Способ получения электроэнергии от проезжающих транспортных средств

Электроэнергия автомобильных пробок

Недавно власти штата Калифорния (США) одобрили пилотный проект, который позволит обеспечить всех калифорнийцев дешевой электроэнергией. Ее будут генерировать… автомобильные дороги. Точнее говоря, едущие по ним автомобили. А максимальную выработку безопасной для окружающей среды энергии обеспечат автомобильные пробки.

Как говорят эксперты, движение транспортных средств можно использовать для того, чтобы запустить генераторы, производящие электричество путем использования вибрации от едущих автомобилей. По расчетам инженеров, десятикилометровый участок шоссе, с встроенными под покрытие специальными пьезоэлектрическими генераторами, способен производить до 44 MW возобновляемой электроэнергии, чего вполне хватит для питания 31 тысячи домов.

Интересно, что максимальная выработка энергии совпадает с часом пик, когда образуются пробки. Однако, по мнению разработчиков, именно они и способствуют тому, что генераторы начинают работать на полную мощность. Выходит, что какая-то польза от этого явления все-таки есть.

Надобно заметить, что идея дорожного покрытия, вырабатывающего электричество, достаточно старая. Суть ее состоит в том, что под асфальт на автобан или под рельсы на железной дороге на определенном расстоянии друг от друга устанавливаются генераторы, способные превращать энергию давления проезжающего транспорта в электроэнергию. Эти генераторы работают по пьезопринципу. Напомню, что под этим подразумевается способность устройства создавать электрическую поляризацию под действием механических напряжений и деформаций (растяжения, скручивания или сдавливания).

Простейший пьезогенератор работает так — под воздействием внешнего фактора находящийся внутри него ротор начинает вращаться, задевая пьезоэлемент. Он сделан из такого материала, который начинает деформироваться при подобном воздействии, то есть его кристаллическая решетка изменяется, высвобождая часть носителей электрического заряда — электронов или ионов. В результате на электродах, встроенных в пьезоэлемент, возникают электрические заряды противоположного знака, которые составляют разности потенциалов. А она, как известно, порождает электрический ток.

В случае «дорожного» генератора тем самым внешним воздействием оказывается сила, с которой автомобиль давит на покрытие шоссе. По расчетам исследователей, наиболее эффективным является давление, создаваемое машиной, едущей со скоростью пять-десять километров в час. А ведь именно такая скорость присуща автомобилям, ползущим по пробкам. Тем не менее, разработчики уверяют, что и на свободной дороге генераторы смогут вырабатывать достаточное количество электроэнергии.

Первый эксперимент по подобному использованию автодороги был недавно осуществлен в Окленде (Новая Зеландия). Однако он окончился неудачей — поскольку принцип работы этой «электродороги» был механическим, без использования «умных» пьезоэлектрических элементов. Проезжая по этой дороге, автомобили просто давили на установленные под асфальтом плиты, которые, в свою очередь, оказывали давление на подземную систему водоснабжения. В результате этого вода поступала на турбины подземной гидроэлектростанции.

Недостатком этой системы являлось то, что она отнимала у проезжающих автомобилей кинетическую энергию (то есть, как бы тормозила их продвижение), а это, в свою очередь, вело к увеличению расхода бензина каждой конкретной машиной. Получается, что для выработки альтернативной энергии было затрачено много традиционного топлива.

Американские разработчики учли этот недостаток и решили, что его можно ликвидировать, поставив под покрытие пьезоэлектрические генераторы. Причем в качестве основного элемента в них предполагается использовать нановолокна из полимера поливинилиденфторида. В экспериментах было показано, что в устройствах с подобной «начинкой» эффективность преобразования энергии доходила до 21,8 процента! Для пьезогенераторов это очень высокий показатель — обычно такая эффективность не дотягивает и до десяти процентов.

Пока американцы планируют заставить свои автобаны производить энергию, израильские инженеры уже устанавливают на опытном участке близ станции Лод рельсы с вмонтированными в них пьезогенераторами. По утверждению разработчиков, прохождение по этому участку в час 10-20 поездов, с десятью вагонами каждый, позволит полностью обеспечить электричеством 150 жилых домов. Причем, по их расчетам, эффективность работы данных генераторов можно повысить, производя энергию в непосредственной близости от конечного потребителя, что позволяет достичь дополнительной экономии. Так что если строения, снабжаемые энергией непосредственно от железной дороги, находятся рядом с ней — ее может хватить более чем на 200 многоквартирных домов!

Некоторые проекты нового направления альтернативной пьезоэлектроэнергетики направлены на использование давления, создаваемого не только автотранспортом, но и ногами пешеходов. В японском метрополитене, например, уже несколько лет функционирует станция с пьезоэлектрическим полом, использующим давление ног пассажиров для выработки электроэнергии, достаточной для питания нескольких турникетов. По такому же принципу действует танцпол в одной из английских дискотек. Танцующие генерируют ток для нескольких дискотечных фонарей, наблюдая процесс генерации, так сказать, собственными глазами.

Итак, похоже, ученые не только нашли способ вырабатывать дешевую безопасную электроэнергию, но и наконец-то ответили на вопрос, что же делать с автомобильными пробками. Ничего не надо с ними делать. Пускай послужат людям, снабжая их необходимой электроэнергией. Может быть, после этого водители станут относиться к ним куда более спокойно?

Читайте самое интересное в рубрике «Наука и техника«

Генерация электричества из движущихся машин!

Машины всегда были потребителями энергии. Но то, что они могут также быть источником энергии мало кому приходило в голову. Да-да, часто машину используют для того, чтобы громко играть музыку, или что-то вроде того, но дело не в этом. Дело в промышленном или около промышленном производстве — например, чтобы запитать уличное освещение. Но это теоретически возможно, ведь энергия, потребляемая автомобилем, конвертируется в другие виды энергии, большая часть которых просто теряется (например, греем улицу).

Пока, у нас нет надлежащего механизма получения этой энергии, поэтому и идея кажется фантастичной. Однако, исследователи разработали несколько методов, которые могут помочь Вам превратить автомобиль в источник энергии. Подобные технологии могут использоваться как база для развития самодостаточных машин в ближайшем будущем. Кроме того, получаемое электричество можно использовать для уличного освещения, светофоров и т.д.

Необходимость перемен

Обычные виды топлива имеют два недостатка. Первый, при сжигании выделяется много парниковых газов, тем самым мы способствуем глобальному потеплению. Второй, цены на топливо, несмотря на все усилия наших политиков, продолжают существенно повышаться. Эта вторая причина наносит ощутимый урон бюджету домохозяйств. Поэтому, переход на возобновляемые источники энергии просто необходим.

И что же Вы предлагаете?

Система MotionPower

Что в ней интересного?

Технология разработана компанией New Energy Technologies Inc. Система MotionPower может использовать кинетическую энергию транспортного средства, производимую во время движения, и превращать ее в электричество, которое можно использовать. Компания стремится устанавливать компоненты системы в местах большого скопления дорожного трафика. Систему можно настраивать в зависимости от условий среды установки для получения максимального КПД. Согласно заявлениям компании, система может быть легко произведена, установлена и нечувствительна к повреждениям, производимым транспортными средствами, погодой и дорожным мусором.

А полезного что?

Считается, что установка подобной системы позволит заменить устаревшие электрические сети питания дорожных знаков, светофоров, уличного освещения и т.д. экологически чистым источником энергии (с оговоркой на то, что транспортные средства для этого тоже должны быть экологически чистыми, например, электромобили). «Лишнее» электричество может быть отдано домохозяйствам.

Общая стоимость установки такой системы пока остается неизвестной (что в наших широтах принято считать заградительной, или ооооочень большой). Кроме того, реализация может занять несколько лет, так как инженеры до сих пор работают над новыми версиями с повышенным КПД.

Дорожный генератор

Что в ней интересного?

Базирующаяся в Израиле компания Innowattech придумала технологию получения электроэнергии из движущихся по дорогам автомобилей и поездов с помощью пьезоэлектрических генераторов. Такие генераторы превращают энергию механических напряжений от перемещений транспортных средств по пьезоэлементам в электрическую. Всего было разработано три типа генераторов (Innowattech Piezo Electric Generator — IPEG). Один для железных дорог, другой для автодорог и третий — для беговых дорожек (!). Все они производят электроэнергию благодаря движению машин и людей.

А полезного что?

Такая технология позволит захватить энергию движения людей и машин, которая в противном случае была бы потеряна. Такая энергия позволила бы запитать различную электроаппаратуру, которая используется в машинах, поездах и на дорогах. Кроме того, это позволит снизить стоимость и воздействие на окружающую среду связанные с путешествиями.

КПД системы пока достаточно низкий. Кроме того, требуется много ресурсов для установки компонентов IPEG при больших масштабах. Оба этих недостатка могут быть причиной отказа в использовании этой технологии.

Система регенеративной подвески

Что в ней интересного?

Такая система может превращать в электроэнергию неровности дороги, что может быть ооочень актуально в российских условиях :). Технология была разработана студентами Государственного Университета Нью-Йорка. Берем обычный аммортизатор. На малую его часть навешиваем магнитные пластины, на большую — катушку из меди. Движение магнитов внутри катушки еще со времен Фарадея производит электрический ток, а движения создают вибрации машины на ямах (а их у нас — сколько хочешь).

А полезного что?

Преобразует ямы в электричество, как это ни парадоксально. А если серьезно, такая технология помогла бы дополнительно подзаряжать аккумуляторную батарею во время движения.

Опять же — пока достаточно низкий КПД. Сейчас, прототип в масштабе 1:2 (в два раза меньше) производит всего от 2 до 8 Вт в обычных условиях (обычных для Нью-Йорка, там дороги лучше) на скорости 70 км/ч. Однако, по заверениям создателей они планируют получать 256 Вт мощности на полноразмерном прототипе. Чтож, пожелаем им в этом удачи.

Потребители электроэнергии. Сведения об электронных системах

Электрооборудование предназначено для обеспечения функционирования большинства систем транспортного средства.

Потребителями электроэнергии в транспортном средстве являются системы:

• пуска двигателя (стартер)
• освещения (наружного — фары, внутреннего — плафоны)
• световой сигнализации (указатели поворота, стоп-сигнал)
• звуковой сигнализации, связи (у гусеничных машин)
• подогрева и электронные системы

Кроме того, электроэнергию потребляют контрольные приборы (амперметры, указатели температуры охлаждающей жидкости и др.), приводы управления механизмами и дополнительное оборудование (вентиляторы, стеклоочистители и т.д.).

Основным источником электроэнергии является генератор с приводом от двигателя ТС, а вспомогательном — аккумуляторная батарея. Источники энергии обеспечивают также зажигание рабочей смеси в цилиндрах карбюраторных и газовых двигателей, т.е. работу систем зажигания этих двигателей.

Источники электроэнергии связаны с потребителями проводами. На ТС (колесных и гусеничных) применяется однопров9дная система проводки, в которой положительные полюсы источников и потребителей, работающих только на постоянном токе, соединены друг с другом изолированными проводами. Отрицательные полюсы соединяются через металлические части ТС (корпус машины, рама и др.). Использование однопроводной системы обеспечивает экономию проводов и упрощает схему соединения электрооборудования. Приборы аварийного освещения некоторых ТС подключают к источникам электроэнергии с применением двухпроводной системы.

К электрооборудованию относятся также выключатели, отключатели «массы» (отсоединяющие отрицательный полюс источника электроэнергии от корпуса ТС), предохранители, приборы, обеспечивающие работу генератора и стартера. Выключатели, предохранители и соединительные панели, имеющиеся в электросхеме, составляют группу коммутационной аппаратуры. Приборы, кратковременно потребляющие ток большой силы, и приборы, работающие в аварийных случаях (например, стартер, сигнал, подкапотная лампа для подсветки и др.), подключены к линии «амперметр—аккумулятор», а остальные потребители электроэнергии — к линии «амперметр—генератор». Контрольные приборы, звуковой сигнал и подсветка включены в цепь через плавкие предохранители, защищающие их от перегрузки.

Рис. Схема автоматизации управления трансмиссией полноприводного автомобиля

Схема электрооборудования гусеничной машины мало отличается от электросхемы автомобиля. Потребителями электроэнергии в гусеничных машинах являются, например, электродвигатели насосов, вентиляторов и других вспомогательных механизмов, а основными контрольно-измерительными приборами, обеспечивающими контроль за состоянием и работой всех систем, служат вольтамперметр, тахометр, спидометр, счетчик моточасов, манометры, термометры и др.

Вольтамперметр (комбинированный прибор) служит для измерения напряжения и силы тока, тахометр — для измерения частоты вращения коленчатого вала двигателя, а спидометр — для контроля скорости движения машины. Счетчик моточасов предназначен для измерения общей продолжительности работы двигателя.

Устройство и работу электрооборудования и приборов подробно изучают в специальных курсах по теории и эксплуатации ТС; схемы электрооборудования приводятся в техническом описании и инструкции по эксплуатации конкретной машины.

В настоящее время автотранспортная техника создается с применением электронных систем, заменяющих традиционные узлы электрооборудования: регуляторы напряжения, приборы подогрева ДВС, управления световой и звуковой сигнализацией, тахометры, спидометры и др. Электроника служит для контроля эксплуатационных параметров машин (расход топлива, режим работы ДВС, включения коробок передач и т.д.) и диагностики их технического состояния. Электронные устройства широко используются также для управления агрегатами трансмиссии, тормозными системами и т.д. Командная электромагнитная или электромеханическая аппаратура в электронных системах управляет исполнительными механизмами с гидро- или пневмоприводом. Широко внедряются различные микропроцессорные системы (ЭВМ), например, для автоматического управления переключением передач.

На рисунке представлена схема автоматизации управления трансмиссией автомобиля с межосевым фрикционным дифференциалом, задним активным дифференциалом и антиблокировочной системой (АБС). Эти устройства имеют общую гидравлическую систему и управляются одним компьютером, который в процессе движения автомобиля вычисляет оптимальный коэффициент блокировки и необходимую интенсивность перераспределения вращающего момента между колесами.

Источники электричества

Источниками электрического тока в автомобиле являются аккумуляторная батарея (попростому — аккумулятор) и генератор.

Аккумуляторная батарея (рис. 3.1) обеспечивает снабжение электрическим током его потребителей при неработающем двигателе, а также при его работе на небольших оборотах.

Для ее размещения в моторном отсеке предназначена специальная металлическая полка, на которой она стационарно устанавливается.

Аккумуляторная батарея

Рис. 3.1. Аккумуляторная батарея:
1 — положительная пластина; 2 — сепаратор; 3 — отрицательная пластина; 4 — корпус батареи; 5 — крышка секции батареи; 6 — пробка наливного отверстия; 7 — положительная выводная клемма; 8 — соединительный мостик; 9 — межэлементная перегородка; 10 — опорные пластины

Как и любая батарея, аккумулятор имеет «плюс» и «минус» на соответствующих полюсах. Минусовой полюс соединен с кузовом автомобиля и обеспечивает, как говорят водители, «выход на массу». Плюсовой полюс соединен с элек- трической цепью автомобиля, по которой ток передается потребителям с помощью системы проводов.

Аккумуляторная батарея состоит из шести отдельных аккумуляторов, которые находятся в одном корпусе и последовательно соединены между собой в единую электрическую сеть. В каждом аккумуляторе протекают электрохимические процессы, в результате которых получается ток напряжением 2 В.

В общей сложности на полюсах аккумуляторной батареи образуется постоянный ток напряжением 12 В.

Аккумуляторная батарея имеет маркировку установленного образца. Например, маркировку 6СТ-60А нужно понимать следующим образом:

• 6 — количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее (для всех легковых автомобилей эта цифра неизменна);
• СТ — тип аккумуляторной батареи (в данном случае — стартерная, позволяющая запускать двигатель с помощью мощного потребителя электроэнергии (стартера));
• 60 — емкость аккумуляторной батареи, которая измеряется в ампер-часах (в рассматриваемом примере — 60 А⋅ч);
• А — обозначение материала, из которого изготовлен корпус аккумуляторной батареи (в рассматриваемом примере — полипропилен).

Чем больше мощности требуется для запуска двигателя, тем большей емкостью должна обладать аккумуляторная батарея. Для стандартных «Жигулей» использовались батареи емкостью 55 А⋅ч. А вот для запуска дизельных двигателей такого аккумулятора может не хватить — им необходимо хотя бы 60-65 А⋅ч.

ПРИМЕЧАНИЕ
Средний срок службы новой аккумуляторной батареи при стандартных условиях эксплуатации — 2-3 года. Обычный гарантийный срок производителя — 12 месяцев.

Генератор — это источник электрического тока, обеспечивающий им всех потребителей при работе двигателя на высоких и средних оборотах (рис. 3.2). Кроме того, функцией генератора является подзарядка аккумуляторной батареи (при работающем двигателе). Без генератора аккумулятор очень быстро разрядится.

В электрическую цепь автомобиля генератор подключается параллельно аккумуляторной батарее (рис. 3.3). Следовательно, снабжать потребителей электрическим током и заряжать аккумулятор он будет только тогда, когда вырабатываемое им напряжение будет больше напряжения, выдаваемого аккумулятором.

Это происходит тогда, когда мотор автомобиля работает на оборотах выше холостых: напряжение электрического тока, который производится генератором, напрямую зависит от скорости вращения ротора генератора, имеющего привод от двигателя.

Генератор
Рис. 3.2. Генератор

Принципиальная электрическая схема генератора
Рис. 3.3. Принципиальная электрическая схема генератора:

1 — диоды выпрямительных блоков; 2 — обмотки статоров; 3 — обмотка возбуждения ротора; 4 — вывод клеммы; 5 — конденсатор; 6 — интегральный регулятор; 7 — вывод к клемме «Ш»

Иногда напряжение вырабатываемого генератором электрического тока может быть больше чем необходимо. Для предотвращения такой ситуации в автомобиле используется специальный прибор — регулятор напряжения. Он функционирует в паре с генератором, ограничивая напряжение производимого им тока в районе 13,6-14,2 В. Регулятор напряжения может быть вмонтирован в генератор или располагаться в моторном отсеке отдельно. На панели приборов любого автомобиля обязательно имеется красная лампочка заряда аккумуляторной батареи. Она всегда загорается при включении зажигания и гаснет после запуска двигателя.

Если же при работающем двигателе лампочка не погасла, это свидетельствует о проблемах в системе электропитания.

Способ получения электроэнергии от проезжающих транспортных средств

Электричество — это один из видов энергии, широко применяемых на современных автомобилях и комбайнах. Электрическая энергия на современных автомобилях применяется для пуска двигателя (стартером), зажигания горючей смеси (карбюраторных двигателей), звуковой и световой сигнализации, освещения пути движения и кабины, питания контрольно-измерительных приборов и вспомогательного оборудования.

Приборы, вырабатывающие электрическую энергию, называются источниками электрического тока, а потребляющие ее, — потребителями.

Источники тока — генератор и аккумуляторная батарея.

Потребители тока — стартер, приборы сигнализации и освещения, контрольно-измерительные приборы.

Источники электрического тока преобразуют механическую и химическую энергию в электрическую. Потребители служат для превращения энергии электрического тока в другой вид энергии (механическую, световую, звуковую, тепловую).

Приборы электрооборудования соединены по однопроводной системе, при которой вторым проводом служат металлические части машин — их «масса». С «массой» машины соединен отрицательный полюс источников питания, а с системой проводки — положительный. Напряжение в системе электрооборудования 12 В.

Электрический ток.

Каждый атом представляет собой миниатюрную солнечную систему со своим солнцем — ядром, включающим протоны (положительно заряженные частицы) и нейтроны, а планетами этой системы являются электроны. Орбиты электронов расположены в разных плоскостях и занимают строго определенные места, носящие название оболочек (в виде концентрических сфер). Внешнюю оболочку часто называют валентной, имея в виду, что количество электронов на ней определяет валентность атома (вещества). Валентным числом называют количество недостающих до стабильного состояния электронов или же, наоборот, количество электронов, которое атом способен отдать другому атому, чтобы стать стабильным. Стабильным является атом, на внешней оболочке которого имеются восемь электронов. На внешней оболочке атомов большинства металлов находятся один, два или три электрона. Эти электроны легко отрываются от атома и, став свободными, образуют поток электронов. Направленное движение электронов по проводнику называют электрический током.

Движение электронов в одном направлении называется постоянным током. Ток возникает в замкнутом проводнике под действием электродвижущей силы (ЭДС). Обязательное условие получения электрического тока — наличие источника тока и замкнутой электрической цепи. Электрическую цепь обычно образуют источники тока, потребители и соединяющие их провода.

Материалы, создающие незначительное сопротивление прохождению по ним электрического тока, называют проводниками. Хорошо проводят электрический ток металлы, уголь, водные растворы щелочей и кислот. В качестве проводников, соединяющих приборы электрооборудования, используют медную или алюминиевую проволоки.

Материалы, которые практически не проводят электрический ток при нормальных условиях, называют непроводниками или изоляторами. К ним относят эбонит, резину, пластмассы, ткани и др. Такие изоляторы используют в качестве оболочки для токонесущих проводов и основания приборов электрооборудования.

Приборы электрооборудования на тракторах, автомобилях и комбайнах питаются постоянным током. В каждом источнике постоянного тока различают два полюса: положительный (+) и отрицательный (-). Условно считают, что во внешней цепи постоянный ток движется от положительного полюса к отрицательному.

Потребители и источники могут быть соединены между собой последовательно и параллельно. При последовательном соединении источников тока положительный полюс одного источника соединяют с отрицательным полюсом другого. При этом общее напряжение равно сумме напряжений всех источников тока.

Рис. 1. Способы электрических соединений:
а –последовательное соединение источников тока, б – параллельное соединение источников тока,
в – последовательное соединение потребителей тока, г – параллельное соединение потребителей тока.

Например, при напряжении одного свинцового аккумулятора 2 В для получения напряжения 12 В нужно соединить последовательно шесть аккумуляторов (рис. 1, а).

При параллельном соединении источников тока соединяют между собой одноименные полюса (рис. 1, б). В данном примере при таком соединении общее напряжение источников тока будет таким же, как у одного источника тока, а емкость увеличится в шесть раз.

При последовательном соединении потребителей ток проходит через каждый потребитель, а при параллельном — поступает к каждому потребителю отдельно (рис. 1, в, г). Количество электричества, которое проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, называется силой тока. Сила тока измеряется амперами (А). Работа электрического тока, выполненная за единицу времени, называется мощностью. Мощность измеряется ваттами (Вт).

Электромагнитная индукция.

Из физики известно, что если пропустить электрический ток по проводнику, то вокруг него создается магнитное поле. Если токонесущий проводник свернуть в спираль и в него поместить сердечник из малоуглеродистой стали, обладающий хорошей магнитной проводимостью, то образуется электромагнит, имеющий все свойства природного магнита. Магнитное поле электромагнита можно усилить, увеличивая число витков спирали или силу тока Электромагниты широко применяют в приборах электрооборудования (стартеры, генераторы, звуковые сигналы, контрольно-измерительные и другие приборы).

Если токонесущий проводник поместить в магнитное поле магнита (или электромагнита), то в результате взаимодействия магнитных полей проводника и магнита проводник будет выталкиваться. В указанном случае электрическая энергия превращается в механическую. На этом явлении основана работа электродвигателей (рис. 2, а).

Рис. 2. Схема простейших электромашин:
а — электродвигателя, б — генератора;
1 — щетка, 2 — токосъемник, 3 — проводник, 4 — полюсы магнита, 5 — аккумуляторная батарея,
6 — приводной шкив.

Если замкнутым проводником пересекать магнитные силовые линии магнита, то в проводнике возникает электрический ток. Это явление электромагнитной индукции используют для превращения механической энергии в электрическую, например в генераторах (рис. 2, б). Когда проводники генератора в которых индуктируется ток, образуют одну обмотку, то вырабатывается однофазный ток. Если проводники образуют три одинаковые обмотки, расположенные под углом 120°, то будет индуктироваться трехфазный ток.

Полупроводниковые приборы.

Материалы, занимающие по проводимости промежуточное положение между проводниками и изоляторами, называют полупроводниками. Их удельное сопротивление изменяется в зависимости от температуры (в обратной пропорциональности) и наличия посторонних примесей. К полупроводникам относятся некоторые металлы, их сплавы и окислы.

Наибольшее распространение для изготовления полупроводниковых приборов получили германий и кремний. Удельное сопротивление германия, например, в 30 млн. раз больше, чем у меди, и в миллион миллионов раз меньше, чем у фарфора Германий — это хрупкий серибристо-серый металл. Из предмета химии известно, что германий четырехвалентный элемент, т. е на внешней оболочке его атома имеется четыре электрона. В абсолютно чистом германии при очень низких температурах все электроны участвуют в парноэлектрических связях с электронами соседних атомов, образуя, как все твердые тела кристаллическую решетку. В таких условиях германий является изолятором (диэлектриком). Аналогичное строение имеет кристалл кремния.

В полупроводниках обычно присутствуют примеси. Полупроводники, содержащие трехвалентные примеси, такие, как алюминий или индий, называют акцепторами или типа р (от слова positive — положительный), так как они принимают на себя электроны.

Под действием тепловой или световой энергии кинетическая энергия электронов увеличивается и многие из них разрывают свои связи с атомами и становятся свободными. При наличии электрического поля свободные электроны получают направленное движение и в полупроводнике появляется электрический ток.

Рис. 3. Полупроводниковые приборы:
а — диод, б — триод;
1 — схема устройства, 2 – условное изображение;
р u n- области полупроводника,
Б — база, Э — эмиттер, К – коллектор

Полупроводники обладают свойством образовывать на граничной поверхности между полупроводником и металлом запирающий слой, пропускающий ток только в одном направлении. Такой двухэлектродный прибор называют полупроводниковым диодом (рис. 3, а). Запирающий слой образуется между р- и n- областями полупроводника, где происходит основной рабочий процесс (так называемый р-n-переход). Область р образуется в результате диффузии металла в полупроводник.

Устройство диода простое. Обычно в пластинку германия вплавляют каплю индия, а в пластинку кремния — каплю алюминия Прямым направлением тока будет направление, например, от алюминиевого электрода к пластинке полупроводника из кремния. Диоды применяют в качестве выпрямителей переменного тока.

Для стабилизации напряжения, т. е. поддержания его в определенных пределах, применяют стабилитроны, или пробойные диоды. Их рабочий режим осуществляется при пробое перехода обратным током.

Полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами (рис. 3, б), называемый триодом, или транзистором, состоит из полупроводниковой пластинки — базы и двух направленных капель (или слоев), образующих две зоны проводимости.

Пластина полупроводника в триоде называется базой (Б) или основанием. Слой (капля), к которому подводится напряжение, называется эмиттером (Э), а другой, с которого снимается напряжение, называется коллектором (К). Проводимостью транзистора управляют током, подводимым к базе, которая выполняется очень тонкой толщиной 10- 12 мкм.

В транзисторе различают базовый ток, идущий с эмиттера на базу, и коллекторный, идущий с эмиттера на коллектор. Базовый ток называют током управления, а коллекторный — основным током. Если базового тока нет, сопротивление триода достигает наибольшего значения (нескольких тысяч ОМ), и основной ток через триод в этом случае не проходит, т. е. транзистор заперт. Если ток пропущен через переход эмиттер — база, то потечет «ток базы». При этом электроны, проникнувшие в область базы из эмиттера, проскочат к переходу база — коллектор вследствие диффузии (так как толщина слоя базы меньше, чем диффузионная длина пробега электронов), где под влиянием электрического поля они будут втянуты в коллектор. Этот ток образует «ток коллектора». Транзистор в этом состоянии называется «открытым». Причем небольшой «ток базы» вызывает значительный «ток коллектора». Вследствие этого транзистор обладает усилительными свойствами.

Рис. 4. Схема работы транзистора
а — транзистор открыт, б — транзистор закрыт;
Т – транзистор, Б- база, К – коллектор, Г – гальванометр, Э – эмиттер,
R1 – переменный резистор, R2 – постоянный резистор.

Транзисторы применяют для усиления и прерывания тока, в цепи.

Рассмотрим простую схему работы транзистора прямой проводимости структурного типа р-п-р. Если движок переменного резистора R1 находится в верхнем (рис. 4, а) положении, то потенциал базы транзистора равен потенциалу коллектора В этом случае транзистор открыт и через него проходит максимально возможный ток.

Ток проходит по цепи, обозначенной на схеме голубым цветом: положительный зажим источника тока, Э-К-переход транзистора, гальванометр, резистор R2, отрицательный зажим источника тока.

Если движок переменного резистора находится в нижнем положении (рис. 4, б), то потенциал базы транзистора равен потенциалу эмиттера При этом транзистор закрыт и через него может проходить минимальный ток. Перемещая движок переменного резистора R1 от среднего положения, управляем значением тока (вверх — увеличиваем, вниз — уменьшаем).

Передача электроэнергии — распространенные способы и альтернативные варианты

Электричество не относится к накопительным ресурсам. На сегодняшний день нет эффективных технологий, позволяющих аккумулировать энергию, выработанную генераторами, поэтому передача электроэнергии потребителям относится к актуальным задачам. В стоимость ресурса входят затраты на его производство, потери при транспортировке и расходы на монтаж и обслуживание ЛЭП. При этом от схемы передачи напрямую зависит эффективность системы электроснабжения.

Высокое напряжение, как способ уменьшения потерь

Несмотря на то, что во внутренних сетях большинства потребителей, как правило, 220/380 В, электроэнергия передается к ним по высоковольтным магистралям и понижается на трансформаторных подстанциях. Для такой схемы работы есть весомые основания, дело в том, что наибольшая доля потерь приходится на нагрев проводов.

Мощность потерь описывает следующая формула: Q = I 2 * R_л ,

где I – сила тока, проходящего через магистраль, R_Л – ее сопротивление.

Исходя из приведенной формулы можно заключить, что снизить затраты можно путем уменьшения сопротивления в ЛЭП или понизив силу тока. В первом случае потребуется увеличивать сечения провода, это недопустимо, поскольку приведет к существенному удорожанию электропередающих магистралей. Выбрав второй вариант, понадобится увеличить напряжение, то есть, внедрение высоковольтных ЛЭП приводит к снижению потерь мощности.

Классификация линий электропередач

В энергетике принято разделять ЛЭП на виды в зависимости от следующих показателей:

1. Конструктивные особенности линий, осуществляющих передачу электроэнергии. В зависимости от исполнения они могут быть двух видов:

• Воздушными. Передача электричества осуществляется с использованием проводов, которые подвешиваются на опоры. Воздушные линии электропередач
• Кабельными. Такой способ монтажа подразумевает укладку кабельных линий непосредственно в грунт или в специально предназначенные для этой цели инженерные системы. Обустройство блочной кабельной канализации

1. Вольтаж. В зависимости от величины напряжения ЛЭП принято классифицировать на следующие виды:

• Низковольтные, к таковым относятся все ВЛ с напряжением не более 1-го кВ.
• Средние – от 1-го до 35-ти кВ.
• Высоковольтные – 110,0-220,0 кВ.
• Сверхвысоковольтные – 330,0-750,0 кВ.
• Ультравысоковольтные — более 750-ти кВ. Ультравысоковольтная ЛЭП Экибастуз-Кокчетав 1150 кВ

1. Разделение по типу тока при передаче электричества, он может быть переменным и постоянным. Первый вариант более распространен, поскольку электростанции, как правило, оборудованы генераторами переменного тока. Но для уменьшения нагрузочных потерь энергии, особенно на большой дальности передачи, более эффективен второй вариант. Как организованы схемы передачи электричества в обоих случаях, а также преимущества каждого из них, будет рассказано ниже.
2. Классификация в зависимости от назначения. Для этой цели приняты следующие категории:

• Линии от 500,0 кВ для сверхдальних расстояний. Такие ВЛ связывают между собой отдельные энергетические системы.
• ЛЭП магистрального назначения (220,0-330,0 кВ). При помощи таких линий осуществляется передача электричества, вырабатываемого на мощных ГЭС, тепловых и атомных электростанциях, а также их объединения в единую энергосистему.
• ЛЭП 35-150 кВ относятся к распределительным. Они служат для снабжения электроэнергией крупных промышленных площадок, подключения районных распределительных пунктов и т.д.
• ЛЭП с напряжением до 20,0 кВ, служат для подключения групп потребителей к электрической сети.

Способы передачи электроэнергии

Осуществить передачу электроэнергии можно двумя способами:

• Методом прямой передачи.
• Преобразуя электричество в другой вид энергии.

В первом случае электроэнергия передается по проводникам, в качестве которых выступает провод или токопроводящая среда. В воздушных и кабельных ЛЭП применяется именно этот метод передачи. Преобразование электричества в другой вид энергии открывает перспективы беспроводного снабжения потребителей. Это позволит отказаться от линий электропередач и, соответственно, от расходов, связанных с их монтажом и обслуживанием. Ниже представлены перспективные беспроводные технологии, над совершенствованием которых ведутся работы.

Технологии беспроводной передачи электричества

К сожалению, на текущий момент возможности транспортировки электричества беспроводным способом сильно ограничены, поэтому об эффективной альтернативе методу прямой передачи говорить пока рано. Исследовательские работы в этом направлении позволяют надеяться, что в ближайшее время решение будет найдено.

Схема передачи электроэнергии от электростанции до потребителя

Ниже на рисунке представлены типовые схемы, из которых первые две относятся к разомкнутому виду, остальные — к замкнутому. Разница между ними заключается в том, что разомкнутые конфигурации не являются резервированными, то есть, не имеют резервных линий, которые можно задействовать при критическом увеличении электрической нагрузки.

Пример наиболее распространенных конфигураций ЛЭП

Обозначения:

1. Радиальная схема, на одном конце линии находится электростанция производящая энергию, на втором — потребитель или распределительное устройство.
2. Магистральный вариант радиальной схемы, отличие от предыдущего варианта заключается в наличии отводов между начальным и конечным пунктами передачи.
3. Магистральная схема с питанием на обоих концах ЛЭП.
4. Кольцевой тип конфигурации.
5. Магистраль с резервной линией (двойная магистраль).
6. Сложнозамкнутый вариант конфигурации. Подобные схемы применяются при подключении ответственных потребителей.

Теперь рассмотрим более подробно радиальную схему для передачи вырабатываемой электроэнергии по ЛЕП переменного и постоянного тока.

Рис. 6. Схемы передачи электроэнергии к потребителям при использовании ЛЭП с переменным (А) и постоянным (В) током

Обозначения:

1. Генератор, где вырабатывается я электроэнергия с синусоидальной характеристикой.
2. Подстанция с повышающим трехфазным трансформатором.
3. Подстанция с трансформатором, понижающим напряжение трехфазного переменного тока.
4. Отвод для передачи электироэнергии распределительному устройству.
5. Выпрямитель, то есть устройство преобразующее трехфазный переменный ток в постоянный.
6. Инверторный блок, его задача сформировать из постоянного напряжение синусоидальное.

Как видно из схемы (А), с источника энергии электричество подается на повышающий трансформатор, затем при помощи воздушных линий электропередач производится транспортировка электроэнергии на значительные расстояния. В конечной точке линия подключается к понижающему трансформатору и от него идет к распределителю.

Метод передачи электроэнергии в виде постоянного тока ( В на рис.6) от предыдущей схемы отличается наличием двух преобразовательных блоков (5 и 6).

Закрывая тему раздела, для наглядности приведем упрощенный вариант схемы городской сети.

Наглядный пример структурной схемы электроснабжения

Обозначения:

1. Электростанция, где электроэнергия производится.
2. Подстанция, повышающая напряжение, чтобы обеспечить высокую эффективность передачи электроэнергии на значительные расстояния.
3. ЛЭП с высоким напряжением (35,0-750,0 кВ).
4. Подстанция с понижающими функциями (на выходе 6,0-10,0 кВ).
5. Пункт распределения электроэнергии.
6. Питающие кабельные линии.
7. Центральная подстанция на промышленном объекте, служит для понижения напряжения до 0,40 кВ.
8. Радиальные или магистральные кабельные линии.
9. Вводный щит в цеховом помещении.
10. Районная распределительная подстанция.
11. Кабельная радиальная или магистральная линия.
12. Подстанция, понижающая напряжение до 0,40 кВ.
13. Вводный щит жилого дома, для подключения внутренней электрической сети.

Передача электроэнергии на дальние расстояния

Основная проблема, связанная с такой задачей – рост потерь с увеличением протяженности ЛЭП. Как уже упоминалось выше, для снижения энергозатрат на передачу электричества уменьшают силу тока путем увеличения напряжения. К сожалению, такой вариант решения порождает новые проблемы, одна из которых коронные разряды.

С точки зрения экономической целесообразности потери в ВЛ не должны превышать 10%. Ниже представлена таблица, в которой приводится максимальная протяженность линий, отвечающих условиям рентабельности.

Таблица 1. Максимальная протяженность ЛЭП с учетом рентабельности (не более 10% потерь)