Область техники

Изобретение относится к способам и устройствам для преобразования тепловой энергии в электрическую и может применяться в качестве автономного источника электрической энергии, используя для нагрева, например, солнечную тепловую энергию или любой другой источник тепла.

Уровень техники

Из уровня техники известны средства и методы для преобразования тепловой энергии в электрическую (см. US 4381463 A, 26.04.1983; US 4454865 A, 19.06.1984), использующие для нагрева рабочего тела солнечную энергию. Принцип работы известных способов и устройств основан на конвекционной циркуляции электропроводящего рабочего тела и прохождении его через магнитогидродинамический генератор для получения электрической энергии. Недостатками известных способов и устройств являются: сложность реализации, экономическая неэффективность, неэкологичность, обусловленные использованием в качестве рабочего тела жидких металлов, в частности, ртути.

Известно устройство электростанции (см. JPS 62272860 A, 27.11.1987), использующее в качестве электропроводящей среды ионизированную жидкость, проходящую через магнитогидродинамический генератор. Недостатками известного устройства являются, в частности: сложность изготовления, низкая надежность, обусловленные работой устройства при больших давлениях.

Известно устройство преобразования солнечной энергии в электрическую (см. US 4191901 A, 04.03.1980), использующее в качестве рабочей среды органическую жидкость. Недостатками известного устройства, в частности, являются: сложность конструкции и низкая надежность, обусловленные необходимостью его работы при больших давлениях для обеспечения прохождения рабочей среды через магнитогидродинамический генератор.

В качестве наиболее близкого аналога приняты способ и устройство преобразования тепловой энергии, известные из RU 2013743 C1, 30.05.1994. Известный способ включает циклические нагрев и испарение жидкости, транспортирование ее паров, дальнейшую их конденсацию, в зоне, расположенной выше зоны испарения, и направление жидкости из зоны конденсации в устройство преобразования энергии. Известное устройство содержит жидкость в замкнутом контуре, включающем последовательно соединенные нагреватель-испаритель, конденсатор и преобразователь энергии. Конденсатор установлен выше относительно нагревателя-испарителя, а все элементы устройства соединены теплоизолированным трубопроводом. Недостатками известного устройства и способа, как и у вышеупомянутых средств и методов, являются: сложность реализации, низкая надежность, обусловленные необходимостью обеспечить усиленные герметичные соединения элементов для работы при больших давлениях.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является разработка решения для преобразования тепловой энергии в электрическую, лишенного недостатков известных средств и методов данного назначения.

Техническим результатом предложенного изобретения является упрощение реализации способа, конструкции устройства, повышение надежности, долговечности, экологичности и экономичности, расширение области применения.

Технический результат достигается в способе преобразования тепловой энергии в электрическую, включающем циклические нагрев и испарение жидкости, транспортирование ее паров, дальнейшую их конденсацию, в зоне, расположенной выше зоны испарения, и направление жидкости из зоны конденсации в устройство преобразования энергии. При этом часть нагретой жидкости направляют непосредственно в устройство преобразования энергии, формируя конвекционный контур, в зону конденсации, совместно с парами, посредством аэролифта, транспортируют другую часть жидкости и используют жидкость из зоны конденсации для ускорения жидкости в конвекционном контуре, причем в зоне конденсации обеспечивают атмосферное давление.

Нагрев и испарение жидкости можно осуществлять при помощи солнечной энергии.

Технический результат достигается в устройстве преобразования тепловой энергии в электрическую, содержащем жидкость в замкнутом контуре, включающем последовательно соединенные, при помощи теплоизолированного трубопровода, нагреватель-испаритель, конденсатор и преобразователь энергии. При этом в нем сформирован дополнительный конвекционный контур для жидкости посредством дополнительной связи выхода нагревателя-испарителя с преобразователем энергии, между нагревателем-испарителем и конденсатором установлен аэролифт, а связь конденсатора с преобразователем энергии выполнена через конвекционный контур с возможностью ускорения потока жидкости по контуру, причем конденсатор выполнен с возможностью обеспечения в нем атмосферного давления.

В качестве преобразователя энергии может быть использован магнитогидродинамический генератор или турбина с генератором.

Жидкость может содержать в себе соль и/или антифриз и углеродные нанотрубки. А в качестве самой жидкости может быть использована вода.

Нагреватель-испаритель может быть выполнен с возможностью получения тепловой энергии от солнца. При этом в случае непрозрачной жидкости нагреватель-испаритель выполняется прозрачным, а в случае прозрачной жидкости нагреватель-испаритель выполняется непрозрачным. Нагреватель-испаритель может содержать теплообменные ребра. В прозрачном нагревателе-испарителе теплообменные ребра находятся внутри него, а в непрозрачном нагревателе-испарителе теплообменные ребра выполнены на нагреваемой его стороне и обращены внутрь. Теплообменные ребра выполнены из темного или черного пластика, или из черненой меди.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематичный вид устройства преобразования тепловой энергии в электрическую с использованием прозрачной жидкости.

Фиг.2 - схематичный вид устройства преобразования тепловой энергии в электрическую с использованием непрозрачной или полупрозрачной жидкости.

Осуществление изобретения

Предложенное изобретение предназначено для преобразования тепловой энергии в электрическую и может применяться в качестве автономного источника электрической энергии, как индивидуального бытового пользования, так и промышленного. В качестве источников тепла можно использовать топливные источники, радиоизотопные, атомные (тепло атомного реактора), солнечные, утилизационные, а также тепло из любых источников, выделяющих сбросное тепло (выхлопные, печные газы и др.). Предложенное решение может работать в системе, например, путем его объединения с устройствами отопления и горячего водоснабжения, работающими на солнечной энергии, такими как солнечные коллекторы.

Сущность предложенного способа состоит в обеспечении двухконтурной системы движения потоков жидкости, один из которых использует конвекцию в качестве движущий силы, а в другом применяется аэролифт с последующим использованием потенциальной энергии гравитационного поля для ускорения потока жидкости в конвекционном контуре. Вариант реализации предложенного способа приведен ниже в описании устройства, работающего на его основе.

Устройство для реализации способа преобразования тепловой энергии в электрическую (Фиг.1) содержит последовательно соединенные в замкнутый контур нагреватель-испаритель 1 с теплообменными ребрами 2, аэролифт 3, конденсатор 4, эжектор 5 и преобразователь энергии 6. Выход нагревателя-испарителя 1 дополнительно соединен с входом забора эжектируемой среды эжектора 5, сопло которого соединено с конденсатором 4. Соединения между элементами устройства выполняются при помощи теплоизолированных труб. Конденсатор 4 располагается выше относительно нагревателя 1, и в нем выполнен патрубок 7, служащий для выравнивания внутреннего давления паро-жидкостной среды с атмосферным и работы аэролифта 3. Через патрубок 7 возможно осуществлять долив жидкости, в случае ее испарения и понижения уровня, в остальное время он закрыт противопыльным фильтром или мембраной.

Все элементы устройства, за исключением преобразователя энергии 6, могут быть выполнены из пластика, такого как поликарбонат. Теплообменные ребра 2 могут быть выполнены как из темного или черного пластика, так и из черненой меди. Преобразователем энергии 6 может служить магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) или жидкостная турбина с генератором.

Жидкость 8 может содержать в себе соль и/или антифриз и углеродные нанотрубки, а в качестве самой жидкости может быть использована вода. Процентный состав компонентов жидкости выбирается из необходимых эксплутационно-технических и экономических требований. Так, например, добавление в жидкость антифриза позволяет работать устройству при пониженных температурах, добавление соли также влияет на понижение температуры замерзания жидкости и повышает ее электропроводность. Добавление в состав жидкости углеродных нанотрубок влияет на интенсивность теплообмена и электропроводность. Дополнительно в состав жидкости могут быть введены красители, влияющие на ее прозрачность для различных вариантов выполнения устройства, которые будут показаны ниже.

Один из вариантов выполнения устройства использует прозрачную жидкость (Фиг.1). Работает устройство преобразования тепловой энергии в электрическую следующим образом. Для примера, в качестве источника тепла используется солнечная энергия, которая может быть как прямой, так и отраженной с помощью рефлектора. При попадании тепловой (солнечной) энергии на нагреватель-испаритель 1, происходит нагрев жидкости 8, которая начинает конвекционное движение по контуру (конвекционный контур), включающему нагреватель-испаритель 1, эжектор 5, преобразователь энергии 6. Для улучшения теплообмена, повышения интенсивности нагрева и парообразования жидкости 8, при слабой облученности, возможно использование теплообменных ребер 2. При использовании прозрачной жидкости нагреватель-испаритель 1 выполняется непрозрачным, а теплообменные ребра 2 выполнены на его нагреваемой стороне и обращены внутрь. При повышении температуры жидкости 8 начинается процесс кипения и ее часть переходит в газообразное состояние (пар), образуя смесь жидкости и пара. За счет разницы между давлением пара и атмосферным давлением, обеспечиваемым патрубком 7 в конденсаторе 4, жидкость 8 начинает подниматься по аэролифту 3 в конденсатор 4. По мере накопления жидкости 8 в конденсаторе 4 она направляется в сопло эжектора 5. За счет разницы высот между конденсатором 4 и эжектором 5, жидкость 8 на выходе конденсатора 4 обладает потенциальной энергией, которая в эжекторе 5 переходит в кинетическую и передается потоку жидкости 8 в конвекционном контуре, ускоряя ее движение по контуру.

При использовании в качестве преобразователя энергии 6 МГД - генератора, электрическая энергия образуется за счет прохождения через него электропроводящей жидкости 8. В случае использования турбины с генератором происходит преобразование энергии потока жидкости 8 в механическую энергию вращения турбины и далее в электрическую. Полученная на преобразователе 6 электрическая энергия направляется потребителю.

Устройство может работать при слабом потоке тепла и при сильно отрицательных температурах, когда испарение жидкости 8 не представляется возможным. В данном случае преобразование энергии в устройстве происходит за счет работы конвекционного контура.

Второй вариант устройства, представленный на Фиг.2, работает по аналогии с первым вариантом. Отличием является применение прозрачного нагревателя-испарителя 1. Для поглощения в нем солнечной энергии используется непрозрачная или полупрозрачная жидкость 8. В случае использования полупрозрачной жидкости 8 возможна установка теплообменных ребер 2 внутри прозрачного нагревателя-испарителя 1, а в случае использования непрозрачной жидкости 8 необходимость в них полностью отпадает.

Предложенный способ и конструкция устройства для преобразования тепловой энергии в электрическую не требуют обеспечения герметичных швов и материалов, предназначенных для работы при больших давлениях, что позволяет упростить и удешевить реализацию способа и конструкцию устройства, повысить их надежность и долговечность при эксплуатации. Возможность использования различных преобразователей энергии и работа в широком температурном диапазоне расширяет область применения изобретения. Кроме того, за счет особенностей конструкции и принципа работы, устройство может изготавливаться из пластика и использовать экологически чистые жидкости, что повышает его экологичность и экономичность, в отличие от аналогичных устройств, использующих в качестве жидкости фреон, ртуть и т.д.

Таким образом, предложенное решение обеспечивает получение указанного выше, технического результата.

Следует отметить, что описание изобретения и чертежи приведены только в качестве примера и не ограничивают возможные модификации технического решения в рамках предложенной формулы.

1. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую, включающий циклические нагрев и испарение жидкости, транспортирование ее паров, дальнейшую их конденсацию, в зоне, расположенной выше зоны испарения, и направление жидкости из зоны конденсации в устройство преобразования энергии, отличающийся тем, что часть нагретой жидкости направляют непосредственно в устройство преобразования энергии, формируя конвекционный контур, в зону конденсации, совместно с парами, посредством аэролифта, транспортируют другую часть жидкости и используют жидкость из зоны конденсации для ускорения жидкости в конвекционном контуре, причем в зоне конденсации обеспечивают атмосферное давление.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве преобразователя энергии используют магнитогидродинамический генератор или турбину с генератором.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкость содержит в себе соль и/или антифриз и углеродные нанотрубки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости используется вода.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев и испарение жидкости осуществляют при помощи солнечной энергии.

6. Устройство преобразования тепловой энергии в электрическую, содержащее жидкость в замкнутом контуре, включающем последовательно соединенные, при помощи теплоизолированного трубопровода, нагреватель-испаритель, конденсатор и преобразователь энергии, отличающееся тем, что в нем сформирован дополнительный конвекционный контур для жидкости посредством дополнительной связи выхода нагревателя-испарителя с преобразователем энергии, между нагревателем-испарителем и конденсатором установлен аэролифт, а связь конденсатора с преобразователем энергии выполнена через конвекционный контур с возможностью ускорения потока жидкости по контуру, причем конденсатор выполнен с возможностью обеспечения в нем атмосферного давления.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в качестве преобразователя энергии используется магнитогидродинамический генератор или турбина с генератором.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что жидкость содержит в себе соль и/или антифриз и углеродные нанотрубки.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в качестве жидкости используется вода.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что нагреватель-испаритель выполнен с возможностью получения тепловой энергии от солнца.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в случае непрозрачной жидкости нагреватель-испаритель выполняется прозрачным, а в случае прозрачной жидкости нагреватель-испаритель выполняется непрозрачным.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что нагреватель-испаритель содержит теплообменные ребра.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что в прозрачном нагревателе-испарителе теплообменные ребра находятся внутри него, а в непрозрачном нагревателе-испарителе теплообменные ребра выполнены на нагреваемой его стороне и обращены внутрь.

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что теплообменные ребра выполнены из темного или черного пластика, или из черненой меди.

Похожие патенты:

Вертикальный ветровой электрогенератор содержит опорную колонну (1), по крайней мере один генераторный блок (2), по крайней мере две лопасти (3), устройство контроля возбуждения, выпрямительное устройство, реверсивный частотный преобразователь, фланцы, опоры, систему охлаждения, подъемный механизм (80) и подъемную систему.

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения электрических машин, в частности - к синхронным электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов, которые наряду с известными достоинствами обладают и некоторыми недостатками, в частности - довольно сложными пусковыми и регулировочными характеристиками и относительно низким КПД.

Изобретение относится к электротехнике и энергетике, а более конкретно к "малой" энергетике - автономным источникам питания на базе силовых агрегатов небольшой мощности, способных работать в полевых условиях в автоматическом режиме не менее 1 - 2 лет.

Изобретение предназначено для поддержания комфортных параметров воздуха в малоэтажных зданиях, преимущественно на животноводческих фермах. Система гелиотеплохладоснабжения и качественного воздухообмена в зданиях содержит южный, выполненный из поглощающего солнечную радиацию материала, и северный воздухопроводы, расположенные на соответствующих сторонах здания, тепловой аккумулятор, образующий с полом здания подпольный воздухопровод, сообщенный с южным воздухопроводом, а также расположенные под тепловым аккумулятором один над другим теплообменный и грунтовый воздухопроводы, первый из которых сообщен с северным, а второй снабжен грунтовыми теплопроводящими трубами, при этом система снабжена размещенной в тепловом аккумуляторе вихревой трубой, а теплообменный воздухопровод снабжен всасывающим фильтром, который установлен в помещении и выполнен в виде узла очистки внутреннего воздуха, состоит из диффузора с винтообразными продольно размещенными канавками, входящими в круговую канавку, соединенную со сборником загрязнений, в котором размещено осушивающее устройство в виде емкости с адсорбирующим веществом.

Изобретение относится к способу производства электроэнергии из биотоплива и солнечной энергии. Заявляется система производства электроэнергии из солнечной энергии с использованием котла на биотопливе (6) в качестве дополнительного источника теплоты, которая включает концентрирующий солнечный коллектор, котел на биотопливе (6), турбогенератор, при этом в концентрирующем солнечном коллекторе в качестве рабочего тела используется вода и применяются трубки солнечного коллектора (13) среднего давления, скомбинированные в последовательно-параллельную матрицу, выход концентрирующего солнечного коллектора соединен с основанием барабана (6а) котла на биотопливе (6) через второй клапан управления (22), а выход пара из барабана котла на биотопливе (6а) соединен с цилиндром (3) турбогенератора (1).

Изобретение предназначено для поддержания комфортных параметров воздуха в малоэтажных зданиях, преимущественно на животноводческих фермах. Система гелиотеплохладоснабжения, содержащая южный, выполненный из поглощающего солнечную радиацию материала, и северный воздухопроводы, расположенные на соответствующих сторонах здания, тепловой аккумулятор, образующий с полом здания подпольный воздухопровод, сообщенный с южным, а также расположенные под тепловым аккумулятором один над другим теплообменный и грунтовый воздухопроводы, первый из которых сообщен с северным, а второй снабжен грунтовыми теплопроводящими трубами, при этом система снабжена размещенной в тепловом аккумуляторе вихревой трубой, входом сообщенной с подпольным воздухопроводом, «холодным» каналом - с помещением, а «горячим» - через тепловой аккумулятор с грунтовым воздухопроводом, выходы подпольного и грунтового воздухопроводов подсоединены к «холодному» каналу вихревой трубы, а за местом их подсоединения установлен фильтр, при этом южный и северный воздухопроводы сообщены с атмосферой, а теплообменный - с помещением, отличающаяся тем, что грунтовой воздухопровод выполнен из композиционного материала, который включает металлическое основание, теплоизоляционный и теплоаккумулирующий тонковолокнистый базальт и гидроизоляцию, причем тонковолокнистый базальт продольно расположен в растянутом положении по длине грунтового воздухопровода и закреплен в виде слоя между металлическим основанием и гидроизоляцией.

Изобретение предназначено для поддержания комфортных параметров воздуха в малоэтажных зданиях, преимущественно на животноводческих фермах. Система гелиотеплохладоснабжения содержит южный, выполненный из поглощающего солнечную радиацию материала, и северный воздухопроводы, расположенные на соответствующих сторонах здания, тепловой аккумулятор, образующий с полом здания подпольный воздухопровод, сообщенный с южным, а также расположенные под тепловым аккумулятором один над другим теплообменный и грунтовый воздухопроводы, первый из которых сообщен с северным, а второй снабжен грунтовыми теплопроводящими трубами, при этом система снабжена размещенной в тепловом аккумуляторе вихревой трубой, входом сообщенной с подпольным воздухопроводом, холодным каналом - с помещением, а горячим - через тепловой аккумулятор с грунтовым воздухопроводом, выходы подпольного и грунтового воздухопроводов подсоединены к холодному каналу вихревой трубы, а за местом их подсоединения установлен фильтр, при этом южный и северный воздухопроводы сообщены с атмосферой, а теплообменный - с помещением, при этом система снабжена термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса и комплекта дифференциальных термопар, причем в корпусе расположен проходной канал для горячего теплоносителя и проходной канал для холодного теплоносителя, кроме того, входной патрубок проходного канала для горячего теплоносителя соединен каналом горячего потока вихревой трубы, а выходным своим патрубком - с грунтовым воздухопроводом, при этом входной патрубок проходного канала для холодного теплоносителя соединен с каналом холодного потока вихревой трубы, выходным своим патрубком - с помещением.

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к устройствам для опреснения соленой воды с использованием солнечной и ветровой энергий. Солнечно-ветровой опреснитель содержит емкость для опреснения воды, установленный над ней прозрачный конденсатор с патрубком для выхода паровоздушной смеси в верхней части с установленной в нем крылаткой, закрепленной на валу ветродвигателя.

Изобретение относится к области гелиотехники и предназначено для энергоснабжения объектов сельскохозяйственного и индивидуального назначения. Фотоэлектрическая тепловая система содержит, по меньшей мере, один солнечный тепловой коллектор, трубопровод подачи жидкости в солнечный тепловой коллектор, трубопровод отвода жидкости из солнечного теплового коллектора в бак-аккумулятор (термос), при этом трубопровод подачи жидкости в солнечный тепловой коллектор соединен, по меньшей мере, с одним фотоэлектрическим тепловым модулем, расположенным уровнем ниже солнечного теплового коллектора и соединенным последовательно с ним, при этом подача жидкости в фотоэлектрический тепловой модуль осуществляется через трубопровод из напорного бака, установленного выше уровня солнечного теплового коллектора, по меньшей мере, в один из трубопроводов вмонтирован соленоидный клапан, имеется, по меньшей мере, одно термореле с индивидуальным для фотоэлектрического теплового модуля или солнечного теплового коллектора датчиком, причем управляющие контакты соленоидного клапана подключены и коммутируются с помощью термореле, при этом солнечный тепловой коллектор и фотоэлектрический тепловой модуль выполнены в виде приемников солнечного излучения, представляющих собой резервуары, которые имеют форму прямоугольного параллелепипеда, а на рабочей поверхности резервуара фотоэлектрического теплового модуля расположена батарея солнечных элементов, внутри резервуаров фотоэлектрического теплового модуля и солнечного теплового коллектора параллельно рабочей поверхности с зазором относительно ее расположена перегородка, не достигающая верхней и нижней стенки резервуара.

Многофункциональная солнечноэнергетическая установка (далее МСЭУ) относится к возобновляемым источникам энергии, в частности к использованию солнечного излучения для получения электрической энергии, обеспечения горячего водоснабжения и естественного освещения помещений различного назначения, содержащая оптически активный прозрачный купол, представляющий собой двояковыпуклую прямоугольную линзу, фотоэлектрическую панель, солнечный коллектор, круглые плоские горизонтальные заслонки полых световодов, полые световодные трубы, теплоприемную медную пластину солнечного коллектора, рассеиватель солнечного света, микродвигатели круглых плоских горизонтальных заслонок полых световодных труб, круговые светодиодные лампы, аккумуляторные батареи, датчики света и температуры, электронный блок управления, пульт управления, бак-аккумулятор, теплообменник, насос, обратный клапан, шестигранные медные трубопроводы, инвертор и опору с опорными стойками для поддержания конструкции МСЭУ.

Изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в электрическую и может применяться в качестве автономного источника электрической энергии, используя для нагрева, например, солнечную тепловую энергию или любой другой источник тепла. Устройство для реализации способа содержит нагреватель-испаритель 1 с теплообменными ребрами 2, аэролифт 3, конденсатор 4, эжектор 5, преобразователь энергии 6, патрубок 7. Внутри устройства циркулирует жидкость 8. Технический результат состоит в упрощении реализации способа, конструкции, повышении надежности, долговечности, экологичности и экономичности, расширении области применения. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

В настоящее время в нашей стране большая часть электроэнергии производится на мощных электростанциях, на которых в электрическую энергию преобразуется какой-либо другой вид энергии.

В зависимости от вида энергии, которая преобразуется в электрическую, различают три основных типа электростанций: тепловые, гидро- и атомные электростанции.

На тепловых электростанциях источником энергии служит топливо: уголь, газ, нефть, мазут, горючие сланцы. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания. Наиболее экономичными являются крупные тепловые паротурбинные электростанции (ТЭС).

На тепловых паротурбинных электростанциях (рис. 3.35) в паровых котлах 1 химическая энергия топлива превращается в энергию пара 2. В турбинах 3 энергия пара преобразуется в механическую, а затем в генераторе 4, имеющем общий вал с турбиной, превращается в электрическую. От генератора энергия направляется на шины распределительного устройства станции. Отработанный пар из турбины поступает в конденсатор 5, который охлаждается проточной водой 6, и конденсат 7 в виде горячей дистиллированной воды возвращается в котел. Такие станции принято называть тепловыми конденсационными станциями.

Рис. 3.35

Тепловые конденсационные электростанции большой мощности обычно располагаются недалеко от источников топлива и крупных водоемов.

Коэффициент полезного действия ТЭС достигает 40%. Причем большая часть энергии теряется вместе с горячим отработанным паром. Специальные тепловые электростанции, так называемые теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), позволяют значительную часть энергии отработавшего пара использовать для отопления и технологических процессов в промышленных предприятиях, а также для бытовых нужд (отопление, горячее водоснабжение). В результате КПД ТЭЦ достигает 60-70%. В настояш;ее время в нашей стране ТЭЦ дают около 40% всей производимой электроэнергии.

На гидроэлектростанциях (ГЭС) энергия движущейся воды в гидротурбине превращается в механическую, а затем в генераторе преобразуется в электрическую (рис. 3.36. Цифрами обозначены: 1 - генератор; 2 - трансформатор; 3 - турбина; 4 - лопатки направляющего аппарата). Мощность станции зависит от создаваемой плотиной разности уровней воды (напора) и от массы воды, проходящей через турбины в секунду (расхода воды). Гидроэлектростанции дают около 20% всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии.

Рис. 3.36

На атомных электростанциях (АЭС) технология производства электрической энергии почти такая же, как и на ТЭС. Разница состоит в том, что на АЭС энергию для преобразования воды в пар дает ядерный реактор.

Кроме мощных электростанций, находящихся в районах сосредоточения энергетических ресурсов (полноводные реки, природные запасы энергии в виде дешевых углей, торфа и т. д.), имеется группа станций местного значения. Они располагаются в непосредственной близости к потребителям. К ним относятся ТЭЦ, станции промышленных предприятий, городские, сельскохозяйственные, ветровые, передвижные и т. д.

Использование электроэнергии

Главным потребителем электроэнергии в нашей стране является промышленность, на долю которой приходится около 70% производимой электроэнергии. На фабриках и заводах, в шахтах и рудниках электродвигатели приводят в движение станки и различные механизмы. Около трети электроэнергии, потребляемой промышленностью, используется для технологических целей (электросварка, электрический нагрев и плавление металлов, электролиз и т. п.).

Исключительно важное значение имеет применение электрической энергии в сельском хозяйстве. Здесь электроэнергия используется для освещения, приведения в действие различных машин, а также аппаратов, применяемых для механической дойки, стрижки овец, пастеризации молока, приготовления кормов, на птицеводческих фермах и т. д. и т. п.

Современное строительство немыслимо без использования электроэнергии, прежде всего, для приведения в действие подъемных механизмов и для электросварки.

Крупным потребителем электрической энергии является транспорт: железнодорожный и городской (метро, троллейбус, трамвай).

Без электроэнергии не будет работать телефонная и телеграфная связь, радио,телевидение.

Электрическая энергия используется в автоматике и вычислительной технике. О применении электроэнергии для освещения жилищ, предприятий, учреждений, уличного освещения, а также в быту (электроплиты, холодильники, стиральные мап1ины, пылесосы, электробритвы и другие электробытовые приборы) знает каждый.

Электрический ток представляет собой направленное движение электрических частиц. При столкновении движу­щихся частиц с ионами или молекулами кинети­ческая энергия движущихся частиц частично передается ионам или молекулам, вследствие чего происходит нагре­вание проводника. Таким образом, электрическая энергия

преобразуется в тепловую, которая тратится на нагрев провода и рассеивается в окружающую среду.

Скорость преобразования электрической энергии в теп­ловую определяется мощностью:

Р =UI

или, учитывая, что U = Ir , получаем:

P=UI=I 2 r.

Электрическая энергия, переходящая в тепловую,

W = Pt = Prt.

Q = I 2 rt.

Полученное выражение, определяющее соотношение меж­ду количеством выделенного тепла, силой тока, сопротивлением и временем, было найдено в 1844 г. опытным путем русским академиком Э. X. Ленцем и одновре­менно английским ученым Джоулем. Оно известно теперь под названием за­кона Джоуля-Лен­ца: количество тепла,выделенного током в провод­нике,пропорцио­нально квадрату силы тока,сопро­тивлению проводника и времени прохождения то­к а.

Преобразование электрической энергии в тепло находит полезное применение в разнообразных нагревательных и осветительных приборах и устройствах.

В остальных приборах и устройствах преобразование электрической энергии в тепловую является непроизводи­тельным расходом энергии (потерями), снижающими к. п. д. их. Кроме того, тепло, вызывая нагревание этих устройств,

ограничивает их нагрузку, а при перегрузке повышение температуры может повести к повреждению изоляции или сокращению срока работы установки.

Пример 1 -7. Определить количество тепла, выделенное в нагрева­тельном приборе в течение 15 мин, если сопротивление прибора 22 ом, а напряжение сети 110в.

Сила тока

I = U : r = 110: 22 = 5a

Количество тепла, выделенное в приборе,

Q = I 2 r t = 5 2 22 15 60 = 49 500 дж.

Статья на тему Преобразование электрической энергии в тепловую

Добавить сайт в закладки

Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электриче­скую можно осуществить, используя явления в контакте двух метал­лов или полупроводников, где действуют сторонние силы, которыми обусловлена диффузия заряженных частиц.

Величина контактной разности потенциалов зависит не только от свойств контактирующих материалов, но и от температуры контакта, так как с температурой связаны энергия свободных электронов и их концентрация.

Рассматривая замкнутую цепь из двух разных металлов (рис. 1а), можно убедиться в том, что при одинаковой темпера­туре контактов 1 и 2 электрический ток в цепи не получится, так как контактные разности потенциалов, определяемые формулой

U k = (A 1 – A 2) : e 0

в обоих контактах одинаковы, но направлены в противоположные сто­роны по цепи:

U k 1 - U k 2 = (A 1 – A 2) + (A 2 - A 1) : e 0 = 0

Если один из контактов, например 1, нагреть (t 1 > t 2), то равнове­сие нарушится - в контакте 1 появится дополнительный скачок потенциала, связанный с нагревом. В этом случае U k1 > U K2 . В цепи образуется термоэлектродвижущая сила (термо-э. д. с.), абсолютное значение которой пропорционально разности температур контактов:

E т = U Kl - U K2 = E 0 (t 1 - t 2),

где Е 0 - величина, зависящая от свойств металлов, образующих контакт.

Рисунок 1 . а) замкнутая цепь из двух разных металлов, б) цепь с измерителем термо-э. д. с.

Таким образом, термо-э. д. с. возникает в цепи, состоящей из раз­ных металлов, при разной температуре мест соединения.

Термо-э. д. с. в рассматриваемой цепи поддерживается благодаря нагреванию спая 1, т. е. при постоянном расходе тепловой энергии. В свою очередь, термо-э. д. с. является причиной электрического тока.

Однако концентрация свободных электронов в металлах велика и при переходе из одного металла в другой меняется очень мало. В связи с этим контактная разность потенциалов оказывается незначитель­ной и мало зависит от температуры. По этой причине металлические термоэлементы имеют очень малые э. д. с. (в спае платины и железа - 1,9 мВ при разности температур горячего и холодного спаев 100° С), а к. п. д. их не превышает 0,5%. Такие термоэлементы применяют для измерения температур (термопары).

Для этого в цепь термопары включается измеритель термо-э. д. с. - милливольтметр (рис. 1, 6). Термопара в этом случае является источником электрической энергии, а измерительный прибор - приемником.

Кроме контакта 1 основных металлов термопары между собой образуются контакты их с соединительными проводами (Рис. 1 - 2, 3). В этих контактах тоже имеются контактные разности потенциалов, но они не изменяют термо-э. д. с., если их температура поддерживается одинаковой.

При наличии произвольного числа контактов разных металлов сумма контактных разностей потенциалов в замкнутой цепи остается равной нулю, если все контакты имеют одинаковую температуру. В этом можно убедиться, составив уравнение, аналогичное вышеприведенному. Независимо от числа контактов, термо-э. д. с. пропорциональна разности температур более нагретого контакта и всех других контактов, находящихся при одинаковой температуре.

Рисунок 2. n,p- полупроводники.

В отличие от металлов, в полупроводниках при увеличении температуры сильно увеличиваются концентрации свободных электронов и дырок. Это свойство полупроводников позволяет получить более высокие термо-э. д. с. (до 1 мВ на 1° С разности температур) и к. п. д. термоэлементов до 7%.

Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводников (п и р на рис. 2). Один из них имеет электронную, а другой дырочную электропроводность. При нагревании полупроводников в месте соединения их металлической пластинкой сильно увеличивается концентрация свободных носителей заряда. Поэтому в полупроводниках возникает диффузия их от горячего конца к холодному. В полупроводнике с электронной электропроводностью к холодному концу перемещаются электроны, в результате чего этот конец заряжается отрицательно. В другом полупроводнике к холодному концу перемещаются дырки, образуя положительный заряд. Возникшая разность потенциалов противодействует диффузии, и при некотором значении ее устанавливается равновесие сил электрического поля и сторонних сил, под действием которых идет процесс диффузии носителей заряда. Эта разность потенциалов и является термо-э. д. с. полупроводникового термоэлемента.

Если к холодным концам полупроводников подключить токопроводящий элемент, например, резистор, то образуется замкнутая цепь и электрический ток в ней.

Преобразование механической энергии в электрическую

Эффект Толмена. Толмен обнаружил явление инерции электронов в металлах. При движении проводника с ускорением, мы можем наблюдать разность потенциалов на концах проводника.

Трибоэлектричество - возникновение электрических зарядов при трении двух разнородных тел. При трении химически одинаковых тел, положительный заряд получает более плотное из них. При трении двух диэлектриков положительно заряжается диэлектрик с большей диэлектрической проницаемостью. Вещества можно расположить в трибоэлектрические ряды, в которых предыдущее тело электризуется положительно, а последующее отрицательно.

Акусто-электрический эффект - возникновение постоянного тока ЭДС в проводящей среде (проводник, полупроводник) под действием бегущей ультразвуковой волны. Появление тока связано с передачей импульса от УЗ волны электронам. Применяется для измерения интенсивности УЗ в твердых телах, большую роль играет в изучении структуры вещества.

Пьезоэлектрический эффект наблюдается в анизотропных диэлектриках, преимущественно в кристаллах некоторых веществ, обладающих определенной, достаточно низкой симметрией. Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический кристалл, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков. При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными знаки зарядов. Нашел широкое применение в датчиках давления, используются для измерения уровня вибраций, акустических антеннах, дефектоскопии, гидроакустики, мощные источники УЗ волн .

Преобразование тепловой энергии в электрическую и термоэлектрическую энергию

Пироэлектричество - возникновение электрических зарядов на поверхности пироэлектриков при их нагревании или охлаждении. Один конец пироэлектрика заряжается положительно, а другой отрицательно, при охлаждении наоборот. Пироэлектрики - диэлектрики, обладающие спонтанной поляризацией, используются в качестве индикаторов и приемников излучений.

Эффект Зеебека - термоэлектрический эффект, возникновение электродвижущей силы в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Можно использовать, как датчик термоэлектрический преобразователь.

Эффект Пельтье - эффект выделения или поглощения тепла при протекании электрического тока через соединение двух металлов, сплавов или полупроводников. Используется в термоэлектрических охлаждающих устройствах, термоэлектрических преобразователях.

Эффект Томсона - состоит в выделении или поглощении теплоты в проводнике с током, вдоль которого имеется градиент температуры, происходит помимо выделения джоулевой теплоты. Если вдоль проводника, по которому протекает ток, существует градиент температуры, причем направление тока соответствует движению электронов от горячего конца к холодному, то при переходе из более нагретого участка в более холодный электроны тормозятся и передают избыточную энергию окружающим атомам (выделяется теплота); при обратном направлении тока электроны, переходя из более холодного участка к более нагретому, ускоряются полем термоЭДС и пополняют свою энергию за счёт энергии окружающих атомов (теплота поглощается).

Эффект Нернста-Эттингсхаузена - возникновение электрического поля в металлах и полупроводниках при наличии градиента (перепада) температуры и перпендикулярного к нему внешнего магнитного поля. Относится к числу термомагнитных явлений .

Гальваномагнитные эффекты

Эффект Холла - возникновение поперечного электрического поля и разности потенциалов в проводнике или полупроводнике, по которым проходит электрический ток, при помещении их в магнитное поле, перпендикулярное к направлению тока. На основе данного эффекта создают датчики измерения магнитных полей.

Ядерные взаимодействия

Эффект Штарка. Расщепление спектральных линий атома в постоянном электрическом поле для атомов, имеющих ненулевые дипольные моменты, сдвиг линий пропорционален напряженности поля Е, т.е. в зависимости от направления поля частота будет или возрастать, или убывать; для неполярных диэлектриков сдвиг линий пропорционален ЕІ . Это объясняется тем, что молекула или атом приобретают дополнительную энергию вращения. Это явление может быть использовано в целях измерений; например, в измерениях, связанных с определением (влажность, состав, структура и т.д.).

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Качественно аналогичен ЭПР, но отличается количественно. На основе ЯМР разработаны методы измерения напряженности магнитных полей (магнитометры), методы контроля хода химических реакций.