В настоящее время сложно представить себе наше существование без применения электрической энергии. Большинство благ цивилизации: начиная от всех нам привычных бытовых приборов и заканчивая оборудованием для проведения космических исследований – все это требует затраты определенного количества электрической энергии. Поэтому проблема получения электрической энергии вот уже долгое время остается очень актуальной.
Одними из самых популярных среди традиционных источников получения энергии являются энергия атома, уголь и газ. Все они не лишены недостатков. Главные из которых – это необходимость использования природных ресурсов (уголь, газ), которые не являются бесконечными, огромный экологический вред , и даже экологическая катастрофа при поломке оборудования (атомная энергия), а также достаточно ощутимый вред окружающей среде за счет вредных выбросов, образующихся в процессе получения энергии [1, с.98].
Все эти недостатки явились причиной развития альтернативных, экологически более чистых и безопасных направлений по получению электрической энергии. К ним относятся такие способы получения энергии, как использование солнечной энергии, энергии ветра, геотермальные источники, использование энергии приливов и отливов. Рассмотрим вкратце эти источники получения электрической энергии.
Солнечная энергия. Использование солнечных батарей для получения энергии является одним из наиболее экологически-чистых источников получения энергии. К преимуществам можно отнести всеобщую доступность, неисчерпаемость самого источника. К недостаткам – требование большого объема площади для установки солнечной батареи, периодической необходимость их очистки (в случае загрязнения в следствии различных погодных условий) – что может быть затруднительно при большой площади объема, а также в зависимости от места их установки. Так же к недостаткам можно отнести возможную удаленность мест с большой солнечной активностью (где имеет смысл установка солнечных батарей) от фактического места, где требуется применение энергии.
Энергия ветра. Ветроэнергетика как источник электрической энергии также относится к экологически чистым и неисчерпаемым источникам энергии. К недостаткам можно отнести сравнительно низкий КПД, сложность преобразования, необходимость предоставления больших площадей под установку ВЭУ, большая зависимость от погодных условий: ведь ветер достаточно непредсказуем. Его сила и направление меняются очень часто. Поэтому ветроустановки имеют смысл использования только в тех районах, где сильный ветер дует постоянно. Здесь также к недостаткам относится возможная удаленность места применения электрической энергии от места ее фактической выработки.
Геотермальные источники энергии. Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Недостатками ее являются высокая минерализация термальных вод большинства месторождений и наличие токсичных соединений и металлов, что исключает в большинстве случаев сброс термальных вод в природные водоемы. При этом способе получении энергии также сохраняется привязка к месту ее выработки.
Энергия приливов и отливов. К достоинствам данного способа получения энергии можно отнести его возобновляемость, предсказуемость, и как следствие – надежность. К недостаткам – дорогостоящее строительство, необходимость создания водного резервуара вне природных водоемов, изменяя тем самым их характеристики, а также их возможное негативное влияние на морскую фору и фауну. Имеется привязка к месту получения энергии.
Как мы видим, у большинства альтернативных способ получения энергии сохраняется привязка к месту получения энергии, что и является их основным недостатком. Однако существует источник энергии, лишенный этого недостатка – это энергия перепада температур. На данный момент этот способ получения энергии практически не используется.
Как известно, температура воздуха окружающей среды подвержена колебаниям в течении суток (перепад температур день-ночь). В среднем этот перепад колеблется в пределах от 100С до 250С. Воздействие такого изменения температуры на различные материалы вызывает, как следствие, изменение их линейных размеров. Сила, возникающая при изменении линейных размеров тела, например, металла, может быть весьма велика и ее можно использовать для получения энергии. У данного способа есть свои достоинства и недостатки. К достоинствам можно отнести экологическую чистоту метода получения энергии, ее неисчерпаемость, возможность использования без привязки к определенному месту, стабильность и относительная несложность создания и эксплуатации. К недостаткам можно отнести сравнительно большой временной интервал перепада температур –колебания происходят в течении 24 часов.
В целом прямое преобразование тепла в электрическую энергию известно достаточно давно [2, с.1]. Применение электротепловых преобразователей и основные уравнения такого преобразования рассмотрены ранее в работах проф. Копылова И.П. и Дьяченко Н.П., [3, с. 41], проф. В. А.Челухина [4, с.89].
Наиболее перспективным способом такого преобразования, является использование ёмкостных устройств, при изменении относительной диэлектрической проницаемости (ОДП) в диэлектрике между пластинами ёмкости конденсатора. Как известно, накопленный заряд на ёмкости прямо пропорционален произведению напряжения зарядки ёмкости и значению её емкости. Ёмкость конденсатора прямо пропорциональна площади пластин, значению относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика, помещенного между пластинами, и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами [5, с.92, 6]. Конструкция такого преобразователя, использующего изменение ёмкости, и принцип его действия рассмотрены в [7,8].
Общая схема такого преобразователя ёмкостного типа показана на рисунок 1, а, б.
Рисунок 1. Схема преобразователя
а – положение системы при высокой температуре tº = max, термоматериал увеличил размеры, ёмкость максимальная С1=max, система заряжается до напряжения возбуждения; б — положение системы при низкой температуре tº = min, термоматериал уменьшил свои размеры, ёмкость С2=min, системаразряжается на электрод высокого напряжения.
Здесь 1 – термочувствительный стержень, 2 — неподвижная пластина, 3 – подвижная пластина, 4 – злектрореологическая жидкость с высоким значением диэлектрической проницаемости.
При помещении устройства в пространство с высокой температурой, например днем, стержень увеличивает свои размеры в осевом направлении и вытесняет жидкость в пространство между пластинами, которая заполняет полностью пространство между этими пластинами, образуя конденсатор с жидким диэлектриком. Емкость этого конденсатора будет прямо пропорциональна значению относительной диэлектрической проницаемости жидкости. При максимальном заполнении этого пространства выключатель Вк1, подключает пластины конденсатора к источнику возбуждения постоянного тока, после чего конденсатор заряжается до значения напряжения источника возбуждения. После зарядки выключатель Вк1 отключает пластины емкости от источника возбуждения. В этом случае емкость устройства будет максимальной, и пропорциональной относительной диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика, помещенного между пластинами емкости.
При понижении температуры, например, ночью, стержень уменьшает свои линейные размеры в осевом направлении, внутренний свободный объем увеличивается, жидкость стекает вниз и освобождает пространство между пластинами. В этом случае емкость устройства упадет пропорционально снижению относительной диэлектрической проницаемости жидкого диэлектрика вследствие появления воздушного зазора между пластинами емкости. При этом емкость уменьшается, а напряжение вырастает до максимума пропорционально снижению ёмкости устройства. Когда пространство между пластинами полностью освободится, выключатель Вк2 подключает пластины конденсатора к нагрузке, и в нагрузке пойдет ток при более высоком напряжении, чем напряжение источника возбуждения.
Вследствие падения ёмкости на конденсаторе, напряжение его пропорционально растет, и нагрузка получает напряжение, более высокое, по сравнением с напряжением источника возбуждения.
Далее процесс повторяется по мере периодического падения и роста внешней температуры. Отсутствие внешнего устройства, потребляющего энергию из сети, для движения подвижной пластины емкости является преимуществом данного устройства.
Расчет подобного преобразователя можно выполнить по известным формулам для заряда и ёмкости:
Q = CU,
C = ɛɛ0S/d,
Q = ɛɛ0SU/d.
где: Q – заряд на ёмкости, Кул.; C – ёмкость устройства, ф;
U – напряжение зарядки ёмкости, В.; ɛ – диэлектрическая проницаемость материала между пластинами ёмкости; ɛ0 – диэлектрическая постоянная; S – площадь пластин ёмкости, м2; d – расстояние между ними, м;
Устройство может быть использовано для питания маломощных потребителей энергии в климатических условиях с периодическим перепадом температур, например дневных и ночных, либо в полете искусственного спутника Земли на орбите при вхождении в тень планеты и выходе из неё. При освоении планет (Марс, Луна и т.п.). Так например, средняя температура на Марсе значительно ниже, чем на Земле, — около −40°С. При наиболее благоприятных условиях летом на дневной половине планеты воздух прогревается до 20°С. Но зимней ночью мороз может достигать до −125°С., что благоприятно для источника получения энергии на основе перепада температур.
Список литературы:
- Челухин В.А., Миронова В.С. К вопросу использования энергии перепада суточных температур. Materialy IX mezinarodni vedecko – prakticla conference «Moderni vymozenosti vedy — 2013» — Dil 75. Technicke vedy: Praha. Publishing House «Education and Science» s.r.o. – 104 stran.
- Армстронг. Гидроэлектрическая машина. academic.ru/dic.nsf/brokgauz_efron/29097
- Копылов И.П., Дьяченко Н.П. Электромеханические преобразователи тепла. Электромеханика. 1980. № 4, с. 92 — 99 (Изв. высш. учеб. заведений).
- Челухин В.А. Ёмкостные электромеханические преобразователи тепла. Электромеханика. 1985. № 10. С. 90 — 91 (Изв. высш. учеб. заведений).
- Челухин В.А. Ёмкостные электромеханические преобразователи. Электромеханика. 1985. № 6. С. 92 — 99 (Изв. высш. учеб. заведений).
- Челухин В.А. Электрооборудование с ёмкостными компонентами. Владивосток: Дальнаука, 2008. — 80 с.
- Челухин В.А, Челухин И.В. Низко потенциальный преобразователь энергии перепада температур. Патент РФ № 2489793.
- Челухин В.А, Челухин И.В. Преобразователь энергии перепада температур с жидкометаллическим электродом. Патент РФ № 2513539.[schema type=»book» name=»ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ПЕРЕПАДА ТЕМПЕРАТУР ДЕНЬ — НОЧЬ» author=»Абрамсон Елизавета Владимировна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-20″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.03.2015_03(12)» ebook=»yes» ]