2. Источники электроэнергии

2.1 Электромашинные генераторы. Известны с 1873 года. В первую очередь речь идет о сети переменного тока, напряжение которой формируется в результате работы единой энергетической сети, в которой работают десятки и сотни ГЭС, ГРЭС, АЭС и т.п. На этих электростанциях электроэнергия вырабатывается с помощью электромашинных генераторов, более подробно с которыми будем знакомиться во второй части курса.

2.2 Химические источники электроэнергии. В основе лежит элемент Вольта, построенный в 1800 году. Химические источники широко применяются для питания портативной аппаратуры, на борту, в качестве аварийных и буферных источников. Делятся на гальванические элементы и аккумуляторы. Особое место занимают топливные элементы. Гальванические элементы могут быть использованы только до тех пор, пока не будет исчерпан запас химической энергии, заключенный в активных материалах. В аккумуляторах используются обратимые электрохимические системы, запас химической энергии, в которых создается во время процесса, называемого зарядом. Различают аккумуляторы кислотные и щелочные с ЭДС на банке соответственно 2В и 1,2В. Существует много разновидностей: Mg-Ni, Pb-Zn, Cr-Mg, Ni-Cd, Ag-Zn, и др. Достоинства: постоянная готовность к работе, стабильность напряжения, малое внутреннее сопротивление. Недостатки: большой вес на единицу мощности, явление саморазряда, вредные испарения.

Топливные элементы известны более 100 лет. Их действие основано на электрохимическом окислении вещества – топлива, т.е. аналогично реакции горения, но без выделения дыма и тепла. Если в качестве топлива используется водород, то побочным продуктом работы является вода, что иногда очень важно. Топливные элементы обладают достаточно высоким КПД (60% – 70%). ЭДС одного элемента – 1В. На американском космическом корабле «Аполлон» использовалось 3 батарей с напряжением 27В при максимальной мощности 1420 Вт. Вес каждой батареи – 100 кГ. Вес батарей на корабле «Джеминай» при примерно таких же характеристиках был втрое меньшим. Для питания радиорелейных станций используются элементы мощностью 100 Вт, которые могут работать без обслуживания в течение полугода. Существуют и более мощные топливные элементы (до 200 кВт при КПД 65%).

2.3 Биохимические элементы. Это разновидность топливных, те же процессы. Разница в способе получения топлива и окислителя: с помощью бактерий из различных углеводородов – растительных и животных отбросов. Не являясь промышленными, считаются перспективными. Американские ученые проделали следующий опыт: в брюшную полость крысы вживили два электрода. Выработанная электроэнергия позволила запитать генератор, работающий на частоте 500 кГц (мощность 155 мкВт) в течение 8 часов ежедневно в течение полугода.

2.4 Термоэлектрические генераторы. Это батарея термопар, одни спаи которых нагреваются, другие – охлаждаются. Простота эксплуатации, высокая надежность, небольшая стоимость. Первый термоэлектрический генератор был построен в СССР в 1953 г. В качестве источника тепла использовалась керосиновая лампа. КПД реально не превышал 5 – 7 %. В настоящее время в качестве источника тепла используется солнечная или ядерная энергия. Используются для питания радиорелейных и радиометеорологических станций, а также в космосе.

2.5 Термоэлектронные генераторы. В основе работы лежит термоэлектронная эмиссия нагретого тела – эмиттера. Эммитируемые электроны попадают на холодный электрод – коллектор. Возвращаясь на эмиттер по внешней цепи, они создают в ней электрический ток. КПД около 10%. Особый интерес в сочетании с атомными реакторами.

2.6 Магнито-гидро-динамические (МГД) генераторы. Электрический ток возникает за счет энергии движущейся плазмы, нагретой до высокой температуры, которая при своем движении пересекает магнитные силовые линии (проводник в магнитном поле). В 1971 г был построен МГД генератор мощностью 1000 кВт.

2.7 Солнечные батареи. Несмотря на то, что солнечная энергия очень сильно поглощается в атмосфере, ее достаточно, чтобы с площади 25 кв. м. в течение суток получить э нергии при КПД порядка 10%. Этого достаточно для удовлетворения потребности в энергии средней семьи на отопление, приготовление пищи, питание бытовых радио- и электроприборов. В основе фотоэлектрического преобразователя лежит использование вентильного фотоэлемента: монокристалл Si – n, покрытый тонким слоем (1 – 2 мкм) Si – p. Это один из основных источников питания космической аппаратуры. Солнечная энергия может использоваться и с промежуточным преобразованием, например гелиоэлектростанция.

2.8 Атомные батареи. Осуществляют непосредственное преобразование энергии радиоактивного излучения изотопов в электрическую. Срок службы – период полураспада, КПД порядка 10%. Используется в качестве эталонного источника. Кроме того, ядерная энергия может быть преобразована в электрическую с использованием промежуточного преобразования (АЭС).