Виды преобразования электрической энергии
Электроэнергия производится на электрических станциях зачастую при помощи электромеханических индукционных генераторов. Существует 2 основных вида электростанций — тепловые электростанции (ТЭС) и гидроэлектрические электростанции (ГЭС) — различающиеся характером двигателей, которые вращают роторы генераторов.
Источником энергии на ТЭС является топливо: мазут, горючие сланцы, нефть, угольная пыль. Роторы электрогенераторов приводятся во вращение при помощи паровых и газовых турбин либо двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
Как известно, КПД тепловых двигателей увеличивается с ростом начальной температуры рабочего тела. Поэтому пар, который поступает в турбину, доводят до порядка 550 °С при давлении около 25 МПа. КПД ТЭС достигает 40 %.
На тепловых электростанциях (ТЭЦ) большая часть энергии отработанного пара применяется на промышленных предприятиях и для бытовых нужд. КПД ТЭЦ может достигать 60-70 %.
На ГЭС для вращения роторов генераторов применяют потенциальную энергию воды. Роторы приводятся во вращение гидравлическими турбинами.
Мощность станции зависит от разности уровней воды, которые создаются плотиной (напора), и от массы воды, которая проходит через турбину за 1 секунду (расхода воды).
Часть электроэнергии, которая потребляется в России (примерно 10 %), производится на атомных электростанциях (АЭС).
Котлы вырабатывающие электричество
История развития
При начале практического использования электрической энергии (1880-е) возникла проблема преобразования энергии.
+ Большие мощности
+ Возможность преобразования постоянного тока
+ Стойкость к коротким замыканиям, перегрузкам, перенапряжениям
— Материалоёмкость- Сложность ремонта и обслуживания- Наличие подвижных изнашивающихся частей- Шум и вибрации
— Низкий коэффициент мощности
+Большая преобразуемая мощность (по этому показателю устройства на ионных приборах до сих пор не превзойдены полупроводниковыми)
+Стойкость к коротким замыканиям и перенапряжениям
-Хрупкость корпусов (стекло, керамика)
-Мощные ионные приборы наполнены парами ртути. В случае аварии высок риск загрязнения окружающей среды
-Длительное время подготовки к работе
3.Прямэе преобразование тепла в электричество
Поскольку исходным видом энергии в устройствах прямого преобразования энергии является теплота, их КПД при получении электроэнергии подчиняется ограничениям второго закона термодинамики и не может превосходить КПД цикла Карно для того же интервала температур.
Работа термоэлектрогенераторов (ТЭГ) основана на термоэлектрических эффектах, открытых еще в прошлом веке: эффекте Пельтье и эффекте Зеебека.
Если через спай разнородных проводников (металлов, полупроводников) пропустить постоянный ток I, то в этом спае в зависимости от направления тока выделяется или поглощается теплота
где α — коэффициент, зависящий от свойств выбранных проводников, T — температура спая.
Если в цепи, состоящей из двух разнородных проводников спаи находятся при разных температурах т, и т2, то возникает электродвижущая сила (э.д.с.) Е, пропорциональная разности температур:
где α — коэффициент термо-э.д.с. или коэффициент Зеебека.
Вполне понятно, что оба эффекта как бы дополняют друг друга и имеют одну и ту же физическую сущность, состоящую в том, что, если в каком-либо теле есть свободные электроны, то они стремятся прийти в тепловое равновесие с окружающими ядрами вещества. Поэтому в обеих формулах коэффициент α один и тот же.
На рис. 2.5. приведена принципиальная схема одного ТЭГ. Термоэлектроды 1 и 2, выполненные из различных материалов, электрически соединены в спаях A и B. Электрод 2 разорван, и в этот разрыв включены ключ 3 и нагрузка R.
При протекании тока I в цепи, где действует эдс. Е, будет произведена электрическая энергия Lэл=ЕI, т.е.
Принято качество ТЭГ измерять коэффициентом добротности
Чем больше z, т.е. чем больше производительность ТЭГ, измеряемая коэффициентом α, и чем меньше потери тепла, измеряемые коэффициентом теплопроводности λ, тем выше должен быть КПД ТЭГ.
На рис. 2.6 приведены зависимости КПД ТЭГ η от коэффициента добротности z при различных температурах горячего спая. Из него виден тот идеал, к которому следует стремиться при создании ТЭГ: необходимо обеспечить коэффициент добротности не хуже 2*10 3 , материалы должны выдерживать, а системы должны поддерживать температуру горячего спая ~1000 К.
Наиболее удачными материалами для термоэлектродов сейчас считаются сплавы и соединения элементов IV-VI групп периодической системы
-олова, свинца, висмута, сурьмы, теллура, селена, германия, кремния (полупроводники). Значения коэффициента добротности z для них могут достигать 2*10 -3 – 3*10 -3 1/град. Сильная температурная зависимость z приводит к тому, что реально можно достичь 1.5*10 -3 1/град.
Виды преобразования электрической энергии
Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию
Изобретение относится к электрическим машинам, в которых производится прямое преобразование тепловых эффектов в другой вид энергии.
Известно устройство для преобразования тепловой энергии в механическую с использованием эффекта Пельтье (см., например, патент РФ №2298278, МПК Н02В 10/00 «Электрический двигатель», опубл. 27.04.97. в БИ №12).
Недостаток известного устройства заключается в том, что для его осуществления используется сложная система преобразования с большим числом механических элементов, что приводит к низкой его надежности.
Известно также устройство для преобразования тепловой энергии в механическую с использованием эффекта Пельтье, в котором электрическая энергия сначала преобразуется в тепловую с последующим переводом тепловой энергии в механическую (см., например, патент РФ №2302072, МПК Н02В 10/00 «Электрический привод (варианты)», опубл. 27.06.93. в БИ №18).
Известное устройство преобразования характеризуется несколько более простой кинематической схемой и имеет более высокую надежность.
Однако известному устройству свойственны недостатки, которые заключаются в двойном преобразовании энергии, что понижает КПД системы в целом. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена возможность преобразования тепловой энергии в электрическую.
Задачей изобретения является создание устройства прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию при минимальном количестве промежуточных и механических звеньев.
Дополнительно решается задача по повышению КПД преобразования.
В варианте технического решения края воздушных промежутков содержат по два параллельных выступа, а нагреваемые элементы перемыкают ту или иную пару выступов.
В варианте технического решения жесткая планка выполнена из материала, обладающего пружинящими свойствами.
Применение теплопровода, подводящего тепло от нагревателя, к нагреваемым элементам, когда они примыкают к воздушным промежуткам боковых стержней и наличие охладителя, воздействующего на нагревательные элементы, когда они находятся вне зоны воздушных промежутков, позволяет повысить производительность устройства за счет интенсификации процессов нагрева и охлаждения.
Наличие обмотки возбуждения, расположенной на среднем стержне и выполнение генератора электрической энергии в виде генерирующих обмоток, расположенных на боковых стержнях, позволяет вырабатывать электрическую энергию без использования вращающихся частей и при минимальном количестве подвижных элементов.
Параллельные выступы, находящиеся на боковых стрежнях в зоне воздушных промежутков, позволяют выделить зону нагрева, что снижает общий нагрев всей магнитной системы и ускоряет процесс подвода тепла к нагреваемым элементам.
