Преобразование различных видов энергии электрическую. Способы преобразование различных видов энергий в энергетике. Способы передачи энергии

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Энергия (гр. energeia – деятельность) – источник жизни, основа и средство управления всеми природными и общественными системами. Энергия – одно из основных свойств материи – способность производить работу; в широком смысле – сила.

Очевидно, что законы превращения энергии проявляются во всех процессах, происходящих в природе и обществе, включая экономику, культуру, науку и искусство. Энергия – движущая сила мироздания. Компонент энергии есть во всем: в материи, информации, произведениях искусства и человеческом духе.

Фундаментальные законы термодинамики имеют универсальное значение в природе. Любая естественная или искусственная система, не подчиняющаяся этим законам, обречена на гибель. Но для управления энергетическими процессами, прежде всего, необходимо понять роль энергии в экологических системах. Знание закономерностей энергетических потоков в природных экосистемах поможет предсказать будущее антропогенных систем.

Ясно, что будущее зависит от объединения энергетики, экономики и экологии (трех «э») в единую систему взаимосвязанных явлений и процессов. Изучение таких систем требует системного и энергетического подхода, поскольку энергия – это тот фундамент, который позволяет природные ценности перевести в разряд экономических, а экономические – оценивать с позиций экологии.

Природные экологические системы могут служить моделью общих принципов управления, основанного на энергетических процессах. Эти системы существуют на Земле много миллионов лет. Изучив природные системы, можно познать многие законы, справедливые для антропогенных экосистем.

Пища, созданная в результате фотосинтетической деятельности зеленых растений, содержит потенциальную энергию химических связей, которая при потреблении ее животными организмами превращается в другие формы энергии.

Животные, поглощая энергию пищи, большую ее часть переводят в теплоту, а меньшую – в химическую потенциальную энергию.

Энергия существует во многих формах и видах: солнечная, тепловая, химическая, электрическая, атомная, энергия ветра, воды и др . Формы энергии различны по способности производить полезную работу. Энергия слабого ветра, прибоя, маломощных геотермальных источников может произвести небольшое количество работы. Концентрированные формы энергии (нефть, уголь и др.) обладают высоким рабочим потенциалом. Энергия солнечного света по сравнению с энергией ископаемого топлива обладает низкой работоспособностью, а по сравнению с рассеянной низкотемпературной теплотой – высокой. Качество энергии, сконцентрированной в биомассе растений, животных, топливе, отличается от качества рассеянной тепловой энергии.

Качество энергии характеризует ее способность совершать работу, т.е. ее эксергию (гр. ex – высшая степень, ergon – работа).

Эксергия – это максимальная работа, которую совершает термодинамическая система при переходе из данного состояния в состояние физического равновесия с окружающей средой. Эксергией называют полезную долю участвующей в каком-то процессе энергии, значение которой определяется степенью отличия какого-то параметра системы от его значения в окружающей среде.

Для создания энергии более высокого качества необходимы затраты энергии более низкого качества.

Поток солнечной энергии, вовлекаемый в цепь превращений в биосфере, образует порядок и повышает эксергию некоторой части энергии.

Чтобы образовалась 1 ккал биомассы растения, требуется приблизительно в 10 раз меньше килокалорий солнечного света, чем для образования 1 ккал биомассы растительноядного животного. Единица биомассы животного способна совершать работу в соответствующее число раз выше, чем такая же биомасса растений.

В сущности, качество энергии измеряется длиной пути, пройденного ею от Солнца . Энергия высокой концентрации совершает больший объем работы, управляет большим числом процессов. Чтобы сконцентрировать энергию, разные виды ее должны взаимодействовать.

При разработке будущей стратегии в стране и в мире в целом необходимо руководствоваться важнейшим принципом – использовать энергию такого качества, которое соответствует выполняемой работе . Большинство достижений экономики основано на применении многих скрытых косвенных интеллектуальных или дополнительных форм энергии, которые часто не учитываются при оценках стоимости продукции.

Необходимо разрабатывать меры по сохранению, как количества, так и качества энергии.

Сохранение качества энергии – это задача устранения ненужной деградации энергии, ее потерь. Улавливание теплоты с помощью тепловых насосов при производстве электрической энергии – пример энэргосберегающих технологий, препятствующих рассеиванию и потерям энергии. Снижение температуры – энэргоразрушительный процесс, а рециркуляция теплоты – энэргосберегающий.

Энергия – наиболее удобная основа для классификации экосистем. Различают четыре фундаментальных типа экосистем:

1) движимые Солнцем, малосубсидируемые;

2) движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками;

3) движимые Солнцем и субсидируемые человеком;

4) движимые топливом.

По мере углубления энергетического кризиса и роста цен на горючее люди, видимо, будут больше интересоваться использованием солнечной энергии и разрабатывать технологии ее концентрации. Возможно, в будущем и возникнет новый тип экосистем – город, движимый энергией не только топлива, но и Солнца.

В своем развитии человеческое общество прошло через все четыре типа описанных выше экосистем.

Чистая энергия – это энергия на выходе из системы в виде продукции после вычета всех энергозатрат на ее преобразования.

Энергию обратной связи (Э ш), необходимую для поддержания выхода, иногда называют энергетическим штрафом .

Промышленные предприятия, объекты энергетики, связи и транс-юрт являются основными источниками энергетического загрязнения промышленных регионов, городской среды, жилищ и природных зон.

К энергетическим загрязнениям относят:

ü вибрационное и акустическое воздействия;

ü электромагнитные поля и излучения;

ü воздействия радионуклидов и ионизирующих излучений.

Энергия играет важную роль не только для жизни на Земле, но и в любом изменении во Вселенной. Преобразование энергии происходит постоянно изменяя свою форму.

Формы её различны и могут быть:

• химическая
• электромагнитная
• световая
• ядерная
• гравитационная
• механическая
• внутренняя или связи частиц.

Химическая

Например, при горении компонентов бензиновой смеси в автомобиле незначительная часть физической величины покоя превращается в тепло, то есть в движение частиц. С помощью поршней тепло превращается в кинетическую форму движения автомобиля.

Подобным образом горение (окисление) угля, бензина, дерева и других видов топлива представляет собой главный способ преобразования энергии из вещества в тепло и свет. Однако, это весьма неэффективный способ, потому что при этом освобождается менее одной миллиардной доли физической величины мощности покоя вещества.

Например, из одного килограмма угля освобождается около 5 000 ккал тепла, что составляет приблизительно 5 кВт/ч энергии.

Мы знаем, что один кг материи (включая и уголь) содержит энергию 25 миллиардов кВт/ч.

Таким образом, при горении используется меньше чем одна миллиардная доля, а всё остальное остается в пепле и дыме. Итак, мы видим, что горение, которое является в настоящее время главным источником энергии для человечества, – невероятно неэффективный способ получения ее из вещества.

Основной химической реакцией во всех живых организмах является окисление. Организм человека в процессе дыхания получает из воздуха кислород, в процессе питания получает углерод и водород, связанные в органических молекулах (в сахаре, белках и т.д.). При окислении углерода и водорода происходит преобразование энергии необходимое для всех жизненно важных процессов в организме.

Каждая химическая реакция означает перегруппировку атомов в молекулах. Она осуществляется при участии электромагнитного взаимодействия между атомами.

Электромагнитная

Имеется две составляющие электрическая и магнитная которые взаимодействуют и порождают друг друга. В генераторе переменного тока или динамо-машине движение превращается в электрическое движущееся поле.

Электрическая составляющая с помощью различных приборов может преобразовывать энергию в тепловую, световую, механическую, электромагнитной волны распространяющийся по пространству и т.д.

Световая

В лампах рефлекторов электричество трансформируется в движение фотонов, в свет, а тот, в свою очередь, поглощается поверхностью дороги и превращается в тепло, то есть в кинетическую форму молекул.

Вселенная состоит из частиц и фотонов представляющих собой кванты световой волны или электромагнитного излучения. Это основные элементарные частицы . Между ними беспрестанно происходит обмен энергией. Например, вещество постоянно излучает фотоны и одновременно поглощает их. Другие процессы где происходит преобразование энергии между этими составными Вселенной являются аннигиляция и материализация.

Ядерное взаимодействие

Ядерное взаимодействие гораздо сильнее электромагнитного. Оно способно освобождать из материи энергию в несколько миллионов раз большую, чем электромагнитное взаимодействие. В атомной электростанции с помощью ядерных сил получают примерно тысячную долю энергии покоя урана.

Звезды способны сделать это еще лучше человека. При превращении водорода в железо, которое происходит в недрах тяжелых звезд, освобождается почти один процент от энергетической возможности водорода.

Солнце освобождает энергию подобным образом, что и водородная бомба за счет синтеза легких элементов в тяжелые. Различие состоит в том, что Солнце это делает гораздо более совершенно, чисто, исключительно ради сохранения жизни, а не для ее уничтожения. Поэтому и обеспечивает жизнь на Земле.

Электромагнитные силы (соединение электрона с ядром или соединение молекул в кристаллы) всегда очень неэффективны.

Гравитационная

И гравитационная сила способна эффективно преобразовывать энергию, но лишь в космических телах, имеющих гигантскую массу, например, в массивных звездах, компактных ядрах галактик и пр. Там гравитация способна выжать из материи почти половину из возможного.

Земля - сравнительно малое тело, поэтому на ней невозможно получить большую величину с помощью гравитации.

Механическая

Самая объяснимая, состоящая из кинетической и потенциальной мера способности совершать работу.

Само механическое движение того или иного объекта может способствовать преобразованию энергии из одного вида в другой. В природе явление этого преобразования встречается везде.

Эту цепочку в которой происходит преобразование энергии из одной формы в другую можно было бы продолжать бесконечно.

https://pandia.ru/text/78/077/images/image003_160.gif" width="132" height="60">2010

УДК 621.314(075)

Рецензенты: заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор кафедры «Эксплуатация энергооборудования и электрические машины» Саратовского государственного аграрного университета, д. т. н. ; коллектив кафедры «Электроснабжение» Ульяновского государственного технического университета (декан энергетического факультета, профессор)

Угаров, энергии: учеб. пособие / , . Под ред. д. т. н. ; ВолгГТУ, Волгоград, 2010. – 96 с.

Рассмотрены методы преобразования энергии и технические средства – преобразователи для их реализации. Приведены расчетные соотношения для ряда преобразователей энергии. В издании использованы материалы источников, приведенных в конце пособия, а также материалы лекций авторов, прочитанных для студентов по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий» и направлениям «Электроэнергетика», «Электротехника».

Предназначено для студентов энергетических специальностей, обучающихся по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий» и направлениям «Электроэнергетика», «Электротехника».

Ил. 32. Табл. 2. Библиогр.: 21 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ISBN 0558-9 Ó Волгоградский

государственный

технический

Инновационная деятельность" href="/text/category/innovatcionnaya_deyatelmznostmz/" rel="bookmark">инновационной деятельностью в той или иной стране. Об этом свидетельствует опыт лучших нефтедобывающих фирм, освоивших за последние 25 лет несколько поколений новых технологий , и коренная модернизация заводов по переработке углеводородного сырья.

Основные энергоносители – нефть и газ – будут израсходованы в ближайшие десятилетия. Под разными предлогами их остатки пытаются присвоить себе развитые страны, которые израсходовали свои энергоресурсы и поэтому попали в энергетическую зависимость от стран третьего мира, не относящихся к так называемому “золотому миллиарду”. Сегодня вся энергетика этих стран практически обеспечивается импортными нефтью и газом. Запасы урановой руды, пригодной для обработки и использования в атомных реакторах, тоже могут быть исчерпаны в недалеком будущем, после нефти и газа.

В связи с этим актуальной проблемой является изыскание таких источников энергии, которые принципиально неисчерпаемы и не вносят дестабилизирующих факторов в окружающую среду. Другой актуальной проблемой является разработка и создание установок, способных преобразовывать энергию, содержащуюся в окружающей среде, включая космос, в такие виды, которые были бы пригодны для использования человечеством. Такие попытки уже известны: это энергия потоков воды, воздуха, солнечная энергия, энергия воды, приливов и отливов океана, внутреннего тепла Земли и др.

2. Виды энергий и принципы их преобразования

2.1. Классификация видов энергий

В современном научном представлении под энергией понимается общая мера различных форм движения материи. Для количественной характеристики качественно различных форм движения материи и соответствующих им взаимодействий условно вводят различные виды энергии: тепловую, механическую, ядерную, электромагнитную и др.

Различают первичную и вторичную энергии. Первичной называют энергию, непосредственно запасенную в природе: энергия топлива, ветра, тепло Земли и др. Энергия, получаемая после преобразования первичной энергии в специальных условиях, называемых энергетическими, считается вторичной (например, энергия пара, электрическая, горячей воды и т. д.).

Получение энергии необходимого вида происходит в процессе энергетического производства и осуществляется путем преобразования первичной энергии во вторичную.

Почти вся подлежащая использованию и дальнейшему преобразованию энергия сначала превращается в тепловую энергию в промышленных и отопительных печах, двигателях и механизмах, бытовых приборах (50 %), в котельных (10 %), котлах тепловых электростанций и реакторах атомных станций (40 %). Около полученной тепловой энергии используется без дальнейшего преобразования в другие виды энергии (в промышленных и отопительных печах, а также в виде пара, горячей воды и т. д.). Примерно часть полученной тепловой энергии идет на выработку электрической энергии, претерпев предварительное преобразование в механическую энергию в турбинных установках. Менее Электрический транспорт" href="/text/category/yelektricheskij_transport/" rel="bookmark">электрического транспорта , различного оборудования предприятий. Примечательно, что примерно шестая часть электрической энергии вновь преобразуется в тепловую.

Научно обоснованная классификация видов энергии составлена. В её основе лежит комплексный критерий, включающий виды материи, формы ее движения и виды взаимодействий.

Виды материи: атом, электрон, фотон, нейтрино и т. д.

Формы движения: механическая, электрическая, тепловая и т. д.

Виды взаимодействия: ядерное (сильное), электромагнитное, слабое (с участием нейтрино) и гравитационное (сверхслабое).

На основе комплексного критерия можно выделить следующие виды энергии:

1. Аннигиляционнная энергия – полная энергия системы, «вещество – антивещество», освобождающаяся в процессе их соединения и аннигиляции (взаимоуничтожения) в различных видах.

2. Ядерная энергия – энергия связи нейтронов и протонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер; в последнем случае ее называют “термооядерной”.

3. Химическая (логичнее – атомная) энергия – энергия системы из двух или более реагирующих между собой веществ. Эта энергия освобождается в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях.

4. Гравистатическая энергия – потенциальная энергия ультраслабого взаимодействия всех тел, пропорциональная их массам. Практическое значение имеет энергия тела, которую она накапливает, преодолевая силу земного притяжения.

5. Электростатическая энергия – потенциальная энергия взаимодействия электрических зарядов, т. е. запас энергии электрически заряженного тела, накапливаемый в процессе преодоления им сил электрического поля.

6. Магнитостатическая энергия – потенциальная энергия взаимодействия “магнитных зарядов” или запас энергии, накапливаемый телом, способным преодолевать силу магнитного поля в процессе перемещения против направления действия этих сил. Источником магнитного поля может быть постоянный магнит, электрический ток.

7. Нейтриностатическая энергия – потенциальная энергия слабого взаимодействия “нейтринных зарядов” или запас энергии, накапливаемый в процессе преодоления сил β-поля – “нейтринного поля.” Вследствие огромной проникающей способности нейтрино накапливать энергию таким образом практически невозможно.

8. Упругостная энергия – потенциальная энергия механически упругого измененного тела (сжатая пружина, газ), освобождающаяся при снятии нагрузки чаще всего в виде механической энергии.

9. Тепловая энергия – часть энергии теплового движения частиц тел, которая освобождается при наличии разности температур между данным телом и телами окружающей среды.

10. Механическая энергия – кинетическая энергия свободно движущихся тел и отдельных частиц.

11. Электрическая (электродинамическая) энергия – энергия электрического тока во всех его формах.

12. Электромагнитная (фотонная) энергия – энергия движения фотонов электромагнитного поля.

13. Мезонная (мезонодинамическая) энергия – энергия движения мезонов (пионов) – квантов ядерного поля, путем обмена которыми взаимодействуют нуклоны (теория Юкавы,1935 г.)

14. Гравидинамическая (гравитационная) энергия – энергия движения гипотетических квантов гравитационного поля – гравитонов.

15. Нейтринодинамическая энергия – энергия движения всепроникающих частиц β-поля – нейтрино.

Из перечисленных 15 видов энергии практическое значение имеют пока только 10: ядерная, химическая, упругостная, гравистатическая, электрическая, электромагнитная, электростатическая, магнитостатическая, тепловая, механическая.

Непосредственно же используются всего четыре вида: тепловая (около 75 %), механическая (около 20–22 %), электрическая (около 3–5 %) и электромагнитная (менее 1 %). Причем так широко вырабатываемая, подводимая по проводам электрическая энергия выполняет в основном роль переносчика энергии.

Главным источником непосредственно используемых видов энергии служит пока химическая энергия минеральных органических горючих (уголь, нефть, природный газ и др.), запасы которой, составляющие доли процента всех запасов энергии на Земле, находятся на грани истощения.

С декабря 1942 г., когда был пущен первый ядерный реактор, в роли нового источника энергии на сцену вышли ядерные и термоядерные топлива.

В будущем возможно появление как новых видов энергии, так и новых источников энергии. Классификация видов энергии позволяет исследовать и оценить все их возможные взаимопревращения.

2.2. Превращение и преобразование видов энергии

Сведем в таблицу-матрицу все виды энергий, имеющих практическое значение, и проанализируем возможности их взаимопревращений (рис. 2.2.1).

Анализ различных энергетических процессов показывает, что для превращения видов энергии необходимо выполнить два условия:

1) обеспечить должный уровень концентрации энергии;

2) подобрать рабочее тело определенных свойств.

При всех превращениях энергии, строго говоря, должна изменяться гравистатическая энергия ее систем – носителей, если их положение по отношению к поверхности Земли меняется.

Из матрицы превращений энергии следует, что возможности эти весьма ограничены. Самые простые, надежные и перспективные пути уже использованы и могут лишь совершенствоваться в направлении повышения экономичности превращений и удельной энергопроизводительности, т. е. мощности преобразователя.

https://pandia.ru/text/78/077/images/image011_30.jpg" width="336 height=105" height="105">

Е ИЭ – естественный (природный) источник энергии;

И ИЭ – искусственный ИЭ;

Н Э – накопитель энергии;

ПЕРЭ – переносчик энергии.

Рис. 2.2.1. Матрица возможных превращений и преобразование видов энергии,

имеющих практическое значение

Остались резервы в виде прямого превращения ядерной энергии в электрическую и механическую, химической в механическую, гравистатической в механическую. Перспективны превращения ядерной энергии в химическую и упругостную, гравистатической – в упругостную путем зарядки пружин и баллонов с газом в глубинах морей.

2.3. Преобразование энергии – проблема современной энергетики

Все сферы жизни и деятельности человека: приготовление пищи, промышленность, сельское хозяйство , транспорт, связь, создание комфортных условий в жилищах и производственных помещениях – требуют разнообразных форм энергии. Преобразование энергии первичных источников часто не удовлетворяет потребителей именно в видах получаемых энергий и требует необходимости их преобразований.

Современной науке известно 15 видов энергий, связанных с движением или различным взаимным расположением самых разнообразных материальных тел или частиц.

В зависимости от характера движения и природы сил, действующих между этими частицами, изменение энергии в системах таких частиц может проявляться в форме механической работы, в протекании электрического тока, в передаче теплоты, в изменении внутреннего состояния тел, в распространении электромагнитных колебаний и т. п.

Фундаментальным законом, управляющим преобразованием энергии, является закон сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия не может исчезать или возникать из ничего. Она может лишь переходить из одного вида в другой.

А. Эйнштейн установил взаимопревращаемость энергии и массы и тем самым расширил смысл закона сохранения энергии, который теперь в обобщенном виде формулируется как закон сохранения энергии и массы. В соответствии с этим законом всякое изменение энергии тела ∆Е связано с изменением его массы ∆m формулой:

∆Е = ∆mс2 ,

где с – скорость света в вакууме , равная 3·108 м/с.

Из этой формулы следует, что если в результате какого-либо процесса масса всех тел, участвующих в процессе, уменьшится на 1 г, то при этом выделится энергия, равная 9·1013 Дж, что эквивалентно 3000 т условного топлива. Большинство практически наблюдаемых процессов являются макроскопическими и изменением массы можно пренебречь, однако при анализе ядерных превращений необходим закон сохранения энергии и массы.

При преобразовании энергии в каком-либо устройстве какая-то часть ее теряется. Эффективность этого устройства принято характеризовать обычно коэффициентом полезного действия, который можно определить согласно рис. 2.3.1.

Рис. 2.3.1. Схема для определения КПД

Согласно рис. 2.3.1, КПД можно определить как

https://pandia.ru/text/78/077/images/image015_59.gif" width="72 height=41" height="41">.

Потери энергии не нарушают закон сохранения энергии и означают лишь потери для того полезного эффекта, ради которого совершается преобразование энергии.

Последнее выражение показывает, что полезно используется только часть первичной энергии, которая была предназначена для получения полезного эффекта.

Все потери энергии в конечном итоге превращаются в теплоту, которая отдается окружающей среде (атмосферному воздуху, водоемам).

Следует отметить одно важное обстоятельство. Так как в соответствии с законом сохранения энергия не исчезает, то, следовательно, энергия первичных источников энергии, используемых в процессе деятельности человека почти полностью, передается в виде тепловой энергии окружающей среде. Таким образом, вся преобразуемая энергия, включая и потери энергии, в конечном счете, преобразуется в теплоту. Оговорка «почти» означает, что лишь очень небольшая часть производимой энергии на какое-то время сохраняется в виде потенциальной или внутренней энергии в сооружениях, изделиях, продуктах, производимых человеком.

Преобразование тепловой энергии

В связи с тем, что первичные источники энергии (газ, нефть, уголь) мы используем для получения тепловой энергии, с целью дальнейшего ее преобразования, возникает мысль об использовании тепловой энергии, отданной в процессе преобразования окружающей среде.

Второй закон термодинамики, представляющий универсальный закон природы, полагает запрет на такое «повторное» использование тепловой энергии.

Этот закон утверждает, что теплота является особой формой передачи энергии, и формулируется следующим образом: во всех реальных процессах любые формы энергии могут самопроизвольно превращаться в теплоту, но самопроизвольное превращение теплоты в другие формы энергии невозможно.

Это означает, что любая форма энергии может превратиться в теплоту без того, чтобы в этом процессе участвовали какие-нибудь дополнительные тела, состояние которых по окончании процесса как-то бы изменилось. Наоборот, теплота не может превратиться в другие формы энергии без того, чтобы в каких-либо окружающих телах по окончании процесса преобразования не остались бы какие-то изменения.

Таким образом, если закон сохранения энергии (первый закон термодинамики) утверждает взаимную превратимость и эквивалентность всех видов энергии, то второй закон термодинамики отмечает особенность теплоты, ее неравноправность в процессах преобразования энергии.

В термодинамике доказано, что для непрерывного получения работы из теплоты необходимо иметь рабочее тело, которое осуществляло бы последовательность круговых процессов, т. е. таких процессов, при которых оно периодически возвращалось бы в исходное состояние. В каждом таком круговом процессе, иначе называемом циклом, рабочее тело получает некоторое количество теплоты Q1 от первичного источника энергии при достаточно высокой температуре и отдает меньшее количество теплоты Q2 окружающей среде (воде или воздуху). Так как само рабочее тело, вернувшись в результате осуществления цикла в исходное состояние, не изменяет свою внутреннюю энергию, то в соответствии с первым законом термодинамики разность тепла превращается в работу:

L = Q1 - Q2 .

Возможность и эффективность преобразования теплоты в другие формы энергии (механическую, электрическую), в первую очередь, определяется температурой, при которой теплота Q1 может быть передана рабочему телу. На тепловой электростанции рабочим телом является водяной пар, который в паротурбинной установке получает теплоту от продуктов сгорания при наивысшей температуре около 540 оС.

Температура, при которой отдается теплота Q2 , также существенна с точки зрения эффективности преобразования теплоты в работу.

Однако, поскольку теплота Q2 отдается окружающей среде, в реальных условиях эта температура может изменяться лишь в нешироких пределах.

Эффективность преобразования теплоты в работу оценивают термическим КПД η t , под которым понимают отношение работы L , получаемой за цикл, к теплоте Q1 , получаемой рабочим телом от первичного источника энергии:

shortcodes">

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1

Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях и передается потребителям главным образом в виде переменного трехфазного тока промышленной частоты 50 Гц. Однако как в промышленности, так и на транспорте имеются установки, для питания которых переменный ток частотой 50 Гц непригоден.
Вопросами, связанными с преобразованием электрической энергии из одного ее вида в другой, занимается область науки и техники, получившая название преобразовательной техники (или энергетической электроники). К числу основных видов преобразования электрической энергии относятся:

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

3. Преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (преобразование постоянного напряжения). Подобное преобразование необходимо, например, на ряде подвижных объектов, где источником электроэнергии является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а для питания потребителей требуется более высокое постоянное напряжение (например, источники питания радиотехнической или электронной аппаратуры).
Существуют и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формирование определенной кривой переменного напряжения), в частности, формирование мощных импульсов тока, которые находят применение в специальных установках, регулируемое преобразование переменного напряжения. Все виды преобразований осуществляют с использованием силовых ключевых элементов. Основные типы полупроводниковых ключей - диоды, силовые биполярные транзисторы, тиристоры, запираемые тиристоры, транзисторы с полевым управлением.
Преобразователи на тиристорах принято делить на две группы: ведомые и автономные. В первых периодический переход тока с одного вентиля на другой (коммутация тока) осуществляется под действием переменного напряжения какого-либо внешнего источника. Если таким источником является сеть переменного тока, говорят о преобразователе, ведомом сетью. К таким преобразователям относятся: выпрямители, ведомые сетью (зависимые) инверторы, непосредственные преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, преобразователи переменного напряжения. Если внешним источником напряжения, обеспечивающим коммутацию, является машина переменного тока (например, синхронный генератор или двигатель), преобразователь называют ведомым машиной.
Автономные преобразователи выполняют функции преобразования формы или регулирования напряжения (тока) путем изменения состояния управляемых силовых ключевых элементов под действием сигналов управления. К автономным преобразователям относятся импульсные регуляторы постоянного и переменного напряжения, некоторые виды инверторов напряжения.
Традиционно силовые вентильные преобразователи использовались для получения выпрямленного напряжения промышленных сетей частотой 50 Гц и для получения переменного напряжения (однофазного или трехфазного) при питании от источника постоянного напряжения. Для этих преобразователей (выпрямителей и инверторов) используют диоды и тиристоры, коммутируемые с частотой сети. Форма выходного напряжения и тока определяется линейной частью схемы и фазовой модуляцией угла регулирования.
Выпрямление и инвертирование продолжают оставаться ведущим способом преобразования электрической энергии, однако способы преобразования претерпели значительные изменения и их разновидности стали гораздо многочисленнее.
Появление новых типов силовых полупроводниковых вентилей, близких к идеальному управляемому ключевому элементу, существенно изменило подход к построению вентильных преобразователей. Получившие распространение в последние годы запираемые тиристоры (GTO - gate turn off thirystor) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ - IGBT - insolated gate bipolar transistor) успешно перекрывают диапазон мощностей до сотен и тысяч киловатт, их динамические свойства непрерывно совершенствуются, а стоимость с ростом выпуска снижается. Поэтому они успешно вытеснили обычные тиристоры с узлами принудительной коммутации. Области применения импульсных преобразователей напряжения с новыми классами приборов также расширились. Быстро развиваются мощные импульсные регуляторы как для повышения, так и для понижения постоянного напряжения питания; импульсные преобразователи часто используются в системах утилизации энергии возобновляемых источников (ветер, солнечная радиация).

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