Источник тока: виды и типы, какие бывают, примеры источников тока

История

Основной принцип выработки электроэнергии был открыт в 1820-х и начале 1830-х годов британским ученым Майклом Фарадеем . Его метод, который используется и сегодня, заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при движении этого контура между полюсами магнита, возникает электрический ток.

С развитием техники экономически выгодной стала следующая схема производства электричества. Электрические генераторы, установленные на электростанции, централизованно вырабатывают электрическую энергию в виде переменного тока. С помощью силовых трансформаторов электрическое напряжение вырабатываемого переменного тока повышается, что позволяет передавать его по проводам с низкими потерями. На месте потребления электрической энергии, напряжение переменного тока снижается с помощью понижающих трансформаторов и передаётся потребителям. Электрификация наряду с бессемеровским способом выплавки стали стала основой Второй промышленной революции. Основные изобретения, сделавшие электричество общедоступным и незаменимым, сделали Томас Алва Эдисон и Никола Тесла .

Производство электроэнергии на центральных электростанциях началось в 1882 году, когда на станции Пёрл-стрит в Нью-Йорке  паровой двигатель, приводил в движение динамо-машину, которая производила постоянный ток, для освещения Пёрл-стрит. Новая технология была быстро внедрена во многих городах по всему миру, которые быстро перевели осветительные фонари на электрическую энергию. Вскоре после этого электрические лампы стали широко использоваться в общественных зданиях, на предприятиях и для питания общественного транспорта, (трамваев и поездов). С тех пор производство электрической энергии в мире постоянно возрастает.

Виды источников электрического тока

Существуют следующие виды источников электрического тока:

  • механические;
  • тепловые;
  • световые;
  • химические.

Механические источники

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Тепловые источники

Основу энергетической мощи страны составляют тепловые электростанции (ТЭЦ), суммарной установленной мощностью 164,6 ГВт. На их долю приходится две трети выработки электрической энергии в стране. Что в 2019 году равнялось 616,8 млрд. кВт·ч. Это на пол процента ниже уровня 2018 года.

Количественное расположение станций обусловлено экономическим потенциалом регионов, питающихся от объединённых энергосистем различных районов страны.

Распределение тепловых электростанций по объединённым системам

Объединённая энергосистема (ОЭС) ТЭЦ (шт.)
Центра 74
Средней Волги 36
Урала 98
Северо-Запада 41
Юга 20
Республики Крым 10
Сибири 53
Востока 19
Изолированных систем (остров Сахалин, полуостров Камчатка, Чукотский автономный округ, территории децентрализованного электроснабжения) 25

Тепловые электростанции включают в себя: государственные районные электростанции, теплоэлектроцентрали, газотурбинные, конденсаторные, парогазовые, утилизационные электростанции.

Исторически в нашей стране сложилась централизованная система теплоснабжения. Источниками тепловой энергии для неё выступают те же самые ТЭЦ и крупные котельные, совместно производящие 92,4% потребляемой тепловой энергии.

ТЭЦ

В качестве топлива для тепловых электрических станций служат:

  • Природный газ – 73%.
  • Уголь – 23,9%.
  • Мазут – 3%.
  • Торф – 0,1%.
  • Дизельное топливо не используется централизованно.

В настоящее время теплоэнергетика переживает своё второе рождение. Изношенное, в результате длительной эксплуатации оборудование заменяется современным. Увеличивается генерация электростанций за счёт монтажа новых высокопроизводительных энергоблоков, производительностью до 800 МВт (Берёзовская, Каширская, Пермская, Троицкая ГРЭС).

Уровень технологической оснащённости тепловых станций на начало 2019 года

Тип установок % от суммарной мощности ТЭЦ России
Паротурбинные 79
Парогазовые 15,5
Газотурбинные 4,8
Прочие (дизельные, газопоршневые) 0,7

Световые источники

С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту. Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Химические источники

Все химические источники можно разбить на 3 группы:

  1. Гальванические
  2. Аккумуляторы
  3. Тепловые

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.

ВАЖНО! Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.

Существует 3 вида гальванических источников (или батареек):

  1. Солевые;
  2. Щелочные;
  3. Литиевые.

Солевые, или иначе «сухие», батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи — гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.

В литиевом элементе анод сделан из лития — щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.

Аккумуляторы — источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Основными видами аккумуляторов являются:

  1. Свинцово-кислотные;
  2. Литий-ионные;
  3. Никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.

Какие существуют виды источников электрического тока?

СПРАВКА! Один элемент свинцово-цинкового аккумулятора вырабатывает напряжение 2 В. Соединив элементы последовательно, можно получить любое напряжение, кратное 2. Например, в автомобильных аккумуляторах напряжение 12 В, т.к. соединены 6 элементов.

Литий-ионный аккумулятор получил своё название из-за того, что в качестве носителя электричества в электролите служат ионы лития. Ионы возникают на катоде, который изготовлен из соли лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксидов кобальта и других соединений на подложке из медной фольги.

Напряжение в зависимости от применяемых компонентов может быть от 3 В до 4,2 В. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы приобрели большую популярность в бытовой технике.

ВАЖНО! Литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке. Поэтому для их зарядки нужно использовать зарядные устройства, предназначенные только для них, которые имеют встроенные специальные схемы, предотвращающие перезаряд. Иначе может произойти разрушение аккумулятора и его возгорание.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В никель-кадмиевых аккумуляторах катод сделан из соли никеля на стальной сетке, анод из соли кадмия на стальной сетке, а электролит — смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение такого аккумулятора — 1,37 В. Он выдерживает от 100 до 900 циклов зарядки-разрядки.

СПРАВКА! Никель-кадмиевые аккумуляторы можно хранить в разряженном состоянии, в отличии от литий-ионных.

Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.

Смотрите также:   Магия звука с точки зрения физики: устройство динамика и всё, что полезно знать о динамиках

Классификация видов энергии

Люди используют ресурсы разных видов: электричество в своих домах, добываемое  путем сжигания угля, ядерной реакции или ГЭС на реке. Таким образом, уголь, ядерная и гидро называются источником. Когда люди заполняют топливный бак бензином источником может быть нефть или даже выращивание и переработка зерна.

Источники энергии делятся на две группы:

  • Возобновляемые
  • Невозобновляемые

Возобновляемые и невозобновляемые источники можно использовать в качестве первичных для получения пользы, такого как тепло или использовать для производства вторичных энергетических источников, таких, как электричество.

Когда люди используют электричество в своих домах, электроэнергия вероятно создается сжиганием угля или природного газа, ядерной реакции или ГЭС на реке, или из нескольких источников. Люди используют для топлива своих автомобилей сырую нефть (невозобновляемая), но могут и биотопливо (возобновляемая) как этанол, который производится из переработанной кукурузы

Возобновляемые

Есть пять основных возобновляемых источников энергии:

  • Солнечная
  • Геотермальное тепло внутри Земли
  • Энергия ветра
  • Биомасса из растений
  • Гидроэнергетика из проточной воды

Биомасса, которая включает древесину, биотопливо и отходы биомассы, является крупнейшим источником возобновляемой энергии, на которую приходится около половины всех возобновляемых и около 5% от общего объема потребления.

Не возобновляемые

  • Добыча угля. Уголь по-прежнему занимает большую часть энергетического баланса. Он является одним из основных видов сырья, от которого зависит дальнейшее развитие энергетики, а, следовательно, и всей отрасли. Уголь известен как «хлеб промышленности». Угли бывают нескольких видов — бурые, черные, бурые и антрацитовые.
  • Добыча нефти — нефть также является очень важным энергетическим ресурсом. Ближний Восток обладает самыми большими запасами нефти. Нефть добывается путем перекачки.
  • Добыча природного газа. Природный газ имеет более высокую теплотворную способность и более высокую производительность, чем нефть. Он значительно калорийней, чем уголь. Природный газ также используется для нужд химической, стекольной, фарфоровой и других отраслей промышленности, а также для некоторых ТЭС.

Добыча угля, нефти и природного газа связана с определёнными нарушениями природной среды — изменением рельефа, разрушением пахотных земель, накоплением карьерных материалов, разрушением почвы и т. Д.

Первичная энергия

Первичная энергия как вид включает в себя нефть, природный газ, уголь, ядерная энергия и возобновляемые источники энергии.

Электричество является вторичным источником, который создается с помощью этих первичных форм. Например, уголь является первичным источником, который сжигается на электростанциях для выработки электроэнергии, которая является вторичным источником.

Первичные виды энергии обычно измеряются в различных единицах, например, баррелях нефти, кубометрах газа, тоннах угля. Также используется общая единица измерения британская тепловая единица, или БТЕ, для измерения содержания для каждого типа.

  • Измерение

1 Гкал/час = 1,163 МВт

1 Вт = 859.8 кал/час

1 Вт = 3.412 BTU/час

BTU — британская тепловая единица (БТЕ) Россия потребляет квадриллионы БТЕ.

В терминах физических величин, один квадриллион составляет примерно 172 миллиона баррелей нефти, 51 млн. тонн угля или 1 трлн. куб. м газа.

На нефть приходится наибольшая доля в потреблении первичной энергии, затем природный газ, уголь, атомные электростанции и  возобновляемые источники энергии (включая гидроэнергию, ветра, биомассы, геотермальные, солнечные).

Альтернативные виды энергии

Энергия приливов и отливов

приливная электростанция

Эту энергию берут от естественного подъёма и спада уровня воды. Электростанции ставят только вдоль берега, а перепад воды должен быть не меньше 5 метров. Для генерации электричества строят приливные станции, дамбы и турбины.

Приливы и отливы хорошо изучены, поэтому этот источник более предсказуем относительно других. Но освоение технологий было медленным и их доля в глобальном производстве мала. Кроме того, приливные циклы не всегда соответствуют норме потребления электричества.

Энергия температурного градиента (гидротермальная энергия)

гидротермальная станция

Морская вода имеет неодинаковую температуру на поверхности и в глубине океана. Используя эту разницу, получают электроэнергию.

Первая установка, которая даёт электричество за счёт температуры океана была сделана ещё в 1930 году. Сейчас есть океанические электростанции закрытого, открытого и комбинированного типа в США и Японии.

Энергия жидкостной диффузии

осмотическая станция

Это новый вид альтернативного источника энергии. Осмотическая электростанция, установленная в устье реки, контролирует смешение солёной и пресной воды и извлекает энергию из энтропии жидкостей.

Выравнивание концентрации солей даёт избыточное давление, которое запускает вращение гидротурбины. Пока есть только одна такая энергетическая установка в Норвегии.

Геотермальная энергия

геотермальная станция в исландии

Геотермальные станции берут внутреннюю энергию Земли – горячую воду и пар. Их ставят в вулканических районах, где вода у поверхности или добраться до неё можно пробурив скважину (от 3 до 10 км.).

Извлекаемая вода отапливает здания напрямую или через теплообменный блок. Ещё её перерабатывают в электричество, когда горячий пар вращает турбину, соединённую с электрогенератором.

Недостатки: цена, угроза температуре Земли, выбросы углекислого газа и сероводорода.

Больше всего геотермальных станций в США, Филиппинах, Индонезии, Мексике и Исландии.

Биотопливо

дрова биотопливо

Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений.

  • Первое поколение – твёрдое, жидкое и газообразное биотопливо (газ от переработки отходов). Например, дрова, биодизель и метан.
  • Второе поколение – топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала, или специально выращенных культур).
  • Третье поколение – биотопливо из водорослей.

Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.

Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.

Необычные источники

Однако не все источники электрической энергии имеют нагрузочную характеристику, похожую на прямую, есть и совершенно другие ситуации. В частности, иначе ведут себя источники электрической энергии, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде. Распадающийся атом — сам по себе преобразователь видов энергии, т.е. внутриядерную энергию он преобразует в механическую энергию, точнее в кинетическую энергию, продуктов распада плюс потенциальную, если они заряжены, плюс электромагнитную, если это кванты. Далее есть несколько вариантов преобразования, один из них — через тепло. Частицы тормозятся в среде, энергия преобразуется в тепло (часть — в разрушение межатомных связей), а дальше есть много разных способов, самый распространенный — через термоэлектричество (РИТЭГ), возможны и другие. Общие обзоры этих методов есть в интернете.

Смотрите также:   Как подключить лампочку через выключатель: схемы и инструкции

Рассмотрим не тепловые пути превращения энергии радиоактивного распада в электричество. Возьмем две пластины из проводника, нанесем на одну из них радиоактивный изотоп, поместим эти пластины в вакуум, сделав от них выводы. В некоторой ситуации между выводами начнет расти напряжение. Быстро ли оно будет расти и какой величины достигнет? Расти оно будет, только если при распаде вылетают заряженные частицы (α или β) и попадают на вторую пластину. Скорость роста пропорциональна количеству распадов за единицу времени, заряду частиц и обратно пропорциональна емкости: U = Q/C, а ΔU/Δt = ΔQ/(CΔt) = I/C, где I — ток этих частиц. Расти U будет до тех пор, пока что-то не прекратит этот ток или не возникнет ток утечки по оболочке, или не произойдет вакуумный пробой либо пробой по воздуху. Но если все сконструировано правильно, то утечек и пробоев не будет, а напряжение между электродами постепенно увеличится до такого, что заряженные частицы просто перестанут долетать до второго электрода. Это произойдет именно тогда, когда напряжение, умноженное на их заряд, сравняется с их исходной энергией (рис. 2; здесь сплошная линия — идеализация, штриховая линия — ближе к реальности, e — заряд, ( mathscr{E} ) — энергия, Imax — ток заряженных частиц). Теперь мы можем сообразить, какой будет нагрузочная кривая для атомной батареи именно такой конструкции — мы оговариваем это потому, что реальные атомные батареи устроены иначе, и далее расскажем, как именно. Но пока — вот эта принципиальная конструкция, предложенная Генри Мозли более 100 лет назад.  А нагрузочная кривая будет совершенно фантастической — просто горизонтальная прямая от нуля тока до максимального, когда все заряженные частицы имеют строго одну энергию и долетают куда надо, и спад до нуля при достижении критического значения тормозящего напряжения. Потому что ток, больший тока заряженных продуктов распада, получить из атомной батареи простейшей конструкции нельзя.

Рис. 2 («Квант» №4, 2020)

Рис. 2

Реально энергии частиц немного различаются хотя бы потому, что не все распадающиеся атомы лежат на поверхности, некоторым заряженным частицам приходится пробираться к поверхности и часть энергии при этом остается на пластине — источнике частиц. Кроме того, не все заряженные частицы летят перпендикулярно поверхностям электродов, а для того чтобы не допустить до пересечения зазора частицу, вылетевшую под углом, нужно меньшее тормозящее поле. Поэтому реальная зависимость станет менее категоричной.

Однако это только начало биографии атомных батарей или, как их еще называют, изотопных батарей. Вся применяемая людьми электротехника использует вполне определенный диапазон напряжений и токов. Вы редко встретите напряжения больше 20–30 кВ, потому что при этих напряжениях возникают серьезные проблемы с изоляцией, а если это вакуумные приборы и электроны имеют в них высокую энергию, еще и возникает рентгеновское излучение. Другими словами, если надо все это использовать, есть электронные приборы с напряжением 300 кВ и более и есть линии электропередач 500 кВ и более — но это промышленность, а не быт, хотя и очень важные для цивилизации, но узкие области. Что касается тока, то тоже особо большие токи не слишком удобны — растет сечение проводов. Так что если для какого-то применения нужна определенная мощность, то сочетания напряжения и тока могут быть разные, определяется это экономикой, схемными возможностями, традицией и т.д. Но в общем и целом, то сочетание напряжения и тока, которые могли бы давать атомные батареи тривиальной конструкции, категорически неудобны. Хорошо бы иметь напряжение порядка на три-четыре меньше, а ток, соответственно, больше.

Путей решения этой проблемы предложено несколько, причем важно понимать две принципиальные вещи. Чем лучше мы используем ту большую энергию, с которой вылетают частицы, тем выше будет КПД. Другое ограничение — малогабаритное устройство не может иметь на выходных клеммах высокое напряжение, иначе произойдет пробой. Малогабаритное устройство с высоким КПД должно как-то использовать высокую энергию частиц внутри себя, во что-то ее преобразовывая. Посмотрим, какие варианты предложены.

Первый — заряженные частицы попадают в пленку полупроводника, где они тормозятся и отдают свою энергию электронам. Само по себе это просто увеличивало бы проводимость, поэтому пленка не однородна, это p–n-переход с двумя, как ему и положено, выводами. Тормозящиеся в p–n-переходе быстрые первичные электроны порождают электронно-дырочные пары, поле перехода растаскивает электроны и дырки в разные стороны, на выводах накапливаются заряды, и, подсоединив к выводам нагрузку, мы получим ток. Один электрон с энергией в кило электрон вольты порождает тысячи пар, каждая имеет в тысячи раз меньшую энергию, но зато их в тысячу раз больше — это и обеспечит увеличение тока. Правда, при отборе тока электронам приходится пробираться сквозь слой полупроводника, и вольт-амперная характеристика приобретает черты того варианта, что был у батареек — при отборе тока напряжение заметно падает.

Проблем у такой конструкции несколько, и одна — общая со всеми атомными батареями. А именно, выбор изотопа и его количества. Период полураспада — это темп падения мощности со временем и срок службы батареи; количество изотопа и энергия продуктов распада — это мощность батареи, ее опасность для окружающих, а если она будет летать в космосе — то это последствия прибытия на Землю с разрушением в атмосфере и заражением (уже были прецеденты) и ее опасность для окружающих устройств. Например, полупроводниковые приборы не любят, когда их облучают. Естественно, есть еще общетехнические проблемы — вес, габариты, стоимость, срок службы, надежность, иногда ремонтопригодность, патентная чистота. Патентная чистота важна, если собираются производить и легально продавать приборы. Вес и габариты — если это носимая, возимая, бортовая аппаратура летательного средства. Самое интересное — срок службы и надежность, потому что иногда лучше срок службы 10000 часов с надежностью 0,9, а иногда лучше 5000 и 0,95 или 1000 и 0,99… (подумайте, когда и почему).

Рис. 3 («Квант» №4, 2020)
Источник тока: виды и типы, какие бывают, примеры источников тока

Рис. 3

Еще одна проблема, которую тоже можно назвать общетехнической, — это принципиальная конструкция, оптимизация параметров, выбор материалов и размеров. Например, в данном случае нужно выбрать оптимальную толщину слоя, содержащего изотоп, — чтобы частицы не затормозились в нем самом. И выбрать оптимальный полупроводник, чтобы он, например, не разрушался излучением. Эти вопросы исследуются, обсуждения вы легко найдете в литературе. По ситуации на сегодня, в качестве изотопа используют тритий Т (он же 3H) и никель-63 (он же 63Ni), в качестве полупроводника — кремний Si, карбид кремния SiC, нитрид и арсенид галлия GaN и GaAs или алмаз С. На рисунке 3 представлена вольт-амперная характеристика оптимизированного источника на никеле и алмазе.

Вопрос 6. Как вы думаете, будет ли при работе эта батарейка греться, в какой точке характеристики батарейка будет отдавать в нагрузку максимальную мощность и в какой точке будет минимален нагрев.

Подобное устройство может и не иметь двух электродов — с изотопом и без оного, изотоп может просто контактировать с полупроводником. В этом случае высокоэнергетичным частицам не нужно пересекать вакуумный зазор — родившись, они сразу начинают распространяться сквозь полупроводник, тормозясь и порождая многочисленные электронно-дырочные пары. Такие батареи (рис. 4) уже выпускаются серийно, их напряжение 0,75–2,4 В, ток 0,05–0,3 мкА, срок службы 20 лет. Распадающийся изотоп — тритий Т, поэтому через 12 лет ток падает вдвое, полупроводник — кремний Si.

Смотрите также:   Инженерные коммуникации: чем отличается FTP кабель от UTP

Рис. 4 («Квант» №4, 2020)

Рис. 4

Более того, можно, по крайней мере теоретически, поискать вариант, когда изотоп является одним из элементов, входящих в полупроводник. Например, если использовать изотоп углерод-14 (он же 14C), то можно попробовать в качестве полупроводника алмаз C или карбид кремния SiC. Такие идеи предлагались, и поскольку период полураспада здесь 5 700 лет, то батарейка получается вечной. Но этот параметр почти для всех применений (кроме полета к экстрасолнечным планетам) будет избыточен, а мощность относительно мала. Кстати, при некоторых условиях и графен становится полупроводником — так что есть, о чем пофантазировать.

Рис. 5 («Квант» №4, 2020)

Рис. 5

Предлагался и такой вариант — высоко энергетичные частицы возбуждают люминесценцию, этот эффект известен и используется. Вот, например, имеются брелоки с тритием и люминофором (рис. 5). Далее свет преобразуется в электричество фотоэлементом. Но каждое преобразование вообще уменьшает КПД, а у фотоэлементов он не слишком велик.

Известны варианты конструкций (некоторые реально использующиеся, некоторые на уровне первых лабораторных образцов) с полетом заряженных частиц через вакуум, причем «плоскость прилета» сделана гибкой. В этом случае при попадании на нее заряженных частиц она изгибается, и если в итоге касается «плоскости вылета», то заряд сбрасывается обратно. В итоге мы получаем генератор не постоянного, а переменного напряжения — что тоже для чего-то может пригодиться. Периодически изгибающаяся консоль может быть использована как механический двигатель, а если сама консоль сделана из пьезоэлектрика — то как еще один источник напряжения, такая идея предлагалась. Во всех случаях остаются в силе соображения, изложенные выше, — или высокое напряжение, но тогда значительные габариты, или малые габариты, но тогда низкий КПД. В последнем случае он становится еще меньше из-за наличия второго преобразования.

Пьезокристалл — это еще один источник электроэнергии. Точнее — преобразователь работы в электрическую энергию и обратно, т.е. электроэнергии в перемещение. Сопротивление пьезокристалла весьма велико, поэтому мощность его, как преобразователя механической работы в электрическую мощность, мала. Обычно он применяется либо как источник высокого напряжения и малой мощности, например в зажигалках, либо как датчик перемещений — там мощность не столь важна. В обратном направлении — как способ создания малых перемещений. Это — генераторы ультразвука и устройства для точного перемещения объектов в микроскопии и оптике. Отдельная область применения — использование механического резонанса в кристалле.

Принципиальное отличие вольт-амперной характеристики атомных батарей от обычных, химических, состоит в том, что атомные батареи переносят заряженные частицы и этот поток ограничен в принципе. Его можно прекратить, подав на выводы соответствующее напряжение, но ни сменить его направление, ни пропустить через атомную батарею ток, больший тока короткого замыкания, невозможно (если, конечно, мы не подадим напряжение, большее напряжения вакуумного пробоя — но при этом мы батарею выведем из строя).

ТЭС, АЭС, ГЭС что это такое?

Для того, чтобы разобраться в электроэнергетике России необходимо знать основные аббревиатуры, которыми называют здания, вырабатывающие киловатты:
Тепловая электрическая станция (ТЭС)

Пермская ГРЭС Пермская ГРЭС

Данный вид станций делится на два основных типа: конденсационная электростанция и теплоэлектроцентраль. Основное их отличие заключается в выработке теплоэлектроцентралью не только электричества, но и тепла. Основными потребляемыми энергоресурсами на данных станциях являются уголь, газ и мазут. ТЭС являются лидером в выработке всей электроэнергии России.
Преимущества:
1. Относительно дешевое топливо
2. Могут быть построены в любом месте
3. Довольно практичны в плане строительства
4. Мощность одной станции может быть очень большой
Недостатки:
1. Являются сильным загрязнителем атмосферы
2. Работают на невозобновляемых ресурсах
3. Сложно регулируются, остановка или пуск может занимать от десяти часов до нескольких дней

Атомная электрическая станция (АЭС)

Курская АЭСКурская АЭС

Относительно недавно атомные электростанции заняли вторую строчку в доле вырабатываемой электроэнергии в России. В качестве топлива используется уран. По виду отпускаемой энергии так же, как и ТЭС делится на АЭС и АТЭЦ (Атомная теплоэлектроцентраль).
Преимущества:
1. Отсутствие вредных выбросов
2. Малые объёмы используемого топлива, а так же возможность переработки и повторное его использование
3. Высокая мощность, вырабатываемая одним блоком
4. Низкая себестоимость электроэнергии
Недостатки:
1. Радиоактивные отходы опасны для жизни
2. Запрещен перевод на режимы с переменной мощностью
3. Большие капитальные вложения
4. Крупные аварии на АЭС несут за собой тяжелые последствия для окружающей природы

Гидроэлектростанция (ГЭС)

Саяно-Шушенская ГЭССаяно- Шушенская ГЭС

Данный вид электростанций использует в качестве источника энергию воды в водотоках. Принцип действия заключается в создании необходимого напора воды, который приводит в действие гидротурбину. Существуют гидроаккумулирующие электростанции (в РФ таких три), которые используются для выравнивания графика электрической нагрузки.
Преимущества:
1. Отсутствуют выбросы вредных веществ
2. Вода является возобновляемым источником энергии
3. Отсутствуют затраты на топливо
4. Легко контролируется производительность станции, путем контроля объёма воды, подаваемого на турбины
5. Водохранилища, создаваемые для ГЭС можно использовать как зоны отдыха
Недостатки:
1. Водохранилища затопляют большие участки земли, которые могли бы использоваться для других целей
2. Авария или разрушение ГЭС вызовет наводнение
3. Невозможность использования в равнинных районах
4. Нарушает цикл рыбы в водотоке

Альтернативные источники энергии

Ветряная электростанция в России Ветряная электростанция в России

Помимо основных видов электростанции, описанных выше, существуют и нетрадиционные источники слабо развитые в России. Такими источниками являются солнечные, геотермальные, ветровые станции.

Сколько нужно энергии?

В настоящее время в мире проживает около 7,7 млрд человек (май 2019 г.) и на каждого в среднем тратится мощность 2,3 кВт. Общее потребление энергии приблизилось к величине 0,6 · 1021 джоулей в год, или 0,6 Q / год (1 Q = 1021 Дж), или около 20 ТВт мощности (2 · 1013 Вт).

Много это или мало? Приведенная удельная мощность средних потребностей людей на Земле (2,3 кВт/чел) складывается из бытовых энергозатрат (холодильник — 150 Вт, компьютер — 300 Вт…), затрат на транспорт, промышленность и т.д. Перепроверим еще раз указанные цифры, воспользовавшись следующей информацией: в 2017 году мир в целом потребил 13,5 миллиардов тонн нефтяного эквивалента (ТНЭ). Одна ТНЭ по энергии равна 4,2 · 1010 Дж, а 13,5 млрд ТНЭ составит 0,57 Q / год, или действительно около 2,3 кВт на человека.

В будущем (к 2050 г.) ожидаются увеличение населения до 10 млрд человек, некоторый рост удельной мощности потребления энергии и в результате человечеству нужно будет добывать около 1 Q / год, или непрерывно потреблять 30 ТВт мощности.

Источники
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B8%D0%B8
  • https://odinelectric.ru/elektrosnabzhenie/vidy-istochnikov-electricheskogo-toka
  • https://energoseti.ru/articles/energetika-rossii
  • https://beelead.com/vidy-istochnikov-energii/
  • https://IstochnikiEnergii.ru/drugie/tipy-istochnikov-energii
  • https://invlab.ru/texnologii/alternativnaya-energiya/
  • https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/436081/Istochniki_elektrichestva
  • https://zen.yandex.ru/media/id/5d1503c8ac97b000b074dd7d/otkuda-beretsia-elektrichestvo-5d15c9e22adc8400aed517a2
  • https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435950/Vetru_i_solntsu_navstrechu

Помогла ли вам статья?

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Библиотека радиолюбителя
Adblock
detector