ВИДЫ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

ВИДЫ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Правила устройства электроустановок (ПУЭ) определяют такие понятия, как энергетическая система и система энергоснабжения. При этом не конкретизируются устройства, в эти системы входящие.

С чего начинается работа любой электроустановки (от карманного фонарика до персонального компьютера или холодильника)? С подключения к электропитанию.

Общее определение: источник электропитания – это устройство для производства, преобразования электроэнергии, подачи напряжения в аварийных ситуациях.

Под эту категорию подпадает достаточно много устройств. Для большинства потребителей знакомы такие понятия, как электростанции, трансформаторные подстанции, генераторы, аккумуляторы, одноразовые батарейки. Кроме того, каждый держал в руках зарядное устройство для телефона или БП для ноутбука. Это и есть источники питания во всем разнообразии.

• вилка в розетку;
• батарейка в корпус;
• выключатель нажать.

Интерес к устройству возникает лишь при его поломке.

Разберем основные их типы.

Виды альтернативных источников энергии

В большинстве регионов человек не может существовать без тепловой и электрической энергии, обеспечивающей его жизнедеятельность; без неё невозможно развитие индустрии и цивилизации вообще. Есть три главных требования, которым должен отвечать источник альтернативного питания. Он должен быть:

• возобновляемым;
• экономичным;
• экологичным.

Солнечные батареи (фотоэлектрические модули)

Учёные давно задумывались о том, как использовать энергию Солнца, и в середине XX века это вылилось в изобретение кремниевых солнечных панелей (батарей). Они преобразовывают солнечный свет в электричество, работая бесшумно и экологично, а использовать их можно практически везде.

Главный минус фотоэлектрических модулей — высокая стоимость вырабатываемого электричества: оно почти вдвое дороже энергии, полученной традиционными способами, за счёт размеров, цены кремниевых панелей и с учётом их сравнительно невысокой производительности.

Несмотря на то, что солнечные батареи пока не слишком выгодны, прогнозы оптимистичны: вскоре их стоимость снизится и экологически чистая энергия станет доступна многим.

Солнечные коллекторы

В отличие от солнечных батарей, коллекторы — гелиоустановки — собирают тепловую энергию Солнца. Они нужны главным образом для обеспечения тепла в домах и на производствах, горячего водоснабжения. Коллекторы бывают:

• вакуумными трубчатыми;
• плоскими высокоселективными;
• воздушными и открытыми (самый простой вариант, использующийся в быту в южных регионах).

Ввиду разницы конструкций отличаются и качества высокотехнологичных систем:

• у вакуумных значительно ниже теплопотери;
• плоские заметно дороже в производстве и установке;
• вакуумные значительно проще монтировать.

Ветрогенераторы

Ветряки все видели как минимум на фотографиях — гигантские пропеллеры на высоких столбах. Одна такая 50-метровая вышка способна вырабатывать 50 кВт/ч.

Ветрогенератор состоит из:

• основы с поворотной платформой;
• пропеллера, соединённого с генератором;
• преобразующего ток аккумулятора.

В 1931 году по проекту изобретателя Уфимцева в Курске была возведена первая в мире ветроэлектростанция с инерционным аккумулятором.

Стоимость энергии, выработанной таким образом, примерно равна цене на электричество, получаемое от теплоэлектростанций, с той разницей, что воздушные потоки — бесконечный ресурс, а процесс их обработки не сопряжён с выбросом токсичных веществ в атмосферу.

Недостаток ветряков — наилучшую производительность они демонстрируют только на открытых пространствах (к примеру, в степи), где высотные здания не мешают свободному распространению воздуха. Установленные в городе, ветряные вышки теряют 30–40 % эффективности.

Гидроэнергия

Альтернативная гидроэнергетика представлена в основном тремя типами установок:

• малыми;
• волновыми;
• приливными гидроэлектростанциями.

Малые ГЭС плохо подходят для промышленного использования ввиду их небольшой мощности, но вполне могут обеспечить электричеством несколько домов. Они вырабатывают практически бесплатную энергию, а выработка не зависит от причуд погоды, как в случае с солнечными батареями и ветряными вышками.

Малые гидростанции могут быть:

• колёсными;
• пропеллерными;
• роторными (на основе ротора Дарье, вращающегося благодаря разнице давлений на лопастях);
• водопадными (они не распространены в России, потому что у нас мало водопадов).

При желании и минимальном знании физики ГЭС-самоделку можно установить даже у себя на загородном участке. Она не потребует перекрытия русла реки и формирования водохранилища.

Волновая энергетика

Волновая станция — плавучее сооружение, использующее неисчерпаемую энергию волн, потенциально очень энергоёмкое. ВЭС дороги в изготовлении и установке, хрупки (поскольку чаще всего не рассчитаны на шторма), однако получаемая с их помощью электроэнергия практически бесплатна. В России существует пока единственный такой проект — возле мыса Шульц в Приморье.

Энергия приливов и отливов

Приливы и отливы вызываются активностью Луны, поэтому такие альтернативы классическим ГЭС можно называть лунными. Они очень бережно относятся к морским обитателям и дну, в отличие от обычных электростанций, вызывающих массовую гибель планктона. Производительность приливных станций неравномерна, но это не особенно критично, поскольку они — лишь часть большой энергосистемы.

В нашей стране есть только одна ПЭС — построенная в 1968 году Кислогубская в акватории Баренцева моря. Она обеспечивает электричеством посёлок с пятитысячным населением.

Энергия температурного градиента

На разных глубинах Мирового океана температура воды отличается, часто значительно, поскольку солнечные лучи нагревают только верхние слои воды, практически не попадая в её толщу. По сути, Мировой океан — самый крупный в мире природный коллектор, накапливающий энергию. Работа электростанций основана на переносе тепла с одновременным выделением энергии — её выработается тем больше, чем сильнее температурные различия.

Электростанции, эксплуатирующие температурный градиент, разрабатывались с конца XIX века, однако до сих пор функционируют по большей части в экспериментальном режиме, обеспечивая энергией главным образом самих себя. Тем не менее, перспективы у отрасли есть, поскольку научное сообщество обеспокоено грядущим истощением природных запасов и активно ищет альтернативные источники энергии.

Энергия жидкостной диффузии

Осмотическая энергостанция использует принцип диффузии жидкостей (осмоса). Она может быть установлена только в месте, где пресная вода вливается в солёную, то есть в устьях рек. В специальном резервуаре они смешиваются, что вызывает повышение давления в отсеке с морской водой, в результате чего вращается гидротурбина.

Осмотическая станция — непрерывный возобновляемый источник энергии, существующий в мире в единственном экземпляре — в городе Тофте в Норвегии. Сейчас она тестируется, но в ближайшее время планируется её коммерческий запуск — она будет осуществлять энергоснабжение предприятий.

Геотермальная энергия

Геотермальная альтернативная энергетика использует тепловую энергию недр Земли, запасы которой практически бесконечны — людям остаётся лишь изобрести способ добывать её оттуда.

Альтернативная энергия земных недр подразделяется на:

• петротермальную — энергию сухих горных пород;
• гидротермальную — жидкостную.

Геотермальные источники располагаются на территории многих государств и используются для энергоснабжения в Новой Зеландии, Исландии, Италии, Мексике, Китае, Индонезии, Японии и др.

Такие станции не выбрасывают вредные вещества в атмосферу, не зависимы от сезона и погоды, эффективны и не требуют много места, но, кроме преимуществ, имеют и недостатки:

• они требуют бурения скважин глубиной в несколько километров;
• в воде присутствуют токсины и радиоактивные элементы, а обратная её закачка сложна и не всегда целесообразна;
• наблюдаются большие теплопотери при транспортировке и добыче;
• есть данные, что эксплуатация скважин провоцирует сейсмическую активность.

Биотопливо

Биотопливо — современная альтернатива нефтяным продуктам. Это отходы быта и производства, подготовленные к утилизации путём сжигания. Они могут быть твёрдыми (брикетированное и пеллетированное древесное сырьё, отходы сельхозпродукции), жидким (биоэтанол, биодизель и др., в основном используется как горючее для двигателей внутреннего сгорания и энергокомплексов), газообразным (газ, получаемый в результате разложения отходов при помощи бактерий).

Биотопливо считается более экономным и экологичным, чем традиционное, но журнал Science не разделяет общего энтузиазма: авторы критики считают, что введение платы за выбросы углекислого газа от ископаемого горючего при игнорировании вреда от биотоплива приведёт к повальному уничтожению лесных угодий, которые будут вырубаться ради переработки в древесные пеллеты.

Гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция – самый большой энергетический накопитель потенциального типа. Работает это следующим образом:

• главная часть гидроэлектрической станции – огромная плотина. Она замыкает большую территорию, создавая водохранилище, которое наполняется рекой или другим источником воды;
• в основании железобетонной стены станции находится основное инженерное решение для производства электричества. Падающая с большой высоты вода преобразует свою потенциальную энергию в кинетическую;
• при воздействии потока воды на лопатки турбины кинетика преобразуется в электричество.

Гидроэлектростанции классического типа, а точнее, их водохранилища – накопители энергии потенциального типа. Этот источник относится к возобновляемому. Поток воды постоянно пополняет искусственное озеро, при этом предусмотрены методики отвода жидкости в период, когда объем водохранилища на максимуме, а потребности в производстве электричества нет.

Энергетические накопители потенциального типа несколько другого принципа действия используются в аккумулирующих резервуарах гидроэлектростанций. Такой тип инженерных решений относится к вспомогательному и применяется в совокупности с другим источником. Часто – в солнечных электростанциях, построенных в местностях с мягким климатом. Работает все следующим образом:

• в период максимальной солнечной активности электроэнергия, которую производит солнечная станция, не нужна, потребности городов и энергосети, в общем, малы;
• электричество направляется на работу насосов, которые закачивают воду в огромный искусственный резервуар;
• в темное время суток, если нужно направить дополнительный поток электрической мощности в общую систему, включается механика гидроэлектростанции. Потенциал накопленной воды используется для работы турбин.

Станции, которые используют накопители энергии воды, становятся все более популярными. К достоинствам такого решения относится способность не только полностью использовать мощности основного производителя, но и гарантировать круглосуточный режим отдачи электричества в общую сеть.

Существуют и решения, оперирующие твердым грузом. К ним относятся системы, построенные на простой идее:

• во время работы солнечных батарей или ветрогенераторов излишек их мощности направляется на двигатели, которые перемещают вагоны по рельсовому пути вверх, по наклонной поверхности;
• в то время, когда солнца или ветра нет, тележки двигаются вниз, на их осях расположены генераторы, производящие электричество.

Достоинств у механического решения предостаточно. Здесь малые требования к мощности двигателей, используемых для подъема груза. Для перекачки воды нужно несравненно большие величины как токов, так и давления.

Накопители потенциальной энергии имеют одно неоспоримое достоинство: запасенное можно хранить практически без потерь крайне долго. Потери воды в огромном резервуаре из-за испарения почти незаметны, а если идет речь о поднятии груза, его легко зафиксировать механически в верхней точке.

Недостаток сбора потенциальной энергии также очевиден. Чтобы получить промышленные объемы использования или долговременную работу устройства в быту, нужно или оперировать огромными массами, так сказать, энергоносителя, или гарантировать низкое потребление преобразованной энергии.

Конструктивные особенности и область применения

Основой конструкции термоэлектрического генератора являются термоэлемент, нагреватель, охладитель и нагрузка, это может быть лампа, разъем для подключения устройств — все, что потребляет электричество.

Простота устройства, отсутствие лишних преобразований энергии и минимум движущихся механических узлов делает ТЭГ надежным и долговечным в эксплуатации источником энергии.

Как правило, формы энергии являются либо потенциальными, либо кинетическими.

Формы потенциальной энергии хранятся в том числе химическом, гравитационном, механическом и ядерном виде.

Формы кинетической энергии используются для выполнения различных работ и находятся в электрическом, химическом, электрохимическом, тепловом, электромагнитном виде.

Вот кратко описаны некоторые виды энергии, а также преимущества их применения.

Электрическая

Электрическая энергия — возникает за счет потока электронов между атомами вещества проводника при приложении электрического поля. В отличие от других источников, электричество является вторичным источником энергии. Мы должны использовать другой вид энергии (например, уголь) для производства электроэнергии.

Электростанция — это совокупность установок, оборудования и аппаратуры где другие виды энергии, например уголь, природный газ, гидроэнергия и ядерная превращаются в электроэнергию для передачи в места применения по назначению.

Электричество иногда называют энергоносителем, потому что это хорошо зарекомендовавший себя, эффективный и безопасный способ перемещения энергии из одного места в другое. Кроме того, оно может быть удобно использовано для выполнения многих задач. По мере роста мирового населения мы используем больше электроэнергии для нашей повседневной деятельности, а также больше технологий и инноваций для многочисленных применений. В результате спрос на мировую электроэнергию постоянно растет.
Электрическая мощность может быть вычислена путем умножения напряжения на ток.

Кинетическая

Кинетическая энергия имеется у объекта который двигается. Мы можем рассмотреть такой объект, как пуля, летящая по воздуху. Пуля обладает «кинетической энергией» за счет того, что она находится в движении относительно другой пули, которая неподвижна.
Кинетическая энергия рассчитывается следующим образом: E (кинетическая) =1/2 mv 2 , где m-масса; v-скорость.

Мы используем эти виды энергии для двух основных применений:

1. Она легко доступна в движущихся объектах, поскольку все, что нужно, — это движение.
2. Кинетическая чиста и не загрязняет окружающую среду.

Потенциальная

Потенциальная или накопленная энергия, — это способность системы выполнять работу, обусловленную ее положением или внутренней упругой структурой.

Например, гравитационная потенциальная энергия — запасенная и определяется положением объекта в гравитационном поле. Наша земная гравитация необходима для потенциальной гравитационной энергии.

Гравитационная потенциальная энергия Е (потенциальная) = mgh, где Е — потенциальная в джоулях; m-масса (кг); g-сила тяжести (м/с 2 ); h-высота (м).

Потенциальная энергия пружины запасена в пружине.
Е =1/2 kx 2 , где Е-потенциальная энергия пружины; k-постоянная силы пружины; x-расстояние от равновесия.

Мы используем эти виды энергии для трех основных применений:

1. Потенциальная практически свободна (например, энергия пружины).
2. Гораздо более постоянна и надежна, чем ветровая, солнечная энергия или сила волны.
3. Отсутствие произведенных отхода или загрязнения.

Тепловая

Тепловая энергия — внутренняя, присутствующая в системе в силу разницы температур с окружающей средой.

Температура системы — это мера того, сколько тепловой энергии она имеет. Чем выше температура, тем быстрее молекулы движутся и “вибрируют».

Тепловая может быть получена путем сжигания ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ) или биомассы (например, древесина). Она также может быть получена из пара в геотермальной системе или через ядерные реакции на атомной станции.

Мы используем эти виды энергии для следующих основных применений:

1. Используется для промышленного производства электроэнергии и доступна по всему миру в большинстве областей.
2. Она может обеспечить непрерывность, имеет надежные ресурсы, которые не зависят от погоды (за исключением солнечной тепловой).

Химическая

Химическая энергия — это форма потенциальной, связанная со структурным расположением атомов или молекул, которая существует из-за сил притяжения (химической связи), действующих между различными частями каждой молекулы.

Химическая энергия вещества может быть преобразована в другие виды энергии с помощью процесса, называемого химической реакцией.
Например, глюкоза в нашем собственном теле обладает ресурсом, потому что глюкоза высвобождает энергию при химическом взаимодействии с кислородом. Мы все используем эту энергию, чтобы генерировать силу и выделять тепло. Батареи, которые питают все наши мобильные телефоны, ископаемое топливо, которое мы потребляем каждый день в наших транспортных средствах и электростанциях, все это связано с применением химической работы.

Мы используем химическую энергию для следующих основных преимуществ:

1. Химическая энергия используется нашими собственным организмом каждый день.
2. Она является одним из наиболее эффективных источников для хранения и использования.
3. Последние достижения в области химической энергетики привели к созданию долговечных аккумуляторных батарей и топливных элементов.

Электрохимическая

Электрохимическая энергия — потенциальная, хранящаяся в батарее или электрическом элементе, где также участвуют как химическая так и электричество. Следовательно, эти виды энергии называют электрохимическими. Электрохимический потенциал важен в промышленных применениях, особенно для эффективных систем хранения, таких как батареи, суперконденсаторы и топливные элементы. Они использованы для многочисленных применений освещения, для компьютеров, бесшнуровых инструментов, аварийного питания и освещения, кораблей и воздушных суден, станций дистанционного контроля, игрушек, ракет, спутников, слуховых аппаратов, портативных приборов связи, электротранспортов, космического корабля, электроники в общем.

Мы используем электрохимические виды энергии для следующих основных преимуществ применения:

1. Электрохимическая энергия обеспечивает очень эффективную систему накопления.
2. Электротехника подходит для запуска, освещения и зажигания в многочисленных приборах.
3. Электрохимические источники имеют дополнительные преимущества применения для выравнивания пиковых нагрузок.

Электромагнитная и световая

Электромагнитная представляет вид энергии в виде поперечных магнитных и электрических волн.
Свет — это лучи электромагнитных волн или излучение в видимой части электромагнитного спектра. Свет также можно рассматривать как фотоны или частицы. Слово «фотон “происходит от слова ”фото“, что означает «свет». Электромагнитная энергия обычно относится к системам, которые передают электрическую энергию по беспроводной сети.
Электромагнитная энергия была великим открытием девятнадцатого века, областями применения которой являются радиоволны, рентгеновские и гамма-лучи.

И вот некоторые из применений в нашей повседневной деятельности.

Солнце передает лучистую энергию на нашу Землю в виде инфракрасной области спектра, видимого света и ультрафиолетовых лучей. Лампочки передают световые лучиэнергию нашим глазам в виде видимого света.
Микроволновые печи используют электромагнитную для приготовления пищи. А радиоволны передают информацию на наши радиоприемники и телевизоры также с помощью электромагнитной энергии. Принцип работы УЗИ аппарата также основан на применении электромагнитных волн.

Мы используем электромагнитные виды энергии для следующих основных применений:

1. Электромагнитная чиста и применима во многих инструментах.
2. С помощью электромагнитных волн легко произвести электричество, и это может быть сделано в крайне на крайне малых масштабах, таких как микрочипы.
3. В отличие от ядерных ресурсов не содержит радиоактивных компонентов, которые могут быть опасны.

Звуковая или акустическая

Звуковая или акустическая энергия — это механическая волновая, производимая вибрирующими объектами, связанная с вибрационным движением молекул воздуха и находящаяся в пределах слышащих частот. Телефон и мобильные устройства преобразуют звуковую в электрическую и обратно в звуковую для нашего повседневного использования.
Ультразвуковое исследование использует высокочастотные радиоволны для того чтобы выполнять ультразвуковой контроль (например, обнаружить отказы и утечки в промышленных баках) или сделать измерения толщины.

Мы используем звуковые виды энергии для следующих преимуществ применения:

1. Каждый день мы используем звук, чтобы слышать.
2. Используется для ультразвуковых исследований.

Ядерная

Ядерная энергия генерируется за счет использования урана (природного металла, который добывается во всем мире) посредством ядерных реакций.
Ядерная энергия создается посредством химических реакций, которые включают расщепление или слияние атомов ядер вместе.
Процесс расщепления ядра атома называется делением, а процесс слияния ядер атомов называется слиянием, которое высвобождает энергию. Имеет высокую плотность энергии. Преобразование ядерных масс в виды энергии известно через популярное химическое уравнение, открытое Эйнштейном:
E = mc 2 , где E — количество выделяемой энергии, m — масса ядер, c-величина скорости света.

Светодиоды

Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток в световое излучение. Специально выращенные кристаллы дают минимальное потребление электроэнергии. Великолепные характеристики светодиодов (световая отдача до 120 Лм/Вт, цветопередача Ra=80-85, срок службы до 100 000 часов) уже обеспечили лидерство в светосигнальной аппаратуре, автомобильной и авиационной технике.

Светодиоды применяются в качестве индикаторов (индикатор включения на панели прибора, буквенно-цифровое табло). В больших уличных экранах и в бегущих строках применяется массив (кластер) светодиодов. Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и прожекторах. Так же они применяются в качестве подсветки жидкокристаллических экранов. Последние поколения этих источников света можно встретить в архитектурном и интерьерном освещении, а так же в бытовом и коммерческом.

· Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных составляющих).

· Длительный срок службы.

· Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий. Для нужд индикации и передачи данных это — достоинство, но для освещения это недостаток. Более узкий спектр имеет только лазер.

· Малый угол излучения — также может быть как достоинством, так и недостатком.

· Безопасность — не требуются высокие напряжения.

· Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

· Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.) и, следовательно, лёгкость утилизации.

· Недостаток — высокая цена.

· Срок службы: среднее время полной выработки для светодиодов составляет 100000 часов, это в 100 раз больше ресурса лампочки накаливания.

Инвертор

Принцип действия этих устройств заключается в преобразовании переменного тока сети в постоянный. Далее постоянный ток опять преобразуется в переменный, но только высокой частоты. После этого переменный ток подаётся на высокочастотный сварочный трансформатор который понижает напряжение и преобразует переменный ток в постоянный.

Инверторы на сегодняшний день одни из самых популярных источников питания сварочной дуги. Это обусловлено рядом преимуществ:

• постоянный ток с плавным регулированием;
• доступная цена;
• стабильное горение сварочной дуги и её лёгкое зажигание;
• малые габаритные размеры;
• малое энергопотребление
• малый вес.

Всё это делает инверторные источники питания незаменимыми в быту, а также на больших предприятиях.