Принцип действия генератора

Генераторами называются машины, преобразующие механическую энергию в электрическую. Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции, когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые линии, индуктируется ЭДС. Следовательно, такой проводник может нами рассматриваться как источник электрической энергии.

Способ получения индуктированной ЭДС, при котором проводник перемещается в магнитном поле, двигаясь вверх или вниз, очень неудобен при практическом его использовании. Поэтому в генераторах применяется не прямолинейное, а вращательное движение проводника.

Основными частями всякого генератора являются: система магнитов или чаще всего электромагнитов, создающих магнитное поле, и система проводников, пересекающих это магнитное поле.

Возьмем проводник в виде изогнутой петли, которую в дальнейшем будем называть рамкой (рис. 1), и поместим ее в магнитное поле, создаваемое полюсами магнита. Если такой рамке сообщить вращательное движение относительно оси 00, то стороны ее, обращенные к полюсам, будут пересекать магнитные силовые линии и в них будет индуктироваться ЭДС.

Принцип действия генератора

Рис. 1. Индуктирование ЭДС в пелеобразном проводнике (рамке), вращающемся в магнитном поле

Присоединив к рамке при помощи мягких проводников электрическую лампочку, мы этим самым замкнем цепь, и лампочка загорится. Горение лампочки будет продолжаться до тех пор, пока рамка будет вращаться в магнитном поле. Подобное устройство представляет собой простейший генератор, преобразующий механическую энергию, затрачиваемую на вращение рамки, в электрическую энергию.

Такой простейший генератор имеет довольно существенный недостаток. Через небольшой промежуток времени мягкие проводника, соединяющие лампочку с вращающейся рамкой, скрутятся и разорвутся. Для того чтобы избежать подобных разрывов в цепи, концы рамки (рис.2) присоединяются к двум медные кольцам 1 и 2, вращающимся вместе с рамкой.

Эти кольца получили название контактных колец. Отведение электрического тока с контактных колец во внешнюю цепь (к лампочке) осуществляется упругими пластинками 3 и 4, прилегающими к кольцам. Эти пластинки называются щетками.

Принцип действия генератора

Рис. 2. Направление индуктированной ЭДС (и тока) в проводниках А и Б рамки, вращающейся в магнитном поле: 1 и 2 — контактные кольца, 3 и 4 — щетки.

При таком соединении вращающейся рамки с внешней цепью разрыва соединительных проводов не произойдет, и генератор будет работать нормально.

Рассмотрим теперь направление индуктирующейся в проводниках рамки ЭДС или, что то же самое, направление индуктированного в рамке тока при замкнутой внешней цепи.

При направлении вращения рамки, которое показано на рис. 2, в левом проводнике АА ЭДС будет индуктироваться в направлении от нас за плоскость чертежа, а в правом ВВ — из-за плоскости чертежа на нас.

Так как обе половины проводника рамки соединены между собой последовательно, то индуктированные ЭДС в них будут складываться, и на щетке 4 будет положительный полюс генератора, а на щетке 3 отрицательный.

Проследим за изменением индуктированной ЭДС за полный оборот рамки. Если рамка, вращаясь в направлении часовой стрелки, повернется на 90° от положения, изображенного на рис. 2, то половинки ее проводника в этот момент будут двигаться вдоль магнитных силовых линий, и индуктирование ЭДС в них прекратится.

Дальнейший поворот рамки еще на 90° приведет к тому, что проводники рамки снова будут пересекать силовые линии магнитного поля (рис. 3), но проводник АА будет при этом по отношению к силовым линиям двигаться не снизу вверх, а сверху вниз, проводник же ВВ, наоборот, будет пересекать силовые линии, двигаясь снизу вверх.

Принцип действия генератора

Рис. 3. Изменение направления индуктированной э. д. с. (и тока) при повороте рамки на 180° по отношению к положению, приведенному на рис. 2.

При новом положении рамки направление индуктированной ЭДС в проводниках АЛ и ВВ изменится на обратное. Это следует из того, что самое направление, в котором каждый из этих проводников пересекает в этом случае магнитные силовые линии, изменилось. В результате полярность щеток генератора также изменится: щетка 3 станет теперь положительной, а щетка 4 отрицательной.

Вращая рамку дальше, снова будем иметь движение проводников АА и ВВ вдоль магнитных силовых линий, а в дальнейшем — повторение всех процессов сначала.

Таким образом, за один полный оборот рамки индуктированная ЭДС дважды меняла свое направление, причем величина ее за это же время также дважды достигала наибольших значений (когда проводники рамки проходили под полюсами) и дважды равнялась нулю (в моменты движения проводников вдоль магнитных силовых линий).

Вполне понятно, что изменяющаяся по направлению и величине ЭДС вызовет в замкнутой внешней цепи изменяющийся по направлению и величине электрический ток.

Так, например, если к зажимам данного простейшего генератора присоединить электрическую лампочку, то за первую половину оборота рамки электрический ток через лампочку будет идти в одном направлении, а за вторую .половину оборота — в другом.

Принцип действия генератора

Рис. 4. Кривая изменения индуктированного тока за один оборот рамки

Представление о характере изменения тока при повороте рамки на 360°, т. е. за один полный оборот, дает кривая на рис. 4. Электрический ток, непрерывно изменяющийся по величине и направлению, носит название переменного тока.

Источники электрической энергии

Источники электрической энергииЭнергетическая проблема является одной из основных проблем человечества. Основными источниками энергии, на данный момент, являются газ, уголь и нефть. По прогнозным данным запасов нефти хватит на 40 лет, угля на 395 лет и газа на 60 лет. Мировая система энергетики подвергается гигантским проблемам.

Относительно электроэнергии, то источники электрической энергии представлены различными электростанциями – тепловыми, гидроэлектростанциями и атомными электростанциями. В результате стремительного истощения природных энергетических носителей на первый план выводится задача по поиску новых методов получения энергии.

Источник электрической энергии (Electric energy source)  — электротехническое изделие (устройство), преобразующее различные виды энергии в электрическую энергию (ГОСТ 18311-80).

Источники основной электрической энергии

• Тепловые электростанции

Работают на органическом топливе – мазут, уголь, торф, газ, сланцы. Размещаются ТЭС, главным образом, в том регионе, где присутствуют природные ресурсы и вблизи крупных нефтеперерабатывающих предприятий.

Источники электрической энергии

• Гидроэлектростанции

Возводятся в местах, где большие реки перекрываются плотиной, и благодаря энергии падающей воды вращаются турбины электрогенератора. Получение электроэнергии таким методом считается самым экологичным за счет того, что не происходит сжигание различных видов топлива, следовательно, отсутствуют вредные отходы.

Источники электрической энергии

• Атомные электростанции

Для нагрева воды требуется энергия тепла, которая выделяется в результате ядерной реакции. А в остальном она схожа с тепловой электростанцией.

Источники электрической энергии

Нетрадиционные источники энергии

К ним относятся ветер, солнце, тепло земных турбин и океанические приливы. В последнее время их все чаще используют как нетрадиционные дополнительные источники энергии. Ученые утверждают, что к 2050 году нетрадиционные энергоисточники станут основными, а обычные потеряют свое значение.

• Энергия солнца

Есть несколько способов ее применения. Во время физического метода получения энергии солнца применяются гальванические батареи, способные поглощать и преобразовывать солнечную энергию в электрическую или тепловую. Также используется система зеркал, отражающая солнечные лучи и направляющая их в трубы, заполненные маслом, где концентрируется солнечное тепло.

В некоторых регионах целесообразнее использовать солнечные коллекторы, с помощью которых есть возможность в частичном решении экологической проблемы и использования энергии для бытовых нужд.

Основные достоинства энергии солнца – общедоступность и неисчерпаемость источников, полная безопасность для окружающей среды, основные экологически чистые источники энергии.

Главный недостаток – потребность в больших площадях земли для строительства солнечной электростанции.

Источники электрической энергии

• Энергия ветра

Ветряные электростанции способны производить электрическую энергию только в том случае, когда дует сильный ветер. «Основные современные источники энергии» ветра – ветряк, представляющий собой достаточно сложную конструкцию. В нем запрограммированы два режима работы – слабый и сильный ветер, а также есть остановка двигателя, если очень сильный ветер.

Основной недостаток ветряных электростанций (ВЭС) — шум, получаемый во время вращения лопастей пропеллеров. Самыми целесообразными являются небольшие ветряки, предназначенные для обеспечения экологически безопасной и недорогой электроэнергией дачных участок или отдельных ферм.

Источники электрической энергии

• Приливные электростанции

Для производства электрической энергии используется энергия прилива. Для того, чтобы построить простейшую приливную электростанцию потребуется бассейн, перекрытое плотиной устье реки или залив. Плотина оснащена гидротурбинами и водопропускными отверстиями.

Вода во время прилива поступает в бассейн и когда происходит сравнение уровней воды в бассейне и в море, водопропускные отверстия закрываются. С приближением отлива водный уровень уменьшается, напор становится достаточной силы, турбины и электрогенераторы начинают свою работу, постепенно вода из бассейна уходит.

Новые источники энергии в виде приливных электростанций имеют некоторые минусы – нарушение нормального обмена пресной и соленой воды; влияние на климат, так в результате их работы меняется энергетический потенциал вод, скорость и площадь перемещения.

Плюсы – экологичность, невысокая себестоимость производимой энергии, сокращение уровня добычи, сжигания и транспортировки органического топлива.

• Нетрадиционные геотермальные источники энергии

Для производства энергии используется тепло земных турбин (глубинные горячие источники). Данное тепло можно применять в любом регионе, но расходы смогут окупиться лишь там, где горячие воды максимально приближены к земной коре – местности активной деятельности гейзеров и вулканов.

Основные источники энергии представлены двумя типами – подземный бассейн естественного теплоносителя (гидротермальный, паротермальный или пароводяной источники) и тепло горных горячих пород.

Первый тип представляет собой готовые к применению подземные котлы, из которых пар или воду добывать можно обычными буровыми скважинами. Второй тип дает возможность получения пара или перегретой воды, которые в дальнейшем можно использовать в энергетических целях.

Основной недостаток обоих типов – слабая концентрация геотермических аномалий, когда горячие породы или источники подходят близко к поверхности. Также требуется обратная закачка в подземный горизонт отработанной воды, поскольку термальная вода имеет множество солей токсичных металлов и химических соединений, которые нельзя сбрасывать в поверхностные водные системы.

Достоинства – данные запасы неисчерпаемы. Геотермальная энергия пользуется большой популярностью благодаря активной деятельности вулканов и гейзеров, территория которых занимает 1/10 площади Земли.

Источники электрической энергии

Новые перспективные источники энергии – биомасса

Биомасса бывает первичной и вторичной. Для получения энергии можно использовать высушенные водоросли, отходы сельского хозяйства, древесину и т. д. Биологический вариант использования энергии – получение из навоза биогаза в результате сбраживания без доступа воздуха.

На сегодняшний день в мире накопилось приличное количество мусора, ухудшающего окружающую среду, мусор оказывает губительное влияние на людей, животных и на все живое. Именно поэтому требуется развитие энергетики, где будет использоваться вторичная биомасса для предотвращения загрязнения окружающей среды.

Согласно подсчетам ученых, населенные пункты могут полностью обеспечивать себя электроэнергией только за счет своего мусора. Более того, отходы практически отсутствуют. Следовательно, будет решаться проблема уничтожения мусора одновременно с обеспечением населения электроэнергией при минимальных расходах.

Преимущества – не повышается концентрация углекислого газа, решается проблема использования мусора, следовательно, улучшается экология.

Электрические станции в картинках из диафильма

Источником электрической энергии на станциях являются машинные генераторы. В них происходит преобразование механической энергии в электрическую. Генераторы станция вырабатывают переменный ток. Принцип работы генератора переменного тока основан на законе электромагнитной индукции.
Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма
Электрические станции в картинках из диафильма

Генераторы станция обычно приводятся в действие паровыми или гидравлическими турбинами. В паровой турбине струя пара, ударяя в лопасти ротора, заставляет его вращаться. Внутренняя энергия пара преобразуется в механическую энергию. В гидравлической турбине давление на лопатки ротора оказывают струи воды. Энергия движущейся воды преобразуется в механическую энергию вращения ротора.
Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма

В зависимости от рода первичных двигателей электрические станции разделяют на тепловые, гидравлические и ветросиловые. Тепловые электрические станции бывают конденсационные и теплофикационные. Конденсационные электростанции вырабатывают только электрическую энергию. Они строятся в местах сосредоточения дешевых сортов топлива, когда его транспортировка нерентабельна. Теплофикационные электростанции размещаются в промышленных центрах. Они обеспечивают потребителей паром и горячей водой.
Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма

Гидроэлектростанции разделяются на приплотинные и деривационные. Приплотинные станции возводятся на многоводных реках. Машинное здание этих станций находится рядом с плотиной. В горных районах на относительно немноговодных реках сооружаются деривационные гидроэлектростанции, использующие большой напор воды. Гидравлические станции могут использовать также энергию приливов. В приливных электростанциях используют капсульные агрегаты.
Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции обычно работают в постоянном режиме, потребление же энергии зависит от времени суток. Поэтому возникает потребность аккумулировать ее в больших количествах и перераспределять во времени. Например, на гидроэлектростанциях, ночью, когда электрической энергии требуется меньше, вода перекачивается из нижнего водохранилища в верхнее, днем потенциальная энергия воды снова превращается в электрическую и подается в сеть.Для обеспечения надежности электроснабжения и выравнивания нагрузки станций их соединяют между собой высоковольтными линиями в единую энергосистему.

Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма

Электрические станции в картинках из диафильма

Для чего нужен плавный пуск асинхронного двигателя

Для чего нужен плавный пуск асинхронного двигателяИз всех видов двигателей асинхронные двигатели получили наиболее широкое распространение в промышленности и продолжают вытеснять все больше и больше двигатели постоянного тока.

Асинхронные двигатели получили широкое распространение благодаря следующим своим качествам: дешевизне двигателя, простоте конструкции, надежности, высокому к. п. д. До настоящего времени асинхронные двигатели уступали место двигателям постоянного тока только в тех случаях, где требовалось плавное регулирование частоты вращения (строгальные станки, правильные машины, регулируемые главные приводы прокатных станов и т. п.), в электрическом транспорте и в приводах большой мощности повторно-кратковременного режима (реверсивные станы). Внедрение в промышленность регулируемых преобразователей частоты позволит, еще шире применять асинхронные двигатели.

Недостатками асинхронных двигателей являются:

1) Квадратичная зависимость момента от напряжения, при падении напряжения в сети сильно уменьшаются пусковой и критический моменты,

2) Опасность перегрева статора, особенно при повышениях напряжения сети, и ротора при понижении напряжения,

3) Малый воздушный зазор, несколько понижающий надежность двигателя,

4) Большие пусковые токи асинхронных двигателей. При пуске асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором ток статора больше номинального в 5 — 10 раз. Такие большие токи в статоре недопустимы по условиям динамических усилий в обмотках и нагрева обмоток. В асинхронных двигателях могут возникать переходные режимы с большими бросками тока не только при подключении двигателя к сети но и при его реверсе и торможении.

Итак, для чего нужно ограничивать пусковой ток в обмотках статора асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором?

Необходимость ограничения тока двигателей диктуется причинами электрического и механического характера. Причины электрического характера ограничения тока двигателей могут быть следующие:

1) Уменьшение толчков тока в сети. В некоторых случаях для крупных двигателей требуется ограничить пусковой ток до допускаемого для питающей системы.

2) Уменьшение электродинамических усилий в обмотках двигателя.

Уменьшение толчков тока в сети требуется обычно при пуске крупных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, если они получают питание от сравнительно маломощной питающей системы. Кроме того, для крупных двигателей заводы-изготовители машин не разрешают прямой пуск из-за чрезмерно больших электродинамических усилий в лобовых частях обмоток статора и ротора.

Причины механического характера ограничения момента двигателей могут быть самыми разнообразными, например предотвращение поломки или быстрого изнашивания передач, соскальзывания ремней со шкивов, буксования колес подвижных тележек, больших ускорений или замедлений, недопустимых для оборудования или людей в различных средствах передвижения и т. д. Иногда требуется уменьшить пусковой момент двигателей, даже небольших, для того чтобы смягчить удары в передачах и обеспечить плавное ускорение.

Во всех случаях, где условия работы не требуют форсированных ускорений или замедлений, желательно рассчитывать режимы на минимальные броски тока, а следовательно, и момента, сохраняя этим передачи механизма и двигатель.

Для чего нужен плавный пуск асинхронного двигателя

Устройство плавного пуска двигателя

Для ограничения тока применяются пусковые реакторы, резисторы и автотрансформаторы, а также современные электронные устройства — софт-стартеры (устройства плавного пуска двигателей).

Для чего нужен плавный пуск асинхронного двигателя

Напряжение на электродвигателе

Для чего нужен плавный пуск асинхронного двигателя

Ток электродвигателя

Необходимо обратить внимание на то, что ограничение тока и момента с помощью устройств плавного пуска двигателей получается за счет усложнения схемы управления и удорожания установки, а потому должно применяться только там, где это обосновано.

Наиболее распространенные схемы выпрямления переменного тока в постоянный

Наиболее распространенные схемы выпрямления переменного тока в постоянныйВыпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры.

При небольшой мощности нагрузки (до нескольких сотен ватт) преобразование переменного тока в постоянный осуществляют с помощью однофазных выпрямителей. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных электронных устройств, обмоток возбуждения двигателей постоянного тока небольшой и средней мощности и т.д.

Для упрощения понимания работы схем выпрямления будем исходить из расчета, что выпрямитель работает на активную нагрузку.

Однофазная однополупериодная (однотактная) схема выпрямления

На рисунке 1 представлена простейшая схема выпрямления. Схема содержит один выпрямительный диод, включенный между вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой.

Наиболее распространенные схемы выпрямления переменного тока в постоянный

Рисунок 1 — Однофазный однополупериодный выпрямитель: а) схема — диод открыт, б) схема — диод закрыт, в) временные диаграммы работы

Напряжение u2 изменяется по синусоидальному закону, т.е. содержит положительные и отрицательные полуволны (полупериоды). Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда к аноду диода VD прикладывается положительный потенциал (рис. 1, а). При обратной полярности напряжения u2 диод закрыт, ток в нагрузке не протекает, но к диоду прикладывается обратное напряжение Uобр (рис. 1, б).

Т.о. на нагрузке выделяется только одна полуволна напряжения вторичной обмотки. Ток в нагрузке протекает только в одном направлении и представляет собой выпрямленный ток, хотя носит пульсирующий характер (рис. 1, в). Такую форму напряжения (тока) называют постоянно-импульсная.

Выпрямленные напряжения и ток содержат постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной составляющей и пульсациями напряжения и тока. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет 1,57. Среднее за период значение выпрямленного напряжения Uн = 0,45U2. Максимальное значение обратного напряжения на диоде Uобр.max = 3,14Uн.

Достоинством данной схемы является простота, недостатки: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на диоде, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Однофазная мостовая схема выпрямления

Состоит из четырех диодов, включенных по мостовой схеме. В одну диагональ моста включается вторичная обмотка трансформатора, в другую – нагрузка (рис. 2). Общая точка катодов диодов VD2, VD4 является положительным полюсом выпрямителя, общая точка анодов диодов VD1, VD3 — отрицательным полюсом.

Наиболее распространенные схемы выпрямления переменного тока в постоянный

Рисунок 2 — Однофазный мостовой выпрямитель: а) схема — выпрямление положительной полуволны, б) выпрямление отрицательной полуволны, в) временные диаграммы работы

Полярность напряжения во вторичной обмотке меняется с частотой питающей сети. Диоды в этой схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения u2 проводят ток диоды VD2, VD3, а к диодам VD1, VD4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения u2 ток протекает через диоды VD1, VD4, а диоды VD2, VD3 закрыты. Ток в нагрузке проходит все время в одном направлении.

Схема является двухполупериодной (двухтактной), т.к. на нагрузке выделяется оба полупериода сетевого напряжения Uн = 0,9U2, коэффициент пульсаций — 0,67.

спользования мостовой схемы включения диодов позволяет для выпрямления двух полупериодов использовать однофазный трансформатор. Кроме того, обратное напряжение, прикладываемое к диоду в 2 раза меньше.

Питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится от трехфазных выпрямителей, применение которых снижает загрузку диодов по току и уменьшает коэффициент пульсаций.

Трехфазная мостовая схема выпрямления

Схема состоит из шести диодов, которые разделены на две группы (рис. 2.61, а): катодную — диоды VD1, VD3, VD5 и анодную VD2, VD4, VD6. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов диодов, т.е. к диагонали выпрямленного моста. Схема подключается к трехфазной сети.

Наиболее распространенные схемы выпрямления переменного тока в постоянный

Рисунок 3 — Трехфазный мостовой выпрямитель: а) схема, б) временные диаграммы работы

В каждый момент времени ток нагрузки протекает через два диода. В катодной группе в течение каждой трети периода работает диод с наиболее высоким потенциалом анода (рис. 3, б). В анодной группе в данную часть периода работает тот диод, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал. Каждый из диодов работает в течение одной трети периода. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет всего 0,057.

Управляемыми выпрямителями — выпрямители, которые совместно с выпрямление переменного напряжения (тока) обеспечивают регулирование величины выпрямленного напряжения (тока).

Управляемые выпрямители применяют для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока, яркости свечения ламп накаливания, при зарядке аккумуляторных батарей и т.п.

Схемы управляемых выпрямителей строятся на тиристорах и основаны на управлении моментом открытия тиристоров.

На рисунке 4,а представлена схема однофазного управляемого выпрямителя. Для возможности выпрямления двух полуволн сетевого напряжения используется трансформатор с двухфазной вторичной обмоткой, в которой формируется два напряжения с противоположными фазами. В каждую фазу включается тиристор. Положительный полупериод напряжения U2 выпрямляет тиристор VS1, отрицательный – VS2.

Схема управления СУ формирует импульсы для открывания тиристоров. Время подачи открывающих импульсов определяет, какая часть полуволны выделяется на нагрузке. Тиристор отпирается при наличии положительного напряжения на аноде и открывающего импульса на управляющем электроде.

Если импульс приходит в момент времени t0 (рис. 4,б) тиристор открыт в течении всего полупериода и на нагрузке максимальное напряжение, если в моменты времени t1, t2, t3, то только часть сетевого напряжения выделяется в нагрузке.

Наиболее распространенные схемы выпрямления переменного тока в постоянный

Рисунок 4 — Однофазный выпрямитель: а) схема, б) временные диаграммы работы

Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного отпирания тиристора, выраженный в градусах, называется углом управления или регулирования и обозначается буквой α. Изменяя угол α (сдвиг по фазе управляющих импульсов относительно напряжения на анодах тиристоров), мы изменяться время открытого состояния тиристоров и соответственно выпрямленное напряжение на нагрузке.

Геотермальная энергия и ее использование

Геотермальная энергия — энергия тепла Земли Энергия, выделяемая из естественного тепла Земли, называется геотермальной энергией. В качестве источника энергии, тепло Земли, в сочетании с уже имеющимися технологиями, могло бы обеспечить потребности человечества на долгие-долгие годы. И это даже не касаясь тепла, находящегося слишком глубоко, в недосягаемых пока областях.

Миллионы лет из недр нашей планеты выделяется это тепло, причем скорость остывания ядра не превышает 400 °C за миллиард лет! При этом температура ядра Земли, по разным данным, составляет на данный момент не менее чем 6650 °C, и постепенно уменьшается по направлению к ее поверхности. 42 триллиона ватт тепла постоянно выделяются Землей, лишь 2% от которых приходятся на кору.

Геотермальная энергия и ее использование

Внутренняя тепловая энергия Земли то и дело грозно проявляется в форме извержений тысяч вулканов, землетрясений, движений земной коры и других, менее заметных, но от того не менее глобальных, природных процессов.

Научная точка зрения на причины данного явления, заключается в том, что происхождение тепла Земли связано с постоянно идущим процессом радиоактивного распада урана, тория и калия в недрах планеты, а также с гравитационной сепарацией вещества в ее ядре.

Гранитный слой земной коры, на глубине от 20000 метров, является основной областью радиоактивного распада на континентах, а для океанов наиболее активным слоем является верхняя мантия. Ученые считают, что на континентах, на глубине порядка 10000 метров, температура подошвы коры составляет около 700 °C, тогда как в океанах температура достигает лишь 200 °C.

Два процента геотермальной энергии, приходящихся на земную кору, постоянно составляют 840 миллиардов ватт, и это технологически доступная энергия. Наилучшие места для извлечения этой энергии — области близ краев континентальных плит, где кора значительно тоньше, а также районы сейсмической и вулканической активности — где земное тепло проявляет себя очень близко к поверхности.

Где и в каком виде проявляется геотермальная энергия

На данный момент освоением геотермальной энергии активно занимаются: США, Исландия, Новая Зеландия, Филиппины, Италия, Сальвадор, Венгрия, Япония, Россия, Мексика, Кения и другие страны, где тепло из недр планеты поднимается к поверхности в форме пара и горячей воды, вырывающихся наружу, при температурах достигающих 300 °С.

В качестве ярких примеров можно привести знаменитые гейзеры Исландии и Камчатки, а также известный Йеллоустонский национальный парк, расположенный на территории американских штатов Вайоминг, Монтана и Айдахо, занимающий площадь почти в 9000 квадратных километров.

Геотермальная энергия и ее использование

В форме горячей воды или пара тепло доставляется на поверхность, где используется либо напрямую для обогрева зданий и домов, либо для генерации электрической энергии. Кроме того полезно и поверхностное тепло Земли, до которого добираются, как правило, путем бурения скважин, где градиент возрастает на 1 °C с каждыми 36 метрами.

Для освоения этого тепла используются тепловые насосы. Горячая вода и пар служат для генерации электроэнергии и для отопления напрямую, а теплота сосредоточенная глубоко в отсутствии воды — преобразуется в полезный вид тепловыми насосами. Энергия магмы и теплота которая накапливается под вулканами, — извлекаются аналогичными путями.

Вообще, существует ряд стандартных способов получения электроэнергии на геотермальных электростанциях, но опять же — либо напрямую, либо по схеме похожей на тепловой насос.

В простейшем случае пар просто направляется через трубопровод на турбину электрогенератора. В усложненной схеме — пар предварительно очищается, чтобы растворенные вещества не разрушали трубы. В смешанной схеме — растворенные в воде газы устраняют после конденсации пара в воду. Наконец, существует бинарная схема, где теплоносителем (для забора тепла и для вращения турбины генератора) выступает другая жидкость с низкой температурой кипения (схема с теплообменником).

Тепло планеты как энергетический ресурс

Возле итальянского города Ларедерелло проходит электрическая железная дорога, источником электроэнергии для которой служит сухой пар из скважины. Система работает с 1904 года. Поля гейзеров в Японии и в Сан-Франциско — два других известных места в мире, где также используется сухой горячий пар для генерации электроэнергии. Что касается влажного пара, то более обширные его поля — в Новой Зеландии, и меньшие по площади — в Японии, России, Сальвадоре, Мексике, Никарагуа.

Если рассмотреть геотермальную теплоту как энергетический ресурс, то его запасы в десятки миллиардов раз превышают годовое потребление энергии человечеством во всем мире.

Всего 1% тепловой энергии земной коры, взятой с глубины в 10000 метров, хватило бы чтобы перекрыть в сотни раз запасы ископаемого топлива, такого как нефть и газ, непрерывно добываемых человечеством, что приводит к необратимому истощению недр и к загрязнению окружающей среды.

Виной всему экономические причины. А ведь геотермальным электростанциям свойственен весьма умеренный уровень выбросов углекислого газа, примерно 122 кг на мегаватт-час полученной электроэнергии, что значительно меньше выбросов, имеющих место при производстве электроэнергии с использованием ископаемого топлива.

Промышленные ГеоЭС и перспективы геотермальной энергетики

Первая промышленная ГеоЭС мощностью 7,5 МВт была построена в 1916 году в Италии. С тех пор накоплен бесценный опыт. По состоянию на 1975 год общая установленная мощность ГеоЭС в мире составляла 1278 МВт, а в 1990 уже 7300 МВт. Наибольшие объемы освоения геотермальной энергии приходятся на США, Мексику, Японию, Филиппины и Италию.

Геотермальная энергия и ее использование

Первая ГеоЭС на территории СССР была возведена на Камчатке в 1966 году, ее мощность составила 12 МВт. Начиная с 2003 года в России работает Мутновская ГеоЭС, мощность которой сейчас составляет 50 МВт — это самая мощная в России ГеоЭС на данный момент. Крупнейшей в мире ГеоЭС является Olkaria IV в Кении, ее мощность составляет 140 МВт.

Геотермальная энергия и ее использование

В перспективе видится весьма вероятным использование тепловой энергии магмы в тех регионах планеты, где она находится не слишком глубоко под поверхностью Земли, а также тепловой энергии разогретых кристаллических пород, когда в выбуренную скважину глубиной в несколько километров закачивают холодную воду, а на поверхность возвращают горячую воду или пар, а дальше получают отопление или генерацию электроэнергии.

Классификация электронагревательных установок

Классификация электронагревательных установокПолучение теплоты на базе электроэнергии возможно по двум принципиально разным схемам:

1) по схеме прямого преобразования, когда электрическая энергия (энергия различных форм движения заряженных частиц в электрическом поле) преобразуется в тепловую (энергию тепловых колебаний атомов и молекул веществ),

Читать далее «Классификация электронагревательных установок»

Стабилизатор Volter — ваш верный помощник

Стабилизатор Volter - ваш верный помощникВсе из нас уверены, что напряжение в розетке — 220 вольт. К сожалению, это не совсем верно. Ведь, если раньше нагрузки на сеть были не так и велики, то в настоящее время бытовые приборы, имеющиеся почти в каждом доме, потребляют электроэнергию в большом количестве. Читать далее «Стабилизатор Volter — ваш верный помощник»

Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей

Правила технической эксплуатации электроустановок потребителейПравила технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП) разработаны на основании требований действующих законодательных актов, новых государственных стандартов и других нормативно-технических документов с учетом опыта эксплуатации электроустановок потребителей по состоянию на 01.01.03. Правила акцентируют внимание персонала на вопросах эксплуатации электроустановок потребителей.

Читать далее «Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей»

Выбор электрооборудования по техническим характеристикам

Выбор электрооборудования по техническим характеристикамЭлектрооборудование выбирается проектными организациями. При разработке проекта ориентируются на средние условия эксплуатации. Реальные факторы, воздействующие па оборудование, могут существенно отличаться. Проектной организации, скажем, трудно учесть, какие конкретные отклонения напряжения у электроприемников будут в каждом случаев условиях реальной эксплуатации. В ряде случаев не соответствуют проектным и режимы работы электроприемников.

Читать далее «Выбор электрооборудования по техническим характеристикам»