Источники электрической энергии: описание, виды и особенности

Откуда берется питание потребителей

Источники электрической энергии получают напряжение после преобразования силы ветра, кинетического движения, потока воды, результата ядерной реакции, тепла от горения газа, топлива или угля. Широко распространены теплоэлектростанции, гидроэлектростанции. Постепенно сокращается количество атомных станций как не совсем безопасных для проживающих поблизости людей.

Может использоваться химическая реакция, эти явления мы наблюдаем в аккумуляторах автомобилей и бытовых приборов. Батарейки к телефонам работают по тому же принципу. Ветровики применяются в местах с постоянным ветром, где источники электрической энергии содержат в конструкции обычный генератор высокой мощности.

Для питания целого города порой одной станции недостаточно, и источники электрической энергии комбинируются. Так, на крышах домов в теплых странах устанавливаются солнечные батареи, которые питают отдельные помещения. Постепенно экологически чистые источники заменят станции, загрязняющие атмосферу.

Принцип действия

Каждая маркировка источников тока определяет принцип его действия. В стандартной ситуации выработка энергии производится посредством взаимодействия составляющих частей, а именно:

• Механический тип. В результате взаимодействия деталей механизма, возникает трение. Благодаря такому явлению, возникает статическое электричество, преобразуемое в ток.
• Механические конструкции работают посредством образования последовательно движущихся заряженных частиц. Явление возникает благодаря взаимодействию химического элемента с электролитом. Заряженные частицы покидают структуру кристаллической решётки металла, входя в состав проводящей жидкости.
• Солнечные батареи (световые источники) работают за счет выбивания заряженных частиц из диэлектрической (кремниевой) основы под воздействием светового потока. Благодаря этому возникает постоянное напряжение.
• Тепловые. Как правило, это 2 последовательно соединенных металлических основания. Одна часть нагревается, а вторая остается охлажденной. При изменении температурного режима возникает разница температур, в результате чего происходит движение заряженных частиц.

Вам это будет интересно Реактивное и активное сопротивление

Важно! Любое изменение в строении вещества может привести к необратимым последствиям, которые проявятся при работе устройства.

В автомобилях

Аккумуляторная батарея на транспорте — не единственный источник электрической энергии. Цепи автомобиля спроектированы с таким расчетом, что при движении начинается процесс преобразования кинетической энергии в электрическую. Это происходит благодаря генератору, в котором вращение катушек внутри магнитного поля порождает появление электродвижущей силы (ЭДС).

В сети начинает протекать ток, заряжающий аккумуляторную батарею, длительность работы которой зависит от её ёмкости. Зарядка начинается сразу после старта двигателя. То есть энергия вырабатывается за счет сжигания топлива. Последние разработки автомобилестроения позволили использовать ЭДС источника электрической энергии для движения транспорта.

В электромобилях мощные химические батареи вырабатывают ток в замкнутой цепи и служат источником питания. Здесь наблюдается обратный процесс: ЭДС вырабатывается в катушках приводной системы, что заставляет колеса крутиться. Токи во вторичной цепи огромные, пропорциональные скорости разгона и весу автомобиля.

Виды источников

Существует несколько видов устройств для выработки тока, каждый из которых имеет свои основные показатели, характеристики и особенности, приведённые в следующей таблице:

Вам это будет интересно Как вычислить сопротивление проводника
Важно! Каждый вид имеет свои преимущества и недостатки, которые определяются принципом использования, а также исходными показателями вырабатываемой энергии.

Механические источники

Механические агрегаты являются самыми простыми по принципу их использования и обустройства. Характеристика таких генераторов очень проста для понимания. В специальных устройствах вырабатывается энергия, которая впоследствии преобразуется в электричество. Такие приборы используются на тепловых электростанциях и гидроэлектростанциях.

Механический

Тепловые источники

Тепловые варианты источников обеспечивают уникальный принцип работы. Энергия вырабатывается благодаря образованию термопары, которая. Это означает, что на концах проводников обеспечивается расчётная разность температур, элементы взаимодействуют между собой, создавая электрическое поле.

Тепловой

Обратите внимание! Радиоактивные термопары используют в космической промышленности. Эффективность такого использования возможна благодаря долгому сроку службы и эффективным показателям вырабатываемой мощности.

В результате подобного движения заряженных частиц от горячей части проводника к холодной возникает электроток. При этом, чем больше разница температур, тем выше показатель результативной энергии. На практике термопары нередко входят в состав измерительных приборов.

Световые источники

Световые устройства ля выработки электроэнергии считаются самыми экологичными, эффективными и относительно дешевыми. Специальная панель из полупроводников поглощает световые частицы, которые при таком взаимодействии выдают определенное напряжение.

Световой

При этом, световые панели имеют небольшой показатель КПД – 15 %. Панели такого типа нашли широкое применение – от бытовых приборов до инновационных разработок в космической отрасли.

Важно! Световые источники начали использоваться вместо литиевых батарей из-за высокой стоимости последних. Несмотря на то, что многие объекты промышленности требуют значительного переоснащения для перехода на световые источники, конечная экономия возникает уже на первичных этапах эксплуатации.

Химические источники

В данную группу входит 3 основных устройства, отличающиеся строением и принципом работы:

• Гальванический элемент – это вариант для выработки электроэнергии, который может быть использован один раз. То есть, после полной разрядки, повторное накопление заряда на внутреннем веществе невозможно. В состав таких приборов входят солевые, литиевые или щелочные батарейки.
• Аккумуляторы – подразделяются на несколько типов: свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-кадмиевые.
• Тепловые элементы – используются в космической и инновационной промышленности для производства кратковременного тока с высокими показателями. Практическое применение агрегатов основано на потребностях в резервных источниках питания.

Вам это будет интересно Как заряжается конденсатор

Важно! Химико-тепловые устройства требуют первоначального нагрева до 500–600 °С, чтобы активизировать твердый электролит.

Химический

В каждой сфере промышленности используется собственный вариант с конкретными параметрами. В бытовых условиях применяются, в основном, батарейки; в производственной – аккумуляторы.

Принцип работы катушки с магнитом

Протекающий ток через катушку вызывает появление переменного магнитного потока. Он, в свою очередь, оказывает на магниты выталкивающую силу, которая заставляет рамку с двумя разнополярными магнитами крутиться. Таким образом, источники электрической энергии служат узлом для движения авто.

Обратный процесс, когда рамка с магнитом вращается внутри обмоток, за счет кинетической энергии позволяет преобразовывать переменный магнитный поток в ЭДС катушек. Далее в цепи установлены стабилизаторы напряжения, обеспечивающие требуемые показатели питающей сети. По этому принципу вырабатывается электричество в гидроэлектростанциях, теплоэлектростанциях.

ЭДС в цепи появляется и в обычной замкнутой цепи. Она существует до тех пор, пока к проводнику приложена разность потенциалов. Электродвижущая сила нужна для описания характеристики источника энергии. Физическое определение термина звучит так: ЭДС в замкнутой цепи пропорциональна работе сторонних сил, осуществляющих перемещение одиночного положительного заряда через всё тело проводника.

Формула E = I*R — сопротивление учитывается полное, складывающееся из внутреннего сопротивления источника питания и результатов сложения сопротивления питаемого участка цепи.

Горючие ископаемые

В настоящее время используются три вида горючих ископаемых: каменный уголь, нефть и природный газ. На их долю приходится около 90 % мировой энергии. Уголь. Мировые запасы всех видов углей оцениваются в 13800 млрд. т., а дополнительные потенциальные ресурсы — в 6650 млрд. т. География распределения такова: примерно 43 % углей мира залегают в России, 29 % — в Северной Америке, 14,5 % — в странах Азии, главным образом в Китае, и 5,5 % — в Европе. На остальной мир приходится 8 %.

Хотя уголь во всём мире не является ведущим видом топлива, в некоторых странах он всё ещё преобладает, и, возможно, в будущем трудности в снабжении нефтью и газом приведут к возрастающему использованию угля. При использовании угля возникает много трудностей. Он содержит от 0,2 % до 7 % серы, присутствующей в основном в виде пирита FeS2, сульфата закисного железа FeSO4⋅7H2O, гипса CaSO4⋅2H2 O и некоторых органических соединений.

Когда уголь сгорает, выделяется окисленная сера, выбросы которой в атмосферу вызывают кислотные дожди и смог. Другая проблема — это сама добыча угля. Подземные методы разработки трудны и даже опасны. Разработка открытым методом более эффективна и менее опасна, но вызывает нарушение поверхностного слоя на большой площади. В современном мире основное применение в качестве источников энергии имеют нефть и природные углеводородные газы.

Ограничения на установку подстанций

Любой проводник, по которому течет ток, вырабатывает электрическое поле. Источник энергии является излучателем электромагнитных волн. Вокруг мощных установок, на подстанциях или вблизи генераторных устройств оказывается влияние на здоровье человека. Поэтому были приняты меры по ограничению строящихся объектов вблизи жилых зданий.

На законодательном уровне установлены фиксированные расстояния до электрических объектов, за пределами которых живой организм находится в безопасности. Запрещены постройки мощных подстанций вблизи домов и на пути следования людей. Мощные установки должны иметь ограждения и закрытые входы.

Высоковольтные линии монтируются высоко над постройками и выносятся за пределы поселений. Для исключения влияния электромагнитных волн в жилой зоне источники энергии закрываются заземленными металлическими экранами. В простейшем случае используется сетка из проволоки.

Понятия и виды

Возобновляемая энергия поступает из природных источников, ресурс которых является практически неисчерпаемым. Они способны постоянно восстанавливаться и пополняться естественным путём. Особенность использования возобновляемой энергии заключается в её получении из естественных природных процессов и передаче потребителю для применения.

Различают возобновляемые и невозобновляемые источники энергии.

Оба типа являются частью природных ресурсов планеты. Невосполняемые источники энергии представлены ископаемыми органическими запасами различных видов топлива: газ, нефть, уголь, торф. Темпы потребления этих ресурсов намного опережают темпы восстановления их объемов, поэтому запасы данного типа энергетических ресурсов либо заканчиваются, либо завершатся в не таком уж далеком будущем. Особняком стоит ядерная, но её использование содержит в себе много рисков для жизни и деятельности людей. Пользование нефтью и углем ведет к загрязнению атмосферы, нарушению природной экосистемы.

Теплоэлектростанция

Энергия указанных источников добывается путем целенаправленных действий человека и ведет к дополнительному нагреву окружающей среды. Последние исследования показывают, что средняя температура земной биосферы неуклонно повышается. Это вызывает негативные изменения в климате Земли.

Возобновляемые источники энергии — это естественные источники энергии, существующие в биосфере нашей планеты и постоянно пополняющиеся за счет энергии солнца и естественных процессов. Они не являются плодом прямой человеческой деятельности, что отличает их от невозобновляемых источников.

Использование возобновляемых источников энергии не добавляет дополнительной энергетической нагрузки, не ведет к повышению температуры на Земле. Экологически они безотходны, не загрязняют среду обитания.

Главное достоинство возобновляемых источников энергии — неисчерпаемость и экологическая чистота.

Рассмотрим, какие есть возобновляемые источники энергии. Согласно определению, данному ООН, к возобновляемым источникам энергии относятся:

• солнце;
• ветер;
• морские и океанские приливы и волны;
• подземные горячие ключи,
• гидроэнергетические ресурсы больших и малых рек.
• продукты биомассы.

Традиционные и нетрадиционные возобновляемые источники

Выделяют два типа возобновляемых источников энергии: традиционные и нетрадиционные.

Перечислим, какие возобновляемые источники энергии относятся к традиционным. Это источники, уже давно известные и активно используемые человечеством:

• гидроэлектростанции;
• традиционные способы сжигания продуктов биомассы (дров, торфа) для получения тепловой энергии;
• геотермальные ключи.

А теперь перечислим, какие возобновляемые источники энергии относятся к нетрадиционным. В данную группу включены ставшие применяться сравнительно недавно ресурсы:

• солнечные станции электрической и тепловой энергии;
• ветрогенераторы;
• электростанции, работающие на основе энергии морских волн, течений, приливов и океана и другие новейшие генераторы возобновляемой энергии.

Единицы измерения

Каждая величина источника энергии и цепи описывается количественными значениями. Это облегчает задачу проектирования и расчет нагрузки под конкретное питание. Единицы измерения связаны между собой физическими законами.

Для величин источников питания установлены следующие единицы:

• Сопротивление: R — Ом.
• ЭДС: E — вольт.
• Реактивное и полное сопротивление: X и Z — Ом.
• Ток: I — ампер.
• Напряжение: U — вольт.
• Мощность: P — Ватт.

Что такое электростанция

Любая электростанция представляет собой целый энергетический комплекс, включающий в себя различные установки, аппаратуру и оборудование, необходимые для получения, преобразования и транспортировки электроэнергии. Все эти компоненты размещаются в специальных зданиях и сооружениях, расположенных компактно на общей территории. Независимо от типа, они входят в состав Единой энергосистемы, созданной с целью эффективно использовать мощность электростанции, обеспечивая бесперебойное энергоснабжение потребителей.

Принцип работы электростанций и их сопутствующих объектов основан на вращении вала генератора, который является основным элементом системы. Его основные функции заключаются в следующем:

• Обеспечение стабильной продолжительной работы параллельно с другими энергетическими системами, снабжение энергией собственных автономных нагрузок.
• Возможность мгновенного реагирование на наличие или отсутствие нагрузки, соответствующей его номиналу.
• Выполняет запуск двигателя, обеспечивающего работу всей станции.
• Вместе со специальными устройствами осуществляет функцию защиты.

Отличительными чертами каждого генератора являются формы и размеры, а также источник энергии, используемый для вращения вала. Кроме генератора, электростанция состоит из турбин и котлов, трансформаторов и распределительных устройств, средств коммутации, автоматики и релейной защиты.

В настоящее время получило развитие направления в области компактных установок. Они позволяют обеспечить энергией не только отдельные объекты, но и целые поселки, находящиеся на значительном удалении от стационарных линий электропередачи. В основном, это полярные станции и предприятия по добыче полезных ископаемых. Теперь рассмотрим какие типы установок используются в российской энергетике.

Построение последовательных и параллельных схем питания

Расчет цепи усложняется, если используется соединение источников электрической энергии нескольких типов. Учитывается внутренние сопротивление каждой ветви и направление тока через проводники. Для измерения ЭДС каждого источника в отдельности потребуется разомкнуть цепь и непосредственно на выводах питающей батареи замерить потенциал прибором — вольтметром.

При замкнутой цепи прибор покажет падение напряжения, которое имеет меньшую величину. Для получения необходимого питания часто требуется несколько источников. В зависимости от задачи может использоваться несколько видов соединений:

• Последовательное. ЭДС цепи каждого источника складывается. Так, при использовании двух батареек номиналом 2 вольта получают в результате подключения 4 В.
• Параллельное. Такой вид применяется для увеличения емкости источника, соответственно, наблюдается более продолжительное время работы от аккумуляторов. ЭДС цепи при таком подключении не изменяется при равных номиналах батарей. Важно соблюсти полярность соединения.
• Комбинированные подключения редко используются, но на практике встречаются. Расчет результирующей ЭДС производится для каждого отдельного замкнутого участка. Учитывается полярность и направление тока ветвей.

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ПИТАНИЯ

Вторичные источники подключаются к первичным и преобразуют получаемую электроэнергию в выходное напряжение с требуемыми параметрами частоты, пульсации и т. д.

Основные функции вторичных источников:

• обеспечение передачи требуемой мощности с наименьшими потерями;
• преобразование формы напряжения (переменного напряжения в постоянное, изменение частоты, формирование импульсов;
• преобразование значение напряжения (повышение или понижение его величины, формирование нескольких величин для разных цепей);
• стабилизация напряжения (его показатели на выходе должны находиться в заданном диапазоне);
• защита (чтобы напряжение, превысившее допустимые значения вследствие неисправности, не вывело из строя аппаратуру или сам ИП);
• гальваническое разделение цепей.

Существует два основных типа источников вторичного питания (ИВП) – трансформаторный и импульсный.

Трансформаторный блок питания.

Трансформаторный, или линейный ИВП – классический блок питания. Регулировка выходного напряжения происходит в нем непрерывно, то есть линейно.

В его конструкцию последовательно входят:

• трансформатор (корректирует напряжение в ту или иную сторону до нужной величины);
• выпрямитель (преобразует переменное напряжение в постоянное);
• фильтр (сглаживает пульсацию (колебания) в выпрямленном напряжении).

Также схема может включать защиту от короткого замыкания, фильтр высокочастотных помех, стабилизатор и др.

Достоинства трансформаторных ИВП:

• простота конструкции;
• гальваническая развязка от сети;
• надежность в эксплуатации.

Недостатки:

• большие габариты и вес, которые прямо пропорциональны его мощности;
• относительно низкий КПД.

В бытовой технике линейные ИП малой мощности используются для питания плат управления стиральных машин, микроволновок, отопительных котлов.

Импульсный ИВП.

Импульсный блок питания устроен принципиально иначе и имеет более сложную конструкцию.

Он содержит:

• выпрямитель (входное напряжение сначала выпрямляется – преобразуется из переменного в постоянное);
• блок широтно-импульсной модуляции – ШИМ (преобразует постоянное напряжение в импульсы определенной частоты и скважности);
• частотный фильтр (в блоках без гальванической развязки);
• трансформатор (в блоках с гальванической развязкой от сети).

В импульсных источниках вторичного напряжения стабилизация реализуется посредством обратной связи, что позволяет поддерживать выходное напряжение на заданном уровне независимо от скачков входных параметров.

Например, в блоках с гальванической развязкой в зависимости от величины выходного сигнала изменяется скважность (отношение частоты следования импульсов к их длительности) на выходе ШИМ-контроллера.

Достоинства импульсных источников питания:

• малый вес и небольшие размеры;
• высокий КПД (до 98%);
• широкий диапазон допустимого входного напряжения;
• встроенная защита от короткого замыкания и других форс-мажоров;
• невысокая цена;
• по надежности сравнимы с трансформаторными ИП.

Недостатки:

• являются источниками высокочастотных помех, которые нельзя полностью устранить;
• имеют ограничение по минимальной мощности нагрузки: не включаются, если она ниже требуемой.

Импульсные источники – это зарядки мобильных телефонов, блоки питания компьютеров, оргтехники, бытовой электроники.

Омы питающей сети

Внутреннее сопротивление источника электрической энергии учитывается для определения результирующей ЭДС. В общем виде электродвижущая сила рассчитывается по формуле E = I*R + I*r. Здесь R — сопротивление потребителей, а r — внутреннее сопротивление. Падение же напряжения высчитывают по следующей зависимости: U = E — Ir.

Ток, протекающий в цепи, рассчитывают согласно закону Ома полной цепи: I = E/(R + r). Внутреннее сопротивление способно оказывать влияние на силу тока. Чтобы такого не происходило, источник подбирают под нагрузку по следующему правилу: внутреннее сопротивление источника должно быть намного меньше полного общего сопротивления потребителей. Тогда учитывать его величину совсем необязательно из-за малой погрешности.

Теплоэлектростанции

ТЭС работают на преобразовании тепловой энергии топлива таких как, нефть, уголь, природный газ,в механическую, а затем в электрическую энергию.

К недостаткам теплоэлектростанций относится использование невозобновляемых ресурсов. Недостатком будет и влияние на окружающую среду так, как в химический состав топлива входит углерод, пагубно действующий на атмосферу, создавая так называемый «парниковый эффект». Также отрицательным будет и выброс в гидросферу теплоты с водой. Теплоэлектростанции являются взрывопожарными и химически опасными объектами.

Как измерить Омы питающей сети?

Так как источники и приемники электрической энергии должны быть согласованы, то сразу возникает вопрос: как измерить внутреннее сопротивление источника? Ведь омметром не подключишься на контакты с имеющимися на них потенциалами. Для решения вопроса используется косвенный метод снятия показателей — потребуются значения дополнительных величин: ток и напряжение. Расчет производится по формуле r = U/I, где U — падение напряжения на внутреннем сопротивлении, а I — ток в цепи под нагрузкой.

Падение напряжения измеряется непосредственно на зажимах источника питания. В цепь подключается резистор известного номинала R. До проведения замеров следует зафиксировать вольтметром ЭДС источника при разомкнутой цепи — E. Далее подключают нагрузку и фиксируют показания — U нагр. и тока I.

Искомое падение напряжения на внутреннем сопротивлении U = E − U нагр. В итоге рассчитываем искомую величину r = (E − U нагр.)/I.