Конспект лекцій до самостійного вивчення розділів з дисципліни

Вид материала

Конспект

Содержание Лекція № 1. введення Лекція № 2. вітроенергетика Принципово можна створити дві схеми керування кутовою частотою обертання ВД Перша схема Друга схема Рис. 2.3. Система автоматичного керування частоти обертання ВД за скручувальним моментом та кутовою частотою обертання ВД Лекція № 3. паливні елементи Явище проходження електричного струму через електроліт разом з супутніми йому електрохімічними процесами на електродах, називаєт В електрохімічному елементі іони водню рухаються до катода, а іони сульфату - до анода. Рис. 3.2. Електрохімічний елемент з розведеною кислотою Паливний елемент на вуглеводних газах Регенеративні елементи. Ситуація сьогодення та перспективи. Для підвищення швидкості реакцій Галузь науки, яка вивчає взаємодію між магнітними полями і струмопровідними рідинами або газами, називається магнітогідродинамік Рис. 4.2. Схема МГД-установки відкритого циклу В англійських енергетичних реакторах охолоджуючим середовищем слугує вуглекислий газ Рис. 4.5. Схема плазмового реактора Рис. 4.6. Різні методи відводу струму плазмового реактора Актуальність: ознайомлення з принципом дії термоелектричних генераторів ... Полное содержание

Подобный материал:

• Короткий конспект лекцій для самостійного вивчення дисципліни „ухвалено, 1135.56kb.
• Конспект самостійного вивчення з навчальної дисципліни, 929.88kb.
• Конспект лекцій з дисципліни „Радіоекологія для студентів спеціальності 040106  „Екологія,, 1393.76kb.
• Конспект лекцій вступ метою дисципліни "Економіка підприємства", 822.54kb.
• І. В. Фісун методичні вказівки для самостійного вивчення дисципліни «Менеджмент», 620.87kb.
• І. В. Фісун методичні вказівки для самостійного вивчення дисципліни «Маркетинг», 454.74kb.
• Методичні рекомендації з дидактичним забезпеченням до самостійного вивчення дисципліни, 942.14kb.
• Навчально-методичний посібник для самостійного вивчення модуля дисципліни, 3343.26kb.
• Конспект лекцій Удвох частинах Частина 2 Суми, 1998.47kb.
• Конспект лекцій Удвох частинах Частина 1 Суми, 2323.63kb.

Міністерство освіти і науки України

Криворізький технічний університет

Кафедра електрозабезпечення та електрозбереження


Конспект лекцій до самостійного вивчення розділів

з дисципліни

„Нетрадиційні автономні джерела енергії ”


для студентів спеціальності 6.090603

„Електротехнічні системи електроспоживання”

усіх форм навчання


Укладач: ст.викладач кафедри ЕПР Пархоменко Р. О


Затверджено на засіданні

кафедри Електропостачання та ресурсозбереження.

Протокол №__ від________


м. Кривий Ріг

2009

Укладач: Пархоменко Р.О. ст. викладач


Рецензент: Гузов Е.С., канд. техн. наук, доц.,


Відповідальний за випуск: Луценко І.А., канд. техн. наук


Наведено основні напрями розвитку нетрадиційних джерел електричної енергії. Конспект лекцій стане в нагоді студентам спеціальності «Електротехнічні системи електроспоживання» під час самостійного опрацювання розділу.

Розглянуто на засіданні кафедри ЕЕ. Протокол № __ від __. __. 200_р.

Схвалено на вченій раді електро- технічного факультету. Протокол № __ від __. __. 200_ р.

Зміст

1. Лекція №1. Введення 4
   
2. Лекція №2. Вітроенергетика 7
   
3. Лекція №3. Паливні елементи 11
   
4. Лекція №4. Магнітогідродинамічні генератори 27
   
5. Лекція №5. Термоелектричні генератори 48
   
6. Лекція №6. Термоіонні генератори 63
   
7. Контрольні запитання 73
   
8. Література 75
   

ЛЕКЦІЯ № 1. ВВЕДЕННЯ

Актуальність : ознайомлення з задачею вивчення курсу та основними перспективними способами перетворення енергії.

План :

1. Вступ.

2. Перспективні способи перетворення енергії.

3. Питання для самоконтролю.

1. Вступ.

Розвиток людського суспільства і його успіхи на шляху цивілізації і прогресу безпосередньо пов’язані з підвищенням продуктивності праці і покращенням матеріальних умов життя людей. Науково-технічний і соціальний прогрес супроводжується збільшенням спожитої енергії і освоєнням її нових, більш ефективних видів.

Кількість енергії, яку споживають сучасні машини дуже велика. Так, людство за всю історію свого існування витратило приблизно 900-950 тис. ТкВт*г енергії всіх видів, причому більше 2/3 цієї кількості припадає на останні 50 років.

Концентрація споживання енергоресурсів у найбільш розвинених державах привела до такого стану, що 30% населення у світі споживає 90% енергії, яка виробляється, а 70% населення – тільки 10%.

Інтенсивний розвиток енергетики привів до виснаження енергоресурсів і забруднення середовища навколо Землі. На чергу денну поставлено питання використання екологічно чистих енергоресурсів, до яких слід віднести: а) енергію вітру; б) сонячну енергію; в) електрохімічну енергію; г) магнітно-гідродинамічну енергію; д) термоелектронну енергію; е) термоядерну енергію.

Середня потужність повітряних течій складає (25-35)*10⁹ кВт. Такого ж порядку середня потужність буревіїв ≈ (30-40)*10⁹кВт.

Сонце грає головну роль у тепловому балансі Землі. Потужність Сонця сумірна тільки з потужністю, яку розвиває обертання Землі навколо своєї осі (3*10¹³ млрд. кВт).


2. Перспективні способи перетворення енергії.

1) Довгий час ефект появи термо-е.р.с. використовувався тільки для вимірювання температури. Застосування цього ефекту для вироблення електроенергії було невигідне через низькі значення ККД і термо-е.р.с. Ситуація раптово змінилася при появі напівпровідників, коли склалась можливість реально використовувати потік сонячної енергії, який падає на Землю.

При одній і тій же різниці температур у напівпровідниках утворюється термо-е.р.с. у 40 разів більше термо-е.р.с. у металах. ККД напівпровідникових термоелектричних перетворювачів можна довести до 40%.

2) Як показали досліди, що були проведені у СРСР, США та Великобританії, хімічну енергію водню та кисню можна перетворити безпосередньо в електричну енергію. Запаси водню невичерпні і не пов’язані з яким-небудь регіоном на планеті.

Широке використання водневого палива може вирішити три актуальні проблеми: зменшити споживання органічного та ядерного палива, задовольнити використання енергії і зменшити забруднення навколишнього середовища. Водень і кисень утримуються у воді. При електролізі сірчаної кислоти вода розкладається на водень і кисень. Енергія, яка необхідна для розчеплення молекули води в електролітичному елементі, береться від зовнішнього джерела.

Обернений процес – утворення води із кисню і водню - супроводжується звільненням хімічної енергії (головним чином у вигляді теплоти і звуку). Але якщо зробити так, щоб цей процес оксидування проходив у відповідному електрохімічному елементі, то хімічна енергія почне перетворюватися безпосередньо в електричну. У цьому і полягає принцип дії воднево-кисневого елемента.

Відзначимо, у законах Фарадея нічого не говориться про те, що провідник повинен бути обов’язково твердим. Відомо, що кислотні розчини й іонізовані гази є провідниками електричного струму.

3) Багато років тому лорд Кельвін довів, що приливні води у гирлі річки здатні у полі земного магнетизму діяти як елементарний генератор.

Галузь науки, яка вивчає взаємодію між магнітними полями і струмопровідними рідинами або газами, називають магнітогідродинамікою.

Очевидна привабливість МГД-методу генерування електроенергії, який дозволить одержувати електроенергію безпосередньо від газового потоку, полягає у тому, що він робить непотрібними турбіни й обертові динамо-машини. Але практична розробка МГД-генераторів пов’язана з подоланням різних труднощів, викликаних необхідністю підтримувати газ в іонізованому стані при температурі 2750ºС і щоб він рухався з позазвуковою швидкістю.

4) У морях нашої планети утримуються легкі елементи, які можуть забезпечити людство енергією на багато мільйонів років.

Проблема полягає у здійсненні керованої реакції синтезу. Реакція синтезу здійснюється при передачі ядрам великої швидкості, при якій кінетичної енергії достатньо для подолання енергії електростатичного відштовхування позитивно заряджених ядер.

5) У природних умовах, у зірках і на Сонці протікають термоядерні реакції при високих температурах. На Землі висока температура, необхідна для здійснення реакції синтезу легких елементів, може бути отримана, наприклад, при вибуху атомної бомби. Задача полягає в одержанні безперервної реакції синтезу, що можливо за наступних умов:

1. Паливо повинно бути чистим і складатися з легких ядер (дейтерій, тритій та ізотопи водню);
   
2. Густина палива повинна бути не менше 10¹⁵ ядер у 1 см³;
   
3. Температура повинна бути не менше 100 млн.ºС і не більше 1 млрдºС;
   
4. Максимальна температура палива при потрібній його густині повинна утримуватися протягом десятих часток секунди.
   

Одна із основних перешкод одержання керованого термоядерного синтезу (КТС) полягає в утриманні плазми.

На Землі плазму можна утримувати у спеціальному сильному магнітному полі.


Одержання енергії за рахунок синтезу ядер має ряд істотних переваг:

1. Використовується дешеве паливо з практично невичерпними запасами;
   
2. Виключаються аварії ядерних установок;
   
3. Одержують нетоксичні і нерадіоактивні кінцеві продукти термоядерного синтезу;
   
4. Безпосередньо перетворюється енергія заряджених часток, із яких складена високотемпературна плазма, в електричну енергію у МГД-генераторах.
   
5. При цьому можуть бути отримані значення ККД (до 90%), що дозволить різко скоротити теплове забруднення навколишнього середовища.
   

3. Питання для самоконтролю.

1. Які енергоресурси є екологічно чистими?

2. Що є основним джерелом енергії на землі?

3. Які способи перетворення енергії є перспективними і чому?

ЛЕКЦІЯ № 2. ВІТРОЕНЕРГЕТИКА

Актуальність : ознайомлення з типами вітродвигунів та способами перетворення енергії вітру.


План :

1. Типи вітродвигунів.

2. Режими роботи ВЕУ.

3. Питання для самоконтролю.


1. Типи вітродвигунів.

На початку минулого століття Н.Е.Жуковський відпрацював теорію вітродвигуна, на основі якої можна було створити високопродуктивні установки, здатні одержувати енергію від найслабшого вітерцю.

У наші дні до створення конструкцій вітроколіс – серця вітроенергетичної установки (ВЕУ) – залучають фахівців літакобудування, які здатні вибрати доцільні профілі лопатей і здійснити дослідження в аеродинамічній трубі.

Зусиллями вчених та інженерів створено різноманітні конструкції сучасних ВЕУ.

Основна різновидність ВЕУ показана на рис. 2.1. Вони поділяються на дві групи:

1. Вітродвигуни з горизонтальною віссю обертання (лопатеві, крильчаті);
   
2. Вітродвигуни з вертикальною віссю обертання (карусельні, ортогональні).
   

Типи крильчатих вітродвигунів відрізняються тільки кількістю лопатей. Для крильчатих вітродвигунів найбільша ефективність досягається при дії потоку повітря перпендикулярно до площини обертання лопатей. Карусельні вітродвигуни володіють тими перевагами, що можуть працювати при будь-якому напрямку вітру, не змінюючи свого положення.





Рис. 2.1. Типи вітродвигунів: а - двохлопатеві;

б-трьохлопатеві; в - карусельні; г – ортогональні

Ортогональні вітродвигуни перспективні для великої енергетики. Але є проблема їх запуску.


2. Режими роботи ВЕУ.

ВЕУ можуть працювати у двох режимах:

1) з фіксованою кутовою частотою обертання у широких діапазонах зміни робочих швидкостей вітрового потоку (ФШВД);

2) із змінною частотою обертання (ЗЧВД).

Для забезпечення режиму ФШВД використовують регулювання частоти обертання ВД зміною кута лопатей, направляючими апаратами, дифузорами та ін.

У режимі ЗЧВД генератор ВЕУ буде виробляти напругу, пропорційну частоті обертання ВД. Для стабілізації генерованої напруги використовують перетворювачі з регульованою тривалістю формованого імпульсу.

Принципово можна створити дві схеми керування кутовою частотою обертання ВД:

1) За швидкістю вітрового потоку (V) і за кутовою частотою обертання вала ВД Ω (рис. 2.2);

2) За скручувальним моментом і кутовою частотою обертання вала ВД Ω (рис. 2.3).





Рис. 2.2. Система автоматичного керування частоти

обертання ВД за швидкістю вітрового потоку і за кутовою частотою обертання вала ВД

Перша схема регулює потужність так, що частота обертання вала ВД змінюється пропорційно швидкості вітрового потоку. Якщо відношення кутової частоти обертання вала ВД і швидкості вітрового потоку не відповідає заданому λ_3, то виробляється сигнал розбіжності І (∆λ). При цьому регулювання відбувається до тих пір, доки він не стане рівним нулю.

Сигнал про швидкість вітрового потоку І′_(V) повинен проходити через фільтр Ф, щоб на блок порівняння надходив тільки середній сигнал І_(V), який не залежить від турбулентної складової: λ – коефіцієнт швидкохідності; ДВ – датчик швидкості вітрового потоку; ДШ – датчик швидкості ВД; Ф – фільтр; БП – блок порівняння.

Друга схема дозволяє уникнути похибки, яка залежить від місця знаходження датчика швидкості повітряного потоку. При цьому скручувальний момент вала ВД змінюється пропорційно квадрату швидкості потоку. Сигнал І′(т) скручувального моменту ДМ слід усереднювати за допомогою фільтра й у подальшому узгоджувати з сигналом І(Ω) датчика кутової швидкості обертання вала ВД ДШ за допомогою квадратора К. Недоліком цієї схеми є те, що раптове збільшення швидкості вітрового потоку призведе до зниження відносного коефіцієнта використання, унаслідок чого зменшується скручувальний момент замість його збільшення.




Рис. 2.3. Система автоматичного керування частоти обертання ВД за скручувальним моментом та кутовою частотою обертання ВД

На підставі проведеного порівняння двох попередніх схем регулювання ВУ доцільно використовувати САК, у якій вхідними сигналами є швидкість вітрового потоку І_(V), скручувальний момент на валу ВД І_(т) і кутова частота обертання вала ВД І_(Ω). При цьому датчик ДВ повинен установлюватися не тільки перед площиною обертання ВД, але і над нею.

Таким чином, датчик ДВ буде додатково реєструвати зміну незбуреної швидкості вітрового потоку.


Література (Л. 3, стор. 35-40, Л. 2, стор. 131-136).


3. Питання для самоконтролю.

1. Назвіть основні типи вітродвигунів та їх відмінності.

2. В яких режимах може працювати ВЕУ?

3. Які відмінності мають дві основні схеми керування кутової частоти обертання ВД?


ЛЕКЦІЯ № 3. ПАЛИВНІ ЕЛЕМЕНТИ

Актуальність : ознайомлення з принципом дії паливних елементів.

План :

1. З історії розвитку паливних елементів.

2 . Електроліз.

3. Типи паливних елементів.

4. Питання для самоконтролю.


1. З історії розвитку паливних елементів.

В електрохімічному елементі енергія хімічної реакції перетворюється в електрику безпосередньо, тобто без попереднього перетворення у тепло. На початку XX ст. наука вже накопичила достатньо знань про основні процеси у паливних елементах, щоб реалізувати у промислових масштабах закладені у них можливості. Ці можливості бачили багато вчених за час з 1900 до 1930 рр. У науковій літературі було опубліковано декілька сотень статей, присвячених теоретичним та дослідним вивченням паливних елементів. І в цей же час стали можливими досягнення у справі конструювання двигунів внутрішнього згорання. Саме тому інтерес промислових підприємств до дослідження паливних елементів майже повністю зник. Цікаво подумати над тим, як би виглядала сьогодні енергетика, якщо б двигун внутрішнього згорання розвивався б не так стрімко, як це було насправді.

Обставини склалися так, що до другої світової війни потенційні можливості, закладені у паливних елементах, створили умови для енергійних наукових дослідів. Головною найближчою метою було (і, мабуть, залишається) створення невеликих джерел струму для спеціальних (інакше кажучи, військових) потреб, коли беззвучність праці та безвідмовність важливіша, ніж витрати на вироблення енергії. Однак велика частина цих дослідів відіграла деяку роль і у вирішенні іншої незрівнянно більш важливої задачі - створення економічно конкурентоспроможних елементів, придатних до використання на великих електростанціях, електровозах і т.д.

Щоб легше було детально розібратися, як працюють різні паливні елементи, корисно спочатку розглянути один важливий електрохімічний процес, тісно пов'язаний з питанням, що нас цікавить. Це електроліз.


2. Електроліз.

Електроліз. Чиста вода погано проводить електричний струм. Вона майже абсолютний ізолятор. Однак її можна перетворити у достатньо добрий провідник, розчинивши у ній невелику кількість деяких речовин, переважно неорганічних кислот та солей. Більше того, для цього зовсім не обов'язково, щоб сама розчинна речовина була добрим провідником. Так, хлористий калій, речовина хімічно близька до звичайної солі, - сам, власне, дуже погано проводить електричний струм, але розчинення 1 г хлористого калію у 15 л чистої води підвищує її електропровідність у 5000 разів.

Вода з водопроводу завжди містить у розчиненому стані дуже малу кількість домішок солей, завдяки чому вона добре проводить електричний струм. Ось чому інколи "б'є" людину, яка доторкнулась мокрою рукою до вимикача.

У посуд з дистильованою водою опущено електроди, під'єднані до ланцюга, у який послідовно увімкнена лампа (рис. 3.1). Лампа не горить, тому що дистильована вода не пропускає електричний струм, який іде від батареї. Але достатньо кинути у воду маленьку пучку хлористого калію, як лампа негайно спалахне. Звідси можна зробити висновок, що ланцюгом пішов струм. Це стало можливим тільки тому, що розчинення хлористого калію у дистильованій воді зробило її провідником електричного струму.

Дослід вдасться і в тому випадку, якщо замість хлористого калію у воду кинути декілька кристалів сульфату міді, додати до неї дві-три каплі концентрованої сірчаної кислоти або розчинити невелику кількість якої-небудь іншої неорганічної кислоти або солі. Подібні водяні розчини, які проводять електричний струм, називаються електролітами. Цю ж назву використовують і щодо розплавів солей, які проводять електричний струм.

Якщо пропускати струм через розчин протягом деякого часу, то можна спостерігати різні цікаві явища, які залежать від природи електроліту та електродів.

Коли електроди мідні, а електролітом є розчин сульфату міді, то через деякий час на катоді (так називають негативний електрод) з'явиться свіжий шар міді. У цей же час анод (позитивний електрод) поступово розчиняється. У розчині ж мідного купоросу ніяких змін не відбудеться. Таким чином, у кінцевому результаті дія електричного струму, який проходить через розчин, зводиться до переносу міді з аноду на катод.

Якщо ж електроди виготовлено з платини, то мідь звичайно буде осідати на катоді, але на аноді з’являться пухирці газу (кисню). Крім того, у даному випадку концентрація мідного купоросу у розчині поступово зменшується, завдяки чому синій розчин поступово втрачає свій колір. Таким чином, у цьому випадку мідь, яка осідає на катоді, добувається струмом із розчину мідного купоросу.





Рис. 3.1. Дослід, який демонструє електролітичну провідність

В іншому варіанті того ж досліду електролітом є розчин азотнокислого срібла, анод виготовляють із срібла, а катод може бути зі срібла або з якого-небудь іншого металу. У цьому випадку анод поступово розчиняється, а на катоді утворюється свіжий шар срібла. Концентрація ж розчину азотнокислого срібла залишається незмінною. Тут ми знову зустрічаємось з переносом металу від аноду до катоду під дією електричного струму.

Будь-який процес, у якому такий метал, як срібло та мідь, осідає на катоді, можна використовувати для нанесення гальванопокриття. Для цього достатньо замінити катод предметом, на який треба нанести покриття.

Явище проходження електричного струму через електроліт разом з супутніми йому електрохімічними процесами на електродах, називається електролізом.

Уже згадувалось про процес електролізу, який проходить в електроліті, утворившись завдяки розчину невеликої кількості сірчаної кислоти у дистильованій воді. У цьому випадку (якщо електроди зроблено з платини) гази утворюються на обох електродах. У ході процесу рівень рідини у посудині знижується, а концентрація сірчаної кислоти у розчині безперервно зростає. У результаті, вода зникне і на дні посудини залишиться небагато чистої сірчаної кислоти.

Куди ж поділась вода? Одне можливе пояснення: у процесі електролізу вода розпалась на складові елементи - водень і кисень (водень – на катоді, кисень – на аноді).

Іони - електричні мандрівники. Загадкові явища електролізу були дуже просто пояснені у 1887 р. шведським хіміком Арреніусом, що запропонував теорію електролітичної дисоціації. Потім Арреніус отримав за цю працю Нобелівську премію. У теорії Арреніуса розглядаються іони - атоми або групи атомів, з надлишковим позитивним або негативним зарядом (на відміну від звичайних атомів, які містять позитивні та негативні заряди у рівних кількостях і тому електрично нейтральні).

Іони рідини, яка не розчинена у воді міцно пов'язані у молекулах, нейтральних в електричному відношенні, оскільки обернені за знаком заряди іонів взаємно врівноважують один одного. Але при розчиненні речовини іони роз'єднуються (дисоціюють). Присутність цих незалежних, мандруючих носіїв заряду надає електроліту здатність проводити електричний струм (сама назва "іон" походить від грецького слова, що у перекладі означає "мандруючий").

Тепер розглянемо електроліз розчину сірчаної кислоти з урахуванням дисоціації іонів (рис. 3.2). Скористаємось скороченими позначеннями: сірчана кислота - Н₂SО₄; водень (Н₂), сірка (S), кисень (О₄), вода Н₂О.

Коли молекула Н₂SО₄ розчиняється, вона дисоціює на два іони водню, кожен з яких несе позитивний заряд (Н⁺), й один іон сульфату, який несе подвійний негативний заряд (S0₄ ^2-). Цю дисоціацію можна записати так:

Н₂S0₄ → 2Н⁺ +SО₄^2-.

В електрохімічному елементі іони водню рухаються до катода, а іони сульфату - до анода. Звісно, навіть в одній краплині розбавленої сірчаної кислоти "товчуться" хаотично мільйони іонів. Тому проходить часткова рекомбінація, тобто поєднання іонів у молекули. Цей процес можна записати так:

2Н⁺ + SО₄^2- →Н₂S0_4.

Поєднані таким чином молекули знову будуть дисоціювати і т. ін. У результаті іони безперервно обмінюються партнерами у процесі дисоціації та рекомбінації, тому у будь-який момент часу деякі з них бувають вільними, а деякі - зв'язані у молекули. Індивідуальний іон, очевидно, здійснює багатоетапну мандрівку до відповідного електрода, беручи участь на шляху у багатьох актах дисоціації та рекомбінації. Таким чином, дисоціація на іони пояснює, як електроліти проводять електричний струм, але ми ще не пояснили іншого явища, супутнього проходженню струму через електроліт.

Коли іон сульфату досягає анода, його два від'ємних заряди, які є парою електронів, слабо зв’язаних з групою атомів SO_4, що залишається у розчині, знову стає хімічно активною і негайно вступає у реакцію з найближчою молекулою води, створюючи сірчану кислоту і кисень згідно з реакцією:

SО₄ + Н₂ О → Н₂ SО₄ + О_2.

Кисень виділяється у газоподібній формі на аноді, тоді як сірчана кислота залишається у розчині, поповнюючи запас іонів у результаті вже відомої нам реакції дисоціації. Залишається розглянути, що відбувається на катоді. Усякий іон водню, що потрапив сюди, негайно набуває одного з незалежних електронів, який має катод, як будь-який інший металевий провідник. Негативно заряджений електрон пошкоджує позитивний заряд водневого іону, який стає звичайним нейтральним атомом водню. Газоподібний водень, отриманий таким чином, виділяється на катоді.

Відмітимо, що накопичення зарядів ніде у ланцюгу не виконується. Будь-яка пара електронів, відданих іоном сульфату, іде зовнішнім ланцюгом і в кінці захоплюється іонами водню на катоді. Явища, які спостерігаються при електролізі розчинів мідного купоросу, азотнокислого срібла і т.п., можна пояснити аналогічним чином, розглядаючи дисоціацію цих солей на іони й відповідні хімічні реакції, які йдуть на електродах.