Vad kan man säga om metoder för direkt energiomvandling?
Den direkta energiomvandlingsmetoden avser sådan produktion elektrisk energi från termisk, där antalet mellanstadier av energiomvandling reduceras eller åtminstone processen för att erhålla elektricitet från termisk förenklas. Oftast (men inte alltid ( Således, i den magnetohydrodynamiska metoden för att erhålla elektrisk energi från termisk energi, som vanligtvis klassificeras som en metod för direkt energiomvandling och som kommer att diskuteras nedan, bevaras steget att omvandla termisk energi till mekanisk energi.)) den mellanliggande omvandlingen av termisk energi till mekanisk energi är utesluten.
I en vidare mening avser metoden för direkt energiomvandling produktionen av elektrisk energi inte bara från termisk energi, utan också från kemisk energi (i bränsleceller) och från energin från elektromagnetisk strålning (i fotoelektriska omvandlare). Det är dessa frågor som tas upp i detta avsnitt. Först och främst kommer vi att bekanta oss med den magnetohydrodynamiska metoden, eftersom den uppenbarligen är mer utvecklad än andra för att generera stora mängder elektricitet, och det är detta som, i enlighet med ämnet för denna bok, främst intresserar oss.
Magnetohydrodynamisk metod (MHD-metoden). Den magnetohydrodynamiska metoden för att omvandla termisk energi till elektrisk energi är baserad på användningen av två typer av omvandlare: en värmemotor, som påminner om en gasturbin, omvandling av värme till den kinetiska energin hos en gasjet (förbränningsprodukter) och en ovanlig elektrodynamisk maskin som omvandlar den kinetiska energin hos en gasstråle till elektrisk energi.
Detta sker enligt följande (fig. 23). Som ett resultat av förbränning av organiskt bränsle (till exempel naturgas) bildas gasformiga förbränningsprodukter. Det är nödvändigt att deras temperatur inte är lägre än 2500 ° C. Vid denna temperatur blir gasen elektriskt ledande och passerar in i plasmatillståndet. Med andra ord sker gasjonisering: elektroner tas bort från gasmolekyler. Plasma vid en så relativt låg temperatur (minst 2500 ° C) joniseras endast delvis: det består inte bara av joniseringsprodukter - elektriskt laddade fria elektroner och joner (positivt laddade partiklar som bildas som ett resultat av förlusten av en eller flera elektroner av en molekyl), men också molekyler som ännu inte har genomgått jonisering.
Ju högre temperatur, desto större jonisering av gasen och följaktligen dess elektriska ledningsförmåga. Vid en temperatur på cirka 10 tusen grader är all gas helt joniserad - den består bara av fria elektroner och atomkärnor.
Det plasma som vi stötte på när vi övervägde termonukleära processer, och vars temperatur mäts i många miljoner grader, kallas högtemperatur. Den plasma som används i MHD-generatorer och har en temperatur som mäts i tusentals grader kallas lågtemperatur.
Och för att lågtemperaturplasman av förbränningsprodukter ska ha tillräcklig elektrisk ledningsförmåga redan vid en temperatur på cirka 2500 ° C, är det nödvändigt att tillsätta ett av de lätt joniserande ämnena, vanligtvis alkalimetaller: natrium, kalium eller cesium. Ångorna från dessa ämnen joniseras vid en lägre temperatur.
Plasma med en liten tillsats av ett lätt joniserbart ämne vid en temperatur av t.ex. 2600 ° C (fig. 23) kommer in i MHD-generatorns kanal och accelereras där till en hastighet nära ljud resp. genom att minska dess värmeenergi. ännu högre. Den elektriskt ledande plasman strömmar genom kanalen och korsar kraftledningarna i ett speciellt skapat magnetfält, som har en hög induktion. Om flödesrörelsens riktning är vinkelrät mot magnetfältslinjerna och plasmans elektriska ledningsförmåga, flödeshastigheten och magnetfältsinduktionen är tillräckligt stora, då, i enlighet med elektrodynamikens lagar, i riktningen vinkelrät mot båda flödesrörelsen och magnetfältslinjerna, från en vägg av kanalen till en annan kommer det att flyta elektrisk ström genom plasman. För att göra detta är det naturligtvis nödvändigt att ansluta elektroderna placerade på motsatta väggar av kanalen till en extern krets.
Som framgår av ovanstående skiljer sig inte driftsprincipen för en MHD-generator från funktionsprincipen för en konventionell elektromekanisk generator. I båda fallen korsar den elektriska ledaren de magnetiska fältlinjerna, vilket resulterar i att en emk genereras i ledaren. I en elektromekanisk generator är ledaren den elektriskt ledande metallen i rotorn, och i en MHD-generator är det ett flöde av elektriskt ledande plasma.
Samspel elektrisk ström, som flödar genom plasman, med ett magnetiskt flöde skapar en kraft som saktar ner plasmats rörelse längs kanalen. På detta sätt omvandlas plasmaflödets kinetiska energi till elektrisk energi.
Vad är den attraktiva sidan av en MHD-generator?
Som vi redan vet väl, för att öka effektiviteten hos en värmemotor är det nödvändigt att öka den initiala temperaturen på arbetsvätskan. Men i värmemotorer i termiska kraftverk - ångturbiner - höjs inte den initiala temperaturen för vattenånga, som redan nämnts, över 540 ° C. Detta förklaras av det faktum att de mest kritiska elementen i turbinen (särskilt rotorbladen) ) utsätts samtidigt för hög temperatur och tung mekanisk belastning. Det finns inga rörliga delar i MHD-generatorkanalen alls, och därför upplever inte materialet som de mest kritiska strukturelementen är gjorda av någon betydande mekanisk påfrestning. Detta är en av de viktigaste fördelarna med en MHD-generator.
Läsaren kanske noterar att det inte finns något material som tål temperaturer på 2600°C. Gör inte detta idén om en MHD-generator omöjlig?
I själva verket finns inte ett sådant material med hög temperatur strukturella element måste kylas (vanligtvis med vatten). Men det är en sak att kyla stationära strukturella element, som i en MHD-generator, och en helt annan sak att kyla roterande sådana (och i mycket hög hastighet), som i en ångturbin.
Det bör noteras att i en MHD-generator kan inte bara gas (plasma), utan även flytande metaller användas som arbetsvätska. För närvarande stor uppmärksamhet locka plasma MHD-generatorer. De kan vara öppna eller stängda. Vi talar om en plasma MHD-installation av öppen typ.
Vid utgången från MHD-generatorns kanal har förbränningsprodukterna (plasma) fortfarande en hög temperatur, vanligtvis cirka 2000 ° C. Vid en lägre temperatur blir plasman otillräckligt elektriskt ledande och därför är det att fortsätta processen i MHD-generatorn. olönsam.
Samtidigt har förbränningsprodukterna vid utgången från MHD-generatorns kanal, som sagt, också en hög temperatur (högre än i ugnen i en konventionell panna), och deras värmeenergi ska naturligtvis användas. Det enklaste sättet att lösa detta problem är att göra installationen i två steg (se fig. 23).
Så, bränsle, en lätt joniserande tillsats och ett uppvärmt oxidationsmedel (till exempel syreberikad luft) tillförs förbränningskammaren. Förbränningsprodukter med en temperatur på ca 2600°C kommer in genom munstycket in i MHD-generatorns kanal ( Kanalen i figuren visas schematiskt. Det magnetiska systemet som skapar magnetfältet, strömborttagningssystemet och kylningen av kanalväggarna visas inte.), och från kanalen (vid en temperatur på cirka 2000 ° C) - in i ånggeneratorn. Här värms vattnet upp på grund av värmen som avgaserna avger och vattenånga bildas och överhettas. I en ånggenerator eller i en separat luftvärmare värms oxidationsmedlet som skickas till förbränningskammaren. Den lätt joniserande tillsatsen tas bort från ånggeneratorn (och används sedan igen). Visat i fig. 23 är ångkraftsdelen av kretsen i princip inte annorlunda än den som visas i fig. 2 och 11 (system för värmekraftverk och kärnkraftverk).
Den största fördelen med ett MHD-kraftverk är att det gör att man kan få hög effektivitet, som tydligen kommer att nå 50-60 ( Ett sådant brett spektrum av MHD-kraftverkseffektivitetsvärden förklaras huvudsakligen av möjligheten att använda olika tekniska lösningar och den uppnådda oxidationsvärmetemperaturen (från 1500 till 2000°C).) mot 40 % för de bästa värmekraftverken. De flesta av de befintliga och för närvarande under uppbyggnad experimentella och pilotindustriella MHD-installationerna är utformade för att drivas på gasbränsle. Men i framtiden är användningen av kol mer lovande.
En annan viktig fördel med MHD-kraftverk är deras höga manövrerbarhet, skapad av möjligheten att helt stänga av MHD-steget.
Visat i fig. 23 kallas MHD-kraftverksdiagrammet öppet eftersom arbetsvätskan i MHD-generatorn är förbränningsprodukter, som efter att ha passerat genom kanalen och ånggeneratorn släpps ut i atmosfären.
I arbetet med att skapa kraftfulla MHD-generatorer måste man möta komplexa vetenskapliga och tekniska frågor. Dessa inkluderar problemet med material för MHD-kanaler, främst för deras heta väggar och elektroder. Naturligtvis skulle det vara möjligt att med intensiv kylning reducera temperaturen på väggarna och elektroderna till en helt acceptabel temperatur, vilket möjliggör långvarig drift, men detta skulle leda till en stor värmeförlust och till en minskning av effektiviteten av MHD-generatorn, såväl som en minskning av temperaturen i väggen och plasmaskikten nära elektrod, en minskning av deras elektriska ledningsförmåga och försämrar i slutändan generatorns prestanda. Utmaningen är att skapa material för varma väggar och elektroder som kan fungera under lång tid och tillförlitligt vid högsta möjliga temperatur. hög temperatur. Mycket hopp sätts på zirkoniumdioxid som material för elektroder och på metalloxider, i synnerhet magnesiumoxid, för heta väggar.
Det är inte en lätt uppgift att skapa ett magnetiskt system, särskilt med tanke på att det är önskvärt att ha en induktion på 5 - 6 Tesla (50 - 60 tusen gauss), och kanalens längd bör vara cirka 20 m att det mest lovande är ett supraledande magnetiskt system kylt av flytande helium.
Det finns andra komplexa frågor som måste lösas. Dessa inkluderar: skapandet av en effektiv elektrisk växelriktare för att omvandla likström till växelström (likström erhålls i en MHD-generator), en anordning för att ta bort en lätt joniserad tillsats, skapandet av en ånggenerator med specialfunktioner och några andra .
Trots alla svårigheter är arbetet inom området MHD-energiomvandling så långt framskridet i Sovjetunionen att det just nu pågår arbete med att skapa en industriell MHD-installation med en kapacitet på cirka 500 MW.
Det kan antas att kraftfulla MHD-installationer i framtiden kommer att användas vid kärnkraftverk. Då kommer platsen för förbränningskammaren att tas av en kärnreaktor, och arbetsvätskan i MHD-generatorn kommer naturligtvis inte att vara förbränningsprodukter, utan en lättare joniserad gas, till exempel helium. Eftersom helium naturligt kommer att cirkulera i en sluten slinga (kretsen i ett MHD-kraftverk kallas sluten), kan den dyrare cesiummetallen, men som mer signifikant ökar plasmans elektriska ledningsförmåga, användas som en lätt joniserande tillsats. Med hänsyn till allt som har sagts kan den erforderliga maximala temperaturen för helium-cesiumplasman vara lägre - i storleksordningen 1500 ° C (och inte 2600 ° C, som för den betraktade öppna kretsen).
Därför måste helium i en kärnreaktor värmas upp till minst 1500°C. För närvarande existerar inte sådana högtemperaturkärnreaktorer. Men vi kan hoppas att deras skapelse är en tidsfråga.
Bland andra metoder för direkt energiomvandling är användningen av fotoelektriska omvandlare av stort intresse (de har redan diskuterats i avsnittet " Solenergi"), termoelektriska generatorer, termionomvandlare och bränsleceller. Utsikterna för att använda dessa metoder och anordningar i den storskaliga energisektorn är dock ännu inte helt klarlagda. Därför kommer vi kort att uppehålla oss vid dem.
Termoelektriska generatorer (TEG). Driften av en termoelektrisk generator är baserad på Seebeck-effekten, välkänd inom fysiken. Det består i det faktum att i en elektrisk krets som består av olika element, förutsatt att kontakterna (övergångarna) mellan dem har olika temperaturer, uppstår en elektromotorisk kraft.
I fig. Figur 24 visar en sådan elektrisk krets bestående av två ledare - koppar och konstantan (en legering av koppar och nickel), som används för att mäta temperatur. En av korsningarna är vid den temperatur som behöver mätas ( tn), och den andra vid en konstant temperatur ( t 0), till exempel vid en praktiskt taget konstant temperatur av en blandning av vatten och is. Genom storleken på den elektromotoriska kraften mätt med en galvanometer är det möjligt att bestämma med en hög grad av noggrannhet tn.
Om du gör en elektrisk krets av seriekopplad olika material(vanligtvis halvledare), med andra ord en krets av individuella termoelement, då får du en termoelektrisk generator. Den elektromotoriska kraft som den skapar kommer att vara proportionell mot antalet termoelement.
Således omvandlar termoelementet, liksom MHD-generatorn, termisk energi till elektrisk energi. Följaktligen styrs termoelementets effektivitet av termodynamikens andra lag.
Tyvärr är termoelektriska generatorer fortfarande dyra och deras effektivitet är låg. Därför används de som små, vanligtvis autonoma, energikällor.
Termionomvandlare (TEC). Om någon fast kropp (metall, halvledare) placeras i ett vakuum, kommer ett visst antal elektroner i denna kropp att gå in i vakuumet ( Det beskrivna fenomenet observeras även i vätskor.). Detta fenomen kallas termionisk emission, och den fasta kroppen som emitterar elektroner kallas en emitter. Ju högre emittertemperatur, desto större elektronemission. Under emissionen av elektroner kyls emittern. En tid efter starten av elektronemission (efter att kroppen placerats i ett vakuum) kommer jämvikt att upprättas: hur många elektroner per tidsenhet kommer ut ur fast på grund av elektronemission kommer samma mängd att återföras till den som ett resultat av den så kallade kondensationen av elektroner. Nedkylning av ett fast ämne i jämviktstillstånd sker inte längre.
Men du kan göra det annorlunda: placera två kroppar (två elektroder) i ett vakuum, och värme tillförs en av dem (emitterelektroden) och hålls vid en högre temperatur, och värme avlägsnas från den andra (kollektorelektroden) så att temperaturen förblev lägre.
Om sändaren och kollektorn nu är stängda av en extern elektrisk krets, kommer ström att flyta genom den; Den beskrivna enheten kommer att bli en strömkälla, en termionomvandlare (TEC). Av ovanstående följer att TEC (liksom TEG) omvandlar termisk energi till elektrisk energi (som går förbi steget mekanisk energi) och är därför föremål för de begränsningar som fastställs av termodynamikens andra lag.
Om det med hjälp av TEP skulle vara möjligt att erhålla stora mängder el, och dess viktigaste tekniska och ekonomiska indikatorer (kostnad och effektivitet) var gynnsamma, skulle energisektorn få, i form av TEP, en bra elgenerator som arbetar på principen om direkt energiomvandling.
För närvarande har sådana tekniska och ekonomiska indikatorer för TEP ännu inte uppnåtts som skulle kunna tillfredsställa energiindustrin. Därför används fortfarande TEC, som TEG, i de fall där relativt låg effekt krävs. Arbetet med att förbättra TEP-indikatorerna bedrivs dock i hög takt.
Bränsleceller. En bränslecell omvandlar direkt kemisk energi till elektrisk energi. Vad är funktionsprincipen och hur är strukturen hos en bränslecell?
Man kan till exempel bränna väte i en syreatmosfär. Som ett resultat bildas vatten och värme frigörs, som sedan kan användas i en termisk motor. Eller så kan man gå åt andra hållet, som man gör i en bränslecell, genom att dela upp väteförbränningsreaktionen i två processer, varav den ena involverar väte och den andra - syre.
Bränslecellsdiagrammet visas i fig. 25. Den består av två elektroder, varav den ena försörjs med väte och den andra med syre, och en elektrolyt. En väsentlig skillnad mellan en bränslecell och ett elektriskt batteri och dess fördel är att tillgången på bränsle och oxidationsmedel i bränslecellen, i detta fall väte och syre, kontinuerligt fylls på.
Väte, som faller på en metallelektrod och är vid separationen av tre faser - fast elektrod, elektrolyt och gasfas - går in i atomtillståndet (dess diatomiska molekyl är uppdelad i atomer), och atomerna delas in i fria elektroner och atomkärnor (joner). Elektroner går in i metallen och atomkärnor går in i lösningen (elektrolyt). Som ett resultat är elektroden mättad med negativt laddade elektroner, och elektrolyten är mättad med positivt laddade joner.
En liknande process inträffar på den andra elektroden, till vilken syre tillförs. Som ett resultat av processer som sker vid elektrodens yta uppträder positiva elektriska laddningar på den. Dessutom uppstår negativt laddade OH-joner, som förblir i elektrolyten och, i kombination med vätejoner, bildar vatten.
Om du ansluter båda elektroderna med en extern krets uppstår en elektrisk ström (bild 25). På så sätt omvandlas kemisk energi till elektrisk energi. Eftersom en bränslecell inte har det mellanliggande steget att omvandla kemisk energi till termisk energi, har dess effektivitet inte de begränsningar som en värmemotor har. Väte-syreelementet arbetar vid låga temperaturer och dess effektivitet kan lätt nå 65 - 70%.
Man ska dock inte tro att det är enkelt och enkelt att skapa en bränslecell. Vanligtvis är allt relativt enkelt så länge vi pratar om schemat, men så snart du går vidare till dess implementering dyker det upp många svårigheter. Det är därför ingen slump att idén om en bränslecell dök upp i mitten av 1800-talet, men än i dag finns det ingen lämplig design för utbredd användning.
Det finns många svårigheter i bränslecellsproblemet: att utföra alla processer med hög hastighet (nyckeln till att erhålla stora absoluta och specifika krafter); val av material och skapande av högkvalitativa elektroder; skapande av högeffektiva elektrolyter (flytande och fasta beroende på typen av bränslecell); möjlighet att arbeta på billigt bränsle.
Uppfinningen avser friströmsenergiomvandlare, till exempel inom området vindkraft, icke-traditionell energi, vattenkraft, såväl som instrumentering. Två fysiska effekter används tillsammans: självsvängningar och elektromagnetisk induktion. Energin i det mötande flödet omvandlas på grund av elektromagnetisk induktion som uppstår vid självsvängningar av metallsträngar (elastiska ledare) placerade i det mötande flödet och placerade i ett magnetfält. Enligt lagen om elektromagnetisk induktion blir en metallsträng, som gör oscillerande rörelser i ett magnetfält, en generator av elektrisk energi (ström). En funktion i metoden låter dig öka omvandlarens kraft genom att öka antalet strängar i omvandlaren till det antal som krävs. 1 sjuk.
Uppfinningen avser friströmsenergiomvandlare och kan användas inom området vindkraft, icke-traditionell energi, vattenkraft, såväl som instrumentering.
Att konvertera rörelseenergi strömmar in i elektricitet, är vindkraftverk med vertikal och horisontell rotationsaxel kända.
Vindkraftverk med en vertikal rotationsaxel har ett antal nackdelar:
Tröghet;
De använder växellådor, vilket avsevärt minskar vindkraftverkets effektivitet och tillförlitlighet.
Den begränsade storleken på vindkraftverkens blad med en horisontell axel bestämmer begränsningen av kraften hos vindturbiner, och användningen av en anordning för att vrida pumphjulet i en riktning vinkelrät mot vindflödets rörelse orsakar en minskning av tillförlitligheten och effektiviteten hos vindturbinen, och ökar också dess kostnad.
En flödesenergiomvandlare är känd (se RU 2142572 C1, publicerad den 10 december 1999, IPC 6 F 03 D 5/06), som använder omvandlingen av flödets kinetiska energi till potential och sedan till mekanisk. En ihålig kropp används för detta. Den ersätter pumphjulet (bladen), vilket minskar storleken och ökar tillförlitligheten hos flödesenergiomvandlaren.
Nackdelen med denna omvandlare är användningen av mekaniska rörelseomvandlare, som minskar effektiviteten, tillförlitligheten och ökar kostnaden och storleken på flödesenergiomvandlaren.
Den närmaste lösningen (prototyp) är en metod för energiomvandling, som består i att omvandlingen utförs på grund av elektromagnetisk induktion genom att placera en ledare i ett magnetfält och exponera den för ett inkommande flöde (se JP 11294314, IPC 7 F 03 D 9/00, 10.26.1999).
Nackdel den här metodenär dess låga effektivitet.
Det tekniska syftet med uppfinningen är att öka effektiviteten av att använda denna metod.
Det tekniska resultatet uppnås genom det faktum att i metoden för energiomvandling, som består i det faktum att omvandlingen utförs på grund av elektromagnetisk induktion genom att placera en ledare i ett magnetfält och exponera den för ett inkommande flöde, elastiska metallsträngar placeras som konduktör.
En illustration av den föreslagna omvandlarens funktion visas på ritningen.
Självsvängningar av en sträckt metallsträng 1 placerad i ett magnetfält 2 stöds av kinetisk energi från det mötande flödet 3.
Frekvensen och amplituden för stabila oscillationer bestäms av strängens parametrar och parametrarna för dess interaktion med det mötande flödet. Strängens vibrationsfrekvens (ν):
där S är tvärsnittsarean;
Q - spänning;
ρ - materialdensitet;
n är ett heltal.
Enligt lagen om elektromagnetisk induktion blir en metallsträng (1), som utför oscillerande rörelser i ett magnetfält (2), en generator av elektrisk energi (ström).
Den resulterande elektromotoriska kraften (∈) kan uppskattas med hjälp av formeln:
där v är rörelsehastigheten;
B - magnetisk fältstyrka;
l är längden på ledaren;
α är vinkeln mellan magnetfältslinjerna och strängen.
En funktion i metoden låter dig öka omvandlarens kraft genom att öka antalet strängar i omvandlaren till det antal som krävs.
En metod för energiomvandling, som består i att omvandlingen utförs på grund av elektromagnetisk induktion genom att placera en ledare i ett magnetfält och utsätta den för ett inkommande flöde, kännetecknad av att elastiska metallsträngar placeras som en ledare.
En grupp ryska forskare har uppfunnit en unik enhet som gör att de kan producera enorma mängder gratis el.
Den berömda ryska vetenskapsmannen A.O. Shakhinov sa om honom: "Denna uppfinning är mycket relevant för vårt 21:a århundrade, så en gång, när ett vattenkraftverk uppfanns, inträffade en revolution, det var möjligt att få energi utan att spendera resurserna från de redan uttömda reserverna. av jordens mineraltillgångar."
Enheten producerar elektricitet bokstavligen från tunn luft. Denna energiomvandlare är särskilt lämplig för stora moderna städer.
Detta är inte ett vattenkraftverk som nödvändigtvis kräver en flod.
Det är inte en tidvattenstation som nödvändigtvis kräver havet eller sjön. Och det är inte vindkraftverk, som bara fungerar om det blåser. Vår energiomvandlare fungerar i vilken modern stad som helst och är inte beroende av vatten, vind, tidvatten eller tidvatten.
Kärnan i uppfinningen: speciella inbyggda paneler på stadsvägar.
När någon typ av fordon kolliderar med en sådan panel genereras energi. Dessutom producerar det mycket Ett stort antal energi. Observera att om du placerar en sådan panel på en trafikerad motorväg kommer energin att flöda oändligt.
Enligt våra experter kommer två sådana enheter att kunna driva en stor byggnad med 9 våningar och 108 lägenheter dygnet runt! Observera att det inte tillkommer några andra kostnader än det första köpet och installationen av omvandlaren. Ett sådant hus kommer inte att vara beroende av några andra kraftverk än sina egna - lokala.
När du bygger nya hus kan du lägga till vår omvandlare i projektet. Och efterfrågan på sådana bostäder kommer att bli riktigt stor. När allt kommer omkring, vem vill köpa en lägenhet där du hela tiden måste betala för el - om du kan köpa bostäder som du kan bo i och inte oroa dig för stigande elpriser. Energi i sådana hus kommer att vara helt gratis.
Men inte bara bostadshus kan hämta energi från omvandlaren. Det finns trots allt företag överallt som behöver en konstant kraftkälla.
Här är ett alternativ. Om ett par omvandlare är installerade på flygplatsen, kommer flygplatsen inte att behöva ledningar från andra kraftverk, som, som alltid, inte finns i närheten. Förutom att det inte blir några extra kostnader för kilometer med ledningar, kommer det inte heller att behövas betala ett oändligt antal räkningar från kraftverk, som tar bort en betydande del av vinsten. En sådan flygplats kommer att kunna glömma kvitton på elbetalningar. Det kommer inte att behövas dem.
Låt oss ta staden som en helhet. Om 100 sådana enheter installeras längs huvudvägen, kommer en sådan väg att driva hela staden. Miljöprestanda kommer att förbättras avsevärt. Och skrymmande strukturer i form av fruktansvärda rökande skorstenar kommer att försvinna.
Det vill säga att det är ett miljövänligt, säkert och gratis sätt att generera energi.
Omvandlaren är en växellåda med en energilagringsanordning - ett svänghjul, som snurrar upp på grund av påskjutarens translationella rörelse och rotationen av drivenhetens växelsektor. Påskjutaren är vertikalt infälld av en gångjärnsförbindning av två metallplattformar över hela vägbanans bredd, med en optimal längd av 20 meter på båda sidor om gångjärnet, och gångjärnets övre punkt från vägytans plan är på en höjd av 0,5 meter.
Fordonet, som rör sig längs plattformarna, drar in pushern genom gångjärnet och snurrar svänghjulet - en energilagringsenhet.
Efter att fordonet passerat genom plattformarna återgår de senare till sin ursprungliga position med den enklaste returmekanismen.
Således använder omvandlaren en sekundär energikälla, den primära (olja, gas, kol) har redan använts på fordonets rörelse, medan elfordon kan överföras till direkt ström från omvandlare installerade på vägarna.
Projektet är redo för implementering, och organisationen av projektet genomförs på grundval av vilket maskinbyggande företag som helst och förändrar inte i grunden och väsentligen organisationen av produktionen som arbetar där.
Omvandlaren innehåller en kraftenhet, inklusive kinematiskt sammankopplade last- och utjämningsmekanismer och en energikonsumentaxel. Lastmekanismen är gjord i form av två rörliga plattformar som är gångjärnsförsedda och kopplade till varandra. Plattformarna installeras med sina stödsidor med möjlighet till fram- och återgående rörelse av stödsidorna i riktning mot vägens längdaxel. Plattformarna är en del av vägbanan. Axeln för plattformarnas ledade led är orienterad parallellt med plattformarnas stödsidor och vinkelrätt mot vägens längdaxel.
Balanseringsmekanismen är gjord i form av en returmekanism, som innehåller minst två fästen placerade på båda sidor av vägen, minst två block placerade på fästena, minst två vikter och minst två kablar, som vardera har ena änden genom blocket är den ansluten till en av lasterna, och den andra - till lastmekanismen direkt vid gångjärnsleden. Den kinematiska anslutningen av lastmekanismen med energiförbrukarens axel utförs genom en kraftdrivning.
Drivanordningen innehåller en påskjutare, en vevstake, en växelsektor, en spärrmekanism med driv och drivna kugghjul, ett drivhjul på energiförbrukaraxeln och ett driven drev på energiförbrukaraxeln, stelt anslutna till denna axel.
1998 värderade ett värderingsföretag det åt oss (prototyp) - 48 tusen dollar. Men detta är utan att installera enheten på vägen.
Med sin installation på vägen blir det ungefär dubbelt så mycket, d.v.s. cirka 100 tusen dollar.
Återbetalningstiden för projektet är 1 år.
A. N. BEREKEL
Elektriska maskiner är indelade efter ändamål i två huvudtyper: elektriska generatorer Och elektriska motorer. Generatorer är utformade för att generera elektrisk energi, och elmotorer är utformade för att driva hjuluppsättningar av lokomotiv, rotera axlarna på fläktar, kompressorer, etc.
I elektriska maskiner sker energiomvandlingsprocessen. Generatorer omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi. Det betyder att för att generatorn ska fungera måste dess axel roteras av någon typ av motor. På ett diesellokomotiv drivs generatorn till exempel av en dieselmotor, på ett värmekraftverk - av en ångturbin.
Elmotorer, å andra sidan, omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi. Därför, för att motorn ska fungera måste den vara ansluten med ledningar till en elektrisk energikälla, eller, som de säger, ansluten till det elektriska nätverket.
Funktionsprincipen för alla elektriska maskiner är baserad på användningen av fenomenen elektromagnetisk induktion och uppkomsten av elektromagnetiska krafter under interaktionen av ledare med ström och ett magnetfält. uppstår under drift av både generatorn och elmotorn. Därför pratar de ofta om generator- och motordriftssätten för elektriska maskiner.
I roterande elektriska maskiner är två huvuddelar involverade i energiomvandlingsprocessen: en armatur och en induktor med dess lindningar, som rör sig i förhållande till varandra. En induktor skapar ett magnetfält i en bil. I ankarlindningen. och en elektrisk ström uppstår. När strömmen i ankarlindningen interagerar med magnetfältet skapas elektromagnetiska krafter, genom vilka processen för energiomvandling i maskinen realiseras.
Om genomförandet av energiomvandlingsprocessen i en elektrisk maskin
Följande bestämmelser följer av Poincarés och Barkhausens grundläggande elektriska kraftsatser:
1) direkt ömsesidig omvandling av mekanisk och elektrisk energi är endast möjlig om den elektriska energin är energin från växelström;
2) för att utföra processen för sådan energiomvandling är det nödvändigt att det i systemet med elektriska kretsar avsedda för detta ändamål finns antingen en förändrad elektrisk induktans eller en förändrad elektrisk kapacitans,
3) för att omvandla energin hos växelström till energin hos likström, är det nödvändigt att systemet med elektriska kretsar avsett för detta ändamål har ett växlande elektriskt motstånd.
Från den första positionen följer att mekanisk energi kan omvandlas i en elektrisk maskin endast till energin av elektrisk växelström eller vice versa.
Den uppenbara motsägelsen av detta uttalande med faktumet att det finns elektriska maskiner med likström löses av det faktum att vi i en "DC-maskin" har en tvåstegs energiomvandling.
Sålunda, i fallet med en elektrisk maskingenerator för likström, har vi en maskin i vilken mekanisk energi omvandlas till växelströmsenergi, och denna senare, på grund av närvaron av en speciell anordning som representerar "variabel elektrisk resistans", omvandlas till likströmsenergi.
I fallet med en elektrisk maskinmotor går processen uppenbarligen i motsatt riktning: den elektriska likströmsenergin som tillförs den elektriska maskinmotorn omvandlas genom det förutnämnda växlande motståndet till växelströmsenergi och den senare till mekanisk energi.
Rollen för det nämnda växlande elektriska motståndet spelas av en "glidande elektrisk kontakt", som i en konventionell "DC-kommutatormaskin" består av en "elektrisk maskinborste" och en "elektrisk maskinkommutator", och i en "unipolär DC-elektrisk maskin" av en "elektrisk maskinborste" och "elektriska maskinkommutatorer".
Eftersom det för att skapa en energiomvandlingsprocess i en elektrisk maskin är nödvändigt att ha antingen "varierande elektrisk induktans" eller "varierande elektrisk kapacitans" i den, kan den elektriska maskinen tillverkas antingen enligt principen om elektromagnetisk induktion eller på principen om elektrisk induktion. I det första fallet får vi en "induktiv maskin", i det andra - en "kapacitiv maskin".
Kapacitiva maskiner har ännu ingen praktisk betydelse. Elektriska maskiner som används inom industri, transport och vardagsliv är induktiva maskiner, bakom vilka i praktiken det korta namnet "elektrisk maskin" har slagit rot, vilket i grunden är ett vidare begrepp.
Principen för drift av en elektrisk generator.
Den enklaste elektriska generatorn är en spole som roterar i ett magnetfält (Fig. 1, a). I denna generator representerar varv 1 ankarlindningen. Induktorn är permanentmagneter 2, mellan vilka ankaret 3 roterar.
Ris. 1. Schematiska diagram av den enklaste generatorn (a) och elmotorn (b)
När spolen roterar med en viss rotationsfrekvens n, skär dess sidor (ledare) magnetfältlinjerna för flödet Ф och ett e induceras i varje ledare. d.s. e. När det accepteras i fig. 1, och rotationsriktningen för ankaret är t.ex. d.s. i en ledare belägen under sydpolen, enligt regeln höger hand riktad bort från oss, och e. d.s. i en ledare belägen under nordpolen - till oss.
Om du ansluter en elektrisk energimottagare 4 till ankarlindningen, kommer elektrisk ström I att flyta genom den slutna kretsen I ankarlindningens ledare kommer ström I att riktas på samma sätt som t.ex. d.s. e.
Låt oss ta reda på varför, för att rotera en armatur i ett magnetfält, är det nödvändigt att förbruka mekanisk energi som erhålls från en dieselmotor eller turbin (primärmotor). När ström i passerar genom ledare placerade i ett magnetfält, verkar en elektromagnetisk kraft F på varje ledare.
När det anges i fig. 1, och i strömriktningen enligt vänsterregeln kommer en kraft F riktad åt vänster att verka på en ledare belägen under sydpolen, och en kraft F riktad till höger kommer att verka på en ledare belägen under Nordpolen. Dessa krafter skapar tillsammans ett elektromagnetiskt moment M riktat medurs.
Från betraktande av fig. 1, men det är klart att det elektromagnetiska momentet M, som uppstår när generatorn släpper ut elektrisk energi, är riktat i motsatt riktning mot ledarnas rotation, så det är ett bromsmoment som tenderar att bromsa rotationen av generatorankaret.
För att förhindra att ankaret stannar är det nödvändigt att applicera ett externt vridmoment Mvn på ankaraxeln, mitt emot momentet M och lika med det i storlek. Med hänsyn till friktion och andra interna förluster i maskinen måste det externa vridmomentet vara större än det elektromagnetiska vridmomentet M som skapas av generatorns belastningsström.
Följaktligen, för att fortsätta den normala driften av generatorn, är det nödvändigt att tillföra mekanisk energi till den från utsidan - för att rotera dess ankare med någon typ av motor 5.
När det inte finns någon belastning (med generatorns externa krets öppen), går generatorn på tomgång. I detta fall är endast den mängd mekanisk energi som krävs från dieselmotorn eller turbinen nödvändig för att övervinna friktionen och kompensera för andra interna energiförluster i generatorn.
Med en ökning av generatorns belastning, det vill säga den elektriska kraften Rel den producerar, ökar strömmen I som passerar genom ledarna i ankarlindningen och bromsmomentet M som skapas av den. Följaktligen ökar den mekaniska effekten Pmx måste ta emot från en dieselmotor eller turbiner för att fortsätta normal drift.
Således, ju mer elektrisk energi som förbrukas till exempel av elmotorerna i ett diesellokomotiv från en lokgenerator, desto mer mekanisk energi tar det från dieselmotorn som roterar den och desto mer bränsle måste tillföras dieselmotorn.
Av driftsförhållandena för en elektrisk generator som diskuterats ovan följer att den kännetecknas av:
1. sammanträffande i riktningen av strömmen i och e. d.s. i ankarlindningens ledare. Detta indikerar att maskinen levererar elektrisk energi;
2. förekomsten av ett elektromagnetiskt bromsmoment M riktat mot ankarets rotation. Detta innebär att maskinen måste få mekanisk energi utifrån.
Funktionsprincip för en elmotor.
I princip är elmotorn utformad på samma sätt som en generator. Den enklaste elmotorn är en spole 1 (fig. 1, b), belägen på ett ankare 3, som roterar i magnetfältet hos polerna 2. Ledarna i spolen bildar ankarlindningen.
Om du ansluter spolen till en elektrisk energikälla, till exempel till ett elektriskt nätverk 6, kommer en elektrisk ström I att börja flyta genom var och en av dess ledare. Denna ström, som interagerar med polernas magnetfält, skapar elektromagnetisk tvingar F.
När det anges i fig. 1, b i strömriktningen, kommer en kraft F riktad åt höger att verka på ledaren belägen under sydpolen, och en kraft F riktad åt vänster kommer att verka på ledaren belägen under nordpolen. Som ett resultat av den kombinerade verkan av dessa krafter skapas ett elektromagnetiskt vridmoment M, riktat moturs, vilket får ankaret och ledaren att rotera med en viss frekvens n. Om du ansluter ankaraxeln till någon mekanism eller enhet 7 (hjulsats på ett diesel- eller ellok, verktygsmaskin, etc.), kommer elmotorn att få denna enhet att rotera, det vill säga ge den mekanisk energi. I det här fallet kommer det externa momentet Mvn som skapas av denna enhet att riktas mot det elektromagnetiska momentet M.
Låt oss ta reda på varför elektrisk energi förbrukas när ankaret på en elektrisk motor som arbetar under belastning roterar. Som det konstaterades, när ankarledarna roterar i ett magnetfält, induceras ett e i varje ledare. d.s, vars riktning bestäms av högerregeln. Därför, med data som visas i fig. 1, b rotationsriktning e. d.s. e inducerad i en ledare belägen under sydpolen kommer att riktas bort från oss, och e. d.s. e, inducerad i en ledare belägen under nordpolen, kommer att riktas mot oss. Från fig. 1, b är det klart att t.ex. d.s. e, inducerade i varje ledare, är riktade mot strömmen i, dvs de förhindrar dess passage genom ledarna.
För att strömmen i ska fortsätta att flyta genom ankarledarna i samma riktning, det vill säga för att elmotorn ska fortsätta att fungera normalt och utveckla det erforderliga vridmomentet, är det nödvändigt att applicera en extern spänning U på dessa ledare, riktad mot e. d.s. och större i magnitud än det totala e. d.s. E inducerad i alla seriekopplade ledare i ankarlindningen. Därför är det nödvändigt att leverera elektrisk energi till elmotorn från nätverket.
I frånvaro av belastning (externt bromsmoment applicerat på motoraxeln) förbrukar elmotorn en liten mängd elektrisk energi från en extern källa (nät) och en liten tomgångsström passerar genom den. Denna energi går åt för att täcka interna strömförluster i maskinen.
När belastningen ökar ökar strömmen som förbrukas av elmotorn och det elektromagnetiska vridmoment den utvecklar. Följaktligen orsakar en ökning av den mekaniska energin som ges av elmotorn när belastningen ökar automatiskt en ökning av den elektricitet den tar från källan.
Av driftsförhållandena för en elektrisk motor som diskuterats ovan följer att den kännetecknas av:
1. sammanfallande riktning för det elektromagnetiska momentet M och rotationshastigheten n. Detta kännetecknar maskinens produktion av mekanisk energi;
2. förekomsten av e i ankarlindningens ledare. d.s., riktad mot strömmen i och den externa spänningen U. Detta innebär att maskinen måste ta emot elektrisk energi utifrån.
Principen för reversibilitet för elektriska maskiner
Med tanke på principen för driften av en generator och en elmotor, fann vi att de är utformade på samma sätt och att driften av dessa maskiner har mycket gemensamt.
Processen att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi i en generator och elektrisk energi till mekanisk energi i en motor är förknippad med induktionen av t.ex. d.s. i ankarlindningsledarna som roterar i ett magnetfält och uppkomsten av elektromagnetiska krafter som ett resultat av interaktionen mellan magnetfältet och ledarna med ström.
Skillnaden mellan en generator och en elmotor är endast i den relativa riktningen av e. d.s, ström, elektromagnetiskt vridmoment och rotationshastighet.
Genom att sammanfatta de övervägda processerna för driften av generatorn och elmotorn kan vi fastställa principen om reversibilitet för elektriska maskiner. Enligt denna princip Vilken elektrisk maskin som helst kan fungera som både generator och elmotor och växla från generatorläge till motorläge och vice versa.
Ris. 2. Riktning e. d.s. E, ström I, ankarrotationsfrekvens n och elektromagnetiskt vridmoment M vid drift av en elektrisk likströmsmaskin i motorläge (a) och generator (b).
För att klargöra denna situation, låt oss överväga arbete under olika förhållanden. Om den externa spänningen U är större än den totala e. d.s. E. i alla seriekopplade ledare i ankarlindningen, kommer strömmen I att flyta i den riktning som anges i fig. 2, och i den riktning som maskinen kommer att fungera som en elektrisk motor, som förbrukar elektrisk energi från nätverket och frigör mekanisk energi.
Men om av någon anledning e. d.s. E blir större än den externa spänningen U, då kommer strömmen I i ankarlindningen att ändra riktning (fig. 2, b) och sammanfalla med e. d.s. E. I detta fall kommer även riktningen för det elektromagnetiska momentet M att ändras, vilket kommer att riktas mot rotationshastigheten n. Tillfällighet i riktning e. d.s. E och ström I betyder att maskinen har börjat leverera elektrisk energi till nätet, och uppkomsten av ett bromsande elektromagnetiskt vridmoment M indikerar att den måste förbruka mekanisk energi utifrån.
Därför, när e. d.s. E, inducerad i ankarlindningsledarna, blir större än nätverksspänningen U, maskinen går från motorläge arbete i generatorn, dvs vid E< U fungerar maskinen som en motor, och när E > U fungerar den som en generator.
Överföringen av en elektrisk maskin från motorläge till generatorläge kan utföras olika sätt: minska spänningen U för källan till vilken ankarlindningen är ansluten, eller öka e. d.s. E i ankarlindningen.
Provfrågor och svar på disciplinen
"Kraftinstallationer och elektrisk utrustning för fartyget",
för andra års kadetter "Navigation",
3:e terminen.
1. Principer för omvandling av mekanisk energi till elektrisk energi och vice versa.
Elektriska maskiner är konstruerade för att omvandla mekanisk energi till elektrisk energi (generatorer) och elektrisk energi till mekanisk energi (motorer). Funktionsprincipen för alla elektriska maskiner bygger pålagen om elektromagnetisk induktionoch uppkomsten av elektromagnetisk kraft.
När en rak ledare, sluten genom en extern krets till en last, rör sig med konstant hastighet i ett enhetligt magnetfält, induceras en konstant emk i ledaren. Med. elektromagnetisk induktion, och en elektrisk ström uppstår i en sluten krets (Fig. 22, a) . Riktning e. d.s. i en ledare bestäms av högerregeln (fig. 22,c), och dess värde bestäms av formeln
E= Blv syndA,(21)
Var I- magnetisk induktion, som karakteriserar magnetfältets intensitet; l - aktiv längd av ledaren penetrerad av magnetiska fältlinjer, m; v - ledarens rörelsehastighet i ett magnetfält, m/s: a - vinkel mellan riktningen för ledarens rörelsehastighet och riktningen för den magnetiska induktionsvektorn.
Om ledaren rör sig vinkelrätt mot magnetfältslinjerna, då är a = 90°, ett e. d.s. kommer att vara maximalt:
Strömmens riktning i ledaren sammanfaller med riktningen för e. d.s.
En elektromagnetisk kraft (N) verkar på en strömförande ledare. Denna kraft hindrar ledaren från att röra sig i ett magnetfält. Riktningen för den elektromagnetiska kraften bestäms av vänsterregeln (fig. 22d). För att övervinna det behövs yttre kraft. För att ledaren ska kunna röra sig med konstant hastighet är det nödvändigt fäst externtvinga, lika i storlek och motsatt riktad till den elektromagnetiska kraften.
Av ovanstående följer att mekanisk kraft, spenderas på en ledares rörelse i ett magnetfält omvandlas till elektrisk kraft i ledarkretsen.
I fartygsgeneratorer skapas extern kraft av drivmotorer (diesel, turbin).
Omvandla elektrisk energi till mekanisk energi. När en elektrisk ström i en riktning leds genom en rak ledare belägen i ett enhetligt magnetfält, uppstår en elektromagnetisk kraft , under påverkan av vilken ledaren rör sig i ett magnetfält med linjär hastighet V(Fig. 22, b) Ledarens rörelseriktning sammanfaller med den elektromagnetiska kraftens verkningsriktning och bestäms av vänsterregeln. Under en ledares rörelse induceras en emk i den. , riktad mot spänning U källa till el. En del av denna spänning spenderas på det inre motståndet hos ledaren R.
Därmed omvandlas den elektriska kraften i ledaren till
mekaniska och delvis spenderas på värmeförluster av ledaren Det är på denna princip som driften av elektriska motorer är baserad.
2. Principer för att erhålla växel- och likström.
I riktiga elektriska maskiner tillverkas ledare strukturellt i form av ramar. För att minska maskinens magnetiska motstånd och därför öka e-värdena. d.s. och verkningsgrad i generatorer, vridmoment och verkningsgrad i elmotorer, de aktiva sidorna av ramen placeras i spåren på en cylindrisk stålkärna (armatur), som tillsammans med ramen fäst på den kan rotera fritt i ett magnetfält. För samma ändamål anges magnetens poler speciell form, där fältlinjerna alltid är riktade vinkelrätt mot rörelseriktningen för de aktiva sidorna av ramen, och den magnetiska induktionen i luftgapet mellan polerna och ankaret är jämnt fördelad (fig. 23, a).
Om, med hjälp av en yttre kraft, ankaret tillsammans med ramen roteras i polernas magnetfält, så i enlighet med lagen om elektromagnetisk induktion i de aktiva sidorna ab och CD ramar induceras av t.ex. d. s, riktad i en riktning och summerbar.
När de aktiva sidorna passerar genom ett plan vinkelrätt mot magnetfältet, t.ex. d.s. ändra sin riktning. I ramen kommer emk:n att verka, varierande både i storlek och riktning. Om ändarna av ramen är anslutna till ett externt mål genom släpringar, kommer växelström att flyta i kretsen.
Fig 23 Princip för att erhålla växelström
1 - borstar. 2 - glidringar, 3 - stålkärna; 4 -ram
För aktuell rättelse Den elektriska maskinen är utrustad med en speciell anordning - samlare. Den enklaste kollektorn består av två isolerade halvringar, till vilka är fästa ändarna av en ram som roterar i ett magnetfält (Fig. 24a).
Kommutatorplattorna är anslutna till den externa kretsen med hjälp av fasta borstar, vars arbetsytor glider fritt längs den roterande kommutatorn. 2. Borstarna på kommutatorn är installerade så att de rör sig från en halvring till en annan i det ögonblick då emissionen induceras i ramen. d.s. lika med noll. Vid vridning 90°, när ramen intar ett horisontellt läge, finns det t.ex. d.s. inte inducerade, eftersom de inte korsar magnetfältet. Strömmen i kretsen är också noll.
Figur 24. Principen för att erhålla likström
När man flyttar ytterligare 90* kommer ramen återigen att ta en vertikal position, dess ledare kommer att byta plats och riktningen för t.ex. d.s och strömmen i dem kommer att ändras. Eftersom borstarna är orörliga, sedan till borsten 3 (+) strömmen från ramen närmar sig fortfarande och leds sedan genom mottagaren till borste 1 (-). Således, i den externa kretsen ändras inte strömriktningen.
Grafen över likriktad emd och ström visas i fig. 24.6. Den likriktade strömmen har en pulserande karaktär. Nuvarande rippel kan minskas genom att öka antalet ramar som roterar i maskinens magnetfält och följaktligen antalet kollektorplattor.
