Преобразователь электрической энергии. Преобразование энергии из одного вида в другой Какие виды энергии преобразуются в электричестве
Домашнее задание c. 15-17, 83-97. c. 308-310.
Энергия, от греческого слова energeia – деятельность или действие, - общая мера различных видов движения и взаимодействия.
В естествознании различают следующие виды энергии: механическую, тепловую, электрическую, химическую, магнитную, электромагнитную, ядерную, гравитационную. Современная наука не исключает существование и других видов энергии.
Энергия – плод мысли человека, созданный для описания различных явлений природы.
Энергия измеряется в Джоулях (Дж). Для измерения тепловой энергии используют калории, 1 кал=4.18 Дж, электрическую энергию измеряют в кВт*час=3.6*10 6 Дж=3.6 МДж, механическая энергия измеряется в кг*м, 1кг*м=9.8 Дж.
Различают энергию макромира, микромира и внутреннюю энергию.
Кинетическая энергия – результат изменения состояния движения материальных тел.
Потенциальная энергия – результат изменения положения частей данной системы.
Способы преобразования энергии:
Закон сохранения энергии – энергия не создается и не уничтожается, она переходит из одного вида в другой. Различают энергию упорядоченного движения (свободную – механическую, химическую, электрическую, электромагнитную, ядерную) и энергию хаотического движения – теплоту.
В настоящее время нет способов непосредственного превращения ядерной энергии в электрическую и механическую, нужно вначале пройти стадию превращения энергии в тепловую, а затем в механическую и электрическую.
Современная наука выделяет 4 силы, определяющие все многообразие мира: сила тяготения, электромагнитные и ядерные – сильные и слабые. Каждая из этих сил характеризуется мировой постоянной:
Сила тяготения - g =6*10 -39 .
Электромагнитные силы - е =1/137.
Сильные ядерные взаимодействия - S =1.
Слабые ядерные взаимодействия - w =3*10 -12 .
Из этих констант получаются все остальные физические постоянные.
Более 20 млрд. лет назад образовалась Вселенная, энергия «большого взрыва» - «родила» энергию, которая составляет основу нашей жизни, она «родила» Солнце и Землю. Энергия Солнца привела к образованию на Земле запасов топливных ресурсов, заставляет постоянно перемещаться водяные и воздушные массы на Земле. Тепловая энергия горячего ядра Земли также участвует в круговороте веществ и превращении энергии.
Человечество стремилось с начала своей истории овладеть энергией в своих интересах. Этапы «овладения» энергией:
мускульная сила животных,
сила ветра, воды,
энергия пара
электроэнергия
ядерная энергия.
Во Вселенной происходят процессы преобразования энергии из одного вида в другой в огромных масштабах. Человечество находится в самом начале пути понимания этих процессов.
Механическая энергия преобразуется в тепловую – трением, в химическую – путем разрушения структуры вещества, сжатия, в электрическую – путем изменения электромагнитного поля генератора.
Тепловая энергия преобразуется в химическую, в кинетическую энергию движения, а эта – в механическую (турбина), в электрическую (термо э.д.с.)
Химическая энергия может быть преобразована в механическую (взрыв), в тепловую (тепло реакции), в электрическую (батарейки).
Электрическая энергия может быть преобразована в механическую (электромотор), в химическую (электролиз), в электромагнитную (электромагнит).
Электромагнитная энергия – энергия Солнца – в тепловую (нагрев воды), в электрическую (фотоэффект → гелиоэнергетика), в механическую (звонок телефона).
Ядерная энергия → в химическую, тепловую, механическую (взрыв), регулируемое деление (реактор) → химическая + тепловая.
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
Можно назвать три основных способа преобразования энергии. Первый из них заключается в получении тепловой энергии при сжигании топлива (ископаемого или растительного происхождения) и потреблении ее для непосредственного обогревания жилых домов, школ, предприятий и т. п. Второй способ – преобразование заключенной в топливе тепловой энергии в механическую работу, например, при использовании продуктов перегонки нефти для обеспечения движения различного оборудования, автомобилей, тракторов, поездов, самолетов и т. д. Третий способ – преобразование тепла, высвобождающегося при сгорании топлива или деления ядер, в электрическую энергию с последующим ее потреблением либо для производства тепла, либо для выполнения механической работы.
Электроэнергия получается и при преобразовании энергии падающей воды. Электроэнергия таким образом играет роль своеобразного посредника между источниками энергии и ее потребителями (рис. 9.1). Как посредник на рынке ведет к повышению цен, так и потребление энергии в форме электричества приводит к росту цен из-за потерь при преобразовании одного вида энергии в другой. В то же время преобразование различных форм энергии в электрическую удобно, практично, а иногда это единственно возможный путь реального потребления энергии. В ряде случаев просто невозможно эффективно использовать энергию, не превратив ее в электрическую. До открытия электричества энергия падающей воды (гидроэнергия) применялась для обеспечения движения механических устройств: прядильных машин, мельниц, лесопилок и т. д. После преобразования гидроэнергии в электрическую сфера применения значительно расширялась, стало возможным ее потребление на значительных расстояниях от источника. Энергию деления ядер урана, например, невозможно непосредственно использовать без превращения ее в электрическую.
Ископаемые виды топлива, в отличие от гидроисточников, долгое время применялись лишь для отопления и освещения, а не для работы различных механизмов. Дрова и уголь, а нередко и высушенный торф сжигались для обогрева жилых домов, общественных и промышленных зданий. Уголь, кроме того, применялся и применяется для выплавки металла. Угольное масло, полученное путем перегонки угля, заливалось в лампы. Только после изобретения паровой машины в XVIII в. был по-настоящему раскрыт потенциал данного ископаемого топлива, ставшего источником не только тепла и света, но и движения различных механизмов и машин. Появились паровозы, пароходы с паровыми двигателями, работавшие на угле. В начале XX в. уголь начали сжигать в топках котлов электростанций для производства электроэнергии.
В настоящее время ископаемое топливо играет исключительно важную роль. Оно дает тепло и свет, является одним из основных источников электроэнергии и механической энергии для обеспечения огромного парка многочисленных машин и различных видов транспорта. Не следует забывать, что ископаемое органическое сырье в огромных количествах потребляется химической промышленностью для производства большого многообразия полезной и ценной продукции.
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.
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ДРУГИЕ ВИДЫ ЭНЕРГИИ В электрической цепи электрическая энергия одновремен получается в источнике и преобразуется в другой вид энерг; в приемнике. Тип приемника выбирают в соответствии с тре емым для практических целей видом неэлектрической энерг Рассмотрим принципы преобразования электрической эн гии в тепловую, световую и химическую; вопрос преобразо ния электрической энергии в механическую рассмотрен в § 10 Преобразование электрической энергии в тепловую Физический процесс преобразования электрической 3Heprf в тепловую рассмотрен в § 2.2. Выразим количество выделенной теплоты через напряжен: и ток. "потенциалов U, заряд перемещенных частиц Q = h. Ра3о° епгия электрического поля, затраченная на перемещение Ценных частиц, согласно (1.5), зар W0=UQ=UIt. ¦ Ра5ОТа сил электрического поля расходуется на нагревание L очника, так как никаких других проявлений этой работы Соблюдается. Поэтому энергию W3 можно считать равной тепловой энергии приемника: W„= W, = Ult. r этой формуле энергия выражена в джоулях. Согласно закону Ома [см. формулу (2.6)], U=IR, тогда W„ = I2Rt. Формула (3.10) является математическим выражением закона Ленца -Джоуля. Количество электрической энергии, преобразуемой в проводнике за единицу времени в тепловую энергию, пропорционально квадрату тока и электрическому Сопротивлению проводника. I Скорость преобразования электрической энергии в другой вид энергии в приемнике называется мощностью приемника: Рп= W„lt=UI. [ Эта формула справедлива для любого приемника независимо от вида энергии, который получается в результате ¦вреобразования. [ Если электрическая энергия полностью превращается в тепловую, то мощность приемника можно выразить через ток в(проводнике и его сопротивление: (3.12) В Явление преобразования в проводниках электрической энер-?Пг)И в тепловую широко используется в практике. На этом даинципе основано действие большинства электрических промышленных и бытовых нагревательных устройств. Преобразование электрической энергии в световую Ле>) "^РинЦип преобразования электрической энергии в тепловую Ни гакже в основе работы электрических ламп накаливания. Г > лампы, изготовленная из тугоплавкого металла При высокой температуре нити лампы часть энерг излучается в виде световой энергии, которая в общем пото энергии, излучаемой лампой, составляет менее 10%. Преобразование электрической энергии в химическую Аккумулятор при зарядке или электролитическая ван являются приемниками электрической энергии. ЭДС аккумулятора Ел при зарядке сохраняет то направление, что и при разрядке; ток же в аккумулято изменяет свое направление на обратное, так как он опреде ется не направлением ЭДС аккумулятора, а ЭДС Е внешнег источника питания (рис. 3.9). ЭДС аккумулятора Ел зарядке направлена против тока и потому называете противоЭДС. Перемещение заряженных частиц при зарядке аккумулято-осуществляется в результате действия электрического пол которое создается источником питания. Силы электрическог поля в любой момент времени уравновешиваются химически? (сторонними) силами, поэтому работа сил электрического по приходящаяся на единицу заряда, может быть приравнен противоЭДС Ел. Тогда энергия, израсходованная на зарядку, W„ = E,Q = EaIt, а мощность потребления электрической энергии Pn=WJt=EaI. (3.13 (3.14 Формулы, выражающие энергию и мощность при разряд* и зарядке аккумулятора, одинаковы. Однако нужно не забыва о физическом различии процессов: в первом случае аккумулят является источником, а во втором -приемником электрическ энергии. При преобразовании элек трической энергии в теплову сопротивление обусловлен соударениями частиц. Пр преобразовании электрическ энергии в химическую прот водействие току оказыва-сторонние силы. Этим объясняется различи выражений (3.11) и (3.14), к" торыми количественно опреде ляется скорость преобразова ния электрической энерг в другой вид энергии. Мощность электрического утюга 300 Вт при напряжении 120 В. Определить ток и сопротивление нагревательного элемента. Задача 3.10. Электродвигатель постоянного тока включен в сеть с напряжением 220 В. Механическая мощность на валу двигателя 8,4 кВт, КПД 84%. Определить электрическую мощность и ток двигателя. j Задача 3.11. На зарядку аккумулятора при токе /=4 А, напряжении на внешних зажимах источника U=30 В затрачивается время f = 6 ч. Определить запас энергии и ЭДС аккумулятора, если известно, что 10% энергии, израсходованной на зарядку, составляют потери в аккумуляторе и соединитель-ы* проводах. ЭДС аккумулятора и зарядный ток предполагаются при I «рядке неизменными.
