Erinevat tüüpi energia muundamine elektrienergiaks. Elektrienergia muundamine muudeks energialiikideks
Energia, kreekakeelsest sõnast energeia – tegevus või tegevus, on erinevat tüüpi liikumise ja vastastikmõju üldine mõõt.
Energia on igat tüüpi mateeria toime ja vastastikmõju kvantitatiivne mõõt.
Energia liigid : mehaaniline, elektriline, termiline, magnetiline, aatom.
Kineetiline energia on materiaalsete kehade liikumisseisundi muutumise tulemus.
Potentsiaalne energia on antud süsteemi osade asukoha muutumise tulemus.
mehaaniline energia- see on energia, mis on seotud objekti liikumise või selle asukohaga, mehaanilise töö võimega.
Elekter energia on üks täiuslikumaid energiavorme.
Selle laialdane kasutamine on tingitud järgmistest teguritest:
· Suures koguses hankimine ressursside ja veeallikate maardla lähedusest;
Transportimise võimalus pikkade vahemaade taha suhteliselt väikeste kadudega;
· Võime muunduda teist tüüpi energiaks: mehaaniline, keemiline, termiline, valgus;
· Keskkonnareostus puudub;
· Põhimõtteliselt uute progressiivsete tehnoloogiliste protsesside juurutamine kõrge automatiseerituse astmega elektril põhinevatel.
Viimasel ajal on keskkonnaprobleemide, fossiilkütuste nappuse ja ebaühtlase geograafilise jaotumise tõttu otstarbekas elektrit toota tuulikute, päikesepaneelide, väikeste gaasigeneraatorite abil.
Soojusenergia kasutatakse laialdaselt kaasaegses tööstuses ja igapäevaelus auru, kuuma vee, kütuse põlemisproduktide kujul.
Primaarenergia muundamine sekundaarenergiaks toimub jaamades:
· Soojuselektrijaamas TPP - termiline;
· Hüdroelektrijaamad HEJ-d – mehaanilised (vee liikumise energia);
· HPSP hüdroakumulatsioonijaam - mehaaniline (tehisreservuaaris eelnevalt täidetud vee liikumise energia);
· Tuumaelektrijaama TEJ - tuumaenergia (tuumakütuse energia);
· Loodete elektrijaam PES – looded.
Valgevene Vabariigis toodetakse üle 95% energiast soojuselektrijaamades, mis jagunevad otstarbe järgi kahte tüüpi:
1. KESi kon projekteeritud ainult elektrienergia tootmiseks;
2. Soojuse ja elektri koostootmisjaamad (CHP), kus toimub elektri- ja soojusenergia koostootmine.
Energia saamise ja muundamise meetodid.
Mehaaniline energia muudetakse soojuseks - hõõrdumisel, keemiliseks - aine struktuuri hävitamisel, kokkusurumisel, elektriliseks - generaatori elektromagnetvälja muutmisel.
Soojusenergia muudetakse keemiliseks, liikumise kineetiliseks energiaks ja see energia muundatakse mehaaniliseks (turbiin), elektriliseks (termoemf)
Keemilist energiat saab muundada mehaaniliseks (plahvatus), termiliseks (reaktsioonisoojus), elektriliseks (patareid).
Elektrienergiat saab muundada mehaaniliseks (elektrimootor), keemiliseks (elektrolüüs), elektromagnetiliseks (elektromagnet).
Elektromagnetenergia - Päikese energia - termiliseks (vee soojendamiseks), elektriliseks (fotoelektriline efekt → päikeseenergia), mehaaniliseks (telefonihelin).
Tuumaenergia → keemiliseks, termiliseks, mehaaniliseks (plahvatus), kontrollitud lõhustumiseks (reaktor) → keemiliseks + termiliseks.
TPP sisaldab seadmete komplekti, milles kütuse sisemine keemiline energia muundatakse vee ja auru soojusenergiaks, mis muundatakse mehaaniliseks pöörlemisenergiaks, mis toodab elektrienergiat.
Põlemisel eraldub laost (C) aurugeneraatorisse (SG) tulev kütus soojusenergiat, mis veehaardest (VZ) antavat vett soojendades muudab selle veeauru energiaks, mille temperatuur on 550 kraadi. Turbiinil muundatakse veeauru energia mehaaniliseks pöörlemisenergiaks, edastatakse generaatorile (G), mis muudab selle elektrienergiaks. Aurukondensaatoris (K) eraldab väljatõmbeaur temperatuuriga 123-125 °C jahutusveele latentse aurustumissoojuse ja juhitakse ringpumba abil kondensaatori kujul uuesti katla-ülelaadurisse (H). ).
CHP-skeem erineb TPP-st selle poolest, et kondensaatori asemele on paigaldatud soojusvaheti, kus olulise rõhuga aur soojendab peamisse soojusvõrku tarnitavat vett.
tuumajõujaam
Tuumaelektrijaamade skeem sõltub reaktori tüübist; jahutusvedeliku tüüp; seadmete koostis ja võib olla ühe-, kahe- ja kolmeahelaline.
Üheahelaline tuumaelektrijaam.
Auru töödeldakse otse reaktoris ja see siseneb auruturbiini. Heitgaasi aur kondenseeritakse kondensaatoris ja kondensaat pumbatakse reaktorisse. Skeem on lihtne, ökonoomne. Reaktori väljapääsu juures olev aur muutub aga radioaktiivseks, mis seab kõrgendatud nõuded bioloogilisele kaitsele ning raskendab seadmete jälgimist ja parandamist.
1-aatomiline reaktor;
2-turbiin;
3-elektrigeneraator;
4-veeauru kondensaator;
5 etteandega pump.
TPP ja tuumaelektrijaama erinevus seisneb selles, et TPP soojusallikaks on aurukatel, milles põletatakse orgaanilist kütust; tuumaelektrijaamas - tuumareaktor, mille soojus eraldub kõrge kütteväärtusega tuumakütuse lõhustumisel.
Soojus- ja elektrienergia transport.
Soojusenergia transport.
Peamised soojusenergia tarbijad on tööstusettevõtted ning elamu- ja kommunaalmajandus.
Soojusvarustussüsteem on seadmete kompleks soojuse tootmiseks, transportimiseks ja kasutamiseks.
Tarbijate soojusenergiaga varustamine (küttesüsteem, ventilatsioon, sooja veevarustus ja tehnoloogilised protsessid) koosneb 3 omavahel seotud protsessist: soojuse ülekanne jahutusvedelikule, jahutusvedeliku transportimine ja jahutusvedeliku soojuspotentsiaali kasutamine. Soojusvarustussüsteemid võivad olla detsentraliseeritud (kohalikud) ja tsentraliseeritud.
Detsentraliseeritud soojusvarustussüsteemid on süsteemid, milles 3 põhilüli on ühendatud ja asuvad samas või kõrvuti asetsevates ruumides. Samal ajal on soojuse vastuvõtmine ja selle õhu ülekandmine ruumi ühendatud ühes seadmes ja asuvad köetavates ruumides.
Tsentraliseeritud süsteemid soojusvarustussüsteemid on süsteemid, milles soojust tarnitakse ühest soojusallikast paljudele hoonetele, kvartalitele, linnaosadele.
Soojusenergia transporditakse soojusvõrkude kaudu.
Soojusvõrkude põhielemendid on torustik, isolatsioonikonstruktsioon, kandekonstruktsioon.
Torujuhtmete paigaldamine toimub maapealsete ja maa-aluste meetoditega.
Elektrienergia transport.
Elektrienergia ülekandmine elektrit tootvatest ettevõtetest otsetarbijatele toimub elektrivõrkude abil, mis on alajaamade (sammu- ja alajaamade), jaotusseadmete ja neid ühendavate elektriliinide (õhu- või kaabel) kombinatsioon, mis asuvad elektrivõrgul. linnaosa territoorium, asula, elektrienergia tarbija .
Peamised seadmed, mis toodavad ja jaotavad elektrit, hõlmavad:
· Sünkroongeneraatorid, mis toodavad elektrit (soojuselektrijaamades - turbogeneraatorid);
· Siinid, mis võtavad elektrienergia vastu generaatoritelt ja jagavad seda tarbijatele;
· Lülitusseadmed-lülitid, mis lülitavad sisse ja välja ahelaid tava- ja avariitingimustes ning lahklülitid, mis vabastavad elektripaigaldiste etteantud osadest pinget ja tekitavad vooluringis nähtava katkestuse;
· Oma vajaduste elektrilised vastuvõtjad (pumbad, ventilaatorid, avarii elektrivalgustus jne).
Abiseadmed on mõeldud mõõtmise, signaalimise, kaitse ja automatiseerimise jms funktsioonide täitmiseks.
Saada oma head tööd teadmistebaasi on lihtne. Kasutage allolevat vormi
Üliõpilased, magistrandid, noored teadlased, kes kasutavad teadmistebaasi oma õpingutes ja töös, on teile väga tänulikud.
postitatud http://www.allbest.ru/
Kursuse töö
Teemal: Erinevate energialiikide muundamise viisid energeetikasektoris
Õpilane: Myrza A.
Lektor: Dzhumartbaeva N.
Kentau-2015
Sissejuhatus
1. Erinevat tüüpi energiate teisendamise viisid
1.1 Elektrienergia muundamise tüübid
1.2 Erinevate energiaallikate keskkonnamõju
2. Elektrienergia saamise meetodid
2.1 Elektrijaamad
Järeldus
Kasutatud kirjanduse loetelu
Sissejuhatus
Energia, kreekakeelsest sõnast energeia, tegevus või tegevus, on erinevat tüüpi liikumise ja interaktsiooni üldine mõõt. Loodusteaduses eristatakse järgmisi energialiike: mehaaniline, termiline, elektriline, keemiline, magnetiline, elektromagnetiline, tuumaenergia, gravitatsiooniline. Kaasaegne teadus ei välista ka teist tüüpi energia olemasolu. Energiat mõõdetakse džaulides (J). Soojusenergia mõõtmiseks kasutatakse kaloreid, 1 cal = 4,18 J, elektrienergiat mõõdetakse kW * h = 3,6 * 106 J, mehaanilist energiat mõõdetakse kg * m, 1 kg * m = 9,8 J. Kineetiline energia on materiaalsete kehade liikumisseisundi muutumise tagajärg. Potentsiaalne energia on antud süsteemi osade asukoha muutumise tulemus. Mehaaniline energia on energia, mis on seotud objekti liikumise või selle asendiga, võimega teha mehaanilist tööd. voolu vahelduvpinge
Elektrienergia - üks täiuslikke energiavorme. Selle laialdane kasutamine on tingitud järgmistest teguritest: suurte koguste ressursside ja veeallikate hankimine maardla lähedalt; võimalus transportida pikkade vahemaade taha suhteliselt väikeste kadudega; Võimalus muunduda teist tüüpi energiaks: mehaaniline, keemiline, termiline, valgus; Ei saastata keskkonda; Põhimõtteliselt uute progressiivsete tehnoloogiliste protsesside kasutuselevõtt, mis põhinevad kõrgel automatiseeritusastmel elektril.
Viimasel ajal on keskkonnaprobleemide, fossiilkütuste nappuse ja ebaühtlase geograafilise jaotumise tõttu muutunud otstarbekaks elektrienergia tootmine tuulikute, päikesepaneelide ja väikeste gaasigeneraatorite abil. Soojusenergiat kasutatakse laialdaselt kaasaegses tööstuses ja igapäevaelus auru, kuuma vee, kütuse põlemisproduktide kujul. Energia muundamise viisid: inimkond on oma ajaloo algusest peale püüdnud oma huvides energiat hallata. Energia "meisterlikkuse" etapid: tuli, loomade lihasjõud, tuule jõud, vesi, auruenergia, elektrienergia, tuumaenergia. Universumis toimub tohutul hulgal energia muundamise protsesse ühest tüübist teise. Inimkond on nende protsesside mõistmise tee alguses. Energia jäävuse seadus – energiat ei teki ega hävitata, see läheb üle ühest vormist teise. Eristada järjestatud liikumise energiat (vaba – mehaaniline, keemiline, elektriline, elektromagnetiline, tuuma) ja kaootilise liikumise energiat – soojust. Praegu puuduvad meetodid tuumaenergia otseseks muundamiseks elektri- ja mehaaniliseks energiaks, kõigepealt tuleb läbida energia muundamise etapp soojusenergiaks ning seejärel mehaaniliseks ja elektrienergiaks. Primaarenergia muundamine sekundaarenergiaks toimub jaamades:
· Soojuselektrijaamas TPP - soojus;
· Hüdroelektrijaamad HEJ - mehaaniline (vee liikumise energia);
· HPSP hüdroakumulatsioonijaam - mehaaniline (tehisreservuaaris eelnevalt täidetud vee liikumise energia);
· Tuumaelektrijaama TEJ - tuumaenergia (tuumakütuse energia);
· Loodete elektrijaam PES – looded. Valgevene Vabariigis toodetakse üle 95% energiast soojuselektrijaamades, mis jagunevad otstarbe järgi kahte tüüpi:
1. KESi kon projekteeritud ainult elektrienergia tootmiseks;
2. Soojuse ja elektri koostootmisjaamad (CHP), kus toimub elektri- ja soojusenergia koostootmine. Energia saamise ja muundamise meetodid. Mehaaniline energia muudetakse soojuseks - hõõrdumisel, keemiliseks - aine struktuuri hävitamisel, kokkusurumisel, elektriliseks - generaatori elektromagnetvälja muutmisel. Soojusenergia muudetakse keemiliseks, liikumise kineetiliseks energiaks ja see - mehaaniliseks (turbiin), elektriliseks (termo emf) Keemiline energia saab muundada mehaaniliseks (plahvatus), termiliseks (reaktsioonisoojus), elektriliseks ( patareid).
1 . Erinevat tüüpi energiate muundamise viisid
1.1 Elektrienergia muundamise tüübid
Elektrienergia ühest liigist teise muundamisega seotud küsimusi käsitletakse teaduse ja tehnoloogia valdkonnas, mida nimetatakse muundurtehnoloogiaks (või jõuelektroonikaks). Peamised elektrienergia muundamise tüübid on järgmised:
1. Vahelduvvoolu alaldamine - vahelduvvoolu (tavaliselt tööstusliku sageduse) muutmine alalisvooluks. Seda tüüpi muundamine on saavutanud suurima arengu, kuna mõned elektrienergia tarbijad saavad töötada ainult alalisvoolul (elektrokeemia- ja elektrometallurgiapaigaldised, alalisvoolu ülekandeliinid, elektrolüüsivannid, laetavad akud, raadioseadmed jne), samas kui teised tarbijatel on alalisvoolul parem jõudlus kui vahelduvvoolul (reguleeritud elektrimootorid).
2. Invertingvool – alalisvoolu muutmine vahelduvvooluks. Inverterit kasutatakse juhtudel, kui energiaallikas genereerib alalisvoolu (alalisvoolugeneraatorid, akud ja muud keemilised vooluallikad, päikesepaneelid, magnetohüdrodünaamilised generaatorid jne) ning tarbijad vajavad vahelduvvoolu. Mõnel juhul on voolu ümberpööramine vajalik teist tüüpi elektrienergia muundamiseks (sageduse muundamiseks, faasiarvu muundamiseks).
3. Sageduse muundamine - ühe sagedusega (tavaliselt 50 Hz) vahelduvvoolu muundamine erineva sagedusega vahelduvvooluks. Selline muundamine on vajalik reguleeritavate vahelduvvooluajamite, induktsioonkuumutus- ja metallisulatusseadmete, ultraheliseadmete jne toiteks.
4. Faaside arvu teisendamine. Mõnel juhul on vaja muuta kolmefaasiline vool ühefaasiliseks (näiteks elektrikaarahjude toiteks) või vastupidi, ühefaasiline vool kolmefaasiliseks. Niisiis kasutatakse elektrifitseeritud transpordil ühefaasilist vahelduvvoolu kontaktvõrku ja elektriveduritel kolmefaasilise voolu abimasinaid. Tööstuses kasutatakse otseühendusega kolmefaasilisi-ühefaasilisi sagedusmuundureid, milles koos tööstusliku sageduse muundamisega madalamaks muudetakse ka kolmefaasiline pinge ühefaasiliseks.
3. Ühe pinge alalisvoolu teisendamine teise pinge alalisvooluks (konstantse pinge teisendamine). Selline teisendus on vajalik näiteks paljudel mobiilsetel objektidel, kus elektrienergia allikaks on aku või muu madalpinge alalisvooluallikas ning tarbijate toiteks on vaja kõrgemat alalispinget (näiteks toiteallikad raadiotehnika või elektroonikaseadmed).
On ka teisi elektrienergia muundamise tüüpe (näiteks teatud vahelduvpinge kõvera moodustamine), eriti võimsate vooluimpulsside moodustamine, mida kasutatakse spetsiaalsetes paigaldistes, reguleeritav vahelduvpinge muundamine. Igat tüüpi teisendusi tehakse toiteklahvi elementide abil. Peamised pooljuhtlülitite tüübid on dioodid, võimsusbipolaarsed transistorid, türistorid, väravatega türistorid, väljajuhitavad transistorid.
Türistoritel olevad muundurid jagunevad tavaliselt kahte rühma: orja- ja autonoomsed. Esimeses toimub voolu perioodiline üleminek ühelt ventiililt teisele (voolu lülitamine) mõne välise allika vahelduvpinge toimel. Kui selliseks allikaks on vahelduvvooluvõrk, siis räägitakse võrgu poolt juhitavast muundurist. Nende muundurite hulka kuuluvad: alaldid, võrgupõhised (sõltuvad) inverterid, otsesagedusmuundurid, faasiarvu muundurid, vahelduvvoolu pingemuundurid. Kui lülitamist pakkuvaks väliseks pingeallikaks on vahelduvvoolumasin (näiteks sünkroongeneraator või mootor), nimetatakse muundurit käitatavaks masinaks.
Autonoomsed muundurid täidavad kuju teisendamise või pinge (voolu) reguleerimise funktsioone, muutes juhitavate toiteklahvi elementide olekut juhtsignaalide toimel. Autonoomsed muundurid hõlmavad alalis- ja vahelduvpinge impulssregulaatoreid, teatud tüüpi pingeinvertereid.
Traditsiooniliselt on võimsusklapi muundureid kasutatud tööstusvõrkude alaldatud pinge saamiseks sagedusega 50 Hz ja vahelduvpinge (ühefaasilise või kolmefaasilise) saamiseks alalispingeallikast toitel. Nende muundurite (alaldid ja inverterid) jaoks kasutatakse dioode ja türistoreid, mis on lülitatud võrgu sagedusega. Väljundpinge ja voolu kuju määrab ahela lineaarosa ja juhtnurga faasimodulatsioon.
Rektifikatsioon ja inversioon on jätkuvalt juhtivad elektrienergia muundamise meetodid, kuid muundusmeetodid on oluliselt muutunud ja nende sordid on muutunud palju suuremaks.
Ideaalsele juhitavale võtmeelemendile lähedaste uut tüüpi jõupooljuhtventiilide ilmumine on oluliselt muutnud lähenemist klapimuundurite ehitamisele. Viimastel aastatel laialt levinud GTO (gate turn off thirystor) ja isoleeritud paisuga bipolaartransistorid (IGBT) katavad edukalt võimsusvahemikku kuni sadade ja tuhandete kilovattideni, nende dünaamilisi omadusi täiustatakse pidevalt ja nende maksumus aina paraneb. toodangu kasv väheneb. Seetõttu asendasid nad edukalt tavapärased türistorid sundlülitussõlmedega. Samuti on laienenud impulsspingemuundurite kasutusalad uute seadmeklassidega. Võimsad lülitusregulaatorid arenevad kiiresti nii alalisvoolu toitepinge suurendamiseks kui ka alandamiseks; impulssmuundureid kasutatakse sageli taastuvatest allikatest (tuul, päikesekiirgus) toodetud energia taaskasutamise süsteemides.
Suured investeeringud tehakse energia tootmisesse energiasäästlike tehnoloogiate abil, kui taastuvaid primaarallikaid kasutatakse kas energia võrku tagastamiseks või salvestusruumi (aku) laadimiseks kõrgendatud energiavarustuskindlusega käitistes. Lülitatud reluktantsmootoritega elektriajamite jaoks on olemas uued muundurite klassid (SRD - switched reluctanse drive). Need muundurid on mitme kanaliga (kanalite arv on tavaliselt kolm kuni kaheksa) lülitid, mis tagavad mootori staatori mähiste jadaühenduse reguleeritava sageduse ja pingega. Lülitusmuundureid kasutatakse laialdaselt majapidamisseadmete toiteallikates, laadijates, keevitusmasinates ja paljudes uutes rakendustes (valgustusseadmete liiteseadised, elektrostaatilised filtrid jne).
Lisaks toitemuunduri ahelate elemendibaasi täiustamisele mõjutas ahelaprobleemide lahendamise strateegiat suuresti mikrokontrolleriseadmete ja infotöötluse digitaalsete meetodite arendamine.
1.2 Erinevate allikate mõjukov energia keskkonnale
Kütuse põletamine pole mitte ainult peamine energiaallikas, vaid ka kõige olulisem saasteainete tarnija keskkonda. Kõige enam "vastutavad" kasvava kasvuhooneefekti ja happeliste sademete eest soojuselektrijaamad. Need koos transpordiga varustavad atmosfääri põhiosa tehnogeense süsiniku (peamiselt CO kujul), umbes 50% vääveldioksiidi, 35% lämmastikoksiidide ja umbes 35% tolmuga. On tõendeid, et soojuselektrijaamad saastavad keskkonda radioaktiivsete ainetega 2-4 korda rohkem kui sama võimsusega tuumajaamad. TPP heitkogused sisaldavad märkimisväärses koguses metalle ja nende ühendeid. Surmavate dooside poolest sisaldavad 1 miljoni kW võimsusega TPP aastased heitkogused üle 100 miljoni doosi alumiiniumi ja selle ühendeid, 400 miljonit doosi rauda ja 1,5 miljonit doosi magneesiumi. Nende saasteainete surmav toime ei ilmne ainult seetõttu, et neid satub kehasse väikestes kogustes. See aga ei välista nende negatiivset mõju vee, pinnase ja muude ökosüsteemide osade kaudu. Võib oletada, et soojusenergial on negatiivne mõju peaaegu kõigile keskkonna elementidele, samuti inimestele, teistele organismidele ja nende kooslustele. Samas sõltub energia mõju keskkonnale ja selle elanikele suuresti kasutatavate energiakandjate (kütuse) tüübist. Puhtaim kütus on maagaas, millele järgneb nafta (kütteõli), kivisüsi, pruunsüsi, põlevkivi, turvas. Kuigi praegu toodetakse märkimisväärne osa elektrist suhteliselt puhaste kütustega (gaas, nafta), on tendents nende osakaalu vähenemisele loomulik. Olemasolevate prognooside kohaselt kaotavad need energiakandjad oma juhtrolli juba 21. sajandi esimesel veerandil. Siinkohal on asjakohane meenutada D.I. Mendelejev nafta kütusena kasutamise lubamatusest: "nafta pole kütus – saab ka rahatähti soojendada." Välistatud pole ka söekasutuse globaalse energiabilansi olulise tõusu võimalus. Olemasolevate arvutuste kohaselt on söevarud sellised, mis suudavad katta maailma energiavajaduse 200-300 aastaks.Võimalik söe tootmine, võttes arvesse uuritud ja prognoositavaid varusid, on hinnanguliselt üle 7 triljoni tonni. Samal ajal asub üle 1/3 maailma söevarudest Venemaal. Seetõttu on mõistlik eeldada söe või selle töötlemisproduktide (näiteks gaasi) osakaalu suurenemist energiatootmises ja sellest tulenevalt ka keskkonnareostuses. Söed sisaldavad 0,2 kuni kümneid protsenti väävlit peamiselt püriidi, raudsulfaadi ja kipsi kujul. Kütuse põletamisel väävli püüdmise olemasolevaid meetodeid ei kasutata keerukuse ja kõrge hinna tõttu alati. Seetõttu satub märkimisväärne osa sellest keskkonda ja ilmselt jõuab see lähitulevikus keskkonda. Tõsised keskkonnaprobleemid on seotud soojuselektrijaamade tahkete jäätmetega – tuha ja räbuga. Kuigi suurem osa tuhast püütakse kinni erinevate filtritega, satub sellegipoolest aastas soojuselektrijaamade heitmetena atmosfääri umbes 250 miljonit tonni peeneid aerosoole.
Viimased suudavad märgatavalt muuta päikesekiirguse tasakaalu maapinna lähedal. Ühtlasi on need kondensatsioonituumad veeauru ja sademete tekkeks ning inimeste ja teiste organismide hingamisorganitesse sattudes põhjustavad mitmesuguseid hingamisteede haigusi. TPP on oluline kuumutatud vee allikas, mida kasutatakse siin jahutusainena. Need veed satuvad sageli jõgedesse ja muudesse veekogudesse, põhjustades nende termilist reostust ja sellega kaasnevaid looduslikke ahelreaktsioone (vetikate kasvu, hapniku kadu, veeorganismide hukkumist, tüüpiliste veeökosüsteemide muutumist soodeks jne).
Kuni viimase ajani peeti tuumaenergiat kõige lootustandvamaks. Selle põhjuseks on nii suhteliselt suured tuumakütuse varud kui ka õrn mõju keskkonnale. Eeliste hulka kuulub ka võimalus ehitada tuumaelektrijaam ilma ressursside hoiustega sidumata, kuna nende transportimine ei nõua väikeste mahtude tõttu olulisi kulutusi. Piisab, kui öelda, et 0,5 kg tuumakütust võimaldab saada sama palju energiat kui 1000 tonni kivisütt põletades. Kuni 1980. aastate keskpaigani nägi inimkond tuumaenergias üht väljapääsu energia ummikseisust. Vaid 20 aastaga (1960. aastate keskpaigast 1980. aastate keskpaigani) kasvas ülemaailmne tuumaelektrijaamades toodetud energia osakaal peaaegu nullist 15–17 protsendini ja paljudes riikides muutus see valdavaks. Sellist kasvutempot pole olnud ühelgi teisel energialiigil. Kuni viimase ajani olid tuumaelektrijaamade peamised keskkonnaprobleemid seotud kasutatud tuumkütuse kõrvaldamisega, aga ka tuumaelektrijaamade endi likvideerimisega pärast nende lubatud tööea lõppu. On tõendeid selle kohta, et selliste likvideerimistööde maksumus on 1/6 kuni 1/3 tuumaelektrijaamade endi maksumusest. Mõned TEJ ja TPP keskkonnamõju parameetrid on toodud tabelis 8.3. Tuumaelektrijaamade normaalse töö käigus on radioaktiivsete elementide eraldumine keskkonda äärmiselt ebaoluline. Keskmiselt on neid 2-4 korda vähem kui sama võimsusega soojuselektrijaamadel. 1986. aasta maiks suurendasid maailmas tegutsenud 400 enam kui 17% elektrienergiat andvat jõuplokki radioaktiivsuse loomulikku fooni mitte rohkem kui 0,02%. Enne Tšernobõli katastroofi meie riigis ei olnud üheski tööstusharus vähem tööstusvigastusi kui tuumaelektrijaamades. 30 aastat enne tragöödiat hukkus õnnetustes ja seejärel kiirgusega mitteseotud põhjustel 17 inimest. Pärast 1986. aastat hakati tuumaelektrijaamade peamist keskkonnaohtu seostama õnnetuste võimalikkusega. Kuigi nende tõenäosus tänapäevastes tuumaelektrijaamades on väike, pole see välistatud. Suurimad sedalaadi õnnetused on Tšernobõli tuumaelektrijaam, mis juhtus neljandal blokil. Tuumajaama töötamise vältimatuks tagajärjeks on termilise vee reostus. Seda on siin vastuvõetud energiaühiku kohta 2-2,5 korda rohkem kui soojuselektrijaamades, kus soojust eemaldatakse atmosfääri palju rohkem. 1 miljoni kW elektrienergia tootmine soojuselektrijaamades annab 1,5 km 3 soojendatud vett, sama võimsusega tuumaelektrijaamades ulatub soojendatava vee maht 3-3,5 km 3. Suurte soojuskadude tagajärg tuumaenergial jaamade efektiivsus on madalam kui TPP. Viimases on see 35–40% ja tuumaelektrijaamades ainult 30–31%. Üldjoontes võib nimetada järgmisi TEJ-de keskkonnamõjusid: - ökosüsteemide ja nende elementide (pinnased, pinnased, vett kandvad struktuurid jne) hävimine maagi kaevandamiskohtades (eriti avatud meetodil); - maa äravõtmine tuumaelektrijaamade endi ehitamiseks. Eriti olulised territooriumid võõranduvad soojendatava vee tarnimise, eemaldamise ja jahutamise rajatiste ehitamiseks. 1000 MW elektrijaam vajab ca 800-900 ha suurust jahutustiiki. Tiigid võivad asendada hiiglaslike jahutustornidega, mille põhja läbimõõt on 100–120 m ja kõrgus on võrdne 40-korruselise hoonega; - märkimisväärse koguse vee väljavõtmine erinevatest allikatest ja kuumutatud vee väljalaskmine. Kui need veed satuvad jõgedesse ja muudesse allikatesse, kogevad nad hapniku kadu, õitsemise tõenäosuse suurenemist ja kuumastressi nähtuste suurenemist veeorganismides; - välistatud ei ole atmosfääri, vee ja pinnase radioaktiivne saastumine tooraine kaevandamisel ja transportimisel, samuti tuumaelektrijaamade töötamisel, jäätmete ladustamisel ja töötlemisel ning nende kõrvaldamisel. Tööstuslike sagedusvoolude elektromagnetilised (EM) väljad, kõige ohtlikumad kohad on trafoalajaamades, kõrgepingeliinide all. Kiirguse intensiivsus on võrdeline elektromagnetvälja võnkesageduse neljanda astmega. EM-välja toime põhjustab närvi- ja kardiovaskulaarsüsteemi talitlushäireid, muudab vererõhku.
2. Võimalusedelektrienergia vastuvõtmine
2.1 Elektrijaamad
Elektrijaam - teatud territooriumil asuv elektrijaam, vahetult elektrienergia tootmiseks kasutatav paigaldiste, seadmete ja seadmete kogum, samuti selleks vajalikud rajatised ja ehitised. Enamik elektrijaamu, olgu need hüdro-, soojus- (tuumaelektrijaamad, soojuselektrijaamad jt) või tuuleelektrijaamad, kasutavad oma tööks generaatori võlli pöörlemisenergiat.
1. Tuumaelektrijaam
2. Soojuselektrijaam
3. Laineelektrijaam
4. Geotermiline elektrijaam
5. Loodete elektrijaam
6. Hüdroakumulatsioonielektrijaam
Aatomilineelektrijaam
Tuumaelektrijaamrahvus(TEJ) - projektiga määratletud territooriumil asuv tuumarajatis energia tootmiseks kindlaksmääratud režiimides ja kasutustingimustes, milles on tuumareaktor (reaktorid) ning vajalike süsteemide, seadmete, seadmete ja konstruktsioonide kompleks. selleks kasutatakse vajalikke töötajaid (personali) elektrienergia tootmiseks. 40ndate teisel poolel, isegi enne esimese Nõukogude aatomipommi loomise töö lõpetamist (selle katsetus toimus 29. augustil 1949), hakkasid Nõukogude teadlased välja töötama esimesi projekte aatomienergia rahumeelseks kasutamiseks. , mille üldiseks suunaks sai kohe elektrienergiatööstus. 1948. aastal I.V. ettepanekul. Kurchatov ning vastavalt partei ja valitsuse ülesandele algas esimene töö aatomienergia praktilise rakendamise kallal elektri tootmiseks. 1950. aasta mais algasid Kaluga oblastis Obninskoje küla lähedal tööd maailma esimese tuumaelektrijaama ehitamisel, 1950. aastal loodi USA-s Idaho osariigis Arco linna lähedal EBR-I reaktor. See reaktor tootis 20. detsembril 1951 katse ajal kasutatavat elektrit võimsusega 800 vatti. Pärast seda suurendati reaktori võimsust, et varustada elektriga jaama, kus reaktor asus. See annab õiguse nimetada seda jaama esimeseks eksperimentaalseks tuumajaamaks, kuid samas ei olnud see elektrivõrku ühendatud.
Soojuselektrijaam
Soojuselektrijaam on elektrijaam, mis toodab elektrienergiat kütuse keemilise energia muundamisel elektrigeneraatori võlli mehaaniliseks pöörlemisenergiaks.
(TPP), elektrijaam, mis fossiilkütuste põletamise tulemusena saab soojusenergiat, mis seejärel muundatakse elektrienergiaks. Soojuselektrijaamad on elektrijaamade põhiliik, nende poolt toodetud elektri osakaal tööstusriikides on 70-80% (Venemaal 2000. aastal ca 67%). Soojuselektrijaamades kasutatakse soojusenergiat vee soojendamiseks ja auru tootmiseks (auruturbiinelektrijaamades) või kuumade gaaside tootmiseks (gaasiturbiinide elektrijaamades). Soojuse saamiseks põletatakse soojuselektrijaamade katlasõlmedes orgaanilist kütust.
laineelektrijaam
Laineelektrijaam - veekeskkonnas asuv elektrijaam, mille eesmärk on saada elektrit lainete kineetilisest energiast. Lainepotentsiaal on hinnanguliselt üle 2 miljoni MW. Suurima laineenergia potentsiaaliga kohad on Euroopa läänerannik, Suurbritannia põhjarannik ja Põhja-, Lõuna-Ameerika, Austraalia ja Uus-Meremaa Vaikse ookeani rannik, samuti Lõuna-Aafrika rannik.
Esimene laineelektrijaam asub Portugalis Agusadora piirkonnas, rannikust 5 kilomeetri kaugusel. Selle avas ametlikult 23. septembril 2008 Portugali majandusminister. Selle elektrijaama võimsus on 2,25 MW, millest piisab ligikaudu 1600 kodu elektriga varustamiseks. Esialgu eeldati, et jaam hakkab tööle 2006. aastal, kuid elektrijaama kasutuselevõtt toimus kavandatust 2 aastat hiljem. Elektrijaama projekt kuulub Šoti firmale Pelamis Wave Power, mis sõlmis 2005. aastal lepingu Portugali energiafirmaga Enersis laineelektrijaama rajamiseks Portugali. Lepingu maksumus oli 8 miljonit eurot.
geotermiline elektrijaam
Geotermiline elektrijaam (GeoPP või GeoTPP) on elektrijaama tüüp, mis toodab elektrienergiat maa-aluste allikate (näiteks geisrite) soojusenergiast.
Geotermiline energia on energia, mis saadakse maa looduslikust soojusest. Seda soojust saab saavutada kaevude abil. Kaevu geotermiline gradient suureneb 1°C võrra iga 36 meetri järel. See soojus toimetatakse pinnale auru või kuuma vee kujul. Sellist soojust saab kasutada nii otse majade ja hoonete kütmiseks kui ka elektri tootmiseks. Termilised piirkonnad eksisteerivad mitmel pool maailmas. Erinevate hinnangute kohaselt on temperatuur Maa keskpunktis vähemalt 6650 °C. Maa jahtumiskiirus on ligikaudu 300–350 ° C miljardi aasta kohta. Maa eraldab 42 1012 W soojust, millest 2% neeldub maakoores ja 98% vahevöös ja tuumas. Kaasaegsed tehnoloogiad ei võimalda jõuda liiga sügavale eralduva soojuseni, kuid 840 000 000 000 W (2%) olemasolevast maasoojusenergiast suudab inimkonna vajadused rahuldada pikaks ajaks. Mandrilaamade servad on parim koht geotermiliste jaamade rajamiseks, sest maakoor on sellistel aladel palju õhem.
loodeteelektrijaam
Loodete elektrijaam (TPP) on hüdroelektrijaama eritüüp, mis kasutab loodete energiat, kuid tegelikult Maa pöörlemise kineetilist energiat. Merede kallastele rajatakse loodete elektrijaamad, kus Kuu ja Päikese gravitatsioonijõud muudavad veetaset kaks korda päevas. Veetaseme kõikumine ranniku lähedal võib ulatuda 18 meetrini.
Energia saamiseks blokeerib jõe laht või suudme tammi, millesse on paigaldatud hüdroelektrijaamad, mis võivad töötada nii generaatori režiimis kui ka pumbarežiimis (vee pumpamiseks reservuaari järgnevaks kasutamiseks loodete puudumisel ). Viimasel juhul nimetatakse neid pumbaelektrijaamaks. Arvatakse, et loodete elektrijaamade töö aeglustab Maa pöörlemist, mis võib kaasa tuua negatiivseid keskkonnamõjusid. Maa kolossaalse massi tõttu on selle pöörlemise kineetiline energia (~1029 J) aga nii suur, et 1000 GW koguvõimsusega loodete jaamade töö pikendab ööpäeva kestust vaid ~10– 14 sekundit aastas, mis on 9 suurusjärku vähem kui loomulik loodete takistus (~2 10?5 s aastas).
Hüdrosalveelektrijaam
Pumpelektrijaam kasutab oma töös kas generaatorite ja pumpade kompleksi või pöördhüdroelektriseadmeid, mis on võimelised töötama nii generaatorite kui ka pumpade režiimil. Öise energiatarbimise languse ajal saab PSP elektrivõrgust odavat elektrit ja kulutab selle vee pumpamiseks ülesvoolu (pumpamisrežiim). Hommikuse ja õhtuse energiatarbimise tippajal juhib PSP vett ülesvoolust allavoolu, genereerides samal ajal kallist tippelektrit, mille annab elektrivõrku (generaatorirežiim). Suurtes elektrisüsteemides võib suure osakaalu moodustada soojus- ja tuumaelektrijaamade võimsus, mis ei suuda öise energiatarbimise vähenemisega kiiresti elektrit toota või teevad seda suurte kadudega. See asjaolu toob kaasa elektrisüsteemis elektrienergia tipptasemel elektrienergia kommertskulu oluliselt kõrgema kommertskulu, võrreldes öise elektrienergia maksumusega. Sellistel tingimustel on pumbaelektrijaama kasutamine majanduslikult efektiivne ja suurendab nii muude võimsuste (sh transpordi) kasutamise efektiivsust kui ka elektrivarustuse töökindlust.
Järeldus
Elektrienergiat toodetakse elektrijaamades ja edastatakse tarbijatele peamiselt kolmefaasilise tööstusliku sagedusega 50 Hz vahelduvvooluna. Kuid nii tööstuses kui ka transpordis on paigaldisi, mille jaoks vahelduvvool sagedusega 50 Hz ei sobi.
Elektrienergia ühest liigist teise muundamisega seotud küsimusi käsitletakse teaduse ja tehnoloogia valdkonnas, mida nimetatakse muundurtehnoloogiaks (või jõuelektroonikaks).
Energia, kreekakeelsest sõnast energeia, tegevus või tegevus, on erinevat tüüpi liikumise ja interaktsiooni üldine mõõt. Loodusteaduses eristatakse järgmisi energialiike: mehaaniline, termiline, elektriline, keemiline, magnetiline, elektromagnetiline, tuumaenergia, gravitatsiooniline. Kaasaegne teadus ei välista ka teist tüüpi energia olemasolu. Energiat mõõdetakse džaulides (J).
Kasutatud literatsioonid
1. Referenttehnoloog-masinaehitaja. 2 köites, 2. köide / toim. OLEN. Dalsky, A.G. Kosilova, R.K. Meshcheryakova, A.G. Suslova. -5. väljaanne, muudetud. ja täiendav - M.: Mashinostroenie-1, 2001. -912 lk.: ill.
2. Anurjev V.I. Projekteerija-masinaehitaja käsiraamat: 3 köites T. 1. - 8. trükk, Revideeritud. ja täiendav Ed. I.N. Jäik. - M.: Mashinostroenie, 2001. -920 lk.: ill.
3. Anurjev V.I. Projekteerija-masinaehitaja käsiraamat: 3 köites T. 2. - 8. trükk, Revideeritud. ja täiendav Ed. I.N. Jäik. - M.: Mashinostroenie, 2001. -920 lk.: ill.
4. Dunaev P.F., Lelikov O.P. Masinaosad. Kursuse ülesehitus: Proc. Masinaehituse käsiraamat. spetsialist. tehnikakoolid. - M.: Kõrgem. Shk., 1984. -336 lk.: ill.
Majutatud saidil Allbest.ru
...Sarnased dokumendid
Alalisvooluahela parameetrite arvutamine Kirchhoffi võrrandite, kontuurivoolude ja sõlmepinge meetodil. Võimsuse tasakaalu arvutamine. Vahelduvvooluahela parameetrite arvutamine kompleksamplituudide meetodil. Takistuse ühenduse muundamine.
kursusetöö, lisatud 14.04.2015
AC-DC muundamine. Alaldi pinge reguleerimise viisid. KEMTOR-seeria türistori muunduri plokkskeem. Sobiva trafo parameetrite määramine. Konverteri väliskarakteristikute arvutamine.
kursusetöö, lisatud 12.03.2013
Alalisvoolu lineaarsete elektriahelate arvutamine, voolude määramine kõigis kontuurivoolude meetodite harudes, pealesurumine, voltimine. Mittelineaarsed alalisvoolu elektriahelad. Lineaarsete vahelduvvooluahelate elektrilise oleku analüüs.
kursusetöö, lisatud 10.05.2013
Vahelduvvoolu elektrimootorite juhtimise omadused. Autonoomsel pingeinverteril põhineva vahelüliga sagedusmuunduri kirjeldus. Vahelduvvoolu automaatjuhtimissüsteemide dünaamilised omadused, stabiilsusanalüüs.
kursusetöö, lisatud 14.12.2010
Hargnemata ja hargnenud alalisvoolu elektriahelate uurimine. Mittelineaarsete alalisvooluahelate arvutamine. Alalisvoolu elektriliini töö uurimine. Vahelduvvooluahel takistuste jadaühendusega.
koolitusjuhend, lisatud 22.12.2009
Alalisvoolu elektriahelate analüüs. Voolude arvutamine Kirchhoffi seaduste abil. Voolude arvutamine kontuurivoolude meetodil. Voolude arvutamine sõlmepinge meetodil. Algne praeguste arvutuste tabel. Kahe EMF-iga vooluahela potentsiaaliskeem.
kursusetöö, lisatud 02.10.2008
Toiteallikas kui seade, mis on ette nähtud seadmete elektrienergiaga varustamiseks. Tööstusliku sagedusega vahelduvpinge muundamine pulseerivaks alalispingeks, kasutades alaldeid. Alalispinge stabilisaatorid.
abstraktne, lisatud 08.02.2013
Kõrgepingeliinide ajalugu. Trafo tööpõhimõte - seade pinge suuruse muutmiseks. Põhimeetodid suurte võimsuste muundamiseks alalisvoolust vahelduvvooluks. Vahelduvvoolu elektrivõrgu ühendused.
praktikaaruanne, lisatud 19.11.2015
Elektroonilised seadmed vahelduvvoolu energia muundamiseks alalisvooluks. Alaldi klassifikatsioon, nende peamised parameetrid. Ühefaasilise silla alaldusahela töö. Täislaine alaldi voolude ja pingete skeemid.
abstraktne, lisatud 19.11.2011
Alalisvoolugeneraatori tööpõhimõte ja seade. Armatuuri mähiste tüübid. Alalisvoolugeneraatorite ergastamise meetodid. Alalisvoolumasinate pöörduvus. Paralleel-, sõltumatu-, jada- ja segaergutusmootor.
Maailma energiatarbimine kõigis selle vormides, sealhulgas elektrienergia, sõltub otseselt elanikkonnast. Maailma rahvaarv on viimasel ajal eriti märgatavalt kasvanud ning aastaks 2000 on see olemasolevate prognooside kohaselt ligikaudu 6 miljardit inimest. Rahvastiku kasvu dünaamika XX sajandi teisel poolel. on selline, et 2000. aastaks oli rahvaarv 1950. aastaga võrreldes enam kui kahekordistunud (tabel 3.1). Suur osa rahvastiku kasvust on arengumaades. Koos energia kogutarbimise kasvuga maailmas kasvab ka energia osakaal inimese kohta (tabel 3.1).
Tohutu energianõudlus tekitab inimkonna jaoks uute võimaluste väljatöötamise probleemi energia hankimiseks. Praegu ei saa enam rahulduda olemasolevate, traditsioonilisteks meetoditeks erinevat tüüpi energia muundamiseks elektrienergiaks, kuna orgaanilise kütuse varu on piiratud, mida ahjudes põletamisel raiskavalt kasutatakse. Kaasaegsete soojuselektrijaamade kasutegur ei ületa 40%. See tähendab, et suur osa saadud soojusest läheb kaotsi ja põhjustab läheduses asuvatele veekogudele kahjulikku "soojusreostust". Lisaks kasutatakse kütuse põletamisel energia muundamise protsessis osalevat ainet halvasti. Aine kasutamise tõhusustegur on TPPde puhul tühine.
Tabel 3.1
Järelikult kaasneb kütuse põletamisega tohutult keskkonda saastavate kõrvalsaaduste heide. Seetõttu on üks olulisemaid sotsiaalseid probleeme uute energia muundamise meetodite väljatöötamine, mis võimaldavad vähendada jäätmete atmosfääri eraldumist. See muidugi ei tähenda, et moodsamad soojuselektrijaamad, hüdroelektrijaamad ja tuumajaamad ei vastaks ajavaimule ja nende ehitamine lõpetatakse.
Soojuselektrijaamad jäävad lähitulevikus üheks peamiseks, seetõttu on nende projekteerimise täiustamine ja termodünaamilise tsükli parandamine suurenergia jaoks oluline.
Suured lootused on pandud tuumaelektrijaamadele, mille kasutuselevõtt toimub paljudes maailma riikides tehnikaajaloos enneolematu kiirusega. Aastaks 2000 eeldatakse, et tuumaelektrijaamade koguvõimsus maailmas on 3500-3600 GW, koguvõimsus aga 7000-7200 GW. Teisisõnu eeldatakse, et vähemalt 50% kogu inimkonna käsutuses olevast energiavõimsusest tuleb tuumajaamadest. Need arvud viitavad kiirele arengutempole, eriti kui arvestada, et esimene tuumaelektrijaam ehitati 1954. aastal.
Aine kasutamise osas tuumaelektrijaamades on kasutegur palju kõrgem kui soojuselektrijaamades (vt tabel 2.1), kuid tingimusel, et see aine on spetsiaalselt ette valmistatud täitma tuumkütuse funktsioone. Samal ajal põhjustab tuumaelektrijaamades klassikaline termodünaamiline tsükkel, mille käigus muundatakse soojus mehaaniliseks energiaks, mis seejärel generaatorite abil elektrienergiaks muundatakse, reaktorites saadavad energiakadud suured. Seega ei ole tänapäevastes tuumaelektrijaamades võimalik vältida soojuselektrijaamadele omaseid peamisi põhimõttelisi puudusi.
Teaduse väljavaade on ahvatlev – saada tõhusaid meetodeid tuumaenergia otseseks muundamiseks elektrienergiaks. Aimates tuumaenergia suurt tähtsust inimkonna ajaloos, Herbert Wells 20. sajandi alguses. kirjutas; “... juba koitis väe ja vabaduse koit lootusest valgustatud taeva all teaduse palge ees, mis nagu heatahtlik jumalanna hoidis tugevates kätes üle inimelu pilkane külluse, rahu, vastuse. lugematutele mõistatustele, kõige kuulsusrikkamate tegude võtmetele, oodates, kuni inimesed väärivad neid võtta ... ".
Paljudes maailma riikides laialdaselt kasutusel olevad jõgedele ehitatud hüdroelektrijaamad arenevad jätkuvalt väga kaasaegsete taastuvenergia muunduritena. Seoses biosfääri suureneva saastatuse ja piiratud kütusevarudega tuntakse üha suuremat huvi "puhaste" elektrijaamade vastu, mis kasutavad merelainete energiat, maa sisemuse soojust ja päikesekiirguse energiat.
Nii täiustatakse koos tsivilisatsiooni arengu ja tehnoloogilise progressiga olemasolevaid, mis on muutunud klassikaks, ning luuakse uusi tõhusamaid energia muundamise viise. Pikemas perspektiivis on inimkonna käsutuses kvalitatiivselt erinevate energiaallikate arsenal ja see, mida ta täna kasutab, jääb paratamatult minevikku, nagu aurumasinad on muutunud ajalooliseks.
Hoolimata energiasektori kiirest arengust ja planeedi energiapotentsiaali ülesehitamise kiirest tempost ei piisa energiatootmisest. Peame ikka veel silmitsi seisma reaalsusega, et suurem osa maailma elanikkonnast nälgib, kannatab vaesuse ja saaste all.
Lisaks on energiatarbimine maailmas (erinevates riikides) äärmiselt ebaühtlane ning nagu eespool näidatud, on energiatarbimine riigis teatud viisil seotud selle elanikkonna kultuurilise tasemega (vt lk 19). Tsivilisatsiooni areng ja materiaalsete väärtuste tootmine on samuti otseselt seotud tarbitava energia hulga ja selle kvaliteediga.
Inimeste elutingimuste parandamiseks planeedil, tööviljakuse oluliseks tõstmiseks, maastike ulatuslikuks muutmiseks, aga ka mitmete muude elutähtsate probleemide lahendamiseks koos arenguks vajalike sotsiaalsete tingimuste loomisega on oluline. et saada piisavalt palju energiat.
Nagu Ameerika teadlased G. Seaborg ja W. Corliss õigesti kirjutavad: "... odav energia tähendab külluses toitu, külluslikku magevett, puhast õhku ja kõike seda, mida tavaliselt nimetatakse tsivilisatsiooni märkideks."
Põllumajandussaaduste puudus tänapäeva maailmas seab paljude riikide valitsustele probleemiks nende tootmise suurendamist. Mingil määral võib toidu juurdekasvu saada vabade, põllumajanduseks sobivate maade kasutamisega. Neid võimalusi ei ole aga kõikides toitu vajavates riikides ja pealegi on need piiratud. Rahvastiku kiire kasvu tingimustes on toiduprobleemi lahendamine võimalik ainult põllumajanduse intensiivistamise ja ennekõike maa niisutamise kaudu. Niisutamiseks sobiva magevee varu on väike. Juba iidsetest aegadest on inimesed unistanud kaldapesu merevee kasutamisest põllumajanduse tarbeks. Merevee magestamine tööstuslikus mastaabis muutub võimalikuks praegusel ajal, mil sobivaimate tuumaelektrijaamade abil on saanud võimalikuks saada suures koguses merevee destilleerimiseks vajalikku soojust.
Seniste hinnangute kohaselt ei ole 1/3 Maast asustatud niiskuse puudumise tõttu, samal ajal kui 1/2 maailma elanikkonnast on 1/10 maismaast "pressitud". Odavate energiaallikate abil oleks võimalik muuta Maa asustamata territoorium jõukaks, avades laia silmaringi olulisele osale maailma elanikkonnast.
Samuti kulub inimkonnal tohutult energiat selliste probleemide lahendamiseks nagu kliimamuutused suurtel aladel, muutes merehoovuste suunda või rajades suure aurumispinnaga veehoidlaid, muutes maastikku, rajades tehismerelahtesid jne.
Kaasaegses elektrienergia energiatootmises kasutatavad meetodid kaasnevad suurte kadudega ja põhinevad fossiilkütuste raiskaval kasutamisel. Tulevikus, kui nõudlus suures koguses odava energia järele suureneb ja looduslikke tooraineid kasutatakse ratsionaalsemalt keemia-, farmaatsiatööstuse jms toodete tootmiseks, asenduvad traditsioonilised energia muundamise meetodid paratamatult kvalitatiivselt uutega. meetodid, eelkõige meetodid soojuse ja keemilise energia otseseks muundamiseks elektrienergiaks.
Meetodid erinevat tüüpi energia otseseks muundamiseks elektrienergiaks põhinevad minevikus avastatud füüsikalistel nähtustel ja mõjudel. Nende praktilist rakendamist täiustatakse teaduse ja tehnoloogia arengu, rikkaliku katsematerjali kogumise ja uusima tehnoloogia kasutamisega. Elektrienergia otsetootmise meetodid ei ole aga veel konkurentsivõimelised tänapäevastes elektrijaamades kasutatavate energia muundamise meetoditega. Elektrienergia otsetootmine suurtes kogustes soojus-, keemia- ja tuumaenergia muundamise teel on üks uusi, paljutõotavaid meetodeid, millest saab kahtlemata peamine ja mis suurendab oluliselt planeedi olemasolevaid energiaressursse.
Elektrienergia otsetootmist kasutatakse juba praegu laialdaselt väikese võimsusega autonoomsetes jõuallikates, mille puhul ei ole määrava tähtsusega efektiivsusnäitajad, kuid olulised on töökindlus, kompaktsus, hooldamise lihtsus, väike kaal jne. allikaid kasutatakse teabekogumissüsteemides Maa raskesti ligipääsetavates kohtades ja planeetidevahelises ruumis, kosmoselaevadel, õhusõidukitel, laevadel jne. Miljardite sõltumatute elektriallikate installeeritud koguvõimsus, vaatamata nende tagasihoidlikule suurusele, ületab kõigi statsionaarsete elektrijaamade võimsus kokku.
Erinevat tüüpi energiat otseselt elektrienergiaks muundavate autonoomsete allikate töö põhineb kas keemilistel või füüsikalistel mõjudel. Keemilistes allikates, nagu galvaanilised elemendid, patareid, elektrokeemilised generaatorid jne, kasutatakse keemiliste reaktiivide redoksreaktsioonide energiat. Füüsilised elektrienergia allikad, nagu soojusgeneraatorid, fotogalvaanilised patareid, termogeneraatorid, töötavad vastavalt erinevatele füüsikalistele efektidele.
Üks energeetika keskseid füüsikalisi ja tehnilisi probleeme on magnetohüdrodünaamiliste generaatorite (MHD generaatorite) loomine, mis muundavad soojusenergia otse elektrienergiaks. Sellise energia muundamise praktilise rakendamise võimalused suures tööstuslikus mastaabis ilmnevad seoses edusammudega aatomifüüsikas, plasmafüüsikas, metallurgias ja paljudes teistes valdkondades.
Soojusenergia otsene muundamine elektrienergiaks võib oluliselt tõsta kütuseressursi kasutamise efektiivsust.
Kaasaegse elektrienergiatööstuse jaoks on suure tähtsusega Faraday avastatud elektromagnetilise induktsiooni seadus, mis ütleb, et elektromagnetväljas indutseeritakse magnetväljas liikuvas juhis. Juht võib olla tahke, vedel või gaasiline. Teadusvaldkonda, mis uurib magnetvälja ja juhtivate vedelike või gaaside vastastikmõju, nimetatakse magnetohüdrodünaamikaks.
Kelvin näitas ka, et soolase vee liikumine jõe suudmes Maa magnetväljas põhjustab EMF-i välimuse. Sellise MHD Kelvini generaatori skeem on näidatud joonisel fig. 3.1. Vastavalt elektromagnetilise induktsiooni seadusele on voolutugevus plaatide 2 külge kinnitatud juhtmetes 1, mis on langetatud mööda jõe kallast vette, võrdeline magnetvälja induktsiooniga! Maa ja soolase merevee voolu kiirus jões.1 Vee voolu suuna muutumisel jões muutus ka elektrivoolu suund plaatidevahelistes juhtides.
Kaasaegse MHD-1 generaatori töö skemaatiline diagramm (joon. 3.2) erineb vähe joonisel kujutatust. 3.1. Vaadeldaval skeemil lastakse tugevas magnetväljas paiknevate metallplaatide vahelt läbi ioniseeritud gaasi juga, millel on osakeste suunatud liikumise kineetiline energia. Sel juhul ilmub elektromagnetilise induktsiooni seaduse kohaselt EMF, mis põhjustab elektrivoolu voolu elektroodide vahel! generaatori kanali sees ja välisahelas. Ioniseeritud gaasi – plasma – vool aeglustub plasmas voolava voolu ja magnetvoo vastastikmõjust tekkivate elektrodünaamiliste jõudude toimel.Tekkivate jõudude ja pidurdusjõudude vahel võib tuua analoogia. auru- ja gaasiturbiinide rootorilabad auru- või gaasiosakestel. Energia muundamine toimub pidurdusjõudude ületamiseks tehes tööd.
Kui mingit gaasi kuumutatakse kõrge temperatuurini (~3000°C), suurendades seeläbi selle siseenergiat ja muutes selle elektrit juhtivaks aineks, siis gaasi järgneva paisumisega MHD generaatori töökanalites toimub otsene muundamine. soojusenergiast elektrienergiaks.
Riis. 3.3. Auruelektrijaamaga MHD generaatori skemaatiline diagramm: "- põlemiskamber; 2 - soojusvaheti; 3 - MHD generaator; 4 - elektromagneti mähis; 5 - aurugeneraator; 6 - turbiin; 7 - generaator; 3 - kondensaator; 9 - pump
Auruelektrijaamaga MHD generaatori skemaatiline diagramm on näidatud joonisel fig. 3.3. Põlemiskambris põletatakse orgaanilist kütust ja saadud plasma olekus koos lisandite lisamisega saadused suunatakse MHD generaatori paisuvasse kanalisse. Tugeva magnetvälja loovad võimsad elektromagnetid. Gaasi temperatuur generaatori kanalis peab olema vähemalt 2000°C ja põlemiskambris 2500-2800°C. MHD generaatoritest väljuvate gaaside minimaalse temperatuuri piiramise vajaduse põhjustab gaaside elektrijuhtivuse nii oluline langus temperatuuril alla 2000°C, et nende magnetohüdrodünaamiline interaktsioon magnetväljaga praktiliselt kaob.
MHD generaatorites ammendatud gaaside soojust kasutatakse esmalt kütuse põlemiskambrisse juhitava õhu soojendamiseks ja sellest tulenevalt selle põlemisprotsessi efektiivsuse tõstmiseks. Seejärel kulutatakse auruelektrijaamas soojus auru moodustamiseks ja selle parameetrite viimiseks vajalikele väärtustele.
MHD generaatori kanalist väljuvate gaaside temperatuur on umbes 2000°C ning tänapäevased soojusvahetid võivad kahjuks töötada temperatuuril mitte üle 800°C, mistõttu gaaside jahutamisel läheb osa soojusest kaotsi.
Joonisel fig. 3.4 (vt lendleht II) kujutab skemaatiliselt MHD elektrijaama põhielemente auruelektrijaamaga ja nende seoseid.
MHD generaatorite loomise raskused seisnevad vajaliku tugevusega materjalide hankimises. Vaatamata staatilistele töötingimustele esitatakse materjalidele kõrged nõudmised, kuna need peavad töötama pikka aega agressiivses keskkonnas kõrgel temperatuuril (2500-2800°C). Raketitehnoloogia vajadusteks on loodud materjale, mis võivad sellistes tingimustes töötada, kuid võivad töötada lühikest aega - minutitega. Tööstuslike elektrijaamade tööaega tuleks arvestada vähemalt kuudes.
Kuumakindlus ei sõltu ainult materjalidest, vaid ka keskkonnast. Näiteks elektrilambis olev volframniit temperatuuril 2500–2700°C võib vaakumis või neutraalgaasikeskkonnas töötada mitu tuhat tundi ja sulab õhu käes mõne sekundi pärast.
Plasma temperatuuri alandamine lisandite lisamisega põhjustab konstruktsioonimaterjalide suurenenud korrosiooni. Praegu on loodud materjale, mis võivad töötada kaua temperatuuril 2200-2500°C (grafiit, magneesiumoksiid jne), kuid need ei talu mehaanilisi pingeid.
Vaatamata saavutatud edule pole MHD-generaatori materjalide loomise probleemi veel lahendatud. Käimas on ka parimate omadustega gaasi otsimine. Heelium väikese tseesiumilisandiga temperatuuril 2000°C on sama juhtivusega kui mineraalse kütuse põlemissaadused temperatuuril 2500°C. Välja on töötatud projekt suletud tsüklis töötava MHD generaatori jaoks, milles heelium pidevalt süsteemis ringleb.
MHD-generaatori tööks on vaja luua tugev magnetväli, mille saab saavutada mähiste kaudu tohutute voolude juhtimisel. Vältimaks mähiste tugevat kuumenemist ja energiakadusid neis, peaks juhtmete takistus olema võimalikult väike. Seetõttu on selliste juhtidena otstarbekas kasutada ülijuhtivaid materjale.
Tuumareaktoriga MHD generaatorid. Paljutõotavad on tuumareaktoritega MHD generaatorid, mida kasutatakse gaaside soojendamiseks ja nende termiliseks ioniseerimiseks. Sellise paigalduse kavandatav skeem on näidatud joonisel fig. 3.5.
Tuumareaktoriga MHD-generaatori loomise raskused seisnevad selles, et kaasaegsed uraani sisaldavad ja magneesiumoksiidiga kaetud kütuseelemendid võimaldavad temperatuuri, mis ei ületa 600 ° C, gaaside ioniseerimiseks aga umbes 2000 ° C.
MHD-generaatorite esimesed eksperimentaalsed disainilahendused on endiselt väga kallid. Tulevikus on oodata nende maksumuse olulist vähenemist, mis võimaldab edukalt kasutada MHD generaatoreid elektrisüsteemide koormustippude katmiseks, st suhteliselt lühikese töörežiimi korral. Nendes režiimides ei ole efektiivsus kriitiline ja MHD-generaatoreid saab kasutada ilma auruvõimsuse lisamiseta.
NSV Liidus on nüüdseks ehitatud võimsaid MHD-energiamuundurite prototüüpe, mille kohta käivad uuringud nende disaini täiustamiseks ja tõhusate MHD-elektrijaamade loomiseks, mis on konkurentsivõimelised tavaliste elektrijaamadega.
Riis. 3.5. Tuumareaktoriga MHD generaatori projekt:
1 - tuumareaktor; 2 - otsik; 3 - MHD generaator; 4 - leelismetallide kondenseerumiskoht; 5 - pump; 6 - leelismetallide sisestamise koht
Kõigist seadmetest, mis muundavad soojusenergia otse elektrienergiaks, kasutatakse enim suhteliselt väikese võimsusega termoelektrilisi generaatoreid (TEG).
TEG peamised eelised: 1) puuduvad liikuvad osad; 2) puudub vajadus kõrgete rõhkude järele; 3) kasutada võib mis tahes soojusallikat;
4) on suur tööressurss.
TEG-e kasutatakse laialdaselt energiaallikatena kosmoseobjektides, rakettides, allveelaevades, tuletornides ja paljudes muudes rajatistes.
Olenevalt eesmärgist suudavad TEG-id 50ndate lõpus muuta elektrienergiaks tuumareaktorites saadava soojuse, päikesekiirguse energia, fossiilkütuste energia jne.
Termoelemendi tööpõhimõte põhineb Seebecki efektil. 1921. aastal teatas Seebeck katsetest, mis hõlmasid magnetnõela kõrvalekaldumist termoelektriliste ahelate läheduses. Nendes uuringutes ei käsitlenud Seebeck energia saamise probleemi. Avatud efekti olemus seisneb selles, et erinevatest materjalidest koosnevas suletud vooluringis voolab vool materjalide kontaktide erinevatel temperatuuridel.
Seebecki efekti saab kvalitatiivselt seletada sellega, et vabade elektronide keskmine energia on erinevates juhtides erinev ja suureneb temperatuuri tõustes erinevalt. Kui piki juhti on temperatuuride erinevus, toimub elektronide suunatud voog kuumalt ristmikul külma ristmikule, mille tagajärjel tekib külma ristmikul negatiivsete laengute liig ja positiivsete laengute liig. kuum ristmik. Suure elektronide kontsentratsiooniga juhtides on see vool intensiivsem. Kõige lihtsamas termoelemendis, mille suletud vooluring koosneb kahest erineva elektronikontsentratsiooniga juhist ja ühenduskohti hoitakse erinevatel temperatuuridel, tekib elektrivool. Kui termoelemendi ahel on avatud, siis elektronide kuhjumine külmas otsas suurendab selle negatiivset potentsiaali, kuni tekib dünaamiline tasakaal külma otsa suunas liikuvate elektronide ja sellest tuleneva potentsiaali toimel külmast otsast eemalduvate elektronide vahel. erinevus. Mida madalam on materjali elektrijuhtivus, seda väiksem on elektronide tagasivoolu kiirus, seega seda suurem on EMF. Seetõttu on pooljuhtelemendid tõhusamad kui metallid.
Üks TEG-de praktilisi rakendusi on soojuspump, mis ühes osas eraldab soojust ja teises neelab soojust tänu elektrienergiale. Kui muudate voolu suunda, töötab pump vastupidises režiimis, st osad, milles soojus eraldub ja neeldub, vahetavad kohti. Selliseid soojuspumpasid saab edukalt kasutada elu- ja muude ruumide termoregulatsiooniks. Talvel soojendavad pumbad ruumis olevat õhku ja jahutavad seda väljas (joonis 3.6, a), suvel vastupidi, jahutavad ruumi õhku ja soojendavad seda väljas (joonis 3.6, b). Joonisel fig. 3.6, c näitab ruumi soojuspumba üldvaadet ja paigaldusskeemi.
Praeguseks on loodud pooljuhte, mis töötavad temperatuuril üle 500°C. Kaubandusliku TEG puhul tuleb kuuma ristmiku temperatuur tõsta aga umbes 1100 °C-ni. Sellise temperatuuri tõusuga kipuvad erinevat tüüpi pooljuhid muutuma päris pooljuhtideks, milles positiivsete ja negatiivsete laengute kandjate arv on võrdne. Need laengud liiguvad temperatuurigradiendi loomisel kuumalt ristmikult külma ristmikuni võrdsetes kogustes ja seetõttu ei toimu potentsiaalset akumulatsiooni, st termo-EMF-i ei teki. Pooljuhid on termoelektrilise voolu tekitamiseks kasutud.
Praegu tehakse uuringuid kõrgel temperatuuril töötavate pooljuhtide loomise kohta. TEG tööks on võimalik kasutada raskete elementide tuumade lõhustumisel reaktorites saadavat soojust. Kuid sel juhul on vaja lahendada mitmeid probleeme, eelkõige selleks, et teha kindlaks tugeva kiirgusega kokkupuute mõju pooljuhtmaterjalidele, kuna tuumkütus võib olla otseses kontaktis pooljuhtmaterjalidega.
Teatud energiaallikate kasutamise otstarbekuse küsimus otsustatakse TEG kasuks juhtudel, kus juhtivaks väärtuseks ei ole efektiivsus, vaid kompaktsus, töökindlus, kaasaskantavus ja mugavus.
NSV Liidus loodi tuumakütusel usaldusväärne tööstuslik TEG - "Romashka". Selle elektrivõimsus on 500 vatti.
Tuumade loodusliku radioaktiivse lagunemisega kaasneb osakeste ja y-kvantide kineetilise energia vabanemine. See energia neelab radioaktiivset isotoopi ümbritsev keskkond ja muundatakse soojuseks, mida saab kasutada elektrienergia genereerimiseks termoelektrilisel viisil. Rajatisi, mis muudavad loodusliku radioaktiivse lagunemise energia termoelementide abil elektrienergiaks, nimetatakse. Radioisotooptermogeneraatorid on töökindlad, pika kasutuseaga, kompaktsed ja neid kasutatakse edukalt autonoomsete toiteallikatena erinevates ruumi- ja maapealsetes paigaldistes.
Tänapäevaste radioisotoopide generaatorite kasutegur on 3-5% ja kasutusiga 3 kuud kuni 10 aastat. Nende generaatorite tehnilisi ja majanduslikke omadusi saab tulevikus oluliselt parandada. Praegu töötatakse välja kuni 10 kW võimsusega generaatorite projekte.
Radioisotoopide termogeneraatorite vastu tunnevad huvi erinevad teaduse ja tehnoloogia harud. Neid pidavat kasutama tehissüdame energiaallikana, aga ka elusorganismide erinevate organite töö stimuleerimiseks. Radioisotoopide termogeneraatorid osutusid eriti sobivaks kosmoseuuringuteks, kus on vaja energiaallikaid, mis suudavad pikka aega ja usaldusväärselt töötada ebasoodsates ioniseeriva kiirgusega kokkupuute tingimustes, kiirgusvöödes, teiste planeetide ja nende satelliitide pinnal.
Termioonilise emissiooni nähtuse avastas T. Edison 1883. aastal. Elektrilambi loomisel pani Edison kaks hõõgniiti kolbi. Kui üks neist läbi põles, keeras ta lambi ja pani teise põlema. Lampide testimisel selgus, et teatud kogus elektrit läheb külma hõõgniidini, s.t elektronid "aurustuvad" kuumalt hõõgniidilt – katoodilt – ja liiguvad külma hõõgniidi – anoodi – ja sealt edasi hõõgniidi. väline elektriahel. Sel juhul kantakse osa katoodi soojendamiseks kulutatud soojusenergiast elektronide abil üle ja antakse anoodile ning osa elektronide energiast vabaneb elektrivoolu kulgemisel välises elektriahelas.
Anood kuumutatakse elektronide toodud soojuse toimel. Kui katoodi ja anoodi temperatuurid oleksid samad, oleks elektronide "aurustumissoojus" katoodilt täpselt võrdne anoodil olevate elektronide "kondenseerumissoojusega" ja soojust ei muutuks elektriliseks. energiat. Mida madalam on anoodi temperatuur võrreldes katoodi temperatuuriga, seda suurem osa soojusenergiast muundatakse elektrienergiaks. Termioonilise energiamuunduri lihtsaim ahel on näidatud joonisel fig. 3.7.
Riis. 3.7. Termiooniline muundur seade
energia: 1 - katood; 2 - anood
Termoemissiooni käigus eralduvad metallide pinnalt vabad elektronid. Metallid sisaldavad suurt hulka vabu elektrone - umbes 6 × 10 21 1 cm 3 kohta. Metalli sees tasakaalustavad elektroni tõmbejõude positiivselt laetud tuumad (joon. 3.8). Otse pinnal mõjuvad elektronidele tekkivad tõmbejõud, mille ületamiseks ja metallist kaugemale jõudmiseks peab elektronil olema piisav kineetiline energia. Kineetilise energia suurenemine toimub metalli kuumutamisel.
Riis. 3.8. Elektronile metallis ja selle pinna lähedal mõjuvate resultantjõudude tekkimine
Energiatermioongeneraatorites saab katoodi kuumutada, kasutades tuumareaktsiooni tulemusena saadud soojust. Tuumatermioonmuunduri skeem on näidatud joonisel fig. 3.9. Esimeste selliste muundurite efektiivsus oli ligikaudu 15%; olemasolevate prognooside kohaselt võib selle tuua kuni 40%.
Termiooniliste generaatorite elektronide emissioon on põhjustatud katoodi kuumutamisest. Radioaktiivse lagunemise käigus eralduvad elektronid (p-kiired) elementide loomuliku omaduse tõttu. Seda omadust kasutades on võimalik tuumaenergia otsene muundamine elektrienergiaks (joonis 3.10).
Riis. 3.9. Tuuma termiline muundur: 1 - kaitse; 2 - jahuti; 3 - anood; 4-vaakum; 5 - katood; b - tuumakütus
Riis. 3.10. Paigaldusskeem tuumaenergia otseseks muundamiseks elektrienergiaks: 1-β-radioaktiivne emitter; 2 - metallist ampull; 3 - metall laev
Elektrokeemilised generaatorid muudavad keemilise energia otse elektrienergiaks. Elektromagnetväljade esinemine galvaanilises elemendis on seotud metallide võimega saata oma ioone lahusesse metalliioonide ja lahuse molekulide (ja ioonide) vahelise molekulaarse interaktsiooni tulemusena.
Mõelge nähtustele, mis ilmnevad tsinkelektroodi langetamisel tsinksulfaadi (ZnSO 4) lahusesse. Veemolekulid kipuvad ümbritsema metallis leiduvaid positiivseid tsingiioone (joonis 3.11). Elektrostaatiliste jõudude toimel lähevad positiivsed tsingiioonid tsinksulfaadi lahusesse. Seda üleminekut soodustab vee suur dipoolmoment.
Koos tsingi lahustumisprotsessiga toimub ka vastupidine protsess, mille käigus tagastatakse positiivsed tsingiioonid tsingielektroodile, kui need soojusliikumise tulemusena elektroodile jõuavad.
Kui positiivsed ioonid lahusesse lähevad, suureneb elektroodi negatiivne potentsiaal, mis takistab seda üleminekut. Teatud metallipotentsiaali korral saabub dünaamiline tasakaal, st kaks ioonide vastuvoolu (elektroodilt lahusesse ja vastupidi) on samad. Seda tasakaalupotentsiaali nimetatakse metalli elektrokeemiliseks potentsiaaliks antud elektrolüüdi suhtes.
Galvaanielemendid on leidnud olulise tehnilise rakenduse akudes, kus voolu valikul kuluv aine koguneb eelnevalt elektroodidele, kui neid mõnda aega välisallikast (laadimise ajal) läbib vool. Akude kasutamine energeetikas on raskendatud aktiivse keemilise kütuse väikese varu tõttu, mis ei võimalda saada pidevat elektrienergiat suurtes kogustes. Lisaks iseloomustab akusid madal võimsustihedus.
Paljudes maailma riikides pööratakse suurt tähelepanu orgaanilise kütuse keemilise energia otsesele muundamisele elektrienergiaks, mis toimub kütuseelementides. Nendes energiamuundurites on võimalik saada kõrgemaid efektiivsusväärtusi kui soojusmootorites. 1893. aastal arvutas saksa füüsik ja keemik Nernst, et söe keemilise energia elektrienergiaks muutmise elektrokeemilise protsessi teoreetiline efektiivsus on 99,75%.
Riis. 3.11. Elektrilaengute paigutus, mis aitab kaasa positiivsete tsingiioonide üleminekule tsinksulfaadi lahusesse
Joonisel fig. 3.12 näitab vesinik-hapniku kütuseelemendi skemaatiliselt. Kütuseelemendi elektroodid on poorsed. Anoodil toimub positiivsete vesinikuioonide üleminek elektrolüüdiks. Ülejäänud elektronid loovad negatiivse potentsiaali ja liiguvad välise ahela katoodile. Katoodil asuvad hapnikuaatomid seovad enda külge elektrone, moodustades negatiivseid ioone, mis veest vesinikuaatomeid sidudes lähevad hüdroksüülioonide OH- kujul lahusesse. Hüdroksiidioonid ühinevad vesinikioonidega, moodustades vett. Seega, kui tarnitakse vesinikku ja hapnikku, toimub kütuse oksüdeerumisreaktsioon ioonide poolt koos voolu moodustumisega välisahelas. Kuna elemendi klemmide pinge on väike (suurusjärgus 1 V), ühendatakse elemendid järjestikku akudesse. Kütuseelementide kasutegur on väga kõrge. Teoreetiliselt on see ühtsusele lähedane, kuid praktikas on see 60-80%.
Vesiniku kasutamist kütusena seostatakse kütuseelementide kõrge ekspluatatsioonikuluga, mistõttu otsitakse võimalusi kasutada ka teisi odavamaid kütuseliike, eelkõige maa- ja tootmisgaasi. Kuid gaasi oksüdatsioonireaktsiooni rahuldav kiirus toimub kõrgel temperatuuril 800–1200 K, mis välistab leelise vesilahuste kasutamise elektrolüütidena. Sel juhul võib kasutada ioonjuhtivusega tahkeid elektrolüüte.
Praegu käib töö tõhusate kõrge temperatuuriga kütuseelementide loomise nimel. Seni on kütuseelementide võimsustihedus endiselt madal. See on mitu korda madalam kui sisepõlemismootoritel. Elektrokeemia areng ja kütuseelementide konstruktiivsed täiustused võimaldavad aga lähitulevikus kasutada kütuseelemente sõidukites ja energias. Kütuseelemendid on vaiksed, ökonoomsed ega sisalda atmosfääri saastavaid kahjulikke jäätmeid.
Riis. 3.12. Vesinik-hapnik kütuseelemendi skeem:
1 - keha; 2- katood; 3 - elektrolüüt; 4 - anood
Elektriliinide kaudu tulevat energiat ei kasutata alati puhtal kujul. Konkreetsete ülesannete täitmiseks teisendatakse see elektriseadmetega, mis muudavad üht või mitut parameetrit - pinge tüüpi, sagedust ja muid.
Elektrimuundurid: klassifikatsioon
Need seadmed liigitatakse mitme kriteeriumi alusel:
- Omamoodi transformatsioon.
- Ehitustüüp.
- Juhitavus.
Muutuvad parameetrid
Järgmised parameetrid võivad muutuda:
- Pinge tüüp - vahelduvvoolust alalisvooluni ja vastupidi.
- Voolu ja pinge amplituudi väärtused.
- Sagedus.
Ehitustüübid
Need seadmed jagunevad elektrilisteks ja pooljuhtideks.
Elektromasin (pöörlev) koosneb kahest masinast, millest üks on ajam ja teine täiturmehhanism. Näiteks vahelduvvoolu alalisvooluks teisendamiseks kasutatakse vahelduvvoolu asünkroonmootorit (ajam) ja alalisvoolugeneraatorit (täitur). Nende puuduseks on nende suur suurus ja kaal. Lisaks on tehnoloogilise kimbu koguefektiivsus madalam kui üksiku elektrimasina oma.
Pooljuht- (staatilised) muundurid on ehitatud pooljuht- või lambielementidest koosnevate elektriahelate baasil. Nende kasutegur on kõrgem, mõõtmed ja kaal väikesed, kuid väljundi elektri kvaliteet on madal.
Hallatud ja haldamata
Kui elektrienergia parameetri muutuse suurus on fikseeritud, kasutatakse kontrollimatut muundurit. Selliseid seadmeid kasutatakse toiteallikate esimestel etappidel. Näiteks võib tuua toitetrafo, mis alandab võrgu pinget 220-lt 12-le.
Muudetavate parameetritega muundurid on juhitavates elektriahelates täiturmehhanismid. Näiteks toitepinge sagedust muutes reguleeritakse asünkroonsete mootorite pöörlemiskiirust.
Toitemuundurid: seadmete näited
Konverterid võivad täita kas ühte või mitut funktsiooni.
Muutke pinge tüüpi
Neid seadmeid, mis muudavad vahelduvvoolu alalisvooluks, nimetatakse alalditeks. Toimides vastupidi - inverterid.
Kui tegemist on elektrimasina seadmega, siis koosneb alaldi asünkroonsest vahelduvvoolumootorist, mis pöörab alalisvoolugeneraatori rootorit. Sisend- ja väljundliinidel puudub elektriline kontakt.
Kõige tavalisem staatilise alaldi vooluahela tüüp on dioodsild. Sellel on neli ühesuunalise juhtivusega elementi (dioodi), mis on ühendatud vastassuundades. Pärast seda asetatakse tingimata elektrolüütkondensaator, mis tasandab pulseerivat pinget.
Seal on hübriidkonstruktsioon, mis ühendab elektrimasina ja staatilise alaldi. See on autogeneraator, mis on vahelduvvoolumasin, mille staatorimähised on ühendatud kondensaatoriga alaldi sillaga.
Inverteri ahelaid kasutatakse türistoritele või transistoridele ehitatud pideva võnkegeneraatori (multivibraatori) käivitamiseks. Need on sagedusmuundurite aluseks.
Amplituudi väärtuste muutmine
Need on igat tüüpi trafod - astmeline, astmeline, liiteseade.
Juhitavaid trafosid nimetatakse reostaatideks. Kui need on ühendatud paralleelselt elektriallikaga, muudavad nad pinget. Seerias - praegune.
Võimsate kõrgepingevõrgutrafode töö käigus eralduva soojuse absorbeerimiseks kasutatakse vedelik (õli) jahutussüsteeme.
Sageduse muutus
Sagedusmuundurid on nii elektrilised (pöörlevad) kui ka staatilised.
Pöördsagedusmuundurite ajam on kõrgsageduslik asünkroonne kolmefaasiline generaator. Selle rootor pöörleb alalis- või vahelduvvooluga elektrimootorit. Sarnaselt pöördalaldile ei ole selle sisend- ja väljundliinidel elektrikontakti.
Staatilist tüüpi sagedusmuundurites kasutatavad inverteriahelad on juhitavad ja kontrollimata. Sageduse suurendamine võimaldab seadmete suurust vähendada. 400 Hz sagedusel töötav trafo on kaheksa korda väiksem kui 50 Hz töötav trafo. Seda omadust kasutatakse kompaktsete keevitusinverterite ehitamiseks.
Energia muundamiseks on kolm peamist viisi. Esimene neist on soojusenergia saamine kütuse (fossiilse või taimse päritoluga) põletamise teel ja selle tarbimine elamute, koolide, ettevõtete jne otseseks kütmiseks. Teine meetod on kütuses sisalduva soojusenergia muundamine mehaaniliseks tööks. , näiteks kui õli destilleerimisprodukte kasutatakse erinevate seadmete, autode, traktorite, rongide, lennukite jms liikumise tagamiseks. Kolmas viis on muundada kütuse põlemisel või tuuma lõhustumisel eralduv soojus elektrienergiaks selle edasine tarbimine kas soojuse tootmiseks või mehaaniliste tööde tegemiseks.
Elektrit saadakse ka langeva vee energia muundamisel. Seega mängib elekter omamoodi vahendaja rolli energiaallikate ja selle tarbijate vahel (joonis 9.1). Nii nagu vahendaja turul toob kaasa kõrgemad hinnad, nii toob energia tarbimine elektri kujul kaasa kõrgemad hinnad, mis on tingitud kadudest ühe energialiigi teiseks muutmisel. Samas on erinevate energialiikide muundamine elektrienergiaks mugav, praktiline ning mõnikord on see ainus võimalik viis reaalseks energiatarbimiseks. Mõnel juhul on lihtsalt võimatu energiat tõhusalt kasutada ilma seda elektriks muutmata. Enne elektrienergia avastamist kasutati langeva vee energiat (hüdroenergiat) mehaaniliste seadmete liikumise tagamiseks: ketrusmasinad, veskid, saeveskid jne. Pärast hüdroenergia muundamist elektrienergiaks laienes rakendusala oluliselt ning sai võimalikuks tarbida seda allikast märkimisväärsel kaugusel. Näiteks uraani tuumade lõhustumisenergiat ei saa otseselt kasutada ilma seda elektrienergiaks muutmata.
Fossiilkütuseid on erinevalt hüdroallikatest pikka aega kasutatud ainult kütteks ja valgustamiseks, mitte aga erinevate mehhanismide tööks. Elamute, ühiskondlike ja tööstushoonete kütmiseks põletati küttepuid ja kivisütt ning sageli ka kuivatatud turvast. Lisaks kasutati ja kasutatakse metalli sulatamiseks kivisütt. Söe destilleerimisel saadud söeõli valati lampidesse. Alles pärast aurumasina leiutamist XVIII sajandil. paljastati tõeliselt selle fossiilkütuse potentsiaal, millest sai mitte ainult soojuse ja valguse, vaid ka erinevate mehhanismide ja masinate liikumise allikaks. Seal olid vedurid, aurulaevad aurumasinatega, mis töötasid kivisöel. XX sajandi alguses. sütt hakati põletama elektrijaamade katelde ahjudes elektri tootmiseks.
Praegu on fossiilkütustel äärmiselt oluline roll. See annab soojust ja valgust, on üks peamisi elektri- ja mehaanilise energia allikaid, et pakkuda tohutut arvukaid autosid ja erinevaid transpordiliike. Ei tasu unustada, et keemiatööstus tarbib tohutul hulgal fossiilseid orgaanilisi tooraineid väga erinevate kasulike ja väärtuslike toodete tootmiseks.