Чем генерируется постоянный ток: обзор источников питания, их преимуществ и недостатков

Приводы многих механизмов и целый ряд электронных устройств работают на постоянном токе. Последний генерируется разными способами.

О том, как устроен источник постоянного тока и какие существуют его разновидности, расскажет данная статья.

Краткий обзор источника тока

В данной статье я хочу поделиться с вами интересным источником тока, который я нашел в старой заметке по применению, опубликованной Linear Technology. Однако сначала я должен упомянуть другие типы источников тока, которые обсуждаются в существующих статьях на RadioProg.

Если вы хотите перейти на уровень транзисторов, у нас есть статьи о токовом зеркале на MOSFET транзисторах и токовом зеркале на биполярных транзисторах. Если вы предпочитаете использовать операционные усилители, источник тока Хауленда вырабатывает ток, управляемый напряжением, и требует только одного операционного усилителя и четырех резисторов.

Рисунок 1 – Источник тока Хауленда

Если вам не нравится работать с дискретными транзисторами и (по какой-то причине) у вас нет под рукой операционных усилителей, возможно, вы захотите преобразовать один из ваших линейных стабилизаторов напряжения в источник тока.

Чем ТЭС отличается от ТЭЦ

Сначала надо разобраться с формулировками. Многие не понимаю, чем ТЭС отличается от ТЭЦ, и почему часто один и то же объект называют обеими этими аббревиатурами.

На самом деле это действительно примерно одно и то же. Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) является разновидностью теплоэлектростанции (ТЭС). В отличии от второй, первая вырабатывает не только электричество, а еще и тепло для отопления близлежащих домов.

60% энергии в мире добывается за счет тепловых электростанций. В том числе и та, от которой заряжается Tesla и прочие электромобили. Вот такая экологичность получается.

ТЭЦ более универсальны, но когда с отоплением в домах все нормально, строятся простые ТЭС, но часто они могут быть преобразованы в ТЭЦ строительством пары дополнительных блоков и прокладкой инфраструктуры в виде труб.

Особенности устройства систем отопления: как работает технология?

Типы отопительных систем:

Водяные. Самый распространённый и выгодный вариант. Главный элемент схемы — котёл. Прибор нагревает жидкость, она по трубам поступает в радиаторы, которые прогревают воздух в помещениях.
Воздушные. В качестве источников тепла используют калориферы, которые подают тёплый воздух в комнаты. Как первичный отопитель применяется вода или горячий пар.
Электрические. Системы электрообогрева безопасны, автоматизированы, отличаются эффективностью. Недостаток устройства — дороговизна.

У каждой из систем есть собственные плюсы и минусы. При выборе следует ориентироваться на личные потребности, цели, приоритеты. Владельцы частных домов чаще всего обустраивают водяное отопление. Это рациональное решение, позволяющее создать комфортные условия проживания с минимальными затратами.

Сварка инвертором

Сварка инвертором ММА проводится на прямой полярности «классическим» способом, поскольку режим применяется для соединения толстостенных заготовок 4 мм и выше:

Сварка ведется неотрывной дугой с зазором 3-5 мм. Чем быстрее проводить электрод над одним местом стыка, тем меньше глубина проплавления. При замедлении глубина провара увеличивается. Если предстоит подряд сваривать стыки с разной толщиной сторон, можно выставить силу тока на аппарате для самого большого сечения в конструкции, а глубину провара регулировать скоростью ведения электрода. Только дугу при этом всегда держат на более толстом металле, кратковременно перенося на тонкий, чтобы избежать прожогов.

Сварка на обратной полярности чаще всего применяется для соединения тонких листовых материалов сечением 1-3 мм. Но даже концентрирование теплового пучка на кончике электрода не всегда спасает от прожогов. Чтобы предупредить дефекты шва, используют прерывистую дугу. Ее поджигают касанием об изделие и накладывают короткие швы без отступов. Отрыв кончика электрода от изделия на высоту 2 см приводит к затуханию дуги. Затем кончик снова подносят и он загорается без постукивания. Такие паузы дают дополнительное время для остывания шва и исключают прожоги.

Способы создания схем из нескольких светодиодов – последовательное и параллельное соединение

При подключении нескольких светоизлучающих приборов к источнику питания может использоваться два варианта соединения – последовательное и параллельное.

Последовательное соединение представляет цепь полупроводниковых приборов, в которой катод первого излучателя спаян с анодом следующего – и так далее. Через все элементы последовательной цепи протекает ток одного значения, а падение напряжения суммируется. Мощность БП выбирается равной или превышающей сумму мощностей каждого элемента.

Минусы последовательного соединения:

При значительном количестве элементов цепи необходимо выбирать БП большого вольтажа.
При выходе из строя одного LED-диода перестает работать вся цепь.

В длинных лентах на 60-70 диодов на каждом элементе происходит падение напряжения примерно на 3 В, то есть такие ленты можно присоединять к сети 220 В через выпрямитель.

При параллельном подсоединении напряжение на всех элементах цепи будет равным, а суммируются токи каждого LED. Основная проблема в данном случае состоит в том, что LED-светильники, даже из одной партии, часто имеют различные характеристики. Поэтому, если поставить один общий резистор, на лампочки может подаваться ток разного значения, вследствие чего некоторые элементы будут светить слишком ярко, а некоторые – тускло. Решение проблемы – установка отдельных резисторов для каждого диода.

Минусы параллельного подключения:

большое количество элементов цепи из-за необходимости использования индивидуальных резисторов для каждого диода;
существенный рост нагрузки при перегорании одного LED-диода (если используется один мощный резистор на всю цепь).

Это самый подходящий вариант соединения светодиодов, поскольку он позволяет хотя бы частично скомпенсировать недостатки последовательного и параллельного подключений. В этом случае параллельно соединяются цепочки последовательно расположенных элементов. Этот способ применяется в современных елочных гирляндах или лентах. Преимущество такого решения: если даже выйдут из строя одна или несколько параллельных цепочек, остальные будут исправно светить.

Подземное геотермальное отопление дома теплом земли

Поиски альтернативных источников энергии привели к изобретению устройств, которые способны аккумулировать тепло, в большом количестве находящееся в окружающей среде человека. Солнечные лучи, гейзерные источники, грунт — все это в той или иной степени может удовлетворить потребности в нагреве теплоносителя для системы отопления и ГВС.

Хотя геотермальное отопление за счет тепла земли является относительно новым направлением, перспективы такого решения очевидны. Благодаря установке специального оборудования появляется возможность получения дешевого, практически бесконечного типа тепловой энергии.

Как получить тепло в дом из земли

Земля даже в зимний период времени не промерзает полностью. Этой особенностью пользуются монтажные бригады, прокладывающие трубопровод ниже точки замерзания. Удивительно, но температура этих слоев редко опускается ниже, чем +5 +7°C градусов.

Можно ли воспользоваться способностью земли аккумулировать тепло, извлечь его и использовать для нагрева теплоносителя? Конечно! Но чтобы сделать альтернативное отопление частного дома с помощью тепла земли возможным, потребуется решить следующие проблемы:

Получение тепла — понадобится аккумулировать тепловую энергию и направить ее в аккумулирующий резервуар.

Нагрев теплоносителя. Нагретый антифриз должен передать тепловую энергию жидкости, которая циркулирует в системе отопления и ГВС.

Остывший антифриз необходимо отвести обратно к теплообменнику для дальнейшего нагрева.

Чтобы решить эти вопросы был разработан геотермальный насос с использованием тепла земли. Геотермальный тепловой насос позволяет извлечь количество тепла, которого более чем достаточно для производства большого количества тепла и использования в зависимости от конструкции и месторасположения дома в качестве основного или дополнительного отопительного оборудования.

Как работает геотермальное отопление дома, принцип работы

Подземное глубинное отопление из земли, это больше не фантастика. Такие установки можно спокойно купить в России. Причем геотермальные установки в состоянии работать как в условиях Севера, так и в южных широтах. Но какой принцип они используют в своей работе?

Еще в прошлом столетии был отмечен факт, что при испарении определенные типы жидкостей способны охлаждать поверхность. Именно это происходит когда протирают спиртом кожу перед уколом или поливают асфальтированную площадку, нагретую под солнцем. Этот принцип был взят в качестве основы для разработки холодильного оборудования.

Дальше возникла идея почему бы не пустить процесс охлаждения в обратную сторону и не получить вместо холодного горячий воздух. Большинство современных кондиционеров в состоянии не только охлаждать воздух в помещении, но и работать на его нагрев. Но недостатком таких устройств является то, что они ограничены температурой окружающей среды. Так, после того как отметка достигает -5 градусов, они прекращают работать.

Геотермальные насосы для отопления частных домов от земли полностью лишены такого недостатка, хотя используют принцип, во многом напоминающий работу кондиционера на нагрев помещения.

Как устроено геотермальное отопление

Как уже отмечалось, геотермальная система отопления из недр земли, во многом напоминает работу кондиционера в режиме нагрева. Что происходит в этот момент?

В нижних слоях грунта, на дне реки или озера устанавливают водяные коллекторы, по которым циркулирует антифриз. Коллекторы поглощают тепло и высвобождают холод.

Нагретый антифриз с помощью насоса поднимается наверх.

В буферном баке происходит теплообмен. Нагретый антифриз отдает тепловую энергию теплоносителю или нагревает воду.

Остывший антифриз поступает обратно к коллекторам.

Геотермальное оборудование для использования тепла земли

Принцип работы глубинной системы отопления дома, за счет энергии земли, основан на применении особого оборудования. Оно выполняет следующие функции: аккумулирует тепло окружающей среды, передает его теплоносителю системы отопления. Для этого используют следующие узлы:

Испаритель — находится глубоко под землей. Функция испарителя заключается в том, чтобы поглотить тепловую энергию, находящуюся в окружающем грунте.

Конденсатор — доводит антифриз до необходимой температуры.

Тепловой насос — циркулирует антифриз в системе. Осуществляет контроль над работой всей установки.

Буферный бак — собирает нагретый антифриз в одном месте, для передачи энергии теплоносителю. Состоит из внутреннего бака, в нем находится вода из системы отопления и внутренний змеевик, по которому движется нагретый антифриз.

Монтаж и установка геотермального отопления

Основная сложность относительно монтажа геотермального оборудования связана с установкой контура теплообменника в грунте-земле. Хотя в интернете можно найти большое количество советов как выполнить эти работы самостоятельно, практика показывает, что большинство советов невозможно применить без специального профильного образования, следовательно, все работы должны выполнять профессиональные монтажники, являющиеся представителями производителя.

После обращения к специалистам, геотермальные системы отопления частных домов за счет тепла земли устанавливаются в следующие несколько этапов:

Выезд инженера на дом . Во время первого визита берутся пробы грунта, определяются особенности местности и принимается решение о наиболее эффективном монтаже геотермальной системы. На эффективность установки может влиять также источник предполагаемого тепла. Более производительным считается монтаж теплообменников на дне водоема или у истоков термических источников.

Заключение договора и приобретение необходимого оборудования . Расценки могут существенно отличаться в зависимости от сложности проведения монтажных работ и других нюансов. Но в среднем, если выбран качественный немецкий производитель, стоимость установки будет приблизительно равняться его цене. Приобретение под ключ установки Vaillant для дома в 350 кв. м. обойдется приблизительно в 21 тыс. $

Монтажные работы . Отопление частного дома подземными геотермальными источниками тепла, а точнее, его эффективность во многом зависит от правильного проведения работ на этапе монтажа. После того как водяные теплообменники будут установлены в грунт, выполняется подключение к геотермальной установке и системе отопления дома.

Пуско-наладочные работы . Инженер запускает систему и выполняет точную регулировку устройства. После настройки подписывается Акт о сдаче работ.

Эффективно ли геотермальное отопление на Севере

Чтобы создать минимальные условия необходимые для работы геотермальной установки, достаточно соблюдения следующих условий:

Температура слоя грунта, в котором расположены теплообменники, не должна опускаться ниже +5,+7°C градусов.

На протяжении всей системы, по которой протекает антифриз, созданы условия, позволяющие избежать его замерзания.

Геотермальный обогрев загородного дома выполнен после проведения всех необходимых расчетов и проектной документации.

Если учесть все описанные требования становится ясно, что такие установки могут быть эффективными, при соблюдении вышеперечисленных условий. Все же для северных регионов более целесообразно использовать такие установки для нагрева небольших площадей до 150-200 кв. м.

Гейзерное отопление частного дома

Производительность геотермального насоса во многом зависит от температуры грунта или воды, в которых находится теплообменник. В этом отношении жители Камчатки находятся в более выгодном положении. На полуострое Камчатка находится огромное количество термальных источников — гейзеров, которые не остывают даже в зимнее время года.

Перед монтажом оборудования обязательно проводится геологическая разведка. Если теплый источник находится на территории дома, имеет смысл расположить теплообменники на дне этого водоема. Геотермальная энергия в таком случае окупится значительно быстрее.

Как с помощью геотермального насоса отопить дом

Технология обогрева дома подземным теплом наиболее востребована на Западе. Это в первую очередь связано с менталитетом жителей западных стран. Они привыкли делать долгосрочные инвестиции, которые полностью окупаются только через несколько лет. Да и немного найдется людей, которые в состоянии заплатить за установку оборудования около 20 тыс. $ единовременно. Но количество желающих стать независимыми от остальных источников отопления постоянно растет.

Альтернативные способы геотермального отопления дома становятся более популярными, особенно если учесть постоянно растущую стоимость газа.

Тепловая энергия буквально лежит под ногами. Дело только за тем, чтобы нагнуться и «поднять» ее. В этом может помочь геотермальная установка. Монтаж насоса позволяет в зависимости от местности либо полностью компенсировать потребности в тепловой энергии, или удовлетворить их частично, существенно снизив нагрузку на основной источник отопления и систему ГВС частого дома.

Виды топливных элементов

Существует несколько видов топливных элементов, и каждый работает немного по-разному.

Но в общих чертах принцип работы в том, что атомы водорода попадают в топливный элемент на аноде, где химическая реакция лишает их электронов. Атомы водорода теперь «ионизированы» и несут положительный электрический заряд. Отрицательно заряженные электроны обеспечивают ток через провода для выполнения работы. Если требуется переменный ток (AC), то выход постоянного тока топливного элемента должен быть направлен через преобразовательное устройство, называемое инвертором.
Кислород поступает в топливный элемент на катоде и там соединяется с электронами, возвращающимися из электрической цепи, и ионами водорода, прошедшими через электролит с анода. В других типах клеток кислород захватывает электроны и затем перемещается через электролит к аноду, где он соединяется с ионами водорода.
Электролит играет ключевую роль. Он должен пропускать только соответствующие ионы между анодом и катодом. Если бы свободные электроны или другие вещества могли проходить через электролит, они бы нарушили химическую реакцию.
Соединяются ли они на аноде или катоде, вместе водород и кислород образуют воду, которая вытекает из клетки. Пока топливный элемент снабжен водородом и кислородом, он будет вырабатывать электричество.

Щелочные

Щелочные топливные элементы работают на сжатом водороде и кислороде. В качестве электролита они обычно используют раствор гидроксида калия в воде. Эффективность около 70 процентов, и рабочая температура от 150 до 200 градусов C. Выходная мощность ячейки колеблется от 300 Вт (Вт) до 5 киловатт (кВт). Щелочные ячейки использовались в космических аппаратах «Аполлон» для обеспечения как электричества, так и питьевой воды. Однако им требуется чистое водородное топливо, а их платиновые электродные катализаторы стоят дорого. И как любой контейнер, наполненный жидкостью, они могут протекать.

Протонообменные мембранные

Протонообменные мембранные топливные элементы работают с полимерным электролитом в виде тонкого проницаемого листа. Для работы применяется водородное топливо и кислород из воздуха. Основой элемента является тонкая полимерная пленка, представляющая электролит.
КПД составляет от 40 до 50 процентов, а рабочая температура-около 80 градусов по Цельсию. Выходы ячеек обычно варьируются от о,о5 до 250 кВт. Твердый, гибкий электролит не будет протекать или трескаться, и эти ячейки работают при достаточно низкой температуре, чтобы делает их пригодными для домов и автомобилей. Автомобили на топливных элементах, в основном, применяют водород.

Как недостаток топливо должно быть чистым, а платиновый катализатор используется по обе стороны мембраны, что повышает затраты.

Твердооксидные

Твердооксидные топливные элементы используют в качестве электролита твердое керамическое соединение оксидов металлов (например, кальция или циркония). КПД составляет около 60 процентов, а рабочая температура-около 1000 градусов по Цельсию. Выход ячеек — до 100 кВт. При таких высоких температурах риформер не требуется для извлечения водорода из топлива, а отработанное тепло может быть переработано для получения дополнительной электроэнергии. Однако высокая температура ограничивает применение блоков, и они, как правило, довольно велики. В то время как твердые электролиты не могут протекать, они могут треснуть.
На основе расплавленного карбонатного электролита
Расплавленные карбонатные топливные элементы (MCFC) используют в качестве электролита высокотемпературные соединения карбонатов солей (таких как натрий или магний). КПД колеблется от 60 до 80 процентов, а рабочая температура составляет около 650 градусов по Цельсию. Построены энергоблоки мощностью до 2 мегаватт (МВт), имеются проекты энергоблоков мощностью до 100 МВт. Высокая температура ограничивает повреждение от «отравления» угарным газом и отработанное тепло может быть переработано для получения дополнительной электроэнергии. Их никелевые электроды-катализаторы стоят недорого по сравнению с платиной, используемой в других ячейках. Но высокая температура также ограничивает материалы и безопасное использование —они, вероятно, будут слишком горячими для домашнего использования.

Прямой метанольный

Прямой метанольный топливный элемент, как ожидается, получит место на рынке, потому что они имеют более высокий срок службы по сравнению с литий-ионным аккумулятором и могут быть заряжены простым изменением картриджа с топливом. Однако, применяется ядовитый метиловый спирт.
Эти типы топливных элементов разрабатываются компаниями Samsung (Корея), Toshiba, Hitachi, NEC и Sanyo (Япония). Анодный катализатор извлекает энергию из жидкого метанола, устраняя необходимость в топливном риформере. Они показывают эффективность около 40% и работают при температурах около 130 °C.

Преимущества:
1. Он использует жидкое топливо. Размер месторождений меньше и может воспользоваться преимуществами существующей инфраструктуры обеспечения.
2. Он не нуждается ни в каком процессе реформирования.
3. Его электролит представляет собой протонную обменную мембрану,

1. Недостатками прямого метанольного топливного элемента являются необходимость концентрированного токсичного метанола для достижения полезной плотности энергии и проблема перекрестного переноса метанола.
2. Имеет низкую эффективность по отношению к водородным элементам.
3. Нуждается в большом количестве катализатора для электроокисления метанола на аноде.

*Тип топливного элемента*	*Температура (град. C)*	*Выходная мощность ( Kвт)*	*Применение*
Щелочной топливный элемент	150-200	5-300	Космические и военные установки
Протонообменные мембранные топливные элементы (PEMFC)	50-100	0,05-250	Перспективная бытовая техника, портативные ноутбуки, сотовые телефоны, видеокамеры, автобусы, автомобили, железнодорожные локомотивы
Фосфорнокислотные элементы (PAFC)	160-210	5-200	Железные дороги
На основе расплавленного карбонатного электролита (MCFC)	650	100-2000	Электросети
Твердооксидный (SOFC)	800-1000	2,5-250	Коммерческая энергетика, мобильные приложения для железных дорог
Прямой метанольный топливный элемент (DMFC)	50-120	0.1- 1	Для портативных устройств

Существует также микробный топливный элемент (MFC) — это особый вид в котором используются микроорганизмы для преобразования химической энергии в электричество.

Микротопливные виды элементов

Система микротопливных ячеек (мощность < 1 Вт). Этот класс топливных элементов разработан как самый маленький в мире вид (металлгидридный блок размером 3 мм на 3 мм на 1 мм, нуждающийся в ограниченном внешнем топливе).
Установка способна генерировать 0,1-1 мА в течение 30 часов до тех пор, пока гидрид металла не будет исчерпан, и она использует поверхностное натяжение, а не насосы. Хотя в основном они все еще находятся на стадии разработки, эти устройства могут быть использованы для питания медицинских устройств, которые требуют только короткого времени работы.

Разработан микротопливный элемент, который использует дрожжи, питающиеся сахаром в крови человека, для выработки электроэнергии. Этот микробный топливный элемент производит около 40 нановатт энергии, и при использовании с конденсаторами, может быть достаточным для питания внутрипочечных электродов для лечения паралича или устройств, таких как кардиостимуляторы.
Топливный элемент является фактически живым источником энергии, способным самовосстанавливаться и устранять необходимость в регулярных операциях по замене батарей.

Еще одно новое приложение, которое в настоящее время находится в стадии разработки и, возможно, более коммерчески готово,-это печатный микротопливный элемент с ферментативным катализом. Активированный водой микробный топливный элемент размещается на упаковочной бумаге, которая содержит встроенные датчики для контроля, например, состояния пищевых продуктов в «интеллектуальной упаковке».
Эта технология имеет и другие применения; например, в биомедицинском мониторинге, когда она интегрирована в липкий пластырь, и имеет преимущество быть одновременно дешевой и способной к массовому производству.

Достоинства топливных элементов

Электростанции на топливных элементах экологичны, бесшумны, не имеют вращающихся компонентов.
Это децентрализованный завод, может работать изолированно для военных объектов и больниц, где шум и дым запрещены. Кроме того, никакая энергия не тратится впустую на передачу и распределение.
Топливные источники энергии достигают высокого КПД до 55% , тогда как обычные тепловые станции работают с КПД 30%.
Большая степень модульности, с мощностью от 5 кВт до 2 МВт.
Существует широкий выбор топливных элементов. Они могут работать на природном газе, этаноле, метаноле, сжиженном газе и биогазе, поставляемых из местной биомассы
В дополнение к электроэнергии , топливные элементы также поставляют горячую воду, тепло и пар.
Топливные элементы обладают когенерационными возможностями. Когенерация — совместное производство электрической и тепловой энергии.
Топливные элементы могут работать на газах из пивоваренных заводов (завод, где производится пиво), а также на газе из осадке сточных вод, доказав, что это самая чистая и наиболее экономичная технология преобразования вида энергии.
Потребительская электроника может значительно увеличить заряд батареи с помощью технологии топливных элементов.
Сотовые телефоны могут работать в течение 30 дней без подзарядки.
Ноутбуки могут работать в течение 20 часов без подзарядки.
Более 2500 систем топливных элементов были установлены по всему миру в больницах, домах престарелых, гостиницах, офисных зданиях, школах и коммунальных электростанциях.
Большинство из этих систем либо подключены к электрической сети для обеспечения дополнительной мощности и резервного обеспечения, либо являются независимыми от сети генераторами в местах, недоступных для линий электропередач.
Применение сложных коммуникационных сетей требует невероятно надежного источника питания. Было доказано, что топливные элементы надежны на 99 %.

В то время как немногие устройства на основе топливных элементов доступны потребителям, они имеют потенциал для использования в различных компоновках и типах для обеспечения электроэнергией таких разнообразных коммунальных служб, как автомобили, портативные компьютеры, мобильные телефоны или даже электрическая сеть в качестве электростанции.

голоса

Рейтинг статьи

Чем генерируется постоянный ток: обзор источников питания, их преимуществ и недостатков