- •Содержание
- •Г л а в а 6. Элементы и параметры электрических цепей переменного тока
- •Приложение
- •Введение
- •Электростатическое поле
- •1. Закон кулона
- •2. Напряженность электрического поля
- •3. Диэлектрическая проницаемость
- •Контрольные вопросы
- •Проводники в электрическом поле. Цепи постоянного тока. Токопроводящие материалы.
- •1. Электрический ток
- •2. Напряженность электрического поля, потенциал, напряжение и эдс
- •3. Электрическое сопротивление и проводимость
- •4. Закон ома
- •5. Законы кирхгофа
- •6. Соединение резисторов
- •7. Закон джоуля-ленца. Нагревание проводников.
- •8. Короткое замыкание и перегрузки. Тепловая защита.
- •9. Мощность
- •10. Электрические цепи с несколькими источниками энергии
- •11. Делитель напряжения
- •12. Потери напряжения и мощности в проводах
- •13. Передача электрической энергии по проводам
- •14. Токопроводящие материалы
- •Контрольные вопросы
- •Диэлектрики в электрическом поле. Изоляция электротехнических материалов. Диэлектрические материалы.
- •1. Строение диэлектрика.
- •2. Диэлектрик в электрическом поле. Поляризация диэлектрика
- •3. Электрическая емкость. Конденсаторы.
- •4. Соединение конденсаторов
- •5. Энергия электрического поля конденсатора
- •6. Электрический пробой диэлектрика
- •7. Диэлектрические материалы. Изоляция электротехнических материалов.
- •Контрольные вопросы
- •Магнитное поле. Электромагнетизм и электромагнитная индукция. Магнитные материалы.
- •1. Магнитное поле в неферромагнитной среде. Основные понятия
- •2. Напряженность и индукция магнитного поля
- •3. Магнитный поток.
- •4. Индуктивность.
- •5. Магнитные свойства веществ. Магнитная проницаемость
- •Магнитные свойства ферромагнитных материалов. Намагниченность.
- •7. Циклическое перемагничивание. Гистерезис.
- •8. Ферромагнитные материалы
- •9. Электромагнитные силы
- •10. Электромагнитная индукция
- •11. Вихревые токи
- •12. Эдс самоиндукции и взаимоиндукции
- •Контрольные вопросы
- •Линейные электрические цепи переменного тока
- •Основные определения
- •Сложение синусоидальных величин
- •Среднее значение синусоидальных величин
- •Контрольные вопросы
- •Элементы и параметры электрических цепей переменного тока
- •1. Цепь с активным сопротивлением
- •2. Электрическая цепь с индуктивностью
- •Резонанс напряжений
- •Параллельное соединение r, l, c – элементов
- •Контрольные вопросы
- •Трехфазные электрические цепи
- •Принципы построения трехфазных электрических цепей
- •Соединение звезда. Несимметричная нагрузка. Явление перекоса фаз
- •Нулевой провод
- •Мощность трехфазной системы
- •Контрольные вопросы
- •Нелинейные электрические цепи
- •Характеристики нелинейных электрических цепей и элементов
- •Электрическая цепь с нелинейным индуктивным элементом
- •Трансформаторы
- •Контрольные вопросы
- •Электрические машины переменного тока
- •Вращающееся магнитное поле
- •Устройство асинхронного двигателя
- •Принцип работы асинхронного двигателя
- •Регулирование числа оборотов асинхронного двигателя
- •Однофазные асинхронные двигатели
- •Синхронный генератор. Устройство и принцип работы
- •Синхронный двигатель. Принцип работы
- •Контрольные вопросы
- •Машины постоянного тока
- •Общие сведения
- •Устройство и работа генератора постоянного тока
- •Типы генераторов постоянного тока
- •Генератор с независимым возбуждением
- •Генератор с параллельным возбуждением
- •Генератор с последовательным возбуждением
- •Генератор со смешанным возбуждением
- •Двигатели постоянного тока
- •Контрольные вопросы
- •Переходные процессы в электрических цепях
- •Основные определения
- •2. Зарядка и разрядка конденсатора
- •3. Релаксационные колебания
- •4. Включение и выключение реальной индуктивной катушки при постоянном напряжении источника
- •5. Разрядка конденсатора на индуктивность
- •Контрольные вопросы
- •Современные способы получения электрической энергии. Виды силовых электростанций. Альтернативная электроэнергетика.
- •1. Тепловые электростанции (тэс)
- •Экологические проблемы тэс
- •2. Гидравлические электрические станции (гэс).
- •3. Гидроаккумулирующие электрические станции (гаэс)
- •4. Приливные электрические станции
- •5. Атомные электрические станции (аэс)
- •55Cs140→56Ba140→57La140→58Ge140→стабильное ядро;
- •37Rb94→38Sr94→39y94→40Zr90→ стабильное ядро.
- •Магнитогидродинамическое преобразование энергии (мгд-генераторы).
- •7. Термоэмиссионные генераторы
- •8. Солнечные электростанции
- •9. Электрохимические генераторы
- •10. Термоэлектрические генераторы
- •11. Геотермальные электростанции
- •12. Термоядерная энергетика
- •13. Водородная энергетика
- •14. Понятие о единой энергетической системе.
- •Контрольные вопросы
- •Атомно-молекулярная теория строения вещества
- •Структура и строение атома
- •Линейчатый спектр. Постулаты бора и квантование орбит
- •Корпускулярно - волновой дуализм нанообъектов. Волны де-бройля
- •Туннелирование
- •Классификация наноматериалов
- •8. Трехмерные наноматериалы
- •Размерные эффекты и свойства нанообъектов
- •Химические свойства наноматериалов
- •Тепловые свойства нанообъектов
- •Магнитные свойства нанообъектов
- •Функциональные и конструкционные углеродные наноматериалы.
- •Получение углеродных наноструктур
- •Применение и использование наноматериалов в практической деятельности
- •Контрольные вопросы
- •Приложение
- •Сложение векторов.
- •Метод комплексных чисел
- •Расчет цепей методом узлового напряжения
13. Водородная энергетика
К наиболее серьезным проблемам, стоящим перед человечеством, безусловно, является экологическая проблема. Наряду с локальными экологическими бедствиями такими, как смог в крупных городах, высокий уровень выбросов от автомобилей и на отдельных предприятиях, прорывы нефтепроводов и т.д.
Авария на Саяно-Шушенской ГЭС, когда в результате выхода из строя одной из турбин начался неконтролируемый сброс воды. В результате было разрушено и затоплено здание электростанции и погибли несколько десятков людей.
Авария на Чернобыльской атомной станции, когда в результате сильного повышения температуры в активной зоне реактора произошел тепловой взрыв и реактор был разрушен и в результате возникло сильное загрязнение окружающей среды радиоактивными отходами.
Авария на АЭС в Японии (местечко Фукусима) , когда в результате землетрясения образовалось цунами и из-за подтопления реактора внешними водами произошла авария, которая вывела электростанцию из строя и как следствие возникло сильное загрязнение окружающей среды радиоактивными отходами.
Наряду с локальными экологическими бедствиями возникли общепланетарные явления и экологические проблемы, такие, как парниковый эффект, озоновые дыры, кислотные дожди. Наиболее крупный вклад в загрязнение окружающей среды вносят энергетика и транспорт. Основные выбросы вредных компонентов возникают в результате химических процессов горения топлива в парогенераторах и двигателях внутреннего сгорания (рис.168).
Рис.168 Доли загрязнений атмосферы различными отраслями техники в Росии: 1-теплоэнергетика; 2- черная металлургия; 3-нефтедобыча и нефтепереработка; 4- автотранспорт; 5- цветная металлургия; 6- промышленность стойматериалов; 7- химическая промышленность.
Дефицит ископаемых органических топлив в сочетании с глобальными экологическими проблемами обуславливает интерес к использованию водорода в качестве универсального энергоносителя для стационарных и мобильных энергоустановок. Сейчас сложилось мнение , что благодаря неограниченным ресурсам, высокой энергонасыщенности , технологической гибкости и экологической чистоте процессов преобразования энергии с участием водорода, его следует рассматривать как наиболее перспективный энергоноситель будущего.
Особенности свойств водорода. Водород является наиболее распространенным элементом во Вселенной (93ат.%) и одним из самых распространенных на Земле – 15,5ат.%. Среднее содержание водорода в земной коре 1,4г/кг. Основными источниками водорода являются вода и органические соединения, включая нефть, природный газ и биомассу.
Способность водорода вступать при повышенных температурах в каталитические реакции гидрирования широко используются в химической (синтез аммиака и метанола), нефтехимической (гидрокрекинг) промышленности. Восстановительные свойства водорода используются в порошковой металлургии, металлообработке, машиностроении, микроэлектронике. Например Н2+ МеО→Н2О +Ме , т.е. окисел металла восстанавливается водородом и образуется металл и вода.
Среди известных газов водород имеет самую низкую вязкость и самую высокую теплопроводность.
Водород относится к горючим газам с повышенной пожаро – и взрывоопасностью. Он имеет широкие концентрационные пределы горения и детонации, высокую скорость распространения пламени (в 8 раз выше, чем у метана), а также низкую энергию воспламенения.
Использование водорода. Использование водорода как топлива основано на реакции окисления водорода кислородом, протекающей при нормальных условиях 00С, 0,2МПа с большим тепловыделением (120Мдж/кг).
Преимуществами водородного топлива при сжигании его в двигателях внутреннего сгорания, парогенераторах, реактивных двигателях и т.д. является высокая теплотворная способность, полнота сгорания, высокие температуры пламени и тепловой КПД, который в двигателях внутреннего сгорания на 30-50% выше, чем при работе на бензине, отсутствие вредных выбросов в атмосферу. В настоящее время водород широко используется как ракетное топливо. Разработки автомобилей на водородном топливе, либо смеси водорода с бензином уже сейчас реализованы целым рядом автомобильных компаний на уровне демонстрационных образцов.
Для выработки энергии водород предполагается сжигать в двигателях внутреннего сгорания, турбинах или парогенераторах, либо электрохимически окислять в топливных элементах. Последнему подходу отдается предпочтение вследствие более высокой эффективности, компактности и удобства в работе электрохимических установок.
Основным направлением современных разработок по использованию водорода в энергетике являются электрохимические генераторы энергии – топливные элементы (ТЭ)
Вместе с тем известны способы преобразования энергии, например электрохимический, практически лишенные указанных недостатков. Электрохимический способ преобразования энергии осуществляется в топливных элементах или ячейках.
Топливная ячейка или топливный элемент. В этих преобразователях получаются более высокие КПД, в сравнении с тепловыми генераторами. На рис.169 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента.
Рис. 169 Принципиальная схема ТЭ
Электроды в топливном элементе выполнены пористыми (угольные или никелевые). Через пористые электроды вводятся газообразные водород и кислород. Молекула водорода (Н2) из потока газа подходит к электроду (аноду), адсорбируется на нем и распадается на два атома. Водород, будучи типичным восстановителем, весьма охотно отдает свой электрон, его атомы быстро превращаются в ионы (протоны) и оказываются внутри материала электрода, т.е. происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Оставшиеся на аноде электроны создают на аноде отрицательный потенциал и во внешней цепи перемещаются к катоду (кислородному электроду). Атомы кислорода, из потока газа, адсорбируются на катоде, присоединяют к себе электроны, образуя отрицательные ионы, которые , присоединяя ионы водорода, переходят в раствор в виде ионов гидроксила ОН-. Ионы гидроксила, соединяясь с ионами водорода, образуют воду. Таким образом, при подводе водорода и кислорода происходит реакция окисления газов с одновременным образованием тока во внешней цепи.
В ТЭ происходит окисление водорода (превращение атома в ион и отдача одного электрона) на отрицательном электроде (водородном электроде)
2Н2+ 4ОН--4е → 4Н2О
т.е на электроде образуется избыток электронов
И электровосстановление кислорода на положительном электроде (кислородном электроде)
О2+ 2Н2О + 4е→ 4ОН-.
Гидрооксид ионы (ОН-) двигаются в ионном проводнике (электролите) от катода к аноду, а электроны во внешней цепи – от анода к катоду. Суммируя два верхних уравнения получим уравнение реакции окисления водорода (реакция сжигания водорода)
2Н2+ О2= 2Н2О.
Таким образом, в результате реакции (3) во внешней цепи протекает постоянный ток, т.е. происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую, в то время как в тепловых машинах процесс преобразования химической энергии горения топлива проходит через несколько промежуточных стадий .
Основное отличие ТЭ от гальванических элементов заключается в том, что в ТЭ используются нерасходуемые электроды, поэтому ТЭ могут работать длительное время ( до нескольких лет). Реагенты в ТЭ поступают во время работы, а не закладываются заранее, как в гальванических батареях. В отличие от аккумуляторов ТЭ не требуют подзарядки.
Так как напряжение между электродами топливного элемента невелико (порядка 1,23В), то элементы последовательно соединяют в батареи. КПД таких топливных элементов очень высок. Теоретически он близок к единице, а на практике составляет 80-90%. Батареи ТЭ могут работать, если в них непрерывно подаются реагенты и отводятся продукты реакции и тепло.
В качестве материала в ТЭ со щелочным электролитом (КОН) обычно применяется никель, устойчивый к щелочным растворам. Для ускорения реакции в электроды вводят платину (как катализатор). Энергоустановки на основе ТЭ с щелочным электролитом мощностью 4,5 и 30КВт нашли применение в космических кораблях «Аполлон» и «Шаттл».
Энергоустановки на основе ТЭ имеют многие преимущества по сравнению с традиционными энергоустановками: более высокий КПД (в 1,5-2раза), бесшумны, экономичны и у них отсутствуют вредные отходы, загрязняющие атмосферу, широкий диапазон мощностей. Пока основным тормозом для широкого применения ТЭ является относительно высокая себестоимость (в 2-3раза) по сравнению с традиционными установками. Можно ожидать, что в дальнейшей перспективе энергоустановки на основе ТЭ будут вносить весомый вклад в генерацию энергии и решение экологических задач транспорта и энергетики.