устройствами в управляемых электротехнических цепях. Например, изменяя частоту питающего напряжения, регулируют частоту вращения асинхронных двигателей.

Преобразователи электроэнергии: примеры устройств

Преобразователи могут выполнять либо какую-то одну функцию, либо несколько.

Изменение типа напряжения

Те устройства, которые превращают переменный ток в постоянный называются выпрямителями. Действующие наоборот – инверторами.

Если это электромашинное устройство, то выпрямитель состоит из асинхронного двигателя переменного тока, вращающего ротор генератора постоянного. Входные и выходные линии электрического контакта не имеют.

Наиболее распространенных тип схемы статического выпрямителя – диодный мост. В нем четыре элемента (диода) с односторонней проводимостью, включенные встречно. После него обязательно ставят электролитический конденсатор, который сглаживает пульсирующее напряжение.

Существует гибридная конструкция, объединяющая электромашинный и статический выпрямители. Это автомобильный генератор, являющийся машиной переменного тока, статорные обмотки которого подключены к выпрямительному мосту с конденсатором.

Инверторные схемы применяются для запуска генератора незатухающих колебаний (мультивибратор), построенного на тиристорах или транзисторах. Они являются основой преобразователей частоты.

Изменение амплитудных значений

Это все виды трансформаторов – понижающих, повышающих, балластных.

Управляемые трансформаторы называются реостатами. Если они включаются параллельно источнику электроэнергии, то изменяют напряжение. Последовательно – ток.

Для поглощения тепла, выделяющегося при работе мощных высоковольтных сетевых трансформаторов, применяются системы жидкостного (масляного) охлаждения.

Изменение частоты

Частотные преобразователи бывают как электромашинными (вращательными), так и статическими.

Исполнительным механизмом вращательных преобразователей частоты является высокочастотный асинхронный трехфазный генератор. Его ротор вращает электромотор постоянного или переменного тока. Как и у выпрямителя вращательного типа, входные и выходные линии у него не имеют электрического контакта.

Инверторные схемы, используемые в преобразователях частоты статического типа, бывают управляемые и неуправляемые. Повышение частоты позволяет уменьшить габариты устройств. Трансформатор с рабочей частотой в 400 Гц в восемь раз меньше, чем работающий от 50 Гц. Это свойство используется для построения компактных сварочных инверторов.