Преобразование энергии — электрической, тепловой, механической, световой
Понятие энергии применяется во всех науках. При этом известно, что обладающие энергией тела могут производить работу. Закон сохранения энергии гласит, что энергия не исчезает и не может быть создана из ничего, а выступает в различных своих формах (например, в форме тепловой, механической, световой, электрической энергии и т. д.).
Одна форма энергии может переходить в другую, и при этом соблюдаются точные количественные соотношения различных видов энергии. Вообще говоря, переход одной формы энергии в другую никогда не происходит полностью, так как всегда возникают еще и другие (чаще всего нежелательные) виды энергии. Например, в электродвигателе не вся электрическая энергия переходит в механическую, а часть ее переходит в тепловую (нагрев проводников токами, разогрев в результате действия сил трения).
Факт неполного перехода одного вида энергии в другой характеризует коэффициент полезного действия (КПД). Этот коэффициент определяется как отношение полезной энергии к ее общему количеству или же как отношение полезной мощности к общей.
Электрическая энергия имеет то преимущество, что ее можно сравнительно легко и с малыми потерями передавать на большие расстояния, и, кроме того, она имеет чрезвычайно широкий круг применений. Распределением электрической энергии относительно легко управлять, и в известных количествах ее можно аккумулировать и хранить.
В течение одного рабочего дня человек в среднем затрачивает энергию, равную 1000 кДж, или 0,3 кВт. Человеку нужно приблизительно 8000 кДж в виде пищи и 8000 кДж на отопление жилищ, производственных помещений, на приготовление пищи и т. д. Если добавить к этому энергетические затраты в промышленности и на транспорте, то на одного человека ежедневно приходятся энергетические затраты приблизительно в размере 200 000 ккал, или 60 кВт- ч.
Электрическая и механическая энергия
Электрическая энергия преобразуется в механическую в электродвигателях и в меньшей степени в электромагнитах. В обоих случаях используются эффекты, связанные с электромагнитным полем. Потери энергии, т. е. та часть энергии, которая не переходит в желаемую форму, складываются в основном из энергетических затрат на нагрев током проводников и потерь, связанных с трением.
Большие электродвигатели имеют КПД, превышающий 90%, а у небольших электродвигателей КПД несколько ниже этого уровня. Если, например, электродвигатель имеет мощность 15 кВт и КПД, равный 90 %, то его механическая (полезная) мощность 13,5 кВт. Если же механическая мощность электродвигателя должна быть равна 15 кВт, то потребляемая электрическая мощность при том же значении КПД — 16,67 кВт-ч.
Процесс перехода электрической энергии в механическую обратим, т. е. механическую энергию можно преобразовать в энергию электрическую (смотрите — Процесс преобразования энергии в электрическим машинах). Для этой цели применяются в основном генераторы, которые по своей конструкции подобны электродвигателям и могут приводиться в действие при помощи паровых турбин или гидротурбин. В таких генераторах также есть энергетические потери.
Электрическая и тепловая энергия
Если по проводнику протекает электрический ток, то электроны при своем движении сталкиваются с атомами материала проводника и побуждают их к более интенсивному тепловому движению. При этом электроны теряют часть своей энергии. Возникшая таким образом тепловая энергия, с одной стороны, приводит, например, к повышению температуры деталей и проводов обмоток в электрических машинах, и с другой — к повышению температуры окружающей среды. Следует различать полезную тепловую энергию и тепловую энергию потерь.
В электронагревательных приборах (электрокипятильники, утюги, нагревательные печи и т. д.) желательно стремиться к тому, чтобы электрическая энергия как можно полнее перешла в энергию тепловую. Иначе дело обстоит, например, в случае линий электропередачи или же электродвигателей, где возникающая тепловая энергия представляет собой нежелательное побочное явление, ввиду чего часто должны приниматься меры по ее отводу.
Вследствие возникшего повышения температуры тела тепловая энергия передается окружающей среде. Процесс передачи тепловой энергии реализуется в форме теплопроводности, конвекции и теплового излучения. В большинстве случаев весьма затруднительно дать точную количественную оценку общего количества выделяемой тепловой энергии.
Если какое-либо тело нужно разогреть, то значение его конечной температуры должно быть значительно выше требуемой температуры разогрева. Это необходимо для того, чтобы как можно меньше тепловой энергии передавалось окружающей среде.
Если же, напротив, разогрев температуры тела является нежелательным, то значение конечной температуры системы должно быть малым. Для этой цели создаются условия, способствующие отводу от тела тепловой энергии (большая поверхность контакта тела с окружающей средой, принудительная вентиляция).
Возникающая в электрических проводах тепловая энергия ограничивает значение тока, который допустим в этих проводах. Предельная допускаемая температура провода определяется термической стойкостью его изоляции. Для чего чтобы обеспечить передачу некоторой определенной электрической мощности, следует выбирать как можно меньшее значение тока и соответственно большое значение напряжения. При этих условиях снизятся затраты на материал проводов. Таким образом, электрическую энергию при большой мощности экономически целесообразно передавать при высоких напряжениях.
Переход тепловой энергии в электрическую
Тепловая энергия непосредственно превращается в электрическую в так называемых термоэлектрических преобразователях. Термопара термоэлектрического преобразователя состоит из двух металлических проводников, изготовленных из разных материалов (например, из меди и константана) и спаянных вместе одними своими концами.
При некоторой разности температур между точкой спая и двумя другими концами обоих проводников возникает ЭДС, которая в первом приближении прямо пропорциональна этой разнице температур. Эта термо-ЭДС, равная нескольким милливольтам, может быть зарегистрирована при помощи высокочувствительных вольтметров. Если вольтметр проградуировать в градусах Цельсия, то вместе с термоэлектрическим преобразователем полученное устройство можно применить для непосредственного измерения температуры.
Мощность преобразования невелика, поэтому такие преобразователи практически не применяются как источники электрической энергии. В зависимости от того, какие материалы применены для изготовления термопары, она работает в различных диапазонах температур. Для сравнения можно привести некоторые характеристики различных термопар: термопара медь — константан применима до 600 °С, ЭДС приблизительно 4 мВ на 100 °С; термопара железо — константан применима до 800 °С, ЭДС приблизительно 5 мВ на 100 °С.
Пример практического использования преобразования тепловой энергии в электрическую — Термоэлектрические генераторы
Электрическая и световая энергия
С точки зрения физики свет представляет собой электромагнитное излучение, которое соответствует определенному участку спектра электромагнитных волн и которое способен воспринимать человеческий глаз. К спектру электромагнитных волн принадлежат также радиоволны, тепловое и рентгеновское излучение. Смотрите — Основные светотехнические величины и их соотношения
Получить световое излучение при помощи электрической энергии можно в результате теплового излучения и путем газового разряда. Тепловое (температурное) излучение возникает в результате разогрева твердых или жидких тел, которые вследствие разогрева испускают электромагнитные волны с различными длинами волн. Распределение интенсивности теплового излучения зависит от температуры.
При повышении температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону электромагнитных колебаний с более короткой длиной волны. При температуре приблизительно 6500 К максимум интенсивности излучения приходится на длину волны 0,55 мкм, т. е. на ту длину волны, которой соответствует максимальная чувствительность человеческого глаза. Однако для нужд освещения никакое твердое тело до такой температуры нагрето, разумеется, быть не может.
Самую большую температуру разогрева выдерживает вольфрам. В вакуумных стеклянных баллонах его можно разогревать до температуры 2100 °С, а при более высоких температурах начинается его испарение. Процесс испарения может быть замедлен путем добавления некоторых газов (азота, криптона), благодаря чему представляется возможным поднять температуру накала до 3000 °С.
Для снижения потерь в лампах накаливания в результате возникающей конвекции нить накаливания выполняется в виде одинарной или двойной спирали. Однако несмотря на эти меры, показатель светоотдачи для ламп накаливания составляет 20 лм/Вт, что еще весьма турах далеко от теоретически достижимого оптимума. Источники теплового излучения имеют весьма малый КПД, так как в них большая часть электрической энергии переходит в энергию тепловую, а не в световую.
В газоразрядных источниках света электроны сталкиваются с атомами или молекулами газа и тем самым побуждают их к излучению электромагнитных колебаний с определенной длиной волны. В процессе излучения электромагнитных волн принимает участие весь объем газа, причем, вообще говоря, линии спектра такого излучения не всегда лежат в диапазоне видимого света. В нстоящее врямя в освещении нибольшее распространение находят светодиодные источники света. Смотрите — Выбор источников света про промышленных помещений.
Переход световой энергии в электрическую
Световая энергия может переходить в электрическую, причем этот переход возможен двумя различными с физической точки зрения путями. Такое преобразование энергии может быть результатом фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта). Для реализации фотоэффекта применяются фототранзисторы, фотодиоды и фоторезисторы.
На границе раздела между некоторыми полупроводниками (германием, кремнием и др.) и металлами образуется граничная зона, в которой атомы обоих контактирующих материалов обмениваются электронами. При падении света на граничную зону электрическое равновесие в ней нарушается, в результате чего возникает ЭДС, под действием которой во внешней замкнутой цепи возникает электрический ток. ЭДС и, следовательно, значение тока зависят от падающего светового потока и длины волны излучения.
В качестве фоторезисторов используются некоторые полупроводниковые материалы. В результате воздействия света на фоторезистор в нем увеличивается число свободных носителей электрических зарядов, что вызывает изменение его электрического сопротивления. Если включить фоторезистор в электрическую цепь, то ток в этой цепи будет зависеть от энергий света, падающего на фоторезистор.
Химическая и электрическая энергия
Водные растворы кислот, оснований и солей (электролиты) проводят в той или иной степени электрический ток, что обусловлено явлением электрической диссоциации веществ. Некоторая часть молекул растворенного вещества (размер этой части определяет степень диссоциации) присутствует в растворе в виде ионов.
Если в растворе находятся два электрода, к которым приложена разность потенциалов, то ионы придут в движение, причем положительно заряженные ионы (катионы) будут двигаться по направлению к катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) — к аноду.
Достигнув соответствующего электрода, ионы приобретают недостающие им электроны или же, наоборот, отдают лишние и в результате становятся электрически нейтральными. Масса материала, откладывающегося на электродах, прямо пропорциональна перенесенному заряду (закон Фарадея).
В граничной зоне между электродом и электролитом упругость растворения металлов и осмотическое давление противодействуют друг другу. (Осмотическое давление обусловливает осаждение ионов металлов из электролитов на электродах. Этот химический процесс сам является причиной возникновения разницы потенциалов).
Переход электрической энергии в химическую энергию
Для того чтобы в результате движения ионов добиться осаждения вещества на электродах, необходимо затратить электрическую энергию. Этот процесс называется электролизом. Такой переход электрической энергии в химическую находит применение в электрометаллургий для получения металлов (меди, алюминия, цинка и др.) в химически чистом виде.
В гальваностегии активно окисляющиеся металлы покрываются пассивными металлами (золочение, хромирование, никелирование и т. д.). В гальванопластике изготавливают объемные отпечатки (клише) различных тел, причем если такое тело сделано из непроводящего материала, то оно перед изготовлением отпечатка должно быть покрыто проводящим электрический ток слоем.
Переход химической энергии в электрическую
Если опустить в электролит два электрода, изготовленных из различных металлов, то между ними возникнет разность потенциалов, обусловленная различием в упругости растворения этих металлов. Если менаду электродами вне электролита включить приемник электрической энергии, например резистор, то в образовавшейся электрической цепи пойдет ток. Так устроены гальванические элементы (первичные элементы).
Первый медно-цинковый гальванический элемент был изобретен Вольта. В этих элементах происходит преобразование энергии химической в энергию электрическую. Работе гальванических элементов может помешать явление поляризации, возникающее в результате осаждения вещества на электродах.
Все гальванические элементы имеют тот недостаток, что в них химическая энергия преобразуется в электрическую необратимо, т. е. гальванические элементы нельзя заряжать вновь. Этого недостатка лишены аккумуляторы.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
КОНВЕРСИЯ ТЕПЛА В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Добросельский К.Г., Антипин В.А.
Приведен краткий обзор механизмов и материалов по преобразованию рассеянного в окружающей среде тепла в электрическую энергию. Показаны основные способы и направления исследования в этой области. В большей степени статья посвящена преобразованию низкопотенциального тепла путем использования пироэлектрических материалов. Приведены материалы, которые могут быть использованы для эффективного преобразования теплоты в пироэлектричество. Рассмотрены физические принципы преобразования тепловой энергии в электрическую путем поляризации доменов под воздействием изменения температуры . Показано, что определяющую роль при этом играет пирокоэффициент преобразования теплоты в электрический заряд. Приведены основные формулы для расчета тока , напряжения и энергии, из которых следует, что энергия заряда определяется пирокоэффициентом , амплитудой колебания температуры, площадью поверхности и толщиной элемента. Генераторы электрической энергии с малыми токами потребления, которые в качестве источника энергии используют тепловые (температурные) колебания, могут быть применены в мобильных установках, к которым и относится железнодорожный транспорт.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Добросельский К.Г., Антипин В.А.
Исследование распределения поляризации в сегнетоэлектрических кристаллах на основе решения обратной задачи пироэффекта
О пироэлектричестве монокристаллов DKDP и керамики цтс-40 в интервале температур 1. 5-30 к
Актуальные технологии и применения датчиков автомобильных систем активной безопасности. Часть 4. Инфракрасные тепловые камеры
Исследование влияния концентрации электролита на параметры термоэлектрохимической ячейки
Быстродействующий неохлаждаемый тепловой приемник ИК-излучения
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
HEAT CONVERSION INTO ELECTRICAL ENERGY
A brief review of the mechanisms and materials on the heat transformation dissipated in the environment into electrical energy is given. The main methods and directions of research in this field are shown. To a greater extent, the article is devoted to the transformation of low-potential heat by using pyroelectric materials. Here are given materials that can be used to effectively convert heat into pyroelectricity. The physical principles of conversion of thermal energy into electrical energy by polarization of domains under the influence of temperature changes are considered. It is shown that the pyroelectric coefficient of heat conversion into electric charge plays the decisive role. The main formulas for the calculation of current, voltage and energy are given, from which it follows that the charge energy is determined by the pyroelectric coefficient, the amplitude of the temperature fluctuation, the surface area and the thickness of the element. Generators of electric energy with small consumption currents, where thermal (temperature fluctuations) are used as an energy source, can be used in mobile installations, which include rail transport.
Текст научной работы на тему «КОНВЕРСИЯ ТЕПЛА В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ»
МЕХАНИКА, МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
К.Г. Добросельский, В.А. Антипин Конверсия тепла в электрическую энергию
Приведен краткий обзор механизмов и материалов по преобразованию рассеянного в окружающей среде тепла в электрическую энергию. Показаны основные способы и направления исследования в этой области. В большей степени статья посвящена преобразованию низкопотенциального тепла путем использования пироэлектрических материалов.
Приведены материалы, которые могут быть использованы для эффективного преобразования теплоты в пироэлектричество. Рассмотрены физические принципы преобразования тепловой энергии в электрическую путем поляризации доменов под воздействием изменения температуры. Показано, что определяющую роль при этом играет пирокоэффициент преобразования теплоты в электрический заряд.
Приведены основные формулы для расчета тока, напряжения и энергии, из которых следует, что энергия заряда определяется пирокоэффициентом, амплитудой колебания температуры, площадью поверхности и толщиной элемента.
Генераторы электрической энергии с малыми токами потребления, которые в качестве источника энергии используют тепловые (температурные) колебания, могут быть применены в мобильных установках, к которым и относится железнодорожный транспорт.
Ключевые слова: изменение температуры, пироэлектрик, спонтанная поляризация, пирокоэффициент, ток, напряжение.
Рассеянная в окружающей среде энергия в настоящее время является предметом повышенного интереса в свете растущих энергетических потребностей общества, а также в качестве средства для создания автономных систем с автономным питанием.
Тепло от окружающей среды остается почти повсеместным и обильным источником энергии, которая, как низкопотенциальное тепло, часто теряется. Отработанное тепло относится к энергии, выделяемой в качестве побочного продукта систем охлаждения или циклов теплового насоса в соответствии с требованиями второго закона термодинамики [1, 2]. Его часто выпускают в атмосферу, реки, океаны или в виде горячих газов, или в виде горячей воды. Отработанное тепло можно разделить на три категории: низкий, средний и высокий класс отходов тепла с температурой от 27 до 205 °С, от 205 до 593 °С, и от 593 до 1 649 °С соответственно [3]. Высокопотенциальное отработанное тепло можно применять для повторного генерирования электроэнергии с использованием обычных термодинамических циклов. Например, дымовой газ, испускаемый из газовых турбин, может быть использован для нагрева воды бытового и промышленного назначения. В отличие от высокого класса потери тепла от серверов, центров
обработки данных, панелей солнечной энергии и двигателей внутреннего сгорания являются источниками низкого и среднего класса отходов тепла. К сожалению, меньше всего решений существует для преобразования среднего и низкого классов тепловых отходов в пригодные для использования формы энергии.
Разработка энергоэффективных инженерных систем привлекла значительное внимание к утилизации теплоты [4-6]. Если отработанное тепло может быть эффективно переработано в полезные формы энергии, оно может выступать в качестве потенциального источника для удовлетворения растущего спроса на энергию. К сожалению, малые КПД препятствовали развитию таких устройств. Органические циклы Ренкина и двигатели Стирлинга были использованы для преобразования отходов тепла в механическую работу. В частности, двигатели Стирлинга нашли применение в различных приложениях, включая тепловые насосы, криогенное охлаждение и сжижение воздуха [4, 5]. В последнее время они были использованы в солнечных электростанциях и автомобилях. Теоретически двигатели Стир-линга могут достигать коэффициента Карно, но потери из-за утечки газа, трения и выделения в окружающую среду снижают их эффективность [5]. Кроме того, требуется дополни-
тельное преобразование механической энергии в электрическую с помощью электрического генератора. Термоэлектрические устройства используют эффект Зеебека для прямого преобразования разности температур на стыке двух разнородных металлов или полупроводников в электрическую энергию. Коммерческие термоэлектрические генераторы (ТЭГ) обладают коэффициентом полезного действия, как правило, около 5 % [6]. Низкий уровень эффективности может быть отнесен к внутренним ограничениям термоэлектрических материалов, имеющихся в природе, с сочетанием низкой теплопроводности, высокой электропроводности и большого коэффициента Зеебека. На сегодняшний день КПД современных термоэлектрических устройств, как правило, колеблется от 5 до 10 %. Считается реальным достичь в обозримом будущем значения КПД 15 % [7]. Удельная мощность современных ТЭГов составляет около 10 Вт/кг. На лабораторных установках при перепаде температур 500 К получены удельные мощности до 50 Вт/кг [8]. Дальнейший прогресс данного направления термоэлектрической генерации связан с улучшением свойств термоэлектрических материалов, в том числе за счет использования наноструктур [9].
Пироэлектрический сбор энергии [3], в котором колебания температуры преобразуются в электрическую энергию, — менее широко исследуемая отрасль; хотя возможность для преобразования тепловой энергии в электрическую с использованием сегнетоэлектрических материалов была рассмотрена достаточно давно [10, 11]. Есть целый ряд современных обзоров по пироэлектрическому извлечению энергии из материалов и систем, например [1, 12]. Большинство работ, посвященных пироэлектрическим материалам, концентрируется на использовании их в качестве теплового зондирования, ИК-обнару-жения, тепловизионной и пожарной сигнализации, газовых анализаторов, мониторинга загрязнения [13, 14].
Пироэлектрические устройства преобразования энергии требуют пироэлектрического элемента (РЕ), расположенного между горячим и холодным источниками температуры. На практике энергия, вырабатываемая пироэлектрическим устройством, может быть реализована на внешней нагрузке или отправлена на
устройства хранения. Пироэлектрическое преобразование энергии предлагает новый и прямой способ переработки теплоты в электричество путем изменения температуры РЕ во времени, а также в электрический ток или напряжение [15]. Это делает возможным использование пироэлектрического эффекта для создания потока заряда с поверхности пироэлектрического материала в результате нагревания или охлаждения [13]. Очень небольшие изменения температуры (в милликельвинах) могут производить пироэлектрический ток (в нано- или микроамперах) [13], что позволяет широко использовать данный эффект в инфракрасной детекции для работы с изображениями и обнаружением движения, а также в качестве термометра.
Использование пироэлектрических материалов для сбора отработанного тепла было изучено как экспериментально, так и теоретически. Хотя ранние теоретические исследования предсказали низкую эффективность материалов, экспериментальные исследования [16, 17] показали значительно лучшие результаты. Тем не менее на сегодняшний день пока нет эффективного пироэлектрического преобразователя энергии.
Термоэлектрические материалы и системы вырабатывают электроэнергию от температурных градиентов (dT/dx), в то время как пироэлектрики вырабатывают энергию от колебаний температуры (dT/dt) и имеют некоторое сходство с тем, как пьезоэлектрические установки преобразовывают механические колебания (da/dt) в электричество. Пироэлектрические материалы представляют интерес, так как при правильных условиях они имеют потенциал, чтобы работать с высокой термодинамической эффективностью и, по сравнению с термоэлектричеством, не требуют громоздких радиаторов для поддержания температурного градиента.
Пиропреобразователи, как правило, работают на низких частотах, обычно меньше 1 Гц, поскольку время теплоподвода и время прогрева РЕ пропорциональны: h2/a, где а — коэффициент теплопроводности. Попытки трансформировать градиент температуры в ее колебания привели к циклическому перемещению среды, омывающей поверхность РЕ [18]. Мощность, потребляемая в процессе накачки,
может быть относительно небольшой частью энергии (меньше 2 %), что позволит сделать процесс рентабельным [18, 19].
Встречающиеся в природе и быту изменения температуры, которые можно использовать для преобразования тепловой энергии, включают изменения температуры окружающей среды, выхлопные газы и естественные колебания температуры за счет конвекции, солнечной энергии, суточные колебания. Можно было бы устанавливать пироэлек-трики на тепловых системах процессоров персональных компьютеров.
Пироэлектрический эффект и пирома-териалы. Пироэлектрики являются подклассом диэлектриков — веществ, плохо проводящих или совсем не проводящих электрический ток. Все пироэлектрики являются полярными материалами и обладают спонтанной поляризацией Ps при отсутствии приложенного электрического поля [13]. Примеры включают в себя поляризации, которые относятся к ионному склеиванию материалов, в результате чего поляризация может быть следствием кристаллической структуры, в то время как в кристаллических полимерах с ориентированными цепочками молекул это может быть связано с выравниванием поляризованных ковалентных связей [20].
Пироэффектом обладают, например, все сегнетоэлектрики [21], спонтанная поляризация которых зависит от температуры (ниже температуры Кюри). К наиболее сильным пи-роэлектрикам относятся: Pb(Mg1/3 №2/3) 0.67ТЮ.3303 (РМ^РТ), PbZr0.45Ti0.55O3 (Р2Т) и триглицинсульфат (TGS). Наряду с прямым (первичным) пироэффектом, выделяют также вторичный пироэффект, обусловленный электромеханической связью. Изменение температуры вызывает деформацию материала, а деформация через пьезоэлектрический эффект влияет на электрическую поляризацию. В условиях неоднородных температурных полей присутствуют также и другие термоэлектромеханические явления, такие как термополяризационный эффект (отклик поляризации на градиент температуры) и флексо-электрический эффект (отклик поляризации на градиент деформации) [22]. Эти различные эффекты могут иметь как сонаправленное
действие, так и противоположное. Поэтому оптимизация пироэлектрического устройства предполагает не только выбор материала, но и подбор правильных механических и температурных граничных условий, а также режимов.
Наличие спонтанной поляризации в материале приводит к наличию заряда на каждой поверхности материала и свободных зарядов, таких как ионы или электроны, которые притягиваются к заряженным поверхностям материала. Происхождение пироэлектрического эффекта вытекает из поведения поверхностного заряда при изменении температуры окружающей среды и из предположения, что уровень поляризации зависит от температуры материала [13]. Если пироэлектрик нагревается (dT/Т > 0), то наблюдается снижение его уровня спонтанной поляризации, так как диполи внутри материала теряют ориентацию из-за тепловых колебаний (рис. 1). Это падение уровня поляризации приводит к уменьшению количества свободных зарядов, связанных с поверхностью материала [12]. Если материал находится в условиях разомкнутой цепи, свободные заряды остаются на поверхности электрода и электрический потенциал возникает через материал [23]. Если материал находится в условиях короткого замыкания, то протекает электрический ток между двумя противоположными поверхностями материала. Аналогичным образом, если пироэлектрический материал охлаждается (dT / Т < 0), то диполи вернутся к прежней ориентации, что приведет к увеличению уровня спонтанной поляризации.
На рис. 1 показан пример уменьшения спонтанной поляризации сегнетоэлектрика с увеличением температуры и соответствующего увеличения пирокоэффициента (dP s/ТТ). Поляризация уменьшается до нуля при температуре Кюри (Т), при которой материал перестает быть пироэлектрическим, при этом пирокоэф-фициент значительно возрастает, поскольку материал начинает быстро терять свою поляризацию по мере приближения к Та. В то время как потеря пьезоэлектрических свойств выше температуры Кюри является недостатком для преобразователей вибрационных машин, фазовый переход при температуре Кюри вызывает определенный интерес для пиро-
Рис. 1. Температурная зависимость спонтанной поляризации Рх и пирокоэффициента Р (ЛРХ / dT)
сегнетоэлектриков (адаптировано из [14])
электрическом конверсии, так как пироэлектрический материал имеет потенциал для получения большего количества электрической энергии [24]. Очевидной сложностью термического цикла выше и ниже температуры Кюри является необходимость повторно поляризовать сегнетоэлектрик при охлаждении ниже Тс, обычно это достигается за счет применения электрического поля.
Уравнение (1) определяет связь между пироэлектрическим зарядом Q, генерируемым током 1р, скоростью изменения температуры ЛТ/Л, площадью поверхности материала А и пироко-эффициентом р в условиях короткого замыкания с электродами, которые ориентированы по нормали к полярному направлению:
Пироэлектрический коэффициент определяется по формуле
Нижние индексы с и Е соответствуют условиям постоянного механического напряжения и электрического поля соответственно. В то время как пирокоэффициент является векторной величиной, электроды, собирающие заряды, часто составляют нормаль к полярному направлению, поэтому измеряемая величина часто рассматривается как скаляр [14].
Рис. 2 изображает пироэлектрический эффект, происходящий в пироэлектрических пленках [13].
Спонтанная поляризация пластины привлекает свободные заряды, такие как электроны и ионы, к ее поверхности, как показано на рис. 2, а. Теперь рассмотрим случай, когда электроды прикреплены к верхней и нижней поверхностям пироэлектрической пленки и соединены с амперметром. В стационарном состоянии (ЛТ/ Л = 0) спонтанная поляризация остается постоянной и, следовательно, ток не течет через амперметр (см. рис. 2, б). Однако при повышении температуры (ЛТ / Л > 0) электрические дипольные моменты теряют ориентацию, что приводит к уменьшению спонтанной поляризации (см. рис. 2, в). При охлаждении (ЛТ / Л < 0) спонтанная поляризация возрастает и ток через амперметр меняет знак (см. рис. 2, г).
Несмотря на то что изменения температуры могут производить сравнительно небольшой пироток [13], его можно использовать для сбора энергии, преобразуя через электрические схемы. Для того чтобы максимизировать пироток в условиях короткого замыкания, пироэлектрик должен иметь большую площадь поверхности, большой пирокоэффи-циент и высокую скорость изменения температуры. Из (1) вытекает, что генерируемый ток не зависит от толщины элемента и пропорционален его площади, так как ток просто связан с поверхностным зарядом [14].
Так как существует требование для пироэлектрических материалов быть полярными и показывать уровень спонтанной поляризации,
Рис. 2. Схема пироэлектрического образца: а — сам по себе; б — с электродами, соединенными с амперметром при постоянной температуре; в — при нагревании; г — при охлаждении (адаптировано из [13])
то все пироэлектрические материалы являются пьезоэлектрическими (пироэлектрики являются подклассом пьезоэлектрических материалов). Тем не менее не все пьезоэлектрики являются пироэлектриками. Такие материалы, как кварц, поляризованы только в результате механического напряжения. В сегнетоэлектрических пи-роэлектриках ориентация и знак спонтанной поляризации могут быть переключены путем изменения направления приложенного электрического поля. Эти сегнетоэлектрики являются подклассом пироэлектрических материалов.
Для готового пироэлектрического материала выражения для заряда, генерируемого напряжения и энергии, запасенной в пироэлектрическом материале, могут быть получены следующим образом. Из (1) следует, что пироэлектрический ток не зависит от толщины материала и зависит только от эффективной площади электрода. Интегрируя (1) по времени, суммарный заряд, связанный с изменением температуры ДТ, будет выражаться как
Так как пироэлектрические материалы являются типичными диэлектриками, их эквивалентная емкость С определяется ^ 80 вЛ
где во — электрическая постоянная; в — диэлектрическая проницаемость в направлении поляризации при постоянном напряжении; И -толщина пироэлектрика.
Напряжение разомкнутой цепи (или холостого хода) и, получаемое на электродах, с учетом Q = Си может быть выражено следующим образом:
Из (5) следует, что напряжение на электродах зависит от толщины материала и инвариантно относительно площади электродов. Так как полная энергия, которая хранится в кон-
денсаторе, Ж = , то, используя (4) и (5),
количество энергии, запасенное в материале в конце изменения температуры, будет выражаться в виде
Выводы. В работе показано, что большую роль в выборе пироэлектрической системы играет материал, его толщина и площадь, а для получения большей электрической энергии важны величина и скорость изменения температуры. Не менее важными являются электрические
схемы для организации сбора энергии, так как генерируемые токи в системе малы.
По сравнению с другими формами сбора тепловой энергии использование пироэлектрических систем на практике менее изучено, тем более неспособность индуцировать большую частоту изменения температуры в настоящее время ограничивает количество энергии, кото-
рое может быть собрано. Однако если применять гибридные пиро- и пьезосистемы, использующие тепловые флуктуации и температурные градиенты для генерации механического напряжения, то можно усилением вторичного и третичного пироэлектрического эффекта получить большее количество электрической энергии.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ № 16-19-00119 «Создание эффективного преобразователя низкопотенциального тепла в электроэнергию на основе пироэф-фекта».
1. Review of pyroelectric thermal energy harvesting and new MEMs-based resonant energy conversion techniques / S.R. Hunter, N.V. Lavrik, S. Mostafa, S. Rajic, P.G. Datskos // Proc. SPIE. 2012. Vol. 8377. 83770D.
2. Lee F.Y., NavidA., Pilon L. Pyroelectric waste heat energy harvesting using heat conduction // Appl. Therm. Eng. 2012. Vol. 37. P. 30-37.
3. Turner W.C., Doty S. Energy Management Handbook. 6th ed. The Fairmont Press. Inc., Taylor & Francis Ltd. 2007. XIV. 909 p.
4. Liu B.T., Chien K.H., Wang C.C. Effect of working fluids on organic Rankine cycle for waste heat recovery // Energy. 2004. Vol. 29. № 8. P. 1207-1217.
5. Thombare D.G., Verma S.K. Technological development in the Stirling cycle engines // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2008. Vol. 12. P. 1-38.
6. Riffat S.B., Ma X. Thermoelectrics: a review of present and potential applications // Appl. Therm. Eng. 2003. Vol. 23. № 8. P. 913-935.
7. High-performance bulk thermoelectrics with all-scale hierarchical architectures / K. Biswas, I.D. Wu et al. // Nature. 2012. Vol. 489. P. 414-418.
8. Design of segmented thermoelectric generator based on cost-effective and light-weight thermoelectric alloys / H.S. Kim et al. // Materials Science and Engineering. 2014. Vol. 185. P. 45-52.
9. New directions for low-dimensional thermoelectric materials / M.S. Dresselhaus et al. // Adv. Mat. 2007. Vol. 19. P. 1043-1053.
10. Fatuzzo E., Kiess H., Nitsche R. Theoretical efficiency of pyroelectric power converters // J. Appl. Phys. 1966. Vol. 37. P. 510-516.
11. Hoh S.R. Conversion of thermal to electrical energy with ferroelectric materials // Proc. IEEE. 1963. Vol. 51. P. 838-845.
12. Pyroelectric materials and devices for energy harvesting applications / C.R. Bowen, J. Taylor, E. LeBoulbar et al. // Energy & Environmental science. 2014. Vol. 7. Is. 12. P. 3836-3856.
13. Lang S.B. Pyroelectricity: from ancient curiosity to modern imaging tool // Phys. Today. 2005. Vol. 58. P. 31-36.
14. Lang S.B., Das-Gupta D.K. Pyroelectricity: Fundamentals and Applications // Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices / ed. H.S. Nalwa. 2001. Vol. 4. P. 1-54.
15. Olsen R.B., Bruno D.A., Briscoe J.M. Pyroelectric conversion cycles // J. Appl. Phys. 1985. Vol. 58. № 12. P. 4709-4716.
16. Olsen R.B., Bruno D.A., Briscoe J.M. Pyroelectric conversion cycle of vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer // J. Appl. Phys. 1985. Vol. 57. № 11. P. 5036-5042.
17. Kouchachvili L., Ikura M. Pyroelectric conversion-effects of P(VDF-TrFE)preconditioning on power conversion // J. Electrostatics. 2006. Vol. 65. № 1. P. 182-188.
18. SebaldG., GuyomarD., AgbossuA. On thermoelectric and pyroelectric energy harvesting // Smart Mater. Struct. 2009. Vol. 18. 125006.
19. Nonlinear pyroelectric energy harvesting from relaxor single crystals / A. Khodayari, S. Pruvost, G. Sebald, D. Guyomar, S. Mohammadi // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2009. Vol. 56. P. 693-699.
20. WhatmoreR. W. Pyroelectric devices and materials // Rep. Prog. Phys. 1986. Vol. 49. P. 1335-1386.
21. Струков Б.А., Леванюк А.П. Физические основы сегнетоэлектрических явлений в кристаллах. М.: Наука: Физматлит, 1995. 304 с.
22. Таганцев А.К. Пиро-, пьезо-, флексоэлектрический и термополяризационный эффекты в ионных кристаллах // Успехи физических наук. 1987. Т. 152. Вып. 3. С. 423-448.
23. Nano/microscale pyroelectric energy harvesting: challenges and opportunities / D. Lingam, A.R. Parikh, J. Huang, A. Jain, M. Minary-Jolandan // Int. J. Smart Nano Mater. 2013. Vol. 4. P. 229-245.
24. Navid A., Pilon L. Pyroelectric energy harvesting using Olsen cycles in purified and porous poly(vinylidene flTOride-trifluoroethylene) [P(VDF-TrFE)] thin films // Smart Mater. Struct. 2011. Vol. 20. 025012.
K.G. Dobroselsky, V.A. Antipin Heat Conversion into Electrical Energy
Abstract. A brief review of the mechanisms and materials on the heat transformation dissipated in the environment into electrical energy is given. The main methods and directions of research in this field are shown. To a greater extent, the article is devoted to the transformation of low-potential heat by using pyroelectric materials.
Here are given materials that can be used to effectively convert heat into pyroelectricity. The physical principles of conversion of thermal energy into electrical energy by polarization of domains under the influence of temperature changes are considered. It is shown that the pyroelectric coefficient of heat conversion into electric charge plays the decisive role.
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
The main formulas for the calculation of current, voltage and energy are given, from which it follows that the charge energy is determined by the pyroelectric coefficient, the amplitude of the temperature fluctuation, the surface area and the thickness of the element.
Generators of electric energy with small consumption currents, where thermal (temperature fluctuations) are used as an energy source, can be used in mobile installations, which include rail transport.
Key words: temperature change; pyroelectric; spontaneous polarization; pyroelectric coefficient; current; voltage.
Добросельский Константин Геннадьевич — кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. E-mail: dobroselsky@mail.ru
Антипин Владимир Андреевич — кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» СГУПСа. E-mail: vaantipin@mail.ru
Превращения энергии и назначение тепловой электрической станции
В основе всех естественных наук, т. е. наук, изучающих природу, лежат два основных закона: закон сохранения материи и закон сохранения и превращения энергии. Как известно читателю, закон сохранения материи состоит в том, что материя не может быть уничтожена или создана «из ничего». Материя может только переходить из одного вида в другой, из одного состояния в другое. Можно, например, поставив на огонь чайник с водой, нагреть воду до температуры кипения; если чайник с водой оставить на огне и дальше, то через некоторое время он окажется пустым — вся вода выкипит. Это не будет, однако, означать, что произошло исчезновение материи. Это значит только то, что материя из одного вида превратилась в другой: вода испарилась и превратилась в пар. Или можно, например, сжечь кусок дерева, бросив его в костер или в печь. Дерево, конечно, сгорит, но материя уничтожена не будет: в результате сгорания куска дерева образуются зола и газы, главным образом углекислота. И в этом примере происходит превращение материи из одного вида в другой, но количество ее остается неизменным.
Читатель, конечно, знаком я с законом сохранения и превращения энергии. Но так как этот закон имеет для дальнейшего изложения особенно большое значение, остановимся на нем несколько подробнее. Предположим, что в нашем распоряжении имеется волнообразной формы лоток и шарик. Подобное устройство, представленное на рисунке ниже, соорудить нетрудно.
Представим также, что при движении шарика по лотку трение между шариком и поверхностью лотка вовсе отсутствует. Это последнее условие можно действительно только представить. Осуществить же его невозможно, так как даже при самой ровной поверхности шарика и лотка никогда не удастся полностью избавиться от трения.
Проследим за движением шарика по лотку при условии, что трение отсутствует. Допустим, что в начале шарик неподвижен и находится в верхней части лотка, как это и показано на рисунке:
Под влиянием собственного веса шарик может катиться вниз по лотку, причем чем ниже будет положение шарика, тем большей окажется скорость его движения. По инерции шарик может двигаться и вверх по лотку. При этом скорость его движения будет уже не увеличиваться, а уменьшаться. Даже при полном отсутствии трения шарик не смог бы подняться по лотку на высоту, большую чем начальная.
Наибольшую скорость шарик имел бы в самой низкой точке своего пути, в самой высокой точке скорость шарика была бы равна нулю. Эту же мысль можно выразить другими словами: чем ниже находится шарик, тем больше его кинетическая энергия, чем выше находится шарик, тем больше его потенциальная энергия. В нашем воображаемом опыте приходится сталкиваться со взаимным превращением только двух видов энергии: кинетической и потенциальной. Первая из них зависит от скорости движения тела, в данном случае шарика, а вторая — от его положения. На основе принципов механики можно утверждать, что сумма кинетической и потенциальной энергии шарика остается неизменной. Иначе: ни кинетическая, ни потенциальная энергия шарика не могут быть уничтожены, они- могут только переходить одна в другую. Оказанное и представляет собой закон сохранения и превращения энергии применительно к частному, сравнительно простому случаю.
А как обстояло бы дело, если бы трение было принято во внимание?
Рассмотрим движение шарика по лотку в этом случае. В отличие от предыдущего примера опыт с движением шарика по лотку при наличии трения можно не только представить себе, но и осуществить. Так же как и в предыдущем случае, скорость шарика будет тем больше, чем ниже он находится. Иначе говоря, кинетическая энергия шарика снова будет тем больше, чем ниже находится шарик, а потенциальная энергия тем больше, чем выше находится шарик. Но в отличие от рассмотренного ранее случая сумма кинетической и потенциальной энергии шарика не будет оставаться постоянной, а будет постепенно, по мере движения шарика, уменьшаться. Это не значит, конечно, что для данного примера закон сохранения и превращения энергии теряет свою силу. Закон этот является всеобщим и применим к любому частному случаю. Сказанное означает только, что в последнем случае приходится сталкиваться не только с кинетической и потенциальной энергией, но и еще с одним видом энергии, который необходимо принять в расчет. Речь идет о так называемой тепловой энергии. Оказывается, что всегда в результате трения часть кинетической энергии превращается в энергию тепловую. Применительно к рассматриваемому примеру это сказывалось бы в том, что шарик и поверхность лотка в результате трения при движении шарика несколько нагревались бы. Чем большее расстояние по лотку прокатился бы шарик, тем более образовалось бы тепловой энергии. Поэтому закон сохранения и превращения энергии для, данного частного случая следовало бы сформулировать так: сумма кинетической, потенциальной и тепловой энергии при движении шарика с трением остается неизменной.
Но что представляет собой тепловая энергия? Как можно ее измерить?
Тепловая энергия по современным физическим воззрениям представляет собой кинетическую и потенциальную энергию мельчайших частиц тела — молекул и атомов. Следовательно, тепловая энергия шарика, о котором шла речь выше, должна быть равна сумме кинетической и потенциальной энергии всех атомов, из которых он состоит. Было бы, конечно, совершенно безнадежным делом пытаться с целью определения тепловой энергии шарика измерить энергию каждого из атомов, входящих в состав шарика. Для определения тепловой энергии шарика существует куда более простой способ. Известно, что тепловая энергия тела может быть увеличена путем его нагревания. В результате же-нагревания растет температур а тела, которую легко можно измерить, например, с помощью ртутного термометра. Но определение температуры тела в начале и в конце нагревания еще недостаточно для того, чтобы сказать, сколько тепла подведено к телу, на сколько увеличилась его тепловая энергия. Если на плиту положить металлическую гирю весом в 1 килограмм, то для нагревания ее, например, на 10 °С потребуется значительно меньшее время, чем для нагревания на то же число градусов металлической болванки, отлитой из того же металла и весящей 100 килограммов. Ясно, что для нагревания металлической болванки потребуется значительно больше тепла, чем для нагревания до той же температуры во много раз меньшей гири. На основе всего сказанного можно сделать такое предположение: нельзя ли за единицу количества тепла принять количество тепла, необходимое для нагревания тела определенного состава и веса на определенное число градусов? Высказанное предположение оказывается очень удачным. В технике за единицу количества тепла принимается обычно большая калория или просто калория. Она равна тому количеству тепла, которое требуется для нагревания 1 килограмма воды на 1 градус стоградусной температурной шкалы, а именно: от 19,5 до 20,5 °С. Начальная и конечная температуры (19,5 и 20,5 °С) указаны потому, что согласно опытным данным количество тепла, необходимое для нагревания 1 килограмма воды, например, от 10 до 11°С несколько отличается от количества тепла, потребного для нагревания 1 килограмма воды, скажем, от 20 до 21°С. Иначе говоря, теплоемкость воды несколько зависит от температуры. Зависимость эта, правда, невелика. Но для точного определения единицы количества тепла зависимость теплоемкости воды от температуры все же приходится учитывать, почему при определении калории и указана начальная и конечная температуры.
Определив количество тепла, подведенное к какому-либо телу, например к шарику, мы тем самым довольно точно определяем, на сколько увеличилась тепловая энергия шарика. Если же тепловую энергию шарика при какой-либо произвольно выбранной температуре, например при 0° С, условно считать равной нулю, то таким путем можно определить тепловую энергию шарика при любой другой температуре. Ясно, что при отрицательной температуре, т. е. при температуре меньше 0° С, тепловая энергия шарика в этом случае будет выражаться каким-то числом с отрицательным знаком. Хотя энергия в принципе не может быть отрицательной, но полученный результат не должен вызывать удивления: все дело заключается в том, что мы произвольно приняли тепловую энергию шарика при температуре 0° С равной нулю.
Как мы уже сказали, тепловую энергию принято выражать в калориях. Единицей же механической энергии (кинетической и потенциальной) служит килограммометр, т. е. количество работы, которое нужно затратить, чтобы поднять груз весом в 1 килограмм на высоту 1 метра. Так как согласно закону сохранения и превращения энергии данный вид энергии можно превратить в любой другой вид, причем при таком превращении энергия не может ни «исчезнуть», ни возникнуть «из ничего», то определенное количество калорий тепловой энергии, превращаясь, например, в кинетическую энергию, должно при таком превращении дать вполне определенное количество килограммометров. Сколько бы раз мы ни повторяли подобный опыт, соотношение между числом «превращенных» калорий -и числом полученных килограммометров должно оставаться неизменным. В противном случае был бы нарушен закон сохранения и превращения энергии, чего быть, конечно, не может. Из сказанного следует, что 1 калория должна быть равна вполне определенному числу килограммометров,— так оно и есть в действительности. Многочисленные опыты, проведенные исследователями, показали, что 1 калория равна примерно 427 килограммометрам. Поскольку между калорией и килограммометром существует вполне определенная зависимость, а именно: число килограммометров энергии равно числу калорий, умноженному на 427, ясно, что энергию любого вида можно измерять и в килограммометрах, и в калориях. Можно, например, тепловую энергию выражать в килограммометрах, а кинетическую и потен* циальную энергию — в калориях. Принято, однако, поступать как раз наоборот: тепловую энергию выражать в калориях, а механическую — в килограммометрах.
В настоящее время между физиками нет никаких разногласий относительно того, что представляет собой тепловая энергия. Как уже было сказано, тепловая энергия любого тела складывается из кинетической и потенциальной энергии мельчайших частиц этого тела: молекул и атомов. Такой взгляд на природу тепловой энергии утвердился в науке давно. Но было время, когда ученые считали теплоту не формой энергии, а некоторой невесомой жидкостью, тепловым веществом или «теплородом». По этой теории нагревание одного тела за счет другого происходит вследствие перехода части теплорода от второго тела к первому. Следствием этого является нагревание первого тела и охлаждение второго. До поры до времени теория теплорода могла более или менее удовлетворительно объяснять наблюдаемые явления. Течение теплорода от одного тела к другому можно уподобить течению воды. При таком сопоставлении сам теплород подобен воде. Как вода всегда течет от более высокого уровня к более низкому, так и теплород перетекает от более нагретого тела к менее нагретому. Как течение воды происходит до тех пор, пока оба уровня не сравняются, так и переход теплорода совершается до тех пор, пока температура обоих тел не станет одинаковой. Если происходит, например, таяние куска льда, то по теории теплорода это значит, что лед получает теплород от окружающей среды и поэтому обращается в воду. Названия, до сих пор уцелевшие в физике, — теплоемкость, теплосодержание — сохранились со времен теории теплорода.
Но скоро физики столкнулись с таким явлением, объяснить которое с точки зрения теории теплорода было не так-то просто. Было замечено, что много теплоты выделяется в результате трения, например, при сверлении целого куска металла. Для объяснения этого явления естественно было предположить, что теплота образуется в результате затраты механической энергии, является сама одним из видов энергии, и отказаться от теории теплорода. Однако защитники теории теплорода высказали такое соображение: Может быть, — сказали они, — теплоемкость мелких кусков металла, стружек меньше, чем теплоемкость целого куска металла того же веса. В таком случае вполне понятно выделение большого количества тепла при сверлении металла, при этом часть монолитного куска металла превращается в стружки, имеющие по предположению меньшую теплоемкость. Это возражение было легко опровергнуто. На основании опытов было показано, что теплоемкость металла не зависит от того, имеем ли мы целый кусок или стружки того же веса. Кроме того, был проделан особенно наглядный опыт, доказавший несостоятельность теории теплорода. Были взяты два куска льда. В результате трения этих кусков между собой лед таял и получалась вода. Ясно было, что затраченная на трение льда теплота могла возникнуть только за счет механической энергии, так как теплоемкость воды не только не меньше, но примерно в 1,25 раза больше, чем теплоемкость льда.
Теория теплорода должна была сойти со сцены и уступить свое место современной так называемой молекулярной теории теплоты. Однако некоторые сопоставления между переходом теплоты от нагретого тела к холодному и течением воды от верхнего уровня к нижнему будут нам в дальнейшем полезны для пояснения существа тепловых явлений.
B самом общем случае энергия может существовать не только в виде кинетической, потенциальной и тепловой, но и во многих других формах: химической, электрической, лучистой и т. д. Для такого наиболее общего случая можно сформулировать в наиболее общем виде и закон сохранения и превращения энергии. Энергия может пребывать во всех своих существующих формах: в виде кинетической, потенциальной, тепловой, химической, электрической, лучистой и т. д. При любых превращениях энергия не может быть уничтожена или создана «из ничего» ни полностью, ни частично.
Ну, а что же представляет собой машина, именуемая двигателем? Ведь можно подумать, что двигатель как раз и существует для того, чтобы производить энергию?
Выше уже было сказано, что закон сохранения и превращения энергии является всеобщим и ни при каких обстоятельствах не может быть нарушен. Не может быть нарушен этот основной закон природы и при работе двигателя. С помощью любого двигателя получить энергию «из ничего» не представляется возможным. Более того, двигатель, в котором энергия будто бы получается без всяких затрат, «из ничего» назвали «вечным двигателем», и так как построить такой двигатель невозможно, закон сохранения и превращения энергии иногда формулируют так: осуществление вечного двигателя невозможно.
Существующие двигатели имеют куда более простое, но зато вполне осуществимое назначение. Они предназначены для получения механической энергии, но не без затрат, не «из ничего», а из других видов энергии. Иначе говоря, двигатели имеют своим назначением превращение различных видов энергии в энергию механическую. В частности, тепловым двигателем называется машина, с помощью которой тепловая энергия превращается в энергию механическую. Такие двигатели имеют очень широкое распространение. К их числу относятся, в частности, автомобильные и самолетные двигатели, паровые машины, широко используемые в настоящее время на паровозах, паровые турбины, предназначенные для получения больших количеств механической энергии, газовые турбины, нашедшие широкое применение в авиации.
О том, насколько хорошо работает тепловой двигатель, судят по так называемому коэффициенту полезного действия (к. п. д.). Под к. п. д. двигателя понимается отношение работы (механической энергии), полученной в двигателе, к тому количеству теплоты (тепловой энергии), которое было «израсходовано» для получения работы. Коэффициент полезного действия теплового двигателя всегда меньше единицы. Это значит, что количество полученной механической энергии всегда меньше количества израсходованной тепловой энергии: часть тепловой энергии превратить в механическую не удается и она в конечном итоге передается окружающей среде в виде тепла.
Как было сказано во введении, для жизни современного общества особенно большое значение имеет электричество, электрическая энергия. К сожалению, природа не предоставляет нам возможности черпать электрическую энергию непосредственно из ее запасов. Пожалуй, единственным сколько-нибудь значительным, естественным проявлением электрической энергии является молния.
Молния — большая электрическая искра, проскакивающая между облаками или между облаком и землей — может иметь очень большую длину, достигающую в отдельных случаях десятков километров. Изучение молнии показало, что сила тока в ней может достигать нескольких сотен тысяч ампер. Если вспомнить при этом, что в проводах электрического освещения сила тока составляет всего лишь несколько ампер, то можно подумать, что атмосферное электричество — молния — представляет собой большой запас электрической энергии. Оказывается, однако, что это далеко не так. Вследствие того, что продолжительность молнии очень невелика и составляет всего лишь незначительную долю секунды (0,01—0,001 сек.), энергия молнии незначительна и в большинстве случаев не превышает 10—20 киловаттчасов. Это значит, что при сгорании двух килограммов каменного угля выделяется в виде тепла примерно такое же количество энергии, каким обладает молния. Ясно поэтому, что об использовании молнии для получения сколько-нибудь значительных количеств электрической энергии говорить не приходится.
Чтобы получить электрическую энергию в большем количестве, остается единственный путь: превратить другие виды энергии в энергию электрическую. Именно такое превращение и является задачей электрических станций.
Тепловые электрические станции предназначены для превращения теплоты, выделившейся при сгорании топлива, в механическую энергию, а этой последней в энергию электрическую. Сжигание топлива — вот начало цепочки превращений, в результате которых получают электрическую энергию в нужных количествах.
Какие же топлива используются для этой цели на электрических станциях? Почему при горении топлива образуется много тепла? На эти вопросы ответ дается в следующем разделе.
Надёжные и качественные ИБП 20 от производителя для безперебойного снабжения промышленных объектов.
Как осуществляется производство (генерация) электрической энергии?
Производство (Генерация) электроэнергии — это процесс преобразования различных видов энергии в электрическую на индустриальных объектах, называемых электрическими станциями. В настоящее время существуют следующие виды генерации:
Тепловая электроэнергетика . В данном случае в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия сгорания органических топлив. К тепловой электроэнергетике относятся тепловые электростанции (ТЭС), которые бывают двух основных видов:
Конденсационные ( КЭС , также используется старая аббревиатура ГРЭС). Конденсационной называют не комбинированную выработку электрической энергии;
Теплофикационные (теплоэлектроцентрали, ТЭЦ ). Теплофикацией называется комбинированная выработка электрической и тепловой энергии на одной и той же станции;
КЭС и ТЭЦ имеют схожие технологические процессы. В обоих случаях имеется котёл , в котором сжигается топливо и за счёт выделяемого тепла нагревается пар под давлением. Далее нагретый пар подаётся в паровую турбину , где его тепловая энергия преобразуется в энергию вращения. Вал турбины вращает ротор электрогенератора — таким образом энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, которая подаётся в сеть. Принципиальным отличием ТЭЦ от КЭС является то, что часть нагретого в котле пара уходит на нужды теплоснабжения;
Ядерная энергетика . К ней относятся атомные электростанции (АЭС). На практике ядерную энергетику часто считают подвидом тепловой электроэнергетики, так как, в целом, принцип выработки электроэнергии на АЭС тот же, что и на ТЭС. Только в данном случае тепловая энергия выделяется не при сжигании топлива, а при делении атомных ядер в ядерном реакторе . Дальше схема производства электроэнергии ничем принципиально не отличается от ТЭС: пар нагревается в реакторе, поступает в паровую турбину и т. д. Из-за некоторых конструктивных особенностей АЭС нерентабельно использовать в комбинированной выработке, хотя отдельные эксперименты в этом направлении проводились;
Гидроэнергетика . К ней относятся гидроэлектростанции (ГЭС). В гидроэнергетике в электрическую энергию преобразуется кинетическая энергия течения воды. Для этого при помощи плотин на реках искусственно создаётся перепад уровней водяной поверхности (т. н. верхний и нижний бьеф). Вода под действием силы тяжести переливается из верхнего бьефа в нижний по специальным протокам, в которых расположены водяные турбины, лопасти которых раскручиваются водяным потоком. Турбина же вращает ротор электрогенератора. Особой разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Их нельзя считать генерирующими мощностями в чистом виде, так как они потребляют практически столько же электроэнергии, сколько вырабатывают, однако такие станции очень эффективно справляются с разгрузкой сети в пиковые часы;
Альтернативная энергетика . К ней относятся способы генерации электроэнергии, имеющие ряд достоинств по сравнению с «традиционными», но по разным причинам не получившие достаточного распространения. Основными видами альтернативной энергетики являются:
Ветроэнергетика — использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии;
Гелиоэнергетика — получение электрической энергии из энергии солнечных лучей;
Общими недостатками ветро- и гелиоэнергетики являются относительная маломощность генераторов при их дороговизне. Также в обоих случаях обязательно нужны аккумулирующие мощности на ночное (для гелиоэнергетики) и безветренное (для ветроэнергетики) время;
Геотермальная энергетика — использование естественного тепла Земли для выработки электрической энергии. По сути геотермальные станции представляют собой обычные ТЭС, на которых источником тепла для нагрева пара является не котёл или ядерный реактор, а подземные источники естественного тепла. Недостатком таких станций является географическая ограниченность их применения: геотермальные станции рентабельно строить только в регионах тектонической активности, то есть, там, где естественные источники тепла наиболее доступны;
Водородная энергетика — использование водорода в качестве энергетического топлива имеет большие перспективы: водород имеет очень высокий КПД сгорания, его ресурс практически не ограничен, сжигание водорода абсолютно экологически чисто (продуктом сгорания в атмосфере кислорода является дистиллированная вода). Однако в полной мере удовлетворить потребности человечества водородная энергетика на данный момент не в состоянии из-за дороговизны производства чистого водорода и технических проблем его транспортировки в больших количествах;
Стоит также отметить альтернативные виды гидроэнергетики : приливную и волновую энергетику. В этих случаях используется естественная кинетическая энергия морских приливов и ветровых волн соответственно. Распространению этих видов электроэнергетики мешает необходимость совпадения слишком многих факторов при проектировании электростанции: необходимо не просто морское побережье, но такое побережье, на котором приливы (и волнение моря соответственно) были бы достаточно сильны и постоянны. Например, побережье Чёрного моря не годится для строительства приливных электростанций, так как перепады уровня воды Чёрном море в прилив и отлив минимальны.