Первинні джерела електричної енергії

Первинним джерелом живлення називають пристрій, який перетворює енергію будь-якого виду (механічну, теплову, хімічну, сонячну і ін.) на електричну. Основними показниками перетворювача є технологічність та коефіцієнт корисної дії [1]. Існуючі види первинних джерел та способи прямого і опосередкованого перетворень внутрішньої енергії речовини на електричну наведені на рисунку 7.1. При опосередкованому перетворенні енергія одного виду перетворюється в інший, а потім – перетворюється у електричну енергію. Дамо короткі характеристики перетворювачів [1, ...,7].

Рисунок 7.1 – Перетворення енергії в первинних джерелах живлення

Електромашинний генератор – електротехнічний пристрій, який перетворює механічну енергію на електричну змінного або постійного струму. Принцип дії розглянуто у підрозділі 7.1. Генератори використовуються як джерела первинного живлення на кораблях, літаках, в малодоступних районах, для аварійного живлення радіопристроїв.

Магнітогідродинамічний генератор – це пристрій, який виробляє електричний струм внаслідок руху газової низькотемпературної плазми (до 3000), яка пересікає силові лінії магнітного поля. Це еквівалентно руху провідника у магнітному полі. Особливістю генератора є пряме перетворення енергії. У зв'язку з тим, що роль провідника виконує плазма, то у генераторі відсутні рухомі елементи, за рахунок чого підвищується надійність генератора. ККД не перевищує 40 %. Генератори до нині не знайшли широкого використання.

Термоелектричний генератор – це пристрій, у якому на основі термоелектричного ефекту Зеєбека теплова енергія зовнішнього джерела безпосередньо перетворюється на електричну. Являє собою певну кількість металевих або напівпровідникових термопар, які можуть бути з'єднані для підвищення напруги послідовно або паралельно (зменшення вихідного опору). Одні кінці термопар нагрівають до температури Т1, а інші охолоджують до температури Т2 (рисунок 7.2). Внаслідок різниці температур виникає термоелектрична ЕРС. Її величина залежить від матеріалів термопари та різниці температур . Виникнення ЕРС пояснюється тим, що електрони на нагрітому кінці набувають більшу енергію і швидкість, ніж на холодному.

Рисунок 7.2 – Отримання електричної енергії за допомогою термопар

Відносний діапазон величин ЕРС термопар складає приблизно 10...70 мкВ/. Потужність генераторів – сотні кіловат. ККД 10...20 %. Недоліком генераторів такого типу є досить висока вартість.

Термоелектронний генератор – це пристрій, принцип дії якого базується на випущенні нагрітими тілами електронів у результаті їх теплового збудження. Електрони нагрітого катода (емітера) виходять за його межі і досягають анода, створюючи електричний струм. Таким чином відбувається пряме перетворення теплової енергії у електричну. Для усунення просторового заряду, який утворюється біля катода, об'єм колби генератора заповнюють паром цезію. З 1 катода отримують до 20 Вт потужності. ККД генератора знаходиться на рівні 10...20 %.

Хімічні джерела електричної енергії – це пристрої, які виробляють постійний електричний струм прямим перетворенням хімічної енергії у результаті окислювально-відновлювальних реакцій. Окисленням (відновленням) називають віддачу (приєднання) електронів атомом, молекулою або іоном. Окислювачі (відновлювачі) – це нейтральний атом, молекула або іон, які приймають (віддають) електрони.

Основу хімічного джерела складають два електроди – один з окислювачем, другий з відновлювачем, – які знаходяться у електричному контакті через електроліт. Електроліт може бути у рідкому чи пастоподібному вигляді, може знаходитися у пористій роздільній мембрані. Електричний струм у зовнішньому ланцюзі протікає внаслідок того, що на від'ємному електроді відновлювач окислюється, і вільні електрони переходять через зовнішній ланцюг до позитивного електроду, де відбувається відновлення окислювача.

Хімічні джерела ділять на гальванічні елементи і акумулятори.

Поширеним типом гальванічного елементу є модифікований елемент Лекланше. Його конструкція утворюється цинковим стаканом (негативний електрод), у якому знаходиться вугільний стержень. Вільний простір стакана містить електропровідний заповнювач, а біля стінок стакана знаходиться електроліт – суміш нашатирю з домішками. Величина ЕРС, яка виникає між електродами, близько 1,5 В. Процеси, що протікають при роботі гальванічних елементів, односторонні, тому працюють вони до тих пір, поки не буде вичерпаний запас хімічної енергії (поки не будуть зруйновані електроди).

В акумуляторах протікають оборотні електрохімічні процеси.

За будовою акумулятори подібні гальванічним елементам. Електролітом в кислотних акумуляторах є розчин сірчаної кислоти, у лужних – їдкого калію чи натрію. Електроди кислотних акумуляторів – свинцеві. Лужні акумулятори у залежності від матеріалів електродів ділять на нікель-кадмієві, нікель-залізні, срібно-кадмієві, срібно-цинкові [1].

Запас хімічної енергії в акумуляторі створюється під час його заряду від зовнішнього джерела електричної енергії, коли хімічні матеріали електродів приводяться до такого стану, що вони можуть взаємодіяти з виділенням електричної анергії. Під час розряду акумулятора відбувається перетворення хімічної енергії на електричну. У якості прикладу наведемо аналітичний запис реакцій, що проходять у срібно-цинковому акумуляторі при розряджанні і заряджанні:

Знаки + та – у квадратних дужках вказують на полярність електродів.

Кількість циклів зарядження-розрядження акумулятора залежить від його типу і складає сотні-тисячі.

Параметрами гальванічних елементів також є: ЕРС, початкова і кінцева напруга, внутрішній опір, електрична ємність або електрична питома ємність, характеристики розрядження та зарядження.

Паливний елемент – це пристрій, який виконує безпосереднє перетворення хімічної енергії у електричну. Принцип дії елемента базується на хімічному окисленні палива. Паливний елемент складається з від'ємного 1 та позитивного 3 електродів, які знаходяться у електроліті 2 (рисунок 7.3). Для ефективної роботи пристрою електроди повинні мати площу у сотні квадратних метрів. В електродах розміщені пористі трубки, через які пропускають паливо і окислювач. Паливом можуть бути гази водень, метан, пропан або рідини – керосин, бензин, соляр; окислювачем – кисень, повітря; електролітом – кислоти, лужні речовини. Паливний елемент містить також каталізатори: платину, паладій, срібло, нікель.

Водень та кисень (рисунок 7.3) у присутності каталізатора вступають в хімічну реакцію з електролітом. Побічним продуктом реакції є вода (). В результаті на трубках, через які надходять водень і кисень накопичуються відповідно від'ємний та позитивний заряди, що викликає протікання електричного струму через навантаженні R_Н.

Електроди в реакції участь не приймають, тому вони майже не руйнуються. Температура всередині паливного елементу залежить від типу палива і окислювача і знаходиться в діапазоні 20...1000 . Коефіцієнт корисної дії пристроїв 60...70 %; напруга, яку створює один елемент – біля 1 В; потужність – 0,3...0,6 Вт. Потужність батареї паливних елементів, яку можна розмістити у легковому автомобілі, – 30...50 кВт. Нині ведуться розробки паливних елементів для космічної техніки, побутових радіопристроїв для електромобілів.

Сонячна батарея – це сукупність напівпровідникових фотоелементів з кремнію, арсеніду галію і ін., які виконують безпосереднє перетворення енергії сонячного випромінювання у електричну енергію. Сумарна потужність сонячного випромінювання біля Землі за межами атмосфери є високою і дорівнює 1370 , тому створення сонячних екологічно чистих батарей є актуальною проблемою.

Елемент сонячної батареї являє собою пластину з монокристала кремнію n-типу на поверхні якої створюється шар кремнію р-типу товщиною 1...2 мкм. Під дією світла в переході появляються надлишкові заряди, які спричиняють появу електричного струму. ЕРС елемента біля 0,4 В. Коефіцієнт корисної дії 15...20 %.

Розроблено сонячні батареї на напругу до десятків вольт і потужність до 10 кВт. Батареї, є джерелами електричної енергії з тривалим терміном служби, мають малу вагу, надійні в роботі. Недоліком є залежність внутрішнього опору і вихідної напруги від температури, чутливість до радіоактивного випромінювання, під дією якого вони руйнуються.

Використовуються для живлення пристроїв космічних апаратів. Знаходять використання для побутових потреб.

Атомна батарея – це пристрій, який забезпечує безпосереднє перетворення енергії радіоактивного випромінювання (розпаду) на електричну енергію. Існує декілька варіантів конструкції атомних батарей. В одній з них [4] радіоактивна речовина нанесена на внутрішню поверхню шарового електрода. Електрони, що випромінюються речовиною, попадають на зовнішній електрод, який набуває від'ємного заряду. Напруга, що виникає на навантажені, може дорівнювати декільком кіловольтам при струмі у десятки мікроампер.

Розроблено батареї з використанням напівпровідникових матеріалів. Радіоактивне опромінювання р-n переходу призводить до появи у ньому надлишкових зарядів і струму у зовнішньому ланцюзі.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Електромеханічні пристрої	\|	ГЛОСАРІЙ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.012 сек.