Вопрос 1

а) Определение энергии

б) Виды энергии

в) Единицы измерения энергии

Ответ:

а)Слово “энергия” происходит от греческих слов “эн” (в) и “эргон” (работа). Отсюда возникает связь между понятиями “энергия” и “работа”. Другое значение термина “энергия” – действие.
Согласно современным представлениям энергия – это общая количественная мера различных форм движения материи.
Ф. Энгельс: энергия – это общая скалярная (т. е. независящая от направления, не векторная) мера различных форм движения материи (механической, электрической и т. п.). В технике часто энергию отожествляют с работой, которая совершается или может быть совершена в процессе взаимодействия тел, фазовых и структурных превращений различных веществ, а также при взаимодействии электрических и магнитных полей между собой и телами, обладающими специфическими или магнитными свойствами (зарядом, электропроводностью, диэлектрической или магнитной восприимчивостью).

б)

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.

в) В системе единиц СИ единицей энергии является джоуль, 1 Дж = 1 Н∙ м.

В расчетах, связанных с теплотой, обычно в качестве единицы энергии используют внесистемную единицу калорию (кал) и килокалорию (ккал), 1 кал = 4, 1868 Дж.

Иногда для оценки запасов источников энергии в качестве единицы энергии применяется тонна условного топлива – угля (т у. т.). При полном сгорании этого количества топлива выделяется энергия – 7∙ 106 ккал. При переходе одного вида энергии в другой количественные соотношения устанавливаются экспериментально.

В ядерной физике для измерения энергии используется электронвольт (ЭВ) 1 ЭВ = 1, 6∙ 10-19 Дж.

Внесистемной единицей энергии является эрг, 1 эрг = 1 дин∙ 1 см = 10-5Н∙ 10-2м = 10-7Дж.

Физическая природа электричества рассматривается в двух аспектах: корпускулярном (т. е. в виде потока электронов) и волновом (т. е. в виде электромагнитного поля), имеющих различные проявления в электроэнергетике. При корпускулярном аспекте за единицу электроэнергетики принимают 1 МэВ, а при волновом – 1 кВт∙ ч.

1 МэВ = 4, 42∙ 10-20 кВт∙ ч.

В электроэнергетике электрическая энергия рассматривается в волновом аспекте.

Соотношения между единицами измерения в энергетике

1 Дж = 1В∙ А∙ с = 1 Вт∙ с = 0, 238 кал = 1 Н∙ м = 0, 102 кг/см.

1 кВт∙ ч = 3600 кДж = 367, 2∙ 103 кг∙ м.

0, 278 кВт = 1 МДж.

27, 8 Вт∙ ч = 100 кДж.

0, 1 кВт∙ ч = 360 кДж.

Тепловые величины

Количество теплоты, энергии, работы:

1 кал = 4, 187 Дж.

1 ккал = 4, 187 кДж.

1 Мкал = 4, 187 МДж.

1 Гкал = 4, 187 ГДж.

1 кВт∙ час = 3600 КДж.

Расход теплоты (тепловая мощность):

1 ккал/час = 1, 163 Вт.

1 Мкал/час = 1, 163 кВт.

1 Гкал/час = 1, 163 МВт.

1 МВт = 0, 86 Гкал/час.

1 л. с. (лошадиная сила) = 0, 736 кВт.

Давление:

1 ат = 1 кг/см2 = 105 Па = 0, 1 МПа = 10 м вод. ст.

1 кг/м2 = 1 мм вод. ст. = 9, 81 Па.

Условное топливо – топливо, теплота сгорания которого составляет 7000 ккал/кг или 29310 кДж/кг.

По теплоте сгорания:

1 т у. т. эквивалентна 0, 875 тыс. м3 природного газа.

1 т у. т. эквивалентна 0, 73 т топочного мазута.

Выработка энергоносителей:

1 т пара соответствует 0, 66 Гкал.

1 Гкал соответствует 143 кг у. т.

Для выработки 1 Гкал теплоты в котельной с КПД 90 % необходимо затратить 159 кг у. т.

Для выработки 1 кВт∙ ч электрической энергии на тепловой электростанции необходимо затратить 0, 34 кг у. т. (средний показатель).

Из 1 т у. т. вырабатывается в котельной 6, 3 Гкал.

Из 1 т у. т. вырабатывается на ТЭС 2941 кВт∙ ч электрической энергии.

Вопрос 2

Роль энергии в жизни человеческого общества

Ответ:

Первым шагом на пути увеличения этой располагаемой мощности явилось приручение более сильных животных. Недаром до наших дней дошла единица мощности в одну лошадиную силу (1л. с. = 736 Вт). Эта “лошадиная сила” позволила человеку совершать тяжелую, непосильную для него работу, передвигаться с недоступной для него скоростью. Но и возможности животных со временем перестали удовлетворять человека. Человек обратил свой взор к неживой природе и стал создавать простейшие механизмы, способные для своего привода использовать природные источники механической энергии.

Благодаря росту потребления энергии человек значительную часть своей жизни может посвятить досугу, образованию, созидательной деятельности, добиться высокой продолжительности жизни.

По существующим подсчетам Земли не заселена из-за отсутствия влаги, в то время как населения земного шара теснится на суши. С помощью дешевых источников энергии можно незаселенную часть Земли превратить в оазис.

Вопрос 3

Энергетические ресурсы земли и космоса

Ответ:

Под энергетическими ресурсами (другое часто используемое название – источники энергии) понимаются материальные объекты, часть энергии которых может быть использована человеком для получения необходимых ему энергетических эффектов – для получения механической и электрической энергии, а также теплоты. Все энергетические ресурсы можно разделить на два основных вида: возобновляемые, которые природа непрерывно восстанавливает (энергия рек, морей, солнца, ветра и геотермальных вод), и невозобновляемые, ранее накопленные в природе (органическое топливо, урановая руда). В свою очередь невозобновляемые ресурсы представляют два типа – традиционные и нетрадиционные. К первому типу относятся жидкие и газообразные углеводороды, угли и высококачественные урановые руды.

К нетрадиционным природным источникам энергии относятся те, освоение которых перспективно в XXI или следующем веке: тяжелые высоковязкие нефти, природные битумы, природный газ угольных месторождений, низкокалорийные высокозольные угли, торфы, рассеянные урановые бедные руды и т. д.

Одной из ключевых глобальных проблем является ресурсное обеспечение энергетического сектора современной экономики.

Основными источниками энергии на Земле являются:

– солнечное излучение, попадающее на Землю;

– движение и притяжение Солнца, а также химические реакции и радиоактивный распад;

– внешняя энергия некоторых тел на Земле (потоки воды и воздуха), обладающие запасом механической энергии;

– вещества, носители высококонцентрированной внутренней энергии, которая может освобождаться в химических и ядерных реакциях. Эти вещества носят название топлива (органического и ядерного).

Примерные запасы различных источников энергии на Земле таковы:

ядерная энергия (деления) 1970∙ 1021 Дж;

хмическая энергия горючих веществ 198∙ 1021 Дж;

внутреннее тепло Земли 0, 482∙ 1021 Дж;

энергия приливов 252∙ 1021 Дж;

энергия ветра 6, 12∙ 1021 Дж;

энергия рек 0, 065∙ 1021 Дж.

Принято считать, что в настоящее время человечество потребляет на промышленные, транспортные, бытовые и другие нужды от 1020 до 1022 джоулей в год. Нужно при этом учитывать, что население земного шара продолжает увеличиваться, в 2000 году оно составило более 6, 5 млрд. человек, а к концу ХХІ столетия может достигнуть 20 млрд. человек, и потребление энергии будет сопровождать этот рост.

Вопрос 4

Распределение энергии по странам и континентам

Ответ:

Поток солнца на землю равен 1, 2*10^14 тонн условного топлива стоимость солнечной энергии в 100-200 раз больше, чем традиционной.

Вопрос 5

Перечислите основные проблемы электроэнергетики.

Ответ:

1) Увеличенная численность людей, больше людей, больше потребления энергии

2) Современные эл. снабжения на 80%?!?

3) Риск?!?

4) Невозможность получать энергию солнца из космоса

5) Потери при производстве, передаче и использовании энергии

6) Невозможность использования невозобновляемых источников энергии

Вопрос 6

Изложите принцип работы тепловых конденсационных электрических станций.

Ответ:

1. Бункер уголь

2. Дробильная установка
3’. Воздуходувка

3. Топка

4. Трубы парообразования

5. Змеевик

5’.Барабан котла

6. Труба

7. Первая ступень турбины

8. Вторая ступень турбины

9. Генератор

10. Эл. Выводы

11. Вода из реки

12. Насос

13. Конденсатор

14. Насос воды подачи в котёл

Вопрос 7

Изложите принципы работы теплоэлектроцентрали.

Ответ:

Теплоэлектроцентраль – эл. станция ипользует пар, получаемый в парогенераторах на тепловых станциях для теплофикации потребителей.

Вопрос 8

Изложите принцип работы газотурбинной эл. установки

Ответ:

В качестве рабочего тела в установках ГТУ используется смесь продуктов сгорания топлива с возлухом или нагретый воздух при большом давлении и высокой температуре. В ГТУ преобразуется теплота газов в кинетическую энергию вращения ротора турбины.

Вопрос 9

Изложите принцип работы атомных эл. станций

Ответ:

Крошечные частички урана, которые

именуются атомы,

расщепляются.

Во время расщепления высвобождаются

еще больше малые элементы атома –

нейтроны.

Нейтроны сталкиваются с атомами урана, в итоге выделяется тепло, нужное для выработки электро энергии.

Вопрос 10

Вопрос 11

Принцип работы гидроаккумулирующих электростанций

Ответ:

Рис. 9.2.3. ГАЭС несовмещенного (а) и совмещенного (б) типов:

1 – верхний резервуар, 2 – напорный трубопровод, 3 – нижний резервуар, 4 – здание ГЭС

Гидроаккумулирующие станции (ГАЭС) в отличие от обычных ГЭС являются не только комплексом сооружений и оборудования для генерирования электроэнергии, но и потребителем для преобразования ее в потенциальную энергию поднятой воды.

Процессы потребления, преобразования и последующего генерирования электроэнергии, осуществляемые ГАЭС, называются гидроаккумулированием.

Работа ГАЭС заключается в смене двух режимов: накопления энергии или заряда и ее отдачи потребителям – разряда ГАЭС.

Заряд ГАЭС представляет собой подъем воды гидромашинами с электрическим приводом из нижнего в верхнее водохранилище (резервуар, бассейн). Это происходит во время снижения электропотребления (ночью, праздничные, выходные дни, сезонный интервал времени).

При разряде, происходящем в часы максимума нагрузки (или аварий на других ГЭС), потенциальная энергия поднятой воды преобразуется в электрическую.

Таким образом, гидроаккумуляторы работают при заряде как насосные станции, а при разряде – как ГЭС

Первые ГАЭС в начале XX века имели КПД, не больше 40%, в современных ГАЭС КПД составляет 70-75%.

Вопрос 12

Принцип работы геотермальных электростанций

Ответ:

В настоящее время существует три схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема производства (бинарный цикл). Тип преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. Первыми были освоены электростанции на сухом пару. Для производства электроэнергии на них пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор. Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды (температурой до 182 0С) которая закачивается при высоком давлении в генераторные установки на поверхности. Геотермальные электростанции со смешанной схемой производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем, что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.

Вопрос 13

Принцип работы приливных электростанций

Ответ:
Схема ПЭС: суженный створ пролива или устья реки перегораживается путем сооружения здания станции, воспринимающей напор, и плотины. Образуется бассейн, куда при приливе поступает вода. Разность уровней воды в море и в бассейне обеспечивает работу гидротурбин.

Режимы работы ПЭС могут быть следующими.

Односторонний режим: во время прилива бассейн заполняется водой через специальные отверстия в здании ПЭС, после чего они закрываются. Когда уровень моря снизится во время отлива, начинают работать турбины, пропуская воду из бассейна. Когда напор станет меньше минимального, турбины отключаются до следующего цикла. Схема проста, но использование потенциальной энергии составляет всего 22 %.

Работа двухбассейновых ПЭС (рис. 9.2.4) происходит следующим образом. Первоначально верхний бассейн заполнен до наибольшего уровня и отключен от моря путем закрытия водопропускных отверстий в глухой плотине. Вода через ПЭС срабатывается в нижний бассейн, который также отключен от моря. Когда поднявшийся уровень в нижнем бассейне сравнивается с уровнем моря, отверстия в водопропускной плотине открываются, уровень нижнего бассейна следует за уровнем отлива и ПЭС работает на разности уровней верхнего бассейна и моря. При минимальном уровне отлива нижний бассейн снова отключается от моря и наполняется из верхнего. К тому времени, когда уровень верхнего бассейна срабатывается до уровня моря, водопропускающие отверстия в глухой плотине открываются и работа ПЭС идет на транзитной воде из моря через верхний и нижний бассейны, откуда цикл повторяется снова.

Вопрос 14

Принцип работы солнечных электростанций

Ответ:

Принцип работы солнечной электростанции, практически ни чем не отличается от принципа работы обычной электростанции, но есть небольшие отличия это наличие в электрической цепи аккумуляторных батарей, которые служат для обеспечением потребителя электроэнергией в ночное время суток.

Основные принципы:

1.Получение солнечной энергии за счёт установленых солнечных батарей (солнечные модули);

2.Подзарядка аккумуляторов, которые обеспечивают бесперебойную подачу электроэнергии к потребителю;

3. Подача эл.энергии в сеть потребления;

4. Вывод излишков эл.энергии в магистральные сети электроснабжения (если такая сеть имеется).

Солнечные лучи попадаю на панель модулей (солнечных батарей), посредствам трансформации преобразуются электроэнергию, солнечные модули применяются на основе кристаллического кремния или монокристалов, у последних значительно выше срок службы и процент выработки в зависимости от срока гораздо больше.

После преобразования электроэнергия проходит через подключение аккумулятора тем самым обеспечивая зарядку аккумуляторных батарей, тут необходимо отметить что зарядка среднего современного немецкого аккумулятора Solarwarr занимает примерно один час, эта зарядка в последствии способна обеспечить непрерывную работу в течении 25 часов.

Следующий этап это соединение внутреней цепи солнечной электростанции с магистральной сетью, а также питание потребителей энергии в том числе и обычных бытовых приборов, таких как телевизор, холодильник и микроволновая печь.

Вопрос 15

Принцип работы ветровых электростанций

Ответ:

. Ветроэлектрические станции (ВЭС) предназначены для того, чтобы превратить кинетическую энергию ветра в энергию вращения ротора генератора.

Крыльчатые ВЭС (их еще называют ветродвигателями традиционной схемы) представляют собой лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения. Ветроагрегат вращается с максимальной скоростью, когда лопасти расположены перпендикулярно потоку воздуха. Поэтому в конструкции предусмотрены устройства автоматического поворота оси вращения: на малых ВЭС – крыло-стабилизатор, а на мощных станциях, работающих на сеть, – электронная система управления рысканием. Небольшие крыльчатые ВЭС постоянного тока соединяют с электрогенератором напрямую (без мультипликатора), мощные станции оснащают редуктором.

Блок-схема простейшей ВЭС представлена на рис. 9.1.2. Ветроколесо (ВК) преобразовывает кинетическую энергию естественного ветрового потока в механическую энергию вращения главного вала ветрогенератора, которая затем преобразуется синхронным генератором в электрическую энергию переменного тока. Далее переменный ток с помощью зарядного устройства превращается в постоянный ток для зарядки аккумуляторной батареи. Затем постоянный ток из аккумуляторной батареи с помощью инвертора, которым оснащен ветрогенератор, преобразуется в однофазный переменный ток 220 В, 50 Гц.

ВК		Генератор		Энергоблок		Потребитель
		Аккумуляторные батареи

Вопрос 16

Работа магнитогидродинамического генератора

Ответ:

Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостями или газами, называется магнитогидродинамика.

Вопрос 17

МГД-генератор с паросиловой установкой

Ответ:

Вопрос 19

Принцип работы термоэлектрического генератора

Ответ:

Из устройств, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, термоэлектрические генераторы (ТЭГ) небольшой мощ-ности применяются достаточно широко. Достоинства ТЭГ: отсутствие движущихся частей, нет необходимости в высоких давлениях, использу-ются любые источники теплоты, имеется большой ресурс работы.

Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека, сущ-ность которого состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактных материалов.

Принцип действия термоэлемента основан на эффекте генерации электродвижущей силы при нагреве полупроводникового материала на основе сульфида самария (SmS) в условиях отсутствия внешних градиентов температуры. Возможны конструкции термоэлемента в двух вариантах: радиальном (рис. 4.3.1а) и плоском (рис. 4.3.1б). Радиальный вариант более функционален, а плоский – более технологичен.

Термоэлемент состоит из массивного металлического корпуса (теплонакопителя) 1, служащего для передачи тепла теплоносителя преобразующему элементу, поддержания преобразующего элемента в рабочем тепловом режиме во время скачков его температуры, сопровождающих процесс генерации, а также для защиты преобразующего элемента от внешних воздействий, преобразующего элемента 2 из монокристаллического либо поликристаллического SmS(материала на основе сульфида самария), легированного донорными примесями, металлических электродов 3.

Основные параметры термоэлементов:

· рабочие температуры: +130–500 ^оС;

· средний КПД в рабочем интервале температур ~ 40 %;

· генерируемое напряжение постоянное: 0, 5–1, 5 В;

· внутреннее электросопротивление: 0, 1–1 Ом;

· вес около 10 г.

Вопрос 20

Работа термоэмиссионного генератора

Ответ:

Термоэлектронная эмиссия была открыта Эдисоном в 1884 году. Несколько позже в 1897г. Томсон показал, что с нагретого катода эмитируются электроны. Этот эффект получил название «электронной эмиссии» - явление выхода электронов за пределы проводника.

В металле даже при невысокой комнатной температуре присутствует большое количество свободных электронов, находящихся в хаотическом тепловом движении. Скорости свободных электронов в любой фиксированный момент времени различны и изменяются во времени вследствие взаимодействия электронов между собой и с ионами кристаллической решетки металла. При нагревании металла скорости электронов и их кинетическая энергия возрастает.

Находясь в беспорядочном тепловом движении, часть электронов достигает поверхности металла. Далеко не все из них могут пересечь поверхность металла и перейти в окружающую среду. На электроны, приближающиеся к поверхности, начинают действовать электрические силы, втягивающих их обратно в металл. У поверхности металла образуется два слоя разноименных электрических зарядов, на преодоление которых электроном тратится определенная энергия. Для выхода же электронов за пределы металла они должны обладать достаточным запасом кинетической энергии, еще и по преодолению задерживающей их в металле силы. Подобная работа носит название работы выхода. Она является характеристической величиной, и для каждого металла она своя. Как уже было сказано тормозящее действие, которое оказывает металл на покидающий его электрон, не заканчивается на момент пересечения электроном границы металла. В результате выхода электрон оказывается положительно заряженным. Отдаляясь же от металла, он перемещается в тормозящем электрическом поле.

При комнатной температуре только немногие электроны металла обладают запасом энергии, достаточным для выхода из металла. Поэтому в этих условиях эмиссия электронов практически не заметна. Увеличить число электронов, покидающих металл, можно путем сообщения электронам дополнительной энергии или уменьшения работы выхода из металлов. На практике используют оба эти средства.

Дополнительная энергия Q сообщается электронам путем нагрева катода, что вызывает возрастание тока электронной эмиссии (Рис.1). Если нагреть катод (1) до температуры (ТК) равной 1100 - 2500°К, то с поверхности металла катода начнут вылетать электроны в направлении анода (Рис.1), имеющего более низкую температуру (ТА) равную 700-1100°К. Если внешняя цепь ТЭмГ замкнута, то электроны с анода, через внешнюю нагрузку (R) вернутся на катод. Направленное движение электронов будет продолжаться до тех пор, пока между катодом и анодом будет поддерживаться разность температур (Δ Т). Δ Т = ТК - ТА

Рис. 3
1 - катод, 2 - анод, Q - нагревательный элемент, R- нагрузка.

Таким образом, часть тепловой энергии (Q), подведенной к катоду, непосредственно преобразуется в постоянный электрический ток. При разомкнутой внешней цепи ТЭмГ напряжение на его выводах будет равно ЭДС.

Зависимость плотности тока эмиссии от температуры в рабочих пределах ее измерения точно следует закону

установленному в результате исследований Ричардсона и Дэшмана. В формуле Jэ - плотность тока термоэлектронной эмиссии в амперах на квадратный сантиметр (а/ см2); Т -температура катода в градусах абсолютной шкалы. А и b - постоянные величины, зависящие от вещества катода.

Из формулы следует, что наиболее сильно ток эмиссии зависит от величины b, которая пропорциональна работе выхода электрона из металла. Чем больше величина b, а, следовательно, и работа выхода, тем меньше при заданной температуре плотность тока эмиссии. Значение параметра А для большинства чистых металлов, из которых изготавливаются катоды, различаются сравнительно мало.

Вопрос 21

Принцип работы электрохимического генератора

Ответ:

Топливные элементы (ТЭ) дифференцировались значительно больше: в зависимости от рода топлив (горючих и окислителей), агрегатного состояния электролита, расходуемости электродов, обратимости процессов, температуры, давления и т. п.

Однако наиболее часто топливные элементы различают по виду и агрегатному состоянию горючего – твердого, жидкого и газообразного. Из твердых горючих, естественно, наиболее заманчиво использовать уголь. Однако, как показали многочисленные исследования, уголь начинает электрохимически реагировать с кислородом только при температурах более 700–1000 ^оС. Эти реакции сопровождаются рядом нежелательных побочных явлений, вследствие чего работоспособного и эффективного угольного топливного элемента до сего времени не создано.

Несколько лучше обстоит дело с разработкой топливного элемента с жидкими горючими, однако продукты перегонки нефти пока что не удалось заставить реагировать с кислородом в жидком состоянии.

Наиболее успешно разрабатываются топливные элементы с газообразными горючими: водородом, окисью углерода, природным газом и т. п. На рис. 8.2.1 схематически показаны устройство и принцип действия водородно-кислородного ТЭ. Водород и кислород пропускаются раздельно через два пористых электрода, сделанных из каталитически активных материалов, опущенных в электролит КОН. На водородном электроде (аноде) происходит разделение молекул водорода на атомы, которые, теряя свои электроны, превращаются в положительные ионы. Последние стремятся перейти в электролит, создавая таким образом отрицательный заряд на электроде. Электроны же по внешнему проводнику, замыкающему цепь, переходят на кислородный электрод (катод) и присоединяются к атомам кислорода, образуя с ними отрицательные ионы. Последние в составе радикалов ОН свободно проходят через электролит к аноду, где происходит их соединение с ионами водорода с образованием воды. Таким образом, при продолжающемся подводе водорода и кислорода будет происходить реакция окисления горючего не атомами кислорода, а ионами с одновременным образованием тока во внешней цепи. Однако напряжение получающегося тока невелико – около 1 В, что заставляет объединять отдельные элементы в батареи.

Рис. 8.2.1. Принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента: 1 – кислородный электрод (катод); 2 – водородный электрод (анод); 3 – нагрузка; 4 – вольтметр; 5 – вода

Вопрос 22

Радиоизотопные источники энергии

Ответ:

Устройства, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию. Распад используемых изотопов уступает лишь делению ядер и превосходит химические источники (аккумуляторы, топливные элементы и др.) в десятки и сотни тысяч раз по массовой и объёмной энергоёмкости. Обеспечивают автономность работы оборудования, значительную надёжность, малый вес и габариты Требования к радиоизотопным источникам

• высокая активность для получения значительного энерговыделения в ограниченном объёме установки (относительно малый период полураспада)

• длительный период поддержания мощности (период полураспада – годы и десятилетия)

• безопасный вид ионизирующего излучения (простая и легкая защита от излучения)

• для изотопов, способных к делению, возможно большая критическая масса

• дешевизна и простота получения изотопа

Радиоизотопный источник энергии принципиально отличается от атомного реактора тем, что в нём используется не управляемая цепная реакция, а энергия естественного распада радиоактивных изотопов.

Вопрос 23

Схема простейшей энергетической системы

Ответ:

Под электроэнергетической системойпонимается совокупность взаимосвязанных элементов, предназначенных для производства, преобразования, передачи, распределения и потребления электро­энергии.

К элементам электроэнергетической системы относятся гене­раторы, осуществляющие преобразование механической энергии в электрическую; трансформаторы, преобразующие величи­ны напряжений и токов; линии электропередачи, предна­значенные для транспортировки электроэнергии на расстояние; всевозможное вспомогательное оборудование, изменяющее свойства системы, а также устройства управления и ре­гулирования.

Режим системы, т. е. ее состояние в данный момент времени, характеризуется параметрами, определяющими процесс ее функ­ционирования. к: такимпараметрам режимаотносятся величины мощностей, напряжений, токов, частоты и т. д. Режимы подразде­ляются на установившиеся и переходные. Параметры установившихся режимов сохраняются на рассматриваемом интер­вале времени неизменными или изменяются относительно медлен­но. Переходные режимы соответствуют переходу системы от одно­го установившегося режима к другому; для них характерны отно­сительно медленные и малые или быстрые и значительные измене­ния параметров.

Физические свойства элементов электрической системы и взаи­мосвязи элементов между собой характеризуются параметрами электрической системы.К таким параметрам относятся: сопротив­ления элементов, моменты инерции и постоянные времени, харак­теризующие скорости изменения электрических и механических ве­личин, и т. д.

Рисунок 2 – Условные обозначения основных элементов электрической системы

Электрические сети подразделяют по ряду признаков, таких, как:

1. Напряжение сети. Сети могут быть низковольтными напряжением до 1000 В и высоковольтными напряжением 1000 В и выше.

Элементы современных электрических сетей выполняются на различные величины номинальных напряжений. Номинальное нап­ряжение (ток или какой-либо другой параметр режима) - это та­кое напряжение, которое соответствует нормальной и экономичной работе элемента электрической системы. Существует шкала стан­дартных номинальных напряжений: 0, 22; 0, 38; 0, 66; 3; 6; 10; 20; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750 кВ.

2. Род тока. Сети могут быть постоянного и переменного тока.

3. Назначение. Районные сети предназначаются для соеди­нения крупных электрических станций и подстанций и выполняют­ся на напряжение 35 кВ и выше. Сети напряжением 330, 500 и750 кВ относят к межсистемным связям, так как они в основном предназначаются для соединения крупных электроэнергетических систем. Распределительные сети выполняют функции распределе­ния электрической энергии между отдельными потребителями, про­мышленными предприятиями, сельскохозяйственными нагрузками и т. д.

4. Конструктивное выполнение линий. Линии Могут быть воздушными и кабельными.

Вопрос 24

Принцип действия и конструкции переменного двигателя

Рис.1. Структурная схема генератора переменного тока.

Неподвижные пластины - щетки - прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том левее валу (В настоящее время постоянный ток в обмотку ротора чаще всего подают из статорной обмотки этого же генератора через выпрямитель).
В маломощных генераторах магнитное поле создается вращающимся постоянным магнитом. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.
Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняется возникновением в них вихревого электрического поля, порожденного изменением магнитного потока при вращении ротора.
Современный генератор электрического тока — это внушительное сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. При размерах в несколько метров важнейшие детали генераторов изготовляются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого сочетания движущихся частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.

Вопрос 25

Принцип действия и конструкция трансформаторов

Ответ:

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.