Первичные источники

Любое предприятие связи, любые радиотехнические системы с точки зрения обеспечения электрической энергией могут быть представлены в виде рисунка 1.1.

Рисунок 1.1 – Структура обеспечения электроэнергией

На этом рисунке обозначено: ПИП – первичный источник питания – преобразует неэлектрические виды энергии в электрическую; ВИП – вторичный источник питания – преобразует электрическую энергию к виду удобному для потребителя (нагрузки) и собственно нагрузка– радиоэлектронная аппаратура (РЭА).

Рассмотрим коротко типы первичных источников. К ним обычно относят:

1 Химические источники 4 Термогенераторы

2 Солнечные батареи 5 Атомные батареи

3 Топливные элементы 6 Электрические машины

(постоянного и переменного тока)

Химические источники (ХИТ – химические источники тока). Это сухие гальванические элементы, кислотные и щелочные аккумуляторы. Наибольшее распространение получили кислотные аккумуляторные батареи (АБ) [ 4 ]. Типовые зарядно – разрядные характеристики одного кислотного элемента приведены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 –Зарядно – разрядные характеристики кислотного элемента

В процессе разряда напряжение быстро уменьшается до 2В, а затем медленно спадает до 1,8В. Разряд ниже 1,8 В на один элемент нежелателен, так как в нём начинаются необратимые процессы. Номинальным считается напряжение U=2В.

При заряде кислотного аккумулятора его напряжение быстро растёт до 2,1…2,15В, а затем медленно до 2,4В, т.е. восстановление активной массы аккумулятора закончено и начинается бурное выделение кислорода и водорода, заряд окончен. Для герметичных аккумуляторов это недопустимо, поэтому их помещают в специальный, прочный корпус «панцирь», выдерживающий высокое давление, добавляют газопоглотители и строго выдерживают режим заряда. Номинальная ёмкость аккумулятора – количество электричества, которое может отдать аккумулятор при 10-часовом режиме разряда (С₁₀), неизменном токе и температуре.

Солнечные батареи. Их работа основана на вентильном фотоэффекте в полупроводниках (фото–ЭДС на p–n переходе). Под действием света электроны переходят на более высокий энергетический уровень, поддерживая ток во внешней цепи. Спектральные характеристики некоторых источников приведены на рисунке 1.3.

.

Рисунок 1.3 – Спектральные характеристики

Максимальная чувствительность кремниевого (Si) фотоэлемента находится на границе инфракрасного (ИК) излучения (). Селеновые (Se) фотоэлементы лучше согласуются по длине волны с солнечным светом и охватывают видимую часть спектра (0,4мкм – фиолетовый цвет, 0,55мкм – зелёный, 0,65мкм - красный), что не всегда удобно. Поэтому используют кремний, который значительно шире распространён на земле.
Известно, что энергетическая освещённость Земли в солнечной системе составляет примерно 1 кВт/м², но это на экваторе. В средних широтах около 300 Вт/м², но это летом, а зимой примерно 80 Вт/м². Извлечь эту энергию можно при помощи кремниевых фотоэлементов с коэффициентом полезного действия 12…15% (теоретический КПД равен 22,5%, у арсенид–галиевых фотоэлементов теоретический КПД – 33,3%). Для получения 5В, 40мА требуется около 12…15 фотоэлементов, поэтому о больших мощностях для промышленности речи пока не идёт. Их используют на космических летательных аппаратах с поверхностью солнечных батарей в сотни квадратных метров, а также для зарядки АБ в местах, удалённых от населённых пунктов [6,17].

Существует мнение, что солнечная энергия является экзотической и её практическое использование – дело отдалённого будущего. Стоимость солнечных элементов составляет 2,5…3 долл/Вт, а стоимость электроэнергии 0,25…0,5 долл/кВт∙ч. При использовании солнечных батарей возникает проблема суточного и сезонного накопления энергии, которая решается с помощью АБ.

Топливные элементы (ТЭ). Преобразуют энергию химического топлива в электрическую энергию, без реакции горения. Действие этих элементов основано на электрохимическом окислении углеводородного топлива (водород, пропан, метан, керосин) в среде окислителя. Другими словами ТЭ представляют собой «неистощимые батарейки», к которым непрерывно подводится топливо и окислитель (воздух).

Различают следующие основные типы топливных элементов [34]:

■ фосфорнокислые. Их КПД составляет около 40%, а при совместном использовании и электричества и попутного тепла– около 80%. Рабочая температура находится в пределах 180...230 °С. Эти ТЭ требуют некоторого времени для выхода на рабочий режим при холодном старте, но отличаются простой конструкцией и высокой стабильностью. На базе этих элементов созданы энергоустановки мощностью сотни киловатт.

■ твердополимерные. Они отличаются компактностью, высокой надёжностью и экологической чистотой. КПД составляет примерно 45%, рабочая температура – около 80 °С. В качестве топлива используется водород. Но здесь применяются катализаторы из платины и её сплавов. Поэтому стоимость энергии относительно высокая. Тем не менее, обладая уникальными качествами, они имеют хорошую перспективу для широкого применения.

■ ТЭ на расплавленном карбонате. Данный тип относится к высокотемпературным устройствам. Рабочая температура порядка 600...700 °С. В качестве топлива используется природный газ. КПД достигает 55%. В связи с большим количеством выделяемого тепла, успешно применяются для создания стационарных источников электрической и тепловой энергии.

■ твердооксидные. Здесь, вместо жидкого электролита применяется твердый керамический материал, что позволяет достигать высоких рабочих температур 900...1000 °С. КПД около 50% и они могут работать на различных видах углеводородного топлива, что создаёт перспективу для использования в промышленных установках большой мощности.

ТЭ имеют разную рабочую температуру и у каждого своя область применения.

Поскольку напряжение и ток единичного топливного элемента невелики (0,6…0,75 В при плотности тока до 500 мА/см²), то для получения заданных характеристик топливные элементы соединяют в батареи. Для постоянного получения электроэнергии следует в батарею непрерывно подводить окислитель и топливо.

Топливные элементы отличает высокая надёжность(нет подвижных частей как в двигателе внутреннего сгорания) и термостабильность, а удельная энергия вдвое выше, чем у аккумуляторных батарей. По этой причине современные электромобили используют именно топливные элементы.

Термогенераторы. Их работаоснована на термоэлектрическом эффекте – нагреве контакта двух проводников или полупроводников, что приводит к появлению на их свободных (холодных) концах некоторой ЭДС, называемой термо –ЭДС. Величина этой термо –ЭДС , где - разность температур холодного и горячего концов термопары, - коэффициент термо-ЭДС, зависящий от материала термопары. Термоэлементы соединяют последовательно в батареи. На рисунке 1.4а приведена общая схема термобатареи, а на рисунке 1.4б термо – ЭДС некоторых термопар.

а) б)

Рисунок 1.4 – Термобатарея

а) общая схема термобатареи; б) величина термо – ЭДС

некоторых термопар: 1 – Платина и медь; 2 – Платина и

железо; 3 – Медь и железо.

Видно, что величины термо – ЭДС довольно малы, а создать большую разность температур для металлов проблематично из-за их высокой теплопроводности, поэтому чаще используют полупроводники с ЭДС около 1мв/⁰C.Современные термогенераторы выпускают на напряжение до 150В и ток до 500А при общем КПД порядка 10…12%.

Атомные батареи. Принцип построениятаких батарей известен из курса общей физики. Одним из электродов является радиоактивный изотоп, вторым электродом служит металлическая оболочка. Под действием излучения на электродах создаётся разность потенциалов в несколько киловольт при токе единицы миллиампер. Срок службы таких элементов – несколько лет. В настоящее время созданы низковольтные атомные батареи, работающие по принципу фотоэлементов, причём их излучение не превышает уровня общего фона.

Электрические машины. Преобразуют механическую энергию движения (поступательного или вращательного) в электрическую и наоборот. Выпускаются на большой диапазон токов и напряжений. Электрические машины делятся на машины постоянного тока и машины переменного тока. При одинаковой мощности машины переменного тока имеют в 1,5…2 раза лучшие массо-объёмные показатели, чем машины постоянного тока. Поэтому 98% электроэнергии в мире вырабатывается машинами переменного тока. Их недостатками считается присутствие акустических шумов, а наличие подвижных частей определяет надёжность системы электроснабжения. Но инерционность электрических машин делает невозможными кратковременные провалы напряжения сети, что положительно сказывается на качестве электроснабжения.

В зависимости от того, чем вращают генератор переменного тока различают:

а) гидро – генераторы (привод от водяной турбины гидроэлектростанции). Это тихоходные генераторы большой мощности при скорости вращения до 1500 об/мин;

б) турбо – генераторы (привод от паровой турбины тепловой электростанции). Это скоростные генераторы с числом оборотов в минуту до 3000 и более;

в) дизель – генераторы (привод от двигателя внутреннего сгорания бензинового или дизельного). Правильнее называть двигатель–генераторная установка (ДГУ), хотя исторически называют “дизелем”. Дизельные двигатели более неприхотливы, надёжны и широко используются в резервных источниках электропитания на предприятиях связи, радиопередающих и телевизионных центрах и для электроснабжения небольших населённых пунктов;

г) газо – генераторы. Это двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном топливе, которое по сравнению с другими сгорает при малом количестве воздуха без дыма и копоти. Его легко транспортировать на любые расстояния. Природный газ получают на газовых месторождениях, а попутный газ – на нефтепромыслах;

д) ветро – генераторы. Ветер – неиссякаемый источник энергии. Однако надёжность такого электроснабжения зависит от силы ветра и поэтому пригодно не во всех географических зонах. Ветро–генераторы выпускаются промышленностью на мощности от 200 Вт до 1000 кВт при необходимой скорости ветра от 6 до 14 м/сек [21], но они создают акустические шумы, влияние которых на флору и фауну далеко не однозначно. В нашей стране широкого применения пока не нашли, хотя считаются перспективными;