V.S.Lavrus. Istochniki energii
---------------------------------------------------------------
Tekst predostavlen Redakcionno-analiticheskij centr "Nauka i Tehnika"
Seriya "Informacionnoe Izdanie", Vypusk 3
Istochniki energii
V.S. Lavrus
© Copyright "Nauka i Tehnika", 1997
© Copyright "Informacionnoe Izdanie", 1997
Iz-za slozhnostej konvertacii v HTML v tekste otsutstvuyut
illyustracii i tablicy. Polnye versii etih knizhek v formate PDF
s kartinkami tablicami i stilevym oformleniem mozhno najti
na sajte RAC "Nauka i tehnika"
http://www.nit.kiev.ua
---------------------------------------------------------------
Seriya "Informacionnoe Izdanie", Vypusk 3
Nikakaya deyatel'nost' nevozmozhna bez ispol'zovaniya energii.
Neispravnosti v setyah i pereboi podachi elektroenergii
paralizuyut vse vidy deyatel'nosti. V slozhivshihsya usloviyah
potrebitelyu samomu sleduet prinimat' dopolnitel'nye mery po
energoobespecheniyu i zashchite svoego oborudovaniya. V knige
otrazheno segodnyashnee tehnicheskoe sostoyanie energetiki kak
otrasli, predstavlen obzor ustrojstv dlya polucheniya i
preobrazovaniya elektricheskoj energii.
Pravil'nyj vybor neobhodimogo Vam ustrojstva pomogut
osushchestvit' privedennye v knige sravnitel'nyj analiz i ocenki
effektivnosti dostupnyh dlya prakticheskogo ispol'zovaniya
ustrojstv (informaciya predostavlena predstavitel'stvami
firm-proizvoditelej).
Vvedenie
Glava 1. |nergetika vchera i segodnya
Glava 2. Himicheskie istochniki toka
2.1. Stacionarnye akkumulyatory
2.1.1. Separatory
2.1.2. |lektrolit
2.2. Stacionarnye akkumulyatory VARTA
2.2.1. Tipy plastin akkumulyatorov
2.2.2. Material polozhitel'nogo elektroda
2.2.3. Germetizaciya
2.2.4. Proektirovanie batarejnyh ustanovok
2.3. Stacionarnye akkumulyatory FIAMM
2.3.1. Obshchie harakteristiki
2.3.2. Konstrukciya
2.3.3. Rezhimy raboty
2.4. Akkumulyatory Hawker Batteries Group
2.4.1. Akkumulyatory serii Powersafe
2.4.2. Akkumulyatory "Pure Lead Technology"
2.5. Toplivnye elementy
Glava 3. Sistemy besperebojnogo elektropitaniya
3.1. Klassifikaciya istochnikov besperebojnogo pitaniya
3.1.1. Rezervnye IBP (Off-Line)
3.1.2. IBP s dvojnym preobrazovaniem (On-Line)
3.2. IBP Chloride Power Electronics
3.3. IBP American Power Conversion
3.3.1. Vtoroe i tret'e pokolenie IBP APC
3.3.2. Vybor IBP
3.3.3. Soedinenie priborov
3.3.4. Obsluzhivanie i remont IBP
3.4. IBP Best Power
3.4.1. Netradicionnye primeneniya IBP
3.4.2. Ispol'zovanie IBP dlya orgtehniki
3.5. Preobrazovatel'naya tehnika firmy Benning
3.5.1. Vypryamiteli
3.5.2. Tiristornye vypryamiteli
3.5.3. Invertory
3.5.4. Stabilizatory i preobrazovateli postoyannogo
napryazheniya
3.5.5. Upravlenie ustrojstvami elektropitaniya
3.6. Preobrazovatel'naya tehnika firmy Voigt & Haeffner
Glava 4. Avtonomnye istochniki energii
4.1. Dizel'-generatornye ustanovki firmy ABZ Aggregate-Bau
GmbH
4.1.1. Vybor sposoba upravleniya agregatom
4.1.2. Sfery primeneniya dizel'-agregatov
4.2. Dizel'-generatory koncerna SDMO
4.3. Solnechnaya energiya
4.3.1. Gelioustanovki na shirote 60o
4.3.2. Geliomobil' segodnya
4.3.3. Preobrazovateli solnechnoj energii
4.3.4. Koncentratory solnechnogo sveta
4.3.5. ZHiloj dom s solnechnym otopleniem
4.4. |nergiya vetra
4.4.1. Veter
4.4.2. Upryazh' dlya vetra
Nikakaya deyatel'nost' nevozmozhna bez ispol'zovaniya energii.
Proizvoditel'nost' -- i, v konechnom schete, pribyl' -- v
znachitel'noj stepeni zavisit ot stabil'nosti podachi energii.
Nalichie energii -- odno iz neobhodimyh uslovij dlya resheniya
prakticheski lyuboj zadachi.
Polucheniem, a pravil'nee skazat', preobrazovaniem energii
luchshie umy chelovechestva zanimayutsya ne odnu sotnyu let.
Proizvodstvo energii predpolagaet ee poluchenie v vide udobnom
dlya ispol'zovaniya, a samo poluchenie -- tol'ko preobrazovanie iz
odnogo vida v drugoj.
V predlagaemoj knige stavilas' cel' predstavit'
segodnyashnee tehnicheskoe sostoyanie energetiki kak otrasli i
assortiment istochnikov i ustrojstv preobrazovaniya elektricheskoj
energii, dostupnyh dlya prakticheskogo ispol'zovaniya, ot
proizvoditelej prisutstvuyushchih na nashem rynke. V privodimyh
primerah ispol'zovan opyt razrabotok real'nyh proektov
otechestvennyh i zarubezhnyh firm (sm. str. 106).
Iz vseh otraslej hozyajstvennoj deyatel'nosti cheloveka
energetika okazyvaet samoe bol'shoe vliyanie na nashu zhizn'.
Proschety v etoj oblasti imeyut ser'eznye posledstviya. Teplo i
svet v domah, transportnye potoki i rabota promyshlennosti --
vse eto trebuet zatrat energii.
Osnovoj energetiki segodnyashnego dnya yavlyayutsya toplivnye
zapasy uglya, nefti i gaza, kotorye udovletvoryayut primerno
devyanosto procentov energeticheskih potrebnostej chelovechestva
(gl. 1).
Odnoj iz vazhnyh problem v energetike, krome polucheniya
energii, yavlyaetsya obespechenie vozmozhnostej ee hraneniya i
transportirovaniya. Himicheskie istochniki toka, izvestnye bolee
100 let, pozvolyayut vyrabatyvat', hranit' i preobrazovyvat'
energiyu. Oni yavlyayutsya nepremennymi sputnikami lyubyh avtonomnyh
istochnikov energii (gl. 2).
Naibolee universal'naya forma energii -- elektrichestvo. Ono
vyrabatyvaetsya na elektrostanciyah i raspredelyaetsya mezhdu
potrebitelyami posredstvom elektricheskih setej kommunal'nymi
sluzhbami. Prekrashchenie podachi elektroenergii paralizuet vse vidy
deyatel'nosti. Dlya togo chtoby etogo ne proizoshlo -- ispol'zuyutsya
sistemy besperebojnogo elektropitaniya i avtonomnye istochniki
energii (gl. 3 i 4).
Potrebnosti v energii prodolzhayut postoyanno rasti. Nasha
civilizaciya dinamichna. Lyuboe razvitie trebuet, prezhde vsego,
energeticheskih zatrat i pri sushchestvuyushchih formah nacional'nyh
ekonomik mnogih gosudarstv mozhno ozhidat' vozniknoveniya
ser'eznyh energeticheskih problem. Bolee togo, v nekotoryh
stranah oni uzhe sushchestvuyut.
Dazhe esli energeticheskogo krizisa udastsya izbezhat', mir,
rano ili pozdno, neizbezhno stolknetsya s tem, chto osnovnye vidy
tradicionnogo topliva budut ischerpany. Zapasy nefti, gaza, uglya
ne beskonechny. CHem bol'she my ispol'zuem eti vidy
energeticheskogo syr'ya, tem men'she ih ostaetsya i tem dorozhe s
kazhdym dnem oni nam obhodyatsya.
Nesmotrya na to, chto kolichestvo razvedannyh zapasov
nekotoryh energeticheskih resursov, naprimer, nefti, vozrastaet,
pered chelovechestvom uzhe segodnya vstaet zadacha osvoeniya
neischerpaemyh istochnikov energii.
V techenie sleduyushchego veka nachnetsya perehod k drugim
istochnikam energii, posle chego chelovechestvo prochno vstanet na
put' sozdaniya neischerpaemoj sistemy snabzheniya energiej.
Poskol'ku, eshche mozhno vybirat' mezhdu razlichnymi istochnikami
energii reshayushchee znachenie dlya vybora imeet stoimost' energii. V
otlichie ot nefti segodnya v mire ne sushchestvuet kakih-to edinyh
cen na ugol'. Ego stoimost' kolebletsya v zavisimosti ot
soderzhaniya teh ili inyh komponentov, vozmozhnosti ispol'zovaniya
dlya opredelennyh celej, uslovij transportirovki i t.d.
CHto kasaetsya yadernoj energii, to zdes' situaciya
paradoksal'na. Mozhno utverzhdat', chto atomnaya energetika
voznikla slishkom rano i odnovremenno slishkom pozdno.
Esli my govorim "rano", to eto oznachaet, chto ee
ispol'zovanie eshche ne stalo nasushchno neobhodimym, tak kak segodnya
i v blizhajshie desyatiletiya eshche est' vozmozhnost' pol'zovat'sya
neft'yu i gazom. Vo vtorom sluchae rech' idet o tom, chto
ispol'zovanie vozmozhnostej atomnoj energetiki ne vneslo
sushchestvennogo vklada v energetiku [1].
Do nastoyashchego vremeni raboty po upravlyaemomu termoyadernomu
sintezu ne vyshli iz eksperimental'noj stadii. Poetomu na etot
vid bezgranichnyh energeticheskih resursov poka rasschityvat' ne
prihoditsya.
Zemlya kazhdyj den' poluchaet ot Solnca v tysyachu raz bol'she
energii, chem ee vyrabatyvaetsya vsemi elektrostanciyami mira.
Zadacha zdes' sostoit v tom, chtoby nauchit'sya prakticheski
ispol'zovat' hotya by ee nebol'shoe kolichestvo (gl. 4). Nel'zya
utverzhdat', chto shirokomasshtabnoe ispol'zovanie solnechnoj
energii ne budet imet' nikakih posledstvij dlya okruzhayushchej
sredy, no vse zhe oni budut nesravnenno men'shimi, chem v
tradicionnoj energetike.
|NERGETIKA VCHERA I SEGODNYA
Na protyazhenii pochti 80 let elektroenergetika razvivalas' i
funkcionirovala kak obshchenacional'naya monopoliya. Kazhdaya
respublika byvshego Soyuza yavlyalas' integrirovannoj chast'yu edinoj
energeticheskoj sistemy (E|S). V 1991 godu nachalsya process
decentralizacii i dezintegracii E|S i elektroenergetiki.
Nachalsya process reformirovaniya otrasli, chto privelo k snizheniyu
kachestva i rostu cen na elektroenergiyu.
V epohu ugol'noj i mazutnoj energetiki neobhodimo bylo
poluchat' elektrichestvo i teplo na krupnyh stanciyah, a zatem
peredavat' ih potrebitelyam nahodyashchimsya na rasstoyanii. Takie
sistemy byli opravdany -- oni voznikli v te gody, kogda
osnovnym istochnikom energii dlya strany byl kamennyj ugol'.
Szhigat' ego trudno -- nuzhna slozhnaya tehnika dlya razmola. Krome
togo, sledovalo raspolagat' stancii podal'she ot zhil'ya.
Zatem poyavilis' elektrostancii i kotel'nye na mazute. No
mazut -- eto toplivo dostupnoe tol'ko dlya szhiganiya na krupnyh
ustanovkah, prichem, s obiliem vydelyaemyh toksichnyh gazov v
vybrosah iz dymovyh trub.
Atomnye elektrostancii nanosyat ne men'shij ushcherb.
Utilizaciya otrabotannogo topliva yadernyh reaktorov i tepla,
posledstviya radioaktivnyh vybrosov i avarij -- nepolnyj
perechen' nedostatkov "mirnogo atoma".
Zachastuyu my ne mozhem v absolyutnyh edinicah vyrazit' ushcherb,
kotoryj vsegda nanosit lyubaya teplo- ili elektrostanciya. Vybor
variantov razvitiya energetiki razumen tol'ko v tom sluchae, esli
sravnivayutsya ne tol'ko polozhitel'nye, no i otricatel'nye
faktory.
V kipenii politicheskih strastej chastnyj vopros ob
energosnabzhenii strany otodvinulsya na vtoroj plan. Mnogie
schitayut, chto etot vopros ih ne kasaetsya. No esli predstavit'
reakciyu naseleniya zamerzayushchego v temnyh kvartirah -- energetika
operedit dazhe prodovol'stvennyj vopros.
Lozung "Doloj atomnye elektrostancii" ispol'zuyut deyateli
vseh mastej. "Zelenye" ego primenyayut v pryamom smysle.
Protivostoyashchie im apologety (apologet -- tot, kto vystupaet s
zashchitoj kakoj-libo idei) nyneshnih gigantskih elektrostancij
tozhe lyubyat etot lozung, kak primer ochevidnoj nekompetentnosti i
nedal'novidnosti "zelenyh": "Posidyat, deskat', v temnote --
zapoyut inache" [2].
Glavnye ob®ekty diskussij -- teplovye, gidravlicheskie i
atomnye elektrostancii. Kazhdaya iz etih "fabrik elektrichestva"
imeet ser'eznye nedostatki iz kotoryh na pervoe mesto
vydvigaetsya nanosimyj imi ekologicheskij ushcherb.
Dlya ponimaniya "chto takoe horosho i chto takoe ploho" v
energetike neobhodimy kriterii uchityvayushchie neobhodimost'
prodolzheniya hozyajstvennoj deyatel'nosti cheloveka i, naryadu s
etim, minimiziruyushchie ushcherb nanosimyj okruzhayushchej srede.
Osnovnoj vklad v zagryaznenie atmosfery uglekislym gazom
vnosyat T|C, GR|S i avtomobili. Atomnye elektrostancii ne
vybrasyvayut uglekislyj gaz, a potomu "parnikovyj effekt" stal
glavnym argumentom u storonnikov atomnoj energetiki.
Dostatochno bol'shim energeticheskim potencialom obladayut
razvedannye zapasy gaza. S ekologicheskoj tochki zreniya u
prirodnogo gaza dva nedostatka: vybrosy okislov azota i
uglekislogo gaza usilivayushchego parnikovyj effekt. Pri umelom
szhiganii gaza, v parogazovyh ustanovkah, okislov azota
obrazuetsya nemnogo (sm. str. 9), a vybrosy uglekislogo gaza
primerno vdvoe nizhe, chem pri ispol'zovanii uglya ili nefti.
Do togo kak my nauchimsya poluchat' energiyu v bol'shih
kolichestvah iz principial'no novyh istochnikov budut
ispol'zovat'sya tradicionnye vidy topliva. Poetomu
razrabatyvayutsya novye mestorozhdeniya i issleduyutsya processy,
pozvolyayushchie effektivnee ispol'zovat' energiyu iskopaemogo
topliva i umen'shit' svyazannoe s etim zagryaznenie okruzhayushchej
sredy.
V etoj glave my hotim pokazat', chto net osnovanij slepo
verit' tem, kto risuet nashe budushchee v mrachnyh tonah, kto
postoyanno tverdit, chto blizitsya "konec sveta", chto
energeticheskij krizis i zagryaznenie okruzhayushchej sredy v techenie
desyatiletij ugrobyat chelovechestvo.
Parnikovyj effekt
Opasnost' parnikovogo effekta chelovechestvo osoznalo
sravnitel'no nedavno [1]. Naryadu s termicheskimi processami,
proishodyashchimi vnutri nashej planety, bol'shuyu chast' energii neset
izluchenie solnca.
Temperatura izluchayushchej poverhnosti Solnca okolo 6000oK.
Padayushchaya na Zemlyu energiya perenositsya izlucheniem s dlinoj volny
ot 0,2 do 2 mkm (krivaya 1 na ris. p082). Izluchaemaya zemnoj
poverhnost'yu, so srednej temperaturoj v 255oK, energiya
rasprostranyaetsya v diapazone dlin voln ot 2 do 100 mkm (krivaya
2 na ris. p082).
Vodyanoj par atmosfery svobodno propuskaet pryamoe solnechnoe
izluchenie i sravnitel'no slabo zaderzhivaet ego otrazhenie.
Aktivnoe pogloshchenie vodoj prihoditsya na diapazon 4...7 mkm. Na
ris. p082 etot diapazon zanimaet uzkij uchastok spektra (uchastok
H2O krivoj 2). Uglekislyj gaz (SO2) pogloshchaet izluchenie na
chastotah 13...19 mkm. On zaderzhivaet otrazhennoe teplo na
uchastke krivoj 2.
Takim obrazom, "uglekislotnoe odeyalo" povyshaet temperaturu
planety. Rost temperatury korreliruet s rostom koncentracii
uglekislogo gaza v atmosfere.
Na ris. p083 pokazano izmenenie koncentracii SO2,
izmerennoe na Gavajskih ostrovah. Tam net promyshlennyh centrov,
poetomu mozhno schitat', chto registrirovalas' "obshchemirovaya"
kartina. Zamery za 25 let pokazali, chto s 1959 po 1984 god,
kolichestvo uglekislogo gaza v atmosfere vozroslo.
Za desyatiletie 1970...80 gg. povyshenie temperatury zemnoj
poverhnosti sostavilo 0,3oS. V posleduyushchie desyatiletiya
prognozirovalsya rost temperatury na neskol'ko gradusov.
Real'noe povyshenie temperatury proishodit neskol'ko medlennee.
Odnako, v budushchem poteplenie mozhet stat' prichinoj global'nogo
ekologicheskogo bedstviya -- privesti k tayaniyu polyarnyh l'dov,
povysheniyu urovnya i zatopleniyu pribrezhnyh territorij mirovogo
okeana. Po predvaritel'nym ocenkam tayanie polyarnyh "shapok"
Zemli privedet k povysheniyu urovnya mirovogo okeana na 6 metrov.
Toplivnye resursy Zemli
Posle neftyanogo krizisa 1973...74 godov v razvityh stranah
ser'ezno zadumalis' ob ekonomii prirodnogo topliva. S toj pory
nachalsya intensivnyj poisk energosberegayushchih tehnologij --
konstruirovanie ekonomichnyh dvigatelej, elektrostancij i pr.
V rezul'tate potrebnosti v toplive a, sootvetstvenno i
ceny na nego, ne tol'ko stabilizirovalis', no dazhe snizilis'.
Izmenilis', stav bolee optimistichnymi, prognozy otnositel'no
prirodnyh toplivnyh zapasov.
K primeru, prognozy ne uchityvayut gigantskie rezervy
gazovyh gidratov (gazovye gidraty -- gazy, svyazannye s vodoj v
zonah vechnoj merzloty i na dne morej). No dazhe esli etot
syr'evoj istochnik ne brat' v raschet, to imeyushchihsya resursov, pri
neznachitel'nom zameshchenii nefti uglem i gazom, vpolne
dostatochno, chtoby obespechit' uverennoe energeticheskoe
obespechenie chelovechestva do konca sleduyushchego stoletiya. Tak chto
v obozrimom budushchem prirodnye resursy smogut uspeshno
konkurirovat' kak s eshche tol'ko osvaivaemym vodorodom, tak i s
sinteticheskimi vidami topliva. Cifry, privodimye na ris. p065,
pokazyvayut v kakom sootnoshenii ispol'zuetsya iskopaemoe toplivo
[3].
Imeyushchiesya v nashem rasporyazhenii istochniki energii my
ispol'zuem v vysshej stepeni neracional'no. CHelovek vynuzhden
neodnokratno preobrazovyvat' odin vid energii v drugoj poka
okonchatel'no ee ne ispol'zuet.
Kazhdoe preobrazovanie soprovozhdaetsya poteryami chasti
energii. Na elektrostanciyah iz topliva poluchayut teplovuyu
energiyu, ispol'zuemuyu dlya proizvodstva para. Par, v svoyu
ochered', privodit v dvizhenie turbiny. Teper' uzhe mehanicheskaya
energiya, kotoraya peredaetsya generatoram, preobrazuetsya, v
konechnom schete, v elektroenergiyu. Pri ispol'zovanii
elektronagrevatel'nyh priborov poluchennaya mnogokratnymi
preobrazovaniyami i poetomu dorogaya elektricheskaya energiya
prevrashchaetsya vnov' v teplovuyu. V rezul'tate iz vsej poluchaemoj
energii my real'no potreblyaem ne bolee poloviny, ostal'naya
bezvozvratno teryaetsya.
Poteri teplovoj energii na pervoj stupeni ne pozvolyayut
poluchit' KPD vyshe 40%. Otrabotannoe teplo popadaet v vodoemy i
narushaet v nih biologicheskoe ravnovesie. Teplovye
elektrostancii szhigayushchie ugol' den' i noch' vybrasyvayut v
atmosferu tonny soedinenij ugleroda (ezhegodno v atmosferu
vybrasyvaetsya okolo shesti milliardov tonn ugleroda [3]) i sery.
Poslednie vstupayut v himicheskuyu reakciyu s vlagoj, soderzhashchejsya
v vozduhe, obrazuya kisloty raz®edayushchie stal' i mramor i, chto
namnogo huzhe, razrushayushchie nashi legkie.
V sravnenii s tradicionnymi paroturbinnymi
elektrostanciyami, T|C i kotel'nymi bolee effektivna gazovaya
mikroenergetika. Malye ustanovki pozvolyayut vyrabatyvat'
neobhodimoe kolichestvo energii v sootvetstvii s tekushchimi
potrebnostyami v neposredstvennoj blizosti ot potrebitelya. Oni
obladayut vysokoj nadezhnost'yu i maloinercionny. Stoimost'
oborudovaniya na kilovatt moshchnosti vdvoe nizhe, chem na krupnyh
T|C.
Vazhnoe preimushchestvo gazovoj mikroenergetiki --
manevrennost'. Izmenit' elektricheskij rezhim mozhno za sekundy,
teplovoj rezhim -- za minuty, vmesto mnogih chasov izmeneniya
rezhima v obychnyh teplovyh setyah. Prakticheskaya nereguliruemost'
segodnyashnih teplovyh istochnikov s dlinnymi setyami privodit k
pererashodu energii: kogda zimoj potepleet i my otkryvaem okna,
vybrasyvaya izbytok tepla na ulicu.
Otmetim eshche odnu detal': za vse poteri v energetike, v
konechnom schete, platit potrebitel'.
Neft' -- istochnik energii i syr'ya
Dolgoe vremya neft' ne nahodila primeneniya kak toplivo i
syr'e. Tol'ko v nachale HIH veka iz "zemlyanogo masla", kak ee
togda nazyvali, stali vydelyat' ochishchennye produkty. Prezhde
vsego, nauchilis' poluchat' kerosin i benzin. Kerosin nashel
primenenie srazu s poyavleniem kerosinovoj lampy. Sud'ba benzina
okazalas' bolee slozhnoj. Na protyazhenii pochti sta let eta
legkovosplamenyayushchayasya zhidkost' byla odnim iz opasnejshih othodov
nefti.
Benzina s kazhdym godom stanovilos' vse bol'she i ot nego
vse trudnee bylo izbavlyat'sya. K nachalu HH veka ves
unichtozhaemogo benzina ischislyalsya sotnyami tysyach tonn v god.
Ob®yavlyalis' konkursy -- kto najdet luchshij sposob unichtozheniya
othodov. Tol'ko izobretenie dvigatelya vnutrennego sgoraniya
otkrylo real'nuyu oblast' primeneniya benzina [4].
Neft' soderzhit do 50% mazuta, kotoryj takzhe ne nahodil
primeneniya. V nastoyashchee vremya iz nego izgotavlivayut smazki i
szhigayut v special'no razrabotannyh topkah kotlov.
Mestorozhdeniya nefti na materikah, kotorye mogut byt'
osvoeny otrabotannymi metodami, davno i horosho izvestny. Ih
ekspluataciya idet polnym hodom.
Na protyazhenii mnogih let special'no oborudovannye suda,
vedushchie razvedku nefti, tshchatel'no issleduyut morskoe dno.
Geologi svyazyvayut svoi nadezhdy, prezhde vsego, s shel'fom (shel'f
[angl. shelf] -- podvodnoe prodolzhenie materika, do glubiny 200
m) -- dnom melkovodnyh morej, omyvayushchih vse bez isklyucheniya
chasti sveta.
V moryah, kotorye gluboko vdayutsya v materiki, shel'fovye
zony sravnitel'no veliki, poskol'ku vokrug lezhit susha. Berega v
takih mestah, kak pravilo, omyvayutsya melkovod'em.
Naibolee perspektivnoe shel'fovoe more -- Severnoe.
Sejsmicheskoe zondirovanie i kontrol'noe burenie pokazalo, chto
pod ego dnom nahodyatsya neskol'ko desyatkov neftyanyh
mestorozhdenij. Soglasno ocenkam, summarnye razvedannye zapasy
nefti v Severnom more dostigayut 1,5 mlrd. t. |to v sem' raz
prevyshaet zapasy nefti na Evropejskom kontinente.
Specialisty polagayut, chto do sih por razvedana okolo 1/3
nefti. Krome nefti pod dnom Severnogo morya obnaruzheno okolo 50
gazonosnyh mestorozhdenij.
V svyazi s etim stanovitsya ponyatnoj dal'novidnost'
postroeniya morskih terminalov, naprimer, v Odesse. Neft' nuzhno
pererabotat'. Pri etom poluchayut ne tol'ko toplivo, no i syr'e.
Gazifikaciya uglya
Krome neposredstvennogo szhiganiya ugol' mozhet
ispol'zovat'sya kak syr'e dlya polucheniya sinteticheskogo gaza.
Pervye opyty po gazifikacii uglya otnosyatsya k koncu HVIII veka.
V 1782 godu F. Fontana soobshchil o nablyudavshejsya im reakcii
obrazovaniya "goryuchego gaza" pri propuskanii vodyanogo para cherez
raskalennyj ugol'.
Opyty po polucheniyu gaza dlya osveshcheniya provodilis' v Anglii
v nachale HIH veka. V 1831 g. Dzh. Lou predlozhil szhigat' ugol' v
atmosfere vozduha, a zatem gazificirovat' propuskaya cherez nego
vodyanoj par. V 1840 g. byl postroen pervyj gazogenerator. V
1854 g. -- zaregistrirovan pervyj patent na tehnologiyu
gazifikacii uglya v promyshlennyh masshtabah.
Rost doli promyshlennogo ispol'zovaniya v energetike nefti i
prirodnogo gaza sdelal processy gazifikacii uglya
konkurentosposobnymi. |nergeticheskie kompanii snova obratili na
nego vnimanie v period energeticheskogo krizisa 1973...74 gg.
Proizvoditel'nye tehnologii razrabotany v nachale HH veka.
Izvesten metod gazifikacii ugol'noj pyli, predlozhennyj
Vinklerom, v nachale 20-h godov. Firma "Lugri" razrabotala
tehnologiyu polucheniya gaza, obladayushchego vysokoj teplotvornoj
sposobnost'yu, s ispol'zovaniem kisloroda i vodyanogo para pod
davleniem.
S tochki zreniya ekologii lyubye vidy gazifikacii uglya tol'ko
uvelichivayut vrednye vybrosy. Pri szhiganii vybrosy okislov sery
i azota ostayutsya veliki dazhe pri ochen' dorogostoyashchih ochistnyh
sooruzheniyah, a vybrosy osnovnogo produkta sgoraniya --
uglekislogo gaza -- neustranimy.
Esli teploelektrostancii naryadu s ulovitelyami zoly i
ochistkoj stochnyh vod oboruduyutsya ustanovkami dlya sero- i
azotoochistki, to oni, bezuslovno, dorozhayut. Raschety pokazyvayut,
chto energiya ugol'nyh T|C obojdetsya vdvoe dorozhe gazovyh.
Takim obrazom, predstavlyaetsya, chto dlya energosnabzheniya
ekonomichnee ispol'zovat' prirodnyj gaz.
Gazovaya mikroenergetika
Gaz -- naibolee effektivnyj vid topliva. Prirodnyj i
poputnyj goryuchij gaz sostoit iz uglevodorodov s primes'yu azota,
uglekislogo gaza, serovodoroda i v nebol'shih kolichestvah argona
i geliya. V ego sostav vhodit 40...80% metana i propana,
20...60% butana, pentana i vysshih uglevodorodov, a teplotvornaya
sposobnost' dostigaet 4,19 kDzh/kg.
Gaz kak toplivo sozdaet edinstvennuyu ekologicheskuyu
opasnost' -- toksichnye okisly azota v produktah goreniya. V
malyh kotlah ih obrazuetsya v pyat' raz men'she (na edinicu
vyrabatyvaemoj energii), chem v bol'shih. Krome togo, sushchestvuyut
horosho proverennye prostye metody dal'nejshego snizheniya okislov
azota v vybrosah putem podmeshivaniya chasti dymovyh gazov k
vhodyashchemu vozduhu, to est' s recirkulyaciej ili dozhiganiem.
Dozhigatel' montiruetsya na lyubuyu gorelku i obespechivaet
medlennoe, s mnogokratnoj recirkulyaciej, vihrevoe dvizhenie
goryashchih gazov dayushchee polnoe sgoranie -- bez sazhi i pri
minimal'nyh kolichestvah okislov azota. |tot metod ispol'zuetsya
pri szhiganii ne tol'ko prirodnogo gaza, no i otrabotannogo
mashinnogo masla iz avtomobil'nyh dvigatelej ili rezinovyh
othodov i staryh shin.
Malye energoustanovki na baze dvigatelej vnutrennego
sgoraniya na gazovom toplive (ili gazovyh turbin),
turbogeneratora i kotla-utilizatora dlya kombinirovannoj
vyrabotki elektroenergii i tepla predstavlyayutsya real'noj
osnovoj gazovoj energetiki. V teh sluchayah, kogda neobhodimo
tol'ko teplo (otoplenie, goryachaya voda), dostatochno ustanovit'
na cherdake zdaniya nebol'shoj polnost'yu avtomatizirovannyj
vodogrejnyj kotel.
Gazovye truby vmesto teplomagistralej
Plotnost' potoka energii v gazovoj trube, dazhe pri
nevysokom davlenii, v sto raz vyshe, chem v trube s goryachej
vodoj. Ulozhennye do vojny gazovye truby sluzhat do sih por. V to
zhe vremya teplovye seti s vodoj, nagretoj do 100...180oS,
prihoditsya menyat' kazhdye pyat'-desyat' let iz-za neustranimoj
korrozii metalla v goryachej i vlazhnoj srede. Poetomu odnu i tu
zhe energiyu mozhno peredat' v gazovoj trube desyatikratno men'shego
diametra, krome togo, gazovye seti mnogokratno dolgovechnee.
Vmesto teplovyh magistralej diametrom okolo metra, kotorye
horosho znakomy zhitelyam gorodov, gazovaya truba diametrom 100
millimetrov mozhet byt' provedena vsyudu prakticheski bez "travm"
dlya okruzhayushchih sooruzhenij.
Malye sovremennye vodogrejnye kotly s polnoj kondensaciej
dymovyh gazov imeyut KPD ne nizhe 90%. Pri nagreve vody dlya
goryachego vodosnabzheniya ot 10 do 100oS temperatura uhodyashchih
gazov sostavlyaet vsego 20...30oS. Recirkulyaciej dymovyh gazov
vybrosy okislov azota snizhayutsya do 30 chastic na million. |to
luchshe, chem pri lyubyh sposobah ochistki, primenyaemyh na bol'shih
elektrostanciyah. Kotly polnost'yu avtomatizirovany, oni ne
trebuyut obsluzhivaniya krome periodicheskogo osmotra.
Na grafike ris. p081 otrazheny rezul'taty ekspluatacii
takogo kotla teplovoj moshchnost'yu 300 kVt. Kak vidno iz grafikov,
dazhe v trudnom rezhime maloj nagruzki (20% ot nominal'noj)
dostatochno recirkulirovat' 25% gazov, chtoby dobit'sya malyh
vybrosov.
Pri takoj zhe edinichnoj moshchnosti -- sotni kilovatt mozhno
reshat' i zadachu snabzheniya elektroenergiej. Zdes' horoshim
primerom sluzhat dizel'-generatory, postavlyaemye firmoj ABZ
Aggregate-Bau GmbH (sm. gl. 4.1). Dizel'nyj dvigatel' na
prirodnom gaze vrashchaet sinhronnyj generator, dayushchij
elektroenergiyu. Teplo ohlazhdeniya dvigatelya i vyhlopnyh gazov
ispol'zuetsya dlya otopleniya i goryachego vodosnabzheniya. Nizkij
uroven' shuma i malye vybrosy okislov azota i drugih vrednyh
gazov priemlemy dazhe dlya uslovij goroda s osobo vysokim urovnem
trebovanij.
V zhilyh domah podobnye agregaty razmeshchayutsya na verhnem
etazhe libo v podvale. Ih vozmozhnyj shum ili vibraciya men'she, chem
ot liftovoj mashiny ili vodyanyh nasosov. Zapusk i ostanovka
provodyatsya avtomatikoj v sootvetstvii s real'noj nagruzkoj.
Nikakoj problemy manevrennosti ne voznikaet. Pri neispravnosti
agregata ego ne remontiruyut, a zamenyayut, privozya novyj
dvigatel' ili generator.
|ffektivnost' maloj energetiki po rashodu topliva,
nesomnenno, vyshe, chem pri tradicionnom centralizovannom
teplosnabzhenii ot paroturbinnyh T|C. Dizel'nye dvigateli imeyut
KPD okolo 42%, togda kak paroturbinnye ustanovki, dazhe samye
sovershennye -- ne vyshe 39%. K tomu zhe pri dostavke
preobrazovannoj energii potrebitelyu v teplovyh setyah teryaetsya v
srednem ne menee 10% energii, togda kak v gazovoj takih poter'
net sovsem.
Gaz -- sopernik benzina
Povsemestnyj rost kolichestva avtomobilej potreboval
znachitel'nogo uvelicheniya ob®emov proizvodstva benzina. V
kachestve zameny zhidkogo topliva dlya dvigatelej vnutrennego
sgoraniya shiroko ispol'zuetsya prirodnyj gaz.
Kogda v tridcatye gody proshlogo veka anglichanin Barnett
poluchil patent na gazovyj dvigatel', a v 1860 godu francuz |.
Lenuar postroil motor, rabotayushchij na smesi vozduha i gaza,
nikogo takoj vybor goryuchego ne udivil -- benzina eshche ne bylo.
Vpervye benzin v kachestve goryuchego byl ispol'zovan lish'
spustya dva desyatiletiya, kogda G. Dajmler sozdal benzinovyj
dvigatel' vnutrennego sgoraniya. Benzinovyj motor zamenil loshad'
v pervyh "samodvizhushchihsya kolyaskah" -- avtomobilyah, sozdatelyami
kotoryh stali Karl Benc i Gotlib Dajmler.
O gaze kak o vozmozhnom motornom toplive nadolgo zabyli.
Lish' cherez 100 let posle Barnetta, v konce tridcatyh godov
nashego stoletiya, vozrodilas' mysl' o ego ispol'zovanii. Togda
poyavilis' pervye gazogeneratornye avtomobili. Gaz vyrabatyvalsya
v topke, a ottuda podavalsya v dvigatel'.
Oktanovoe chislo 105?
Issledovaniya oprovergli ustoyavsheesya mnenie, chto
ispol'zovanie gaza vmesto benzina -- vynuzhdennaya mera. Gazovoe
toplivo sgoraet polnee, poetomu koncentraciya okisi ugleroda v
vyhlope gazovogo dvigatelya v neskol'ko raz men'she.
Avtomobil' na benzine vybrasyvaet v atmosferu sernistyj
gaz, kotoryj obrazuetsya ot sgoraniya sernistyh komponentov
topliva, i tetraetilsvinec. V prirodnom gaze sery, kak pravilo,
net, a poetomu v vyhlopah gazovogo dvigatelya net ni sernistogo
gaza, ni soedinenij svinca.
V otrabotannyh gazah benzinovogo dvigatelya iz-za nepolnogo
sgoraniya topliva soderzhitsya i okis' ugleroda (SO) -- toksichnoe
dlya cheloveka veshchestvo.
I gazovye, i benzinovye avtomobili vybrasyvayut v atmosferu
odinakovoe kolichestvo uglevodorodov. Dlya zdorov'ya cheloveka
opasny ne sami uglevodorody, a produkty ih okisleniya.
Dvigatel', rabotayushchij na benzine, vybrasyvaet sravnitel'no
legko okislyayushchiesya veshchestva -- etil i etilen, a gazovyj
dvigatel' -- metan, kotoryj iz vseh predel'nyh uglevodorodov
naibolee ustojchiv k okisleniyu. Poetomu uglevodorodnyj vybros
gazovogo avtomobilya menee opasen (sm. ris. p064).
Gaz kak motornoe toplivo ne tol'ko ne ustupaet benzinu, no
i prevoshodit ego po svoim svojstvam.
Dvigatel' vnutrennego sgoraniya avtomobilya rabotaet po
klassicheskomu chetyrehtaktnomu ciklu. Gazoobraznaya smes' vozduha
i topliva vsasyvaetsya v cilindr dvigatelya, szhimaetsya porshnem,
vosplamenyaetsya iskroj, davit na porshen' i dvigaet shatunnyj
mehanizm, a zatem vybrasyvaetsya iz cilindra.
CHem sil'nee mozhno szhat' toplivo bez vozniknoveniya
detonacii (detonaciya [lat. detonare progremet'] --
rasprostranenie plameni v veshchestve so skorost'yu, prevyshayushchej
skorost' zvuka v dannom veshchestve), tem bol'she moshchnost'
dvigatelya. Antidetonacionnuyu sposobnost' topliva opredelyayut
oktanovym chislom. CHem ono vyshe, tem luchshe toplivo. Srednee
oktanovoe chislo prirodnogo gaza -- 105 -- nedostizhimo dlya lyubyh
marok benzina.
Dvigatel' vnutrennego sgoraniya rabotaet na smesi vozduha i
raspylennogo topliva, Dlya vosplameneniya smesi nuzhna
opredelennaya koncentraciya topliva. Gaz, v sravnenii s benzinom,
gorit pri men'shih koncentraciyah, t.e. pri bolee "bednyh"
smesyah. V sluchae povysheniya koncentracii gaza i obogashcheniya smesi
mozhno dobit'sya uvelicheniya moshchnosti dvigatelya. Obednyaya smes',
naoborot, mozhno ponizit' moshchnost'. Voznikaet vozmozhnost'
izmeneniem sostava smesi regulirovat' moshchnost' dvigatelya: gaz
kak toplivo znachitel'no "poslushnee" benzina.
|kspluataciya pokazala, chto avtomobili na gaze bolee
vynoslivy -- v poltora-dva raza dol'she rabotayut bez remonta.
Pri sgoranii gaza obrazuetsya men'she tverdyh chastic i zoly,
vyzyvayushchih povyshennyj iznos cilindrov i porshnej dvigatelya.
Krome togo, maslyanaya plenka dol'she derzhitsya na metallicheskih
poverhnostyah -- ee ne smyvaet zhidkoe toplivo, i, nakonec, gaz
prakticheski ne vyzyvaet korroziyu metalla,
Nesmotrya na mnogochislennye dostoinstva prirodnogo gaza,
zakryvat' zapravochnye stancii i vybrasyvat' benzinovye kanistry
eshche rano.
Metan
V perehode na gazovoe toplivo est' svoi slozhnosti. Tak,
naprimer, plotnost' prirodnogo metana v tysyachu raz nizhe
plotnosti benzina. Poetomu, esli zapravlyat' avtomobil' metanom
pri atmosfernom davlenii, to dlya ravnogo s benzinom kolichestva
topliva ponadobitsya bak v 1000 raz bol'she. CHtoby ne vozit'
ogromnyj pricep s toplivom, neobhodimo uvelichit' plotnost'
gaza. |to mozhno dostich' szhatiem metana do 20...25 MPa
(200...250 atmosfer (1at = 9,81h104 Pa)). Dlya hraneniya v takom
sostoyanii ispol'zuyutsya special'nye ballony.
Propan-butan
Propan-butan -- sinteticheskoe toplivo. Ego poluchayut iz
nefti i skondensirovannyh neftyanyh poputnyh gazov. CHtoby eta
smes' ostavalas' zhidkoj, ee hranyat i perevozyat pod davleniem v
1,6 MPa (16 atmosfer). Gazoballonnaya apparatura dlya szhizhennogo
propan-butana neskol'ko proshche. Process zapravki mashin na
gazonapolnitel'nyh stanciyah neslozhen i ochen' pohozh na zapravku
benzinom.
Po svoim svojstvam szhizhennyj propan-butan pochti ne
otlichaetsya ot szhatogo prirodnogo gaza. To zhe vysokoe oktanovoe
chislo, te zhe neplohie ekologicheskie i ekspluatacionnye
pokazateli. Est' u szhizhennogo propan-butana i preimushchestvo
pered metanom -- 225 litrov etogo goryuchego hvataet na probeg
okolo 500 kilometrov, a metana, pomeshchayushchegosya v vos'mi ballonah
-- na vdvoe men'shij. Sejchas na szhizhennom gaze rabotaet vdvoe
men'she mashin, chem na szhatom i vot pochemu. Propan-butana
poluchayut v 20...25 raz men'she, chem dobyvayut prirodnogo gaza.
Vodorodnaya energetika segodnya
Vozmozhnost' povsemestnogo ispol'zovaniya vodoroda kak
topliva segodnya vyglyadit menee obnadezhivayushche, chem, skazhem, 30
let nazad. |to napravlenie energetiki predpolagaet poluchenie
vodoroda v krupnyh masshtabah putem razlozheniya vody,
transportirovku "goryuchego" k punktam potrebleniya i
ispol'zovanie ego prakticheski vo vseh sluchayah, gde sejchas
szhigayut iskopaemoe toplivo. Nahodyatsya goryachie golovy, kotorye
predlagayut uzhe segodnya polnost'yu otkazat'sya ot
centralizovannogo energosnabzheniya, chtoby proizvodit'
elektroenergiyu s pomoshch'yu vodoroda v toplivnyh elementah u samih
potrebitelej [5].
O vodorodnoj energetike mechtayut davno:
udel'naya teplota sgoraniya vodoroda v tri raza vyshe, chem u
nefti ili benzina;
produktom sgoraniya vodoroda yavlyaetsya vodyanoj par;
resursy syr'ya dlya polucheniya vodoroda bezgranichny.
No vodorod kak goryuchee imeet ryad nedostatkov:
on bolee vzryvoopasen, chem metan;
ob®emnaya teplota sgoraniya vodoroda v tri raza men'she, chem
u prirodnogo gaza.
Put' k bezvrednoj energetike truden i mnogoetapen. Zdes'
vozmozhny raznye resheniya. Tem ne menee, v nekotoryh sluchayah
primenenie vodoroda kak topliva ne tol'ko polezno s
ekologicheskoj tochki zreniya, no i vpolne ekonomicheski opravdano.
K primeru, zagryaznenie atmosfery avtomobil'nymi vyhlopnymi
gazami. Zamena vseh benzinovyh dvigatelej na vodorodnye
nereal'na, t.k. ona svyazana s ogromnymi material'nymi
zatratami. Odnako, pochti bez vsyakih izmenenij v dvigatele,
mozhno ispol'zovat' benzin s 10-procentnoj vodorodnoj dobavkoj.
Dazhe etot nebol'shoj shag rezko uluchshit ekologicheskuyu obstanovku
v krupnyh gorodah.
Vodorod -- akkumulyator energii
Ochevidnym stanovitsya i to, chto vodorod mozhet oslabit'
nekotorye napryazhennye problemy atomnoj energetiki.
Razrushitel'nye avarii A|S (CHernobyl', Trimajl-Ajpend) pokazali,
chto naibolee opasny "manevry" moshchnost'yu reaktora, to est'
izmenenie intensivnosti yadernoj reakcii [3]. Sledovatel'no, dlya
obespecheniya bezopasnosti zhelatel'no ogranichivat'sya stacionarnym
rezhimom raboty A|S.
|ta stabil'nost' ogranichivaet vozmozhnosti energosistem v
chasti vyravnivaniya nagruzok, kogda, naprimer, v rabochee vremya
potreblenie energii rezko vozrastaet, a po nocham i v vyhodnye
dni padaet. Poka ne sushchestvuet udovletvoritel'nogo sposoba
akkumulirovat' elektroenergiyu, no na pomoshch' mozhet prijti
vodorod. Raschety pokazyvayut, chto s pomoshch'yu akkumulirovaniya
vodoroda zatraty na proizvodstvo elektroenergii mogut byt'
snizheny primerno na 15% po sravneniyu s tradicionnym sposobom --
A|S plyus pikovaya teploelektrostanciya na vodorode.
Akkumulirovat' vodorod mozhno ne tol'ko v szhatom i zhidkom
vide, a i v special'no razrabotannyh akkumulyatorah vodoroda.
Princip raboty takih akkumulyatorov osnovan na svojstve
polimetallicheskih kompozicij pogloshchat' vodorod. Odin iz vidov
takogo akkumulyatora predstavlyaet soboj emkost' iz nerzhaveyushchej
stali zapolnennuyu splavom titana, vanadiya i zheleza. Splav
obladaet svojstvom vydelyat' chistyj vodorod, dazhe esli on
akkumulirovalsya s primes'yu kisloroda i vlagi.
Na A|S za schet izlishkov elektroenergii mozhno proizvodit'
vodorod i dlya nuzhd promyshlennosti. Himicheskaya promyshlennost' --
samyj krupnyj potrebitel' vodoroda. Ego ispol'zuyut v kachestve
syr'ya, naprimer, dlya proizvodstva ammiaka. Takoj
energotehnologicheskij kompleks mozhet snizit' na 10...17%
rashody topliva po sravneniyu s sushchestvuyushchej razdel'noj sistemoj
proizvodstva elektroenergii, vodoroda i ammiaka.
No v celom effektivnost' takih sistem ne ochen' vysoka
iz-za sravnitel'no nizkogo koefficienta poleznogo dejstviya A|S.
KPD sovremennyh A|S ne prevyshaet 33%, v to vremya kak u
teploelektrostancij -- 39%.
Nevysokij koefficient poleznogo dejstviya A|S obuslovlen
sravnitel'no nizkoj temperaturoj vodyanogo para (okolo 300oS),
nagrevaemogo teplom atomnogo reaktora. Usloviya bezopasnosti ne
pozvolyayut uvelichit' etu temperaturu, a ona opredelyaet KPD
parovoj turbiny i, sledovatel'no, vsej A|S.
Promyshlennye metody polucheniya vodoroda
Est' dva napravleniya promyshlennogo polucheniya vodoroda --
elektroliz i plazmohimiya. |lektroliz ochen' prost: v elektrolit,
to est' v tokoprovodyashchuyu sredu (klassicheskij variant -- voda s
nebol'shim kolichestvom shchelochi), pomeshchayut dva elektroda i
podvodyat k nim napryazhenie. Odnako, v ustanovkah, rabotayushchih po
etomu principu, dlya polucheniya odnogo kubometra vodoroda
trebuetsya 4...5 kilovatt-chasov elektroenergii, chto dovol'no
dorogo -- proizvodstvo ekvivalentnogo po teplotvornoj
sposobnosti kolichestva benzina obhoditsya vtroe deshevle.
Pri elektrolize bol'shaya chast' elektroenergii teryaetsya v
vide tepla pri protekanii toka cherez elektrolit. Krome togo,
udel'naya proizvoditel'nost' sovremennyh ustanovok -- ne bolee
0,5 litra vodoroda v chas s odnogo sm2. |to kolichestvo
opredelyaetsya samim harakterom elektrohimicheskih reakcij,
protekayushchih tol'ko na poverhnosti elektrodov. Esli elektroliz
budet shiroko ispol'zovat'sya, nedostatki etogo metoda,
po-vidimomu, ostanutsya.
Gorazdo proizvoditel'nee metod plazmohimii, ispol'zuyushchij
himicheskuyu aktivnost' ionizovannogo gaza -- plazmy. V
special'nye ustanovki -- plazmotrony podvodyat gazy ili pary
razlichnyh veshchestv. Intensivnym elektromagnitnym polem v etih
gazah ili parah sozdayut elektricheskie razryady, obrazuetsya
plazma. |nergiya elektricheskogo polya peredaetsya ee elektronam, a
ot nih -- nejtral'nym molekulam. Poslednie perehodyat v
vozbuzhdennoe, himicheski aktivnoe sostoyanie.
Perspektivny neravnovesnye plazmohimicheskie sistemy, gde
elektrony, razogretye elektromagnitnym polem do temperatur
10...15 tysyach gradusov, izbiratel'no peredayut energiyu
molekulam, a poslednie, raspadayas', obrazuyut nuzhnye himicheskie
produkty. Pri etom gaz v celom ostaetsya prakticheski holodnym
(ego temperatura 300...1000oS). Vazhnoe preimushchestvo etih sistem
-- ob®emnyj harakter protekayushchih v nih processov. Bol'shie
skorosti himicheskih reakcij v gazovoj faze pozvolyayut dobivat'sya
gigantskoj udel'noj proizvoditel'nosti plazmotronov.
Pryamoe plazmohimicheskoe razlozhenie parov vody na kislorod
i vodorod v nastoyashchee vremya maloeffektivno. A vot uglekislyj
gaz okazalsya ideal'nym plazmohimicheskim ob®ektom. Neravnovesnoe
vozbuzhdenie ego molekulyarnyh kolebanij do 4...6 tysyach gradusov
privodit k tomu, chto bogatye energiej molekuly otbirayut ee u
bolee bednyh. |to vlechet za soboj rezkoe povyshenie skorosti
himicheskih reakcij i energeticheskoj effektivnosti processa.
Koefficient poleznogo dejstviya pri razlozhenii uglekislogo gaza
na okis' ugleroda i kislorod prevyshaet 80 procentov.
Prakticheski vsyu vkladyvaemuyu v razryad energiyu udaetsya napravit'
na osushchestvlenie poleznoj himicheskoj reakcii.
S uchetom etogo mozhno organizovat' dvuhstadijnyj cikl
proizvodstva vodoroda:
na pervoj stadii osushchestvit' plazmohimicheskoe razlozhenie
uglekislogo gaza;
na vtoroj -- vypolnit' davno osvoennuyu promyshlennost'yu
reakciyu vzaimodejstviya okisi ugleroda s vodyanym parom.
V rezul'tate obrazuetsya vodorod i ishodnoe veshchestvo --
uglekislyj gaz. Takim obrazom, uglekislyj gaz budet vypolnyat'
rol' fizicheskogo katalizatora dlya polucheniya vodoroda iz vody i,
ne rashoduyas', razreshit trudnosti, voznikayushchie pri razlozhenii
vodyanogo para. V itoge formiruetsya plazmohimicheskij cikl, v
kotorom tratitsya tol'ko voda, a uglekislyj gaz postoyanno
vozvrashchaetsya v process.
Proizvoditel'nost' takoj plazmohimicheskoj sistemy v
desyatki tysyach raz prevzojdet effektivnost' elektrolizerov,
stoimost' zhe vodoroda okazhetsya primerno takoj zhe, kak i pri
elektrolize. |to, konechno, eshche dorogo. Segodnya prakticheski ves'
vodorod, potreblyaemyj promyshlennost'yu, proizvoditsya za schet
pererabotki prirodnogo gaza.
V takih ustanovkah vmesto odnogo energonositelya poluchaem
drugoj i ispol'zuem ego ne dlya nuzhd energetiki, a dlya
tehnologii. Takaya shema vyglyadit ushcherbno. Poetomu issledovali
takoj obnadezhivayushchij istochnik vodoroda, kak serovodorod,
soputstvuyushchij, v chastnosti, obychnym, prezhde vsego, glubinnym
mestorozhdeniyam prirodnogo gaza.
Mnogie bedy v rajonah gazonosnyh mestorozhdenij svyazany s
vybrosami serovodoroda ili produktov ego pererabotki v
atmosferu. Sejchas v promyshlennosti v luchshem sluchae serovodorod
okislyayut kislorodom vozduha po metodu Klaussa, razrabotannomu
eshche v proshlom veke, i poluchayut pri etom seru, a vodorod
svyazyvaetsya s kislorodom. Nedostatok etogo, kstati, ves'ma
dorogostoyashchego processa ocheviden: iz serovodoroda izvlekayut
tol'ko seru, a vodorod perehodit v vodu.
Poetomu provodilis' eksperimenty po dissociacii
serovodoroda v plazme, chtoby na odnoj stadii poluchat' dva
produkta: vodorod i kondensirovannuyu seru.
Dlya etogo serovodorodnuyu plazmu zastavlyayut vrashchat'sya s
okolozvukovoj skorost'yu. Obrazuyushchiesya v plazmotrone chasticy
sery vynosyatsya pri etom iz ob®ema reakcii za vremya,
nedostatochnoe dlya osushchestvleniya obratnoj reakcii. Centrobezhnyj
effekt pozvolyaet dobit'sya znachitel'nogo otkloneniya
plazmohimicheskoj sistemy ot termodinamicheskogo ravnovesiya i
snizit' energozatraty na poluchenie kubometra vodoroda do
desyatkov vatt. Takoj vodorod okazyvaetsya deshevle elektroliznogo
primerno v 15 raz, i ego uzhe mozhno shiroko ispol'zovat' v
energetike i v promyshlennosti.
My davno nahodimsya na perelomnom rubezhe. Vsem yasno, chto
nazreli izmeneniya tradicionnoj energeticheskoj struktury v
kotoroj glavenstvovali neft' i ugol'. Segodnya naibolee
perspektivnym yavlyaetsya prirodnyj gaz, no ego shirokoe
ispol'zovanie svyazano s problemami ekologii. V obozrimom
budushchem vodorod mozhet pridat' energetike bezopasnost' i
ekologicheskuyu chistotu.
HIMICHESKIE ISTOchNIKI TOKA
Pervym istochnikom toka, posle izobreteniya elektrofornoj
mashiny, byl element Vol'ta nazvannyj v chest' svoego sozdatelya.
Ital'yanskij fizik A. Vol'ta ob®yasnil prichinu gal'vanicheskogo
effekta, otkrytogo ego sootechestvennikom L. Gal'vani. V marte
1800 g. on soobshchil o sozdanii ustrojstva, nazvannogo v
posledstvii "vol'tov stolb". Tak nachalas' era elektrichestva
podarivshaya miru svet, teplo i opasnost' porazheniya elektricheskim
tokom.
Imenno gal'vanicheskie (pervichnye) elementy pozvolili
nachat' izuchenie elektrichestva. V pervoj polovine HIH veka oni
yavlyalis' edinstvennymi istochnikami elektricheskoj energii. Do ih
poyavleniya byli izvestny tol'ko zakony elektrostatiki, ne
sushchestvovalo ponyatiya elektricheskogo toka i ego proyavlenij.
Uzhe v mae 1800 g. A. Karlejl' i U. Nikolson osushchestvili
elektroliz vody. V 1803 g. byli otkryty processy
elektroosazhdeniya metallov. V 1807 g. -- elektroliz rasplavov
solej.
Dal'nejshaya hronologiya otkrytij:
1819 g. -- magnitnoe dejstvie toka -- H. |rsted;
1820 g. -- vzaimodejstvie provodnikov s tokom -- A. Amper;
1827 g. -- zakon Oma -- G. Om;
1831 g. -- zakon elektromagnitnoj indukcii -- M. Faradej;
1834 g. -- sozdanie pervogo elektrodvigatelya -- B. YAkobi;
1839 g. -- sozdanie pervogo toplivnogo elementa -- U.
Grov;
1843 g. -- opisano teplovoe dejstvie toka -- Dzh. Dzhoul';
1859 g. -- pervyj dejstvuyushchij kislotnyj svincovyj
akkumulyator -- G. Plante;
1860 g. -- pervyj effektivnyj generator -- F.
Hefner-Al'tenek [5].
V 1881 godu na beregah Seny poyavilsya pervyj elektromobil'.
V nem ispol'zovalis' kislotnye akkumulyatory. Tol'ko cherez 4
goda poyavitsya pervyj avtomobil' Dajmlera i Benca s dvigatelem
vnutrennego sgoraniya. Imenno na elektromobile v 1899 godu
dostignut fantasticheskij dlya togo vremeni rekord skorosti --
100 km/chas.
Posle sozdaniya principial'no novogo istochnika
elektricheskoj energii -- elektromagnitnogo generatora --
himicheskie istochniki toka poteryali svoe pervostepennoe
znachenie. Generatory prevzoshli svoih predshestvennikov po
ekonomicheskim i tehnicheskim parametram, no HIT prodolzhali
sovershenstvovat'sya i razvivat'sya kak avtonomnye istochniki dlya
sredstv svyazi.
Himicheskimi istochnikami toka nazyvayutsya ustrojstva, v
kotoryh svobodnaya energiya prostranstvenno razdelennogo
okislitel'no-vosstanovitel'nogo processa, protekayushchego mezhdu
aktivnymi veshchestvami, prevrashchaetsya v elektricheskuyu energiyu.
Novym tolchkom k sovershenstvovaniyu HIT v nachale HH veka
posluzhilo razvitie radiotehniki i avtomobil'noj promyshlennosti.
Pervichnye elementy i akkumulyatory yavlyalis' edinstvennymi
istochnikami pitaniya dlya sredstv svyazi, a dlya avtomobilej
potrebovalis' starternye akkumulyatory. Rezkomu uluchsheniyu
harakteristik HIT takzhe sposobstvovalo razvitie voennoj
tehniki.
Poyavlenie novyh raznovidnostej istochnikov toka posle
vtoroj mirovoj vojny svyazano s rabotami v oblasti aviacionnoj i
kosmicheskoj tehniki. Bol'shoe rasprostranenie HIT obuslovleno
neizmennoj effektivnost'yu ne zavisyashchej ot elektricheskoj
moshchnosti i uslovij ekspluatacii. Ni odin tip istochnikov
elektricheskoj energii ne obladaet takoj universal'nost'yu.
Primechatelen tot fakt, chto pri odnovremennom vklyuchenii
vseh HIT, nahodyashchihsya v ekspluatacii, mozhno poluchit' mgnovennuyu
elektricheskuyu moshchnost' soizmerimuyu s summarnoj moshchnost'yu vseh
elektrostancij mira [6].
Sovremennoe proizvodstvo HIT yavlyaetsya samostoyatel'noj
otrasl'yu elektrotehnicheskoj promyshlennosti. Avtomatizaciya
izgotovleniya istochnikov toka yavilas' odnoj iz prichin ih vypuska
v ogromnyh kolichestvah s vysokimi udel'nymi harakteristikami.
Utilizaciya otrabotavshih srok sluzhby HIT vyzvala
opredelennye ekologicheskie problemy. V proizvodstve HIT
ispol'zuyutsya rtut', kadmij, sur'ma i drugie toksichnye
himicheskie elementy. Sbor i pererabotka bol'shogo kolichestva
istochnikov toka zatrudnitel'na. |to posluzhilo prichinoj dlya
poiska novyh materialov i razrabotki istochnikov toka svobodnyh
ot toksichnyh elementov.
Horosho izvestnye gal'vanicheskie elementy i akkumulyatory
soderzhat ogranichennoe kolichestvo reagentov i sposobny v odnom
cikle "proizvesti" lish' fiksirovannuyu porciyu energii. Odnako,
est' tretij tip HIT, v kotorom okislitel' i vosstanovitel'
nepreryvno podayutsya, sootvetstvenno, k katodu i anodu, a
material samih elektrodov v reakciyah ne uchastvuet. Takie
ustrojstva nazyvayutsya toplivnymi elementami (T|) (sm. gl. 2.5).
Pervoe prakticheskoe primenenie "novyj" himicheskij istochnik
toka nashel v kosmose, nesmotrya na to, chto byl otkryt bolee 150
let nazad. Toplivnyj element obladaet naivysshimi udel'nymi
harakteristikami i KPD. V nem net peremeshchayushchihsya detalej, on
besshumen i krome elektroenergii vyrabatyvaet teplo. Toplivnyj
element -- obratimoe ustrojstvo, s pomoshch'yu kotorogo mozhno
vyrabatyvat' toplivo (razlagat' vodu na kislorod i vodorod),
t.o. on mozhet vypolnyat' rol' akkumulyatora.
Prakticheskoe ispol'zovanie toplivnyh elementov nachalos' v
60-h godah s ih ispol'zovaniya na bortu kosmicheskih korablej.
Amerikanskaya korporaciya United Technology zatratila na
razrabotku T| po proektu "Apollo" okolo 100 mln. dollarov
(moshchnost' sozdannoj bortovoj ustanovki -- 2,5 kVt). V 1977 godu
ta zhe korporaciya izgotovila i ispytala ustanovku megavattnoj
moshchnosti, a v nachale 80-h godov v N'yu-Jorke byla smontirovana
elektrostanciya na 4,5 MVt dlya shirokomasshtabnoj demonstracii
preimushchestv "novogo" sposoba polucheniya elektroenergii.
My yavlyaemsya svidetelyami pervyh shagov kommercheskogo
ispol'zovaniya T|. Ot laboratornyh issledovanij do shirokogo
vnedreniya v energetike prohodit okolo poluveka. Kriteriem
shirokogo ispol'zovaniya mozhno schitat' moment, kogda novye
energoustanovki dostignut 10-procentnoj doli v obshchej moshchnosti
otrasli. Istoriya razvitiya energeticheskih ustanovok v bol'shoj
energetike pozvolyaet ocenit' prognoziruemye sroki vnedreniya T|.
Toplivnyj element -- sverstnik parovoj turbiny.
Laboratornye issledovaniya parovyh turbin nachalis' v 70-h godah
proshlogo veka, ih eksperimental'nye obrazcy voznikli v pervoj
polovine 80-h godov, demonstracionnaya model' sozdana v 1890
godu, pervaya promyshlennaya paroturbinnaya ustanovka -- v 1895-m,
a 10-procentnuyu dolyu v obshchej moshchnosti elektrostancij turbiny
obespechili v 1910 godu [2].
V atomnoj energetike laboratornye issledovaniya velis' v
30-h godah, eksperimental'naya ustanovka byla sozdana v 1941
godu, demonstracionnaya -- v 1953-m, pervaya promyshlennaya atomnaya
elektrostanciya -- v 1955-m, i lish' v 1978 godu dolya atomnyh
elektrostancij v energetike SSSR dostigla 10%.
Primerom sovremennogo marketinga v energetike sluzhit
deyatel'nost' korporacij po zavoevaniyu desyatiprocentnoj doli
rynka. V nastoyashchee vremya amerikanskaya korporaciya H Power Corp.
issleduet, proektiruet, i proizvodit T|. Electro-Chem-Technic i
Warsitz (SSHA) proizvodyat i prodayut po nizkoj cene nebol'shie T|,
glavnym obrazom, dlya shkol, kolledzhej i universitetov. Cel'
sostoit v tom, chtoby sdelat' shiroko izvestnymi preimushchestva
osnovnyh principov T|. |nergeticheskaya kompaniya Brooklyn Union
(Kanada) provodit ispytaniya ustanovochnoj partii T| moshchnost'yu
200 kVt.
2.1. STACIONARNYE AKKUMULYATORY
Sovremennaya tehnika raspolagaet celym ryadom
elektronakopitel'nyh ustrojstv. |to -- svincovye,
zhelezo-nikelevye, nikel'-kadmievye, serebryano-cinkovye,
serno-natrievye, medno-litievye i drugie tipy akkumulyatorov.
Naibolee rasprostranennymi yavlyayutsya svincovye akkumulyatory.
Akkumulyatorami nazyvayutsya himicheskie istochniki toka,
prednaznachennye dlya mnogokratnogo ispol'zovaniya ih aktivnyh
veshchestv, regeneriruemyh putem zaryada.
Akkumulyatory yavlyayutsya himicheskimi istochnikami
elektricheskoj energii mnogorazovogo dejstviya. Oni sostoyat iz
dvuh elektrodov (polozhitel'nogo i otricatel'nogo), elektrolita
i korpusa. Nakoplenie energii v akkumulyatore proishodit pri
protekanii himicheskoj reakcii okisleniya-vosstanovleniya
elektrodov. Pri razryade akkumulyatora proishodyat obratnye
processy.
|konomichnee svincovogo akkumulyatora do sih por nichego ne
izobreteno. SHirokoe rasprostranenie oni poluchili blagodarya
vysokoj nadezhnosti i nevysokoj cene. |ksperty OON schitayut, chto
v obozrimom budushchem svincovye akkumulyatory sohranyat svoe
znachenie kak odnih iz samyh udobnyh istochnikov elektricheskoj
energii.
Osnovnym dostoinstvom svincovyh akkumulyatorov yavlyaetsya
stabil'nost' napryazheniya pri izmenenii toka nagruzki i
temperatury. Napryazhenie akkumulyatora -- eto raznost'
potencialov mezhdu polyusami pri fiksirovannoj nagruzke. V
zavisimosti ot elektrohimicheskoj sistemy napryazhenie na zazhimah
akkumulyatora sostavlyaet ot 1,2 do 2 V.
Bytuet oshibochnoe mnenie, chto osnovnoj sferoj ispol'zovaniya
svinca yavlyaetsya proizvodstvo boepripasov. Ezhegodno tol'ko na
svincovye akkumulyatory rashoduetsya nemnogim men'she poloviny
dobyvaemogo v mire svinca.
Pervyj rabotosposobnyj svincovo-kislotnyj akkumulyator byl
sozdan francuzskim issledovatelem G. Plante (v 1859 g.).
|lektrody pervogo akkumulyatora byli izgotovleny iz listovogo
svinca, a separatorom sluzhilo polotno. Vsya konstrukciya
svorachivalas' v spiral' i vstavlyalas' v emkost' s 10% rastvorom
sernoj kisloty.
Dlya uvelicheniya emkosti takogo akkumulyatora provodili
mnogokratnye cikly zaryada-razryada, chem formirovali razvituyu
poverhnost' plastin. Dlya takoj trenirovki trebovalos' ot 1000
chasov do dvuh let. V posledstvii poverhnostnye plastiny
formirovalis' gal'vanicheskim sposobom. Edinstvennymi
istochnikami energii v to vremya byli pervichnye elementy. Ot nih
(v osnovnom eto byli elementy Bunzena) osushchestvlyalsya zaryad
akkumulyatorov.
Zaryadom akkumulyatora nazyvaetsya prevrashchenie elektricheskoj
energii v himicheskuyu, a razryadom -- himicheskoj v elektricheskuyu.
Process razryada -- yavlenie obratnoe zaryadu, kogda sam
akkumulyator otdaet svoj zaryad vo vneshnyuyu elektricheskuyu cep'
potrebitelyu elektroenergii.
Znachitel'no uvelichit' emkost' elektrodov udalos' v 1880 g.
K. For stal izgotavlivat' namaznye elektrody naneseniem na
poverhnost' plastin okislov svinca. Uzhe v 1881 godu |. Fol'kmar
predlozhil namaznuyu reshetku v kachestve elektrodov. V tom zhe godu
Sellonu byl vydan patent soglasno kotoromu reshetki Fol'kmara
predlagalos' izgotavlivat' iz splava sur'my i svinca.
Uskoreniyu rabot po sovershenstvovaniyu svincovogo
akkumulyatora sposobstvovalo izobretenie |disonom lampy
nakalivaniya. V 1881 godu po Sene hodila lodka s elektricheskim
dvigatelem i batareej akkumulyatorov Plante. V tom zhe godu
sozdan elektromobil'. Togda zhe poyavilis' deshevye generatory,
pozvolivshie nachat' kommercheskoe ispol'zovanie akkumulyatorov.
V Kronshtadte razrabotki konstrukcii akkumulyatora nachalis'
v 1881 g., a uzhe v 1884-m na Neve proshel ispytanie
elektricheskij kater. On mog projti 30 mil' pri skorosti do 6
uzlov.
K 1890 godu v promyshlenno razvityh stranah
svincovo-kislotnye akkumulyatory vypuskalis' serijno. Pervoj
patenty Fora, Fol'kmara i Sellona kupila Electrical Power
Storage Company.
V 1900 godu firma VARTA vypustila starternyj akkumulyator
dlya zapuska avtomobil'nogo dvigatelya. VARTA yavlyaetsya
postavshchikom zavodov "Mersedes", "Fol'ksvagen", "Audi" i
"Opel'".
V 1938 godu, Leopol'd Dzhungfer osnoval firmu Baren.
Nachinaya s 1939 goda firmoj byli izgotovleny batarei pochti dlya
kazhdoj oblasti primeneniya.
V 1942 godu v Italii Giulio Dolsetta osnoval firmu FIAMM.
FIAMM vypuskaet starternye, tyagovye i stacionarnye akkumulyatory
(sm. gl. 2.3).
S poyavleniem elektrostancij ponadobilis' moshchnye
stacionarnye akkumulyatory. Na stanciyah postoyannogo toka oni
sluzhili dopolnitel'nym istochnikom energii v momenty pikovyh
nagruzok. Na stanciyah peremennogo toka stacionarnye
akkumulyatory ispol'zuyutsya dlya vspomogatel'nyh celej. Tak
gorodskie seti postoyannogo toka imeli batarei akkumulyatorov,
kotorye razvivali v 1927 godu moshchnost':
80000 kVt -- Berlin,
95000 kVt -- N'yu-Jork.
Krome avarijnogo osveshcheniya ih ispol'zuyut dlya sredstv
svyazi, v sistemah avtomatiki na zheleznoj doroge, v ustrojstvah
ohrannoj i pozharnoj signalizacii i pr. Dlya telefonnyh stancij
oni sluzhili edinstvennym istochnikom postoyannogo napryazheniya.
Iz bol'shogo raznoobraziya stacionarnyh akkumulyatorov,
kotorye obespechivayut pitanie nagruzok na vremya otklyucheniya
elektrosnabzheniya, v bol'shej mere ispol'zuyutsya tol'ko svincovye
i nikel'-kadmievye akkumulyatory (sm. tabl. P4 prilozheniya).
Osnovnye cherty svincovyj akkumulyator priobrel na rubezhe
HIH...HH vekov. Vmeste s nimi i problemy, chast' iz kotoryh ne
resheny po segodnyashnij den'. Konstrukciya akkumulyatorov
nepreryvno sovershenstvuetsya. Oni davno yavlyayutsya ob®ektom
pristal'nogo vnimaniya izobretatelej.
Kriteriem sostoyaniya otrasli promyshlennosti yavlyayutsya
ekonomicheskie pokazateli. Na ris. p001 predstavlen ob®em prodazh
starternyh akkumulyatorov mirovymi proizvoditelyami.
Nachinaya s 1970 goda vypuskayutsya malouhodnye (trebuyushchie
neznachitel'nogo uhoda) i germetizirovannye (neobsluzhivaemye)
akkumulyatornye batarei. V takih akkumulyatorah ispol'zuyut
elektrody s malym soderzhaniem sur'my -- ne bolee 3%.
S ispol'zovaniem sorbirovannogo i geleobraznogo
elektrolita udalos' poluchit' germetizirovannyj akkumulyator,
kotoryj mozhet rabotat' v lyubom polozhenii. V kachestve
zagustitelya elektrolita ispol'zuetsya silikagel', alyumogel',
sul'fat kal'ciya i dr. Primerno v eto zhe vremya byli razrabotany
takie materialy dlya izgotovleniya plastin, kak medno-kal'cievye
splavy pokrytye oksidom svinca, titanovye, alyuminievye i mednye
reshetki.
Svincovye akkumulyatory izgotavlivayutsya v razlichnyh
ispolneniyah v zavisimosti ot oblasti primeneniya. Osnovnye tipy
-- starternye, tyagovye i stacionarnye akkumulyatory. Vypuskaemye
serijno svincovo-kislotnye akkumulyatory obladayut emkost'yu ot
0,5 do 12000 Ach.
Aktivnye veshchestva akkumulyatora zaklyucheny v polozhitel'nom i
otricatel'nom elektrodah i elektrolite. Sovokupnost' aktivnyh
veshchestv, primenyaemyh v himicheskom istochnike toka, nazyvaetsya
elektrohimicheskoj sistemoj.
Rasprostranennye elektrohimicheskie sistemy stacionarnyh
akkumulyatorov privedeny v tabl. t032 [7].
V akkumulyatorah nahodyashchihsya v ekspluatacii nepreryvno
povtoryaetsya posledovatel'nost' elektrohimicheskih
preobrazovanij. Period zaryada-razryada akkumulyatora nazyvayut
ciklom. S kazhdym ciklom akkumulyatory iznashivayutsya.
Dolgovechnost' akkumulyatora ocenivayut kolichestvom ciklov.
Dolgovechnost' akkumulyatorov zavisit ot:
resursa zalozhennogo v elektrohimicheskuyu sistemu i
konstrukciyu akkumulyatora,
uslovij vvoda v ekspluataciyu;
uslovij ekspluatacii.
Naibolee shirokoe primenenie, kak bolee deshevye, poluchili
svincovye akkumulyatory. Oni obespechivayut srok sluzhby do 20 let,
chto obuslovleno sootvetstvuyushchim konstruktivnym ispolneniem.
Pochti vse svincovye akkumulyatory ispol'zuyut tak nazyvaemuyu
banochnuyu konstrukciyu. Pri izgotovlenii korpusov ispol'zuyutsya:
ebonit, polipropilen, i t.p. |ti materialy stojki k dlitel'nomu
vozdejstviyu sernoj kisloty.
Blok elektrodov kazhdoj akkumulyatornoj yachejki pomeshchaetsya v
izolirovannoj banke. Mezhdu elektrodami ustanavlivayutsya
separatory. Krajnimi vsegda yavlyayutsya otricatel'nye elektrody
(ris. p070). Gorizontal'nye peremychki, soedinyayushchie odnoimennye
plastiny v banke, nazyvayutsya baretkami.
Vo vseh malouhodnyh akkumulyatorah plastiny pripodnyaty nad
dnom. V obrazuyushchemsya prostranstve skaplivaetsya shlam --
otdelivshayasya ot elektrodov aktivnaya massa. V germetizirovannyh
akkumulyatorah vypolnennyh po tehnologii PLT prostranstvo pod
plastinami otsutstvuet.
Dlya polucheniya dostatochno bol'shih znachenij napryazhenij ili
razryadnyh tokov otdel'nye yachejki soedinyayutsya mezhdu soboj
posledovatel'no ili parallel'no v batarei.
Batareej akkumulyatorov nazyvaetsya istochnik toka, sostoyashchij
iz neskol'kih parallel'no ili posledovatel'no soedinennyh
akkumulyatornyh yacheek. Akkumulyatory soderzhashchie neskol'ko
posledovatel'no soedinennyh banok v odnom korpuse nazyvayutsya
monoblochnymi.
Vse evropejskie proizvoditeli i bol'shaya chast' v Azii
rukovodstvuyutsya standartami DIN. Perechen' standartov po
stacionarnym akkumulyatoram priveden v tabl. P3 prilozheniya. Ryad
uslovnyh oboznachenij stacionarnyh akkumulyatorov standartizovan.
Soglasno DIN VDE 0510 ch. 2 rasshifrovka uslovnyh
oboznachenij akkumulyatorov privedena v tabl. t035.
Nominal'noj emkost'yu akkumulyatora nazyvaetsya emkost',
garantirovannaya zavodom izgotovitelem pri opredelennyh usloviyah
razryada. Zaryadnoj emkost'yu nazyvaetsya kolichestvo elektrichestva,
soobshchaemoe akkumulyatoru pri zaryade. Zaryadnaya emkost' vsegda
neskol'ko bol'she razryadnoj iz-za neobratimyh processov,
protekayushchih pri zaryade i razryade.
Velichina razryadnoj emkosti akkumulyatora zavisit ot tipa i
konstrukcii ispol'zuemyh plastin, kolichestva soderzhashchihsya v nih
aktivnyh veshchestv, materiala elektrodov, rezhima razryada i
temperatury.
Sovershenstvovanie svincovyh akkumulyatorov idet po puti
izyskaniya novyh splavov dlya reshetok, oblegchennyh i prochnyh
materialov korpusov (sopolimer propilena i etilena) i uluchsheniya
kachestva separatorov.
Vo vseh akkumulyatorah mezhdu elektrodami ustanavlivayutsya
izoliruyushchie plastiny. Oni vypolnyayutsya v vide:
razdelitelej;
poristyh separatorov;
membran.
Razdeliteli ispol'zuyutsya dlya otdeleniya elektrodov drug ot
druga. Oni izgotavlivayutsya v vide prokladok ili reshetok iz
perforirovannogo ili gofrirovannogo sinteticheskogo dielektrika
(ris. p009). Razdeliteli imeyut otverstiya diametrom ot 1 do 5
mm.
Poristye separatory, krome neposredstvennogo razdeleniya
plastin, uderzhivayut aktivnuyu massu elektrodov i prepyatstvuyut
rostu dendritov (dendrity -- nezavershennye v svoem razvitii
kristally, po forme napominayushchie vetvistoe derevo, paporotnik,
hvoyu i t.p.) pri zaryade akkumulyatora.
V nekotoryh tipah akkumulyatorov poristyj separator
uderzhivaet elektrolit za schet kapillyarnyh sil vblizi
poverhnosti elektrodov. Diametr por takih separatorov nahoditsya
v intervale ot 0,001 do 200 mkm. Takoj vid separatorov imeet
naibol'shee rasprostranenie v sovremennyh modelyah akkumulyatorov.
Membrany (nabuhayushchie separatory) izgotavlivayutsya iz
materialov bez geometricheski chetko vyrazhennoj sistemy por. V
otlichie ot poristyh separatorov v nih yarko vyrazheny sily
vzaimodejstviya mezhdu opredelennymi vidami ionov i molekul.
Separatory izgotavlivayut iz dielektricheskih materialov s
rebrami, gofrirovannymi ili tisnenymi dlya preduprezhdeniya
plotnogo prileganiya k elektrodam. Razmer separatora vsegda
bol'she razmera plastiny akkumulyatora. V pervyh akkumulyatorah v
kachestve separatorov ispol'zovalis' keramicheskie sosudy ili
peregorodki. Do vtoroj mirovoj v kachestve separatorov
ispol'zovalsya shpon (shpon -- tonkij list drevesiny, poluchaemyj
lushcheniem kryazhej razlichnyh porod dereva).
Dlitel'noe vremya separatory izgotavlivali iz mipora --
vulkanizirovannogo natural'nogo kauchuka s prisadkami. V
sovremennyh akkumulyatorah shirokoe primenenie nashel miplast,
poluchaemyj spekaniem poroshkoobraznoj polivinilhloridnoj smoly.
V Anglii razrabotan material porvik, izgotavlivaemyj iz
polivinilhloridnoj smoly. Otechestvennyj analog -- porovinil.
YUmikron -- material dlya separatorov razrabotannyj v YAponii --
vypuskaetsya v vide tonkoj plenki ili tisnenyh "vafleobraznyh
listov" (ris. p010).Naibolee deshevymi materialami dlya
separatorov yavlyayutsya karton i bumaga na osnove cellyulozy i
asbesta (asbest [gr. asbestos] -- gruppa mineralov (serpentin,
amfiboly) voloknistogo stroeniya; ognestojkij, kislotostojkij, i
neelektroprovodnyj material).
V kachestve dopolnitel'nyh razdelitelej, v kombinacii s
separatorami, primenyayutsya netkannye maty. Oni izgotavlivayutsya
iz polipropilena ili steklovolokna s dobavleniem svyazuyushchih
veshchestv.
V sovremennyh modelyah akkumulyatorov ispol'zuyut
mnogoslojnye separatory. Ispol'zovanie neskol'kih sloev odnogo
vida separatorov bolee vygodno, tak kak v etom sluchae defekty v
odnom iz sloev zashchishcheny drugimi i rost dendritov zatrudnen pri
perehode ot sloya k sloyu.
Esli v akkumulyatorah ispol'zuyutsya mnogoslojnye separatory
iz raznyh materialov, to kazhdyj iz nih vypolnyaet opredelennuyu
funkciyu. Tak zhe ispol'zuyutsya sochetaniya prostyh razdelitelej s
membranami.
V ryade sluchaev v akkumulyatorah ispol'zuyut
konverty-separatory. Konvert-separator polnost'yu okruzhaet odin
iz elektrodov akkumulyatora dlya ogranicheniya vozmozhnogo
proniknoveniya nezhelatel'nyh veshchestv ili rasprostraneniya
dendritov v obhod separatora po krayam elektrodov.
V kachestve elektrolita dlya akkumulyatornyh batarej
primenyayut rastvor sernoj kisloty v distillirovannoj vode. Dlya
razlichnyh klimaticheskih i temperaturnyh uslovij, v kotoryh
bataree predstoit rabotat', ispol'zuyut elektrolit razlichnoj
plotnosti.
Plotnost' elektrolita zavisit ot koncentracii rastvora
sernoj kisloty -- chem bol'she koncentraciya rastvora, tem bol'she
plotnost' elektrolita i ot temperatury rastvora -- chem vyshe
temperatura, tem nizhe plotnost'.
Koncentraciya ili plotnost' elektrolita yavlyaetsya tochnym
kriteriem stepeni razryazhennosti akkumulyatora. V kachestve tochki
otscheta, dlya opredeleniya tekushchej stepeni razryazhennosti
akkumulyatora, prinimaetsya normativnaya plotnost' elektrolita,
t.e. plotnost', priobretennaya posle pervogo polnogo zaryada.
Dlya uravnivaniya plotnosti elektrolita, t.e. dovedeniya ee
do plotnosti, ravnoj plotnosti v nachale ekspluatacii, sleduet
izmerit' fakticheskuyu plotnost' i temperaturu. Uravnivanie mozhno
provodit' tol'ko v polnost'yu zaryazhennom akkumulyatore, kogda
elektrolit imeet plotnost', ne iskazhennuyu nedozaryazhennost'yu
poslednego.
Dlya svincovyh akkumulyatorov harakterno sil'noe razbavlenie
elektrolita vo vremya razryada iz-za uchastiya v reakcii sernoj
kisloty s obrazovaniem vody. V zaryazhennyh akkumulyatorah
koncentraciya kisloty ravna 30...40%.
CHem men'she ob®em elektrolita, v sravnenii s massoj
elektrodov, tem bystree snizhaetsya koncentraciya kisloty pri
razryade. V konce razryada ona sostavlyaet ot 10 do 25%.
Mnogie veshchestva, naprimer, neznachitel'noe kolichestvo solej
zheleza popadaya v elektrolit uskoryayut vydelenie vodoroda i
uvelichivayut samorazryad akkumulyatora. Poetomu pri prigotovlenii
elektrolita sleduet ispol'zovat' tol'ko distillirovannuyu vodu i
ispol'zovat' nemetallicheskuyu posudu.
2.2. STACIONARNYE AKKUMULYATORY VARTA
Primenenie razlichnyh tipov polozhitel'nyh plastin
otrazhaetsya na elektricheskih harakteristikah akkumulyatorov. V
pervuyu ochered' eto svyazano s vnutrennim soprotivleniem, kotoroe
sostoit iz omicheskogo vnutrennego soprotivleniya akkumulyatora i
soprotivleniya polyarizacii.
Polyarizaciej nazyvaetsya izmenenie elektrodnyh potencialov
pod vliyaniem prohozhdeniya postoyannogo toka vyzyvayushchego izmeneniya
koncentracii elektrolita, himicheskogo sostava aktivnyh veshchestv
i poverhnosti elektrodov.
V zavisimosti ot prichin vyzyvayushchih polyarizaciyu, ona
delitsya na koncentracionnuyu, himicheskuyu i elektrohimicheskuyu, a
v zavisimosti ot togo, ischezaet ili ostaetsya polyarizaciya pri
otklyuchenii toka, poslednyuyu delyat na ustranimuyu i neustranimuyu.
Himicheskaya polyarizaciya i chastichno koncentracionnaya
otnosyatsya k neustranimoj polyarizacii ne ischezayushchej pri
prekrashchenii toka [6].
Soprotivlenie polyarizacii yavlyaetsya meroj uvelicheniya
vnutrennego soprotivleniya himicheskogo istochnika toka
obuslovlennogo polyarizaciej. Ono imeet razmernost'
soprotivleniya, no ne podchinyaetsya zakonu Oma, tak kak zavisit ot
velichiny prohodyashchego toka. Znacheniya vnutrennego soprotivleniya
100 Ach plastin razlichnyh tipov akkumulyatorov privedeny na ris.
p073.
Pri vysokoj skorosti razryad real'no okazyvaetsya
ogranichennym, poskol'ku iz-za nalichiya vnutrennego soprotivleniya
akkumulyatora napryazhenie umen'shaetsya nizhe napryazheniya otsechki
(napryazheniem otsechki nazyvaetsya minimal'noe napryazhenie, pri
kotorom akkumulyator sposoben otdavat' poleznuyu energiyu).
Pri vremeni razryada svyshe treh chasov otlichie vnutrennih
soprotivlenij ne skazyvaetsya na razryadnyh harakteristikah
razlichnyh tipov plastin. Dlya bolee korotkogo vremeni razryada
velichina vnutrennego soprotivleniya v znachitel'noj stepeni
vliyaet na razryadnye harakteristiki (ris. p074):
100 Ach akkumulyator OPzS za 10 minut otdaet tok 100 A;
100 Ach akkumulyator Vb za to zhe vremya otdaet 170 A.
2.2.1. TIPY PLASTIN AKKUMULYATOROV
Plastiny akkumulyatorov byvayut poverhnostnye i
pastirovannye.
Poverhnostnyj elektrod sostoit iz svincovoj plastiny na
poverhnosti kotoroj elektrohimicheskim sposobom formiruetsya sloj
aktivnoj massy (ris. p012).
Akkumulyatory s poverhnostnymi plastinami soderzhat
otnositel'no bol'shuyu dolyu svinca po otnosheniyu k aktivnoj masse.
Oni ispol'zuyutsya v modelyah GroE firmy VARTA.
Pastirovannye elektrody podrazdelyayutsya na reshetchatye
(namaznye), korobchatye, sterzhnevye (ris. p079) i pancirnye
(ris. p078). Osnovoj pastirovannyh plastin yavlyaetsya
reshetka-tokovod.
Pri ciklicheskoj rabote akkumulyatorov s bol'shim soderzhaniem
sur'my v materiale reshetki sur'ma perehodit v rastvor v
rezul'tate korrozii reshetki polozhitel'nogo elektroda. Osazhdayas'
na aktivnoj masse otricatel'nogo elektroda sur'ma sposobstvuet
vydeleniyu vodoroda i uvelichivaet skorost' korrozii svinca.
Takoj process nazyvaetsya sur'myanym otravleniem akkumulyatora.
Osypanie aktivnoj massy i vnutrennee soprotivlenie
akkumulyatora pri ispol'zovanii kal'cievyh reshetok neskol'ko
bol'she, chem v sluchae svincovo-sur'myanyh. Razrushenie plastin
preimushchestvenno proishodit pri zaryade akkumulyatora i yavlyaetsya
odnim iz vazhnejshih faktorov ogranichivayushchih resurs akkumulyatora.
Dlya umen'sheniya osypaniya v aktivnuyu massu vvodyat voloknistye
materialy, naprimer, ftoroplast i ispol'zuyut netkannye maty iz
steklovolokna prizhatye k plastinam.
Sul'fataciya plastin -- rezul'tat hraneniya akkumulyatora v
nedozaryazhennom sostoyanii. Obrazuyushchijsya pri etom ploho
rastvorimyj v vode sul'fat svinca ogranichivaet emkost'
akkumulyatora i sposobstvuet vydeleniyu vodoroda pri zaryade. Dlya
vosstanovleniya emkosti akkumulyatora s sul'fatirovannymi
elektrodami ego zapolnyayut elektrolitom nizkoj plotnosti ili
dazhe distillirovannoj vodoj i zaryazhayut malymi tokami (primerno
v sto raz men'she nominal'nogo zaryadnogo toka).
2.2.2. MATERIAL POLOZHITELXNOGO |LEKTRODA
Uhudshenie elektricheskih harakteristik akkumulyatora i vyhod
iz stroya obuslovleny korroziej reshetki i opolzaniem aktivnoj
massy polozhitel'nogo elektroda. Srok sluzhby akkumulyatora
opredelyaetsya, v pervuyu ochered', tipom polozhitel'nyh plastin i
usloviyami ekspluatacii.
V akkumulyatornom proizvodstve ispol'zuetsya kak chistyj
svinec, tak i splavy soderzhashchie sur'mu, kotoraya neodnoznachno
vozdejstvuet na ekspluatacionnye harakteristiki akkumulyatorov.
Polozhitel'noe vozdejstvie sur'my svyazano s tem, chto
polozhitel'nye elektrody s legirovannymi sur'moj reshetkami
vyderzhivayut bolee sil'nye ciklicheskie zaryadno-razryadnye
nagruzki. Nalichie sur'my sposobstvuet bolee prochnomu
elektricheskomu kontaktu aktivnogo materiala s reshetkoj, v to
vremya, kak v bessur'myanistyh reshetkah aktivnaya massa polnost'yu
otslaivaetsya i otpadaet uzhe posle neskol'kih ciklov
razryada-zaryada. Poetomu vse izgotoviteli akkumulyatornyh batarej
primenyayut v reshetke polozhitel'nyh plastin splavy soderzhashchie
1...10% sur'my (sm. ris. p069). V tyagovyh batareyah ispol'zuyut
splav soderzhashchij bolee 4% sur'my.
Sleduyushchim preimushchestvom reshetok, vypolnennyh iz soderzhashchih
sur'mu splavov, yavlyaetsya to, chto na nih ne voznikaet
blokiruyushchego effekta, kotoryj chasto nablyudaetsya v sluchae s
bessur'myanistymi plastinami. Blokiruyushchij effekt sostoit v
obrazovanii tokoneprovodyashchih prosloek mezhdu reshetkoj i aktivnym
materialom. |to, v svoyu ochered', mozhet privesti k bol'shim
kolebaniyam emkosti dazhe na novyh batareyah.
Otricatel'nyj effekt zaklyuchaetsya v tom, chto uvelichenie
soderzhaniya sur'my uvelichivaet tok postoyannogo podzaryada i
otnositel'noe ego uvelichenie vo vremya ekspluatacii
akkumulyatorov (sm. ris. p071).
Mezhdu dvumya krajnostyami -- obychnym i bessur'myanistym
splavami -- raspolagaetsya ryad malosur'myanistyh splavov.
Umen'shenie soderzhaniya sur'my nizhe 3% vyzyvaet obrazovanie
kristallicheskih struktur materialov reshetok, kotorye privodyat k
bystromu obrazovaniyu treshchin. |to delaet nevozmozhnym
izgotovlenie kachestvennyh reshetok.
Firme VARTA udalos' razrabotat' splavy, kotorye dazhe pri
ochen' malom soderzhanii sur'my imeyut ochen' tonkuyu strukturu i,
poetomu, mogut ispol'zovat'sya dlya izgotovleniya kachestvennyh
reshetok. Pri etom vypolnyaetsya i takoe trebovanie, kak
nepodverzhennost' etogo splava povyshennoj korrozii. Dlya etih
splavov pri izmenenii soderzhaniya sur'my ot 6% do 1,6% srok
sluzhby uvelichivaetsya v 5 raz [7].
Po sravneniyu s sur'myanistymi splavami drugih
proizvoditelej preimushchestvo splavov firmy VARTA sostoit v tom,
chto v akkumulyatorah s takimi reshetkami ne voznikayut blokiruyushchie
effekty, meshayushchie pri zaryade i razryade, a stojkost' pri
ciklicheskih nagruzkah hotya i men'she, po sravneniyu s obychnymi
splavami, no otlichaetsya ot nih neznachitel'no. |to ubeditel'no
demonstriruet ris. p069.
Akkumulyatory, v kotoryh ispol'zuyutsya malosur'myanistye
splavy imeyut dostatochno nizkij tok podzaryada, chto ob®yasnyaetsya
special'nymi dobavkami k aktivnoj masse. Na praktike samorazryad
akkumulyatorov s bol'shim soderzhaniem sur'my dohodit do 2...3% v
mesyac.
Iz vyshe skazannogo sleduet, chto malosur'myanistye splavy
predstavlyayut soboj vygodnyj kompromiss, v kotorom nedostatki
sur'my prakticheski polnost'yu isklyucheny.
S drugoj storony, ostayutsya vse preimushchestva kotorye daet
sur'ma obespechivaya stojkost' k ciklicheskim nagruzkam i
bezuprechnoe povedenie pri zaryade i razryade.
Primenenie malo- ili bessur'myanistyh splavov znachitel'no
umen'shaet razlozhenie vody, odnako, neizbezhno proishodit
nekotoryj rashod vody na gazoobrazovanie, kak neot®emlemoe
svojstvo svincovyh akkumulyatorov. Poetomu svincovye
akkumulyatory ne mogut izgotavlivat'sya polnost'yu germetichnymi,
kak shchelochnye.
Dazhe germetizirovannye svincovye akkumulyatory, kotorye
vneshne vyglyadyat polnost'yu zakrytymi, imeyut klapan, kotoryj daet
vozmozhnost' gazu vyhodit' naruzhu. V germetizirovannyh
akkumulyatorah poterya vody nastol'ko neznachitel'na v raschete na
srok sluzhby, chto ne trebuetsya ee vospolneniya.
V otlichie ot germetizirovannyh svincovye stacionarnye
akkumulyatory bol'shih razmerov, izgotavlivaemye iz malo- ili
bessurmyanistyh splavov, skonstruirovany takim obrazom, chto
pozvolyayut doliv vody. Takie akkumulyatory poluchili nazvanie
"malouhodnye".
V malouhodnyh akkumulyatorah v processe perezaryada
proishodit raspylenie elektrolita s vydeleniem gazov. CHast'
elektrolita razbryzgivaetsya cherez ventilyacionnye otverstiya,
t.e. teryaetsya. Umen'shenie rashoda zhidkogo elektrolita
dostigaetsya ispol'zovaniem klapanov propuskayushchih gazy, no
zaderzhivayushchih zhidkost'. V akkumulyatorah ispol'zuyutsya pruzhinnye
i gidrofobnye (gidrofobnyj [gr. hydor voda, vlaga + gr. phobos
strah, boyazn'] ispytyvayushchij slaboe vzaimodejstvie s vodoj)
klapany. Dlya uvelicheniya intervalov mezhdu rabotami po uhodu za
akkumulyatorami firmy VARTA ispol'zuyutsya probki s
kataliticheskimi nasadki (sm. ris. p072).
Oni vypolnyayutsya v vide vvinchivayushchihsya probok, zakryvayushchih
zalivochnoe otverstie. Gidrofobnye poristye fil'try propuskayut
gazy, no ne propuskayut vodnyj elektrolit. |ti nasadki soderzhat
v sebe metallicheskie katalizatory. Obrazuyushchijsya v akkumulyatorah
vodyanoj par kondensiruetsya kataliticheskim (kataliz [gr.
katalysis razrushenie] -- vozbuzhdenie himicheskoj reakcii ili
izmenenie ee skorosti nebol'shimi dobavkami veshchestv
(katalizatorov) sostav kotoryh v reakcii ne menyaetsya) putem i
stekaet v akkumulyator.
Vopros obsluzhivaniya svincovyh akkumulyatorov svoditsya k
voprosu o rashode vody. V etom smysle perehod k zakrytym
akkumulyatoram byl shagom vpered, poskol'ku v otkrytyh
akkumulyatorah 95% poter' vody proishodit za schet ispareniya.
Opredelennyj rashod vody imeetsya za schet elektroliticheskogo
razlozheniya vody, kotoryj v izvestnyh predelah neizbezhen.
SHirokoe rasprostranenie perenosnoj apparatury, istochnikov
besperebojnogo pitaniya i drugoj mobil'noj tehniki potrebovalo
razrabotki bolee udobnyh v ekspluatacii germetizirovannyh
akkumulyatorov. Germetizaciya zatrudnena tem, chto pri rabote ili
hranenii akkumulyatorov mozhet proishodit' vydelenie gazov.
Osobenno intensivnoe vydelenie gazov (vodoroda i kisloroda)
nablyudaetsya:
v konce zaryada;
pri perezaryade;
pri perepolyusovke vsledstvie glubokogo razryada.
Vazhnym usloviem horoshej germetizacii yavlyaetsya plotnoe
himicheski- i termostojkoe soedinenie konstruktivnyh elementov.
Osoboe znachenie imeet germetizaciya vyvodov -- kontakta
metallicheskih tokovyvodyashchih elementov i nemetallicheskih
izolyacionnyh materialov.
V akkumulyatorah firmy VARTA (sm. ris. p080) s cel'yu
polucheniya minimal'nogo soprotivleniya vnutrennyaya chast' vyvoda
(3) vypolnena iz medi. Snaruzhi on pokryt svincom (6).
Konstrukciya vyvoda obespechivaet germetichnost' soedineniya s
korpusom (4) za schet zazhimaemyh elementami konstrukcii
rezinovyh prokladok (5). Zashchitnyj chehol (2) mehanicheski
zashchishchaet mesto soedineniya vyvoda s tokovedushchimi provodnikami
(1).
Dlya vypuska obrazuyushchihsya gazov vnutrennyaya polost'
akkumulyatora dolzhna soobshchat'sya s atmosferoj. Otricatel'nye
posledstviya gazovydeleniya -- neobhodimost' doliva vody iz-za ee
razlozheniya, vrednoe vliyanie na obsluzhivayushchij personal i
uvelichenie korrozionnoj aktivnosti atmosfery.
CHastichnaya germetizaciya vozmozhna pri rekombinacii gazov po
kislorodnomu ciklu. Zdes' ispol'zuetsya tot fakt, chto pri zaryade
akkumulyatora snachala na polozhitel'nom elektrode vydelyaetsya
kislorod, a pozdnee na otricatel'nom -- vodorod. Pravda, v
takih akkumulyatorah ogranicheny zaryadnye i razryadnye toki iz-za
nedopustimosti bol'shogo gazovydeleniya.
Vnutrennyaya cirkulyaciya kisloroda predstavlyaet soboj
posledovatel'nost' reakcij, v rezul'tate kotoryh iony
kisloroda, obrazuyushchiesya na polozhitel'nom elektrode,
peremeshchayutsya k otricatel'nomu, soedinyayutsya s vodorodom i
obrazuyut vodu. V svincovyh akkumulyatorah takaya reakciya vozmozhna
blagodarya ispol'zovaniyu "svyazannogo" elektrolita. "Svyazannyj"
elektrolit imeet vnutri pory pozvolyayushchie ionam gazov svobodno
peremeshchat'sya ot odnogo elektroda k drugomu.
Dlya svyazyvaniya elektrolita sushchestvuet dva metoda:
ispol'zovanie poristogo materiala, naprimer, steklovolokna
propitannogo elektrolitom;
ispol'zovanie geleobraznogo elektrolita.
Steklovolokno, propitannoe dozirovannym kolichestvom sernoj
kisloty, obrazuet poristuyu sistemu kapillyarnye sily kotoroj
uderzhivayut elektrolit. |lektrolit doziruetsya takim obrazom,
chtoby melkie pory byli zapolneny, a krupnye ostavalis' pustymi.
CHerez nezapolnennye pory i svobodnoe prostranstvo v
akkumulyatore vozmozhno svobodnoe peremeshchenie gaza.
V geleobraznom elektrolite sootvetstvuyushchij rastvor sernoj
kisloty soderzhit primerno 6% silikagelya. Pered zapolneniem
akkumulyatora takoe zhele intensivno peremeshivayut i ono
stanovitsya tekuchim. Posle zapolneniya akkumulyatora v rezul'tate
zastyvaniya gelya obrazuetsya mnogo por, kotorye rasprostranyayutsya
v raznyh napravleniyah i sposobstvuyut svobodnomu dvizheniyu
gazoobraznogo kisloroda.
V germetizirovannyh akkumulyatorah VARTA so svyazannym
elektrolitom ispol'zuyutsya steklovolokonnye maty s
dopolnitel'nymi separatorami. ZHeleobraznyj elektrolit
primenyaetsya sovmestno s obychnymi separatorami. Ispol'zovanie
zheleobraznogo elektrolita imeet te preimushchestva, chto pri
ciklichnoj rabote akkumulyatora mala raznica koncentracii
elektrolita v verhnej i nizhnej chasti akkumulyatora.
Vysokie akkumulyatory s sorbirovannym elektrolitom
proizvoditeli rekomenduyut ispol'zovat' v stacionarnyh usloviyah
"lezha", chtoby ogranichit' vysotu separatora.
2.2.4. PROEKTIROVANIE BATAREJNYH USTANOVOK
Dlya uspeshnoj ekspluatacii akkumulyatornyh batarej vazhno,
chtoby v vypryamitelyah, ispol'zuemyh dlya zaryada, byli realizovany
vse trebovaniya, kotorye pred®yavlyayut k zaryadu akkumulyatorov (sm.
gl. 3).
Akkumulyatory, izgotavlivaemye po tehnologii VARTA (sm.
tabl. t033), rekomenduetsya zaryazhat' po harakteristike IU (sm.
ris. p077). |tot shchadyashchij zaryad s napryazheniem postoyannogo
podzaryada yavlyaetsya naibolee predpochtitel'nym, hotya pri
opredelennyh usloviyah mogut potrebovat'sya metody zaryada s
povyshennym zaryadnym napryazheniem do 2,4 V/el. Pri etom vpolne
dostatochno napryazheniya postoyannogo podzaryada 2,23 V/el.
Nikel'-kadmievym akkumulyatoram, v otlichie ot svincovyh,
trebuyutsya uravnitel'nye zaryady dlya vospolneniya emkosti. Oni
dolzhny provodit'sya cherez ravnomernye promezhutki vremeni. Polnyj
zaryad dostigaetsya pri dostatochno vysokom napryazhenii na
akkumulyatorah i ne mozhet byt' dostignut pri napryazhenii
postoyannogo podzaryada.
Svincovye akkumulyatory dolzhny ekspluatirovat'sya v rezhime
postoyannogo podzaryada i ne ostavat'sya dlitel'noe vremya
nezaryazhennymi, chtoby ne dopustit' tyazhelyh korrozionnyh
povrezhdenij.
V nikel'-kadmievyh akkumulyatorah prakticheski net problemy
s korroziej, poetomu batarei s takimi akkumulyatorami mogut
hranit'sya dlitel'noe vremya kak v zaryazhennom, tak i v
razryazhennom sostoyanii.
Stacionarnye svincovye akkumulyatory Vb i OPzS firmy VARTA
skonstruirovany takim obrazom, chto optimal'nyj srok sluzhby i
sostoyanie polnoj zaryazhennosti dostigaetsya pri ispol'zovanii
grafika IU pri podderzhivayushchem zaryadnom napryazhenii 2,23 V/el
(ris. p077).
Bolee vysokoe napryazhenie zaryada vedet k perezaryadu
akkumulyatorov i umen'sheniyu ih sroka sluzhby. Regulyarnyj
uravnitel'nyj zaryad dlya etih akkumulyatorov ne trebuetsya.
Tok postoyannogo podzaryada
Dlya postoyannoj gotovnosti k rabote svincovye akkumulyatory
dolzhny nahodit'sya pod napryazheniem postoyannogo podzaryada.
Napryazhenie postoyannogo podzaryada -- takaya velichina napryazheniya,
nepreryvno podderzhivaemaya na vyvodah akkumulyatora, pri kotoroj
protekanie toka kompensiruet process samorazryada akkumulyatora.
Neobhodimo uchityvat', chto tok postoyannogo podzaryada
zavisit ot:
napryazheniya postoyannogo podzaryada;
temperatury akkumulyatora.
Oba parametra izmenyayut silu toka postoyannogo podzaryada i,
tem samym, vliyayut na rashod vody posredstvom elektroliza.
1 Ach soobshchaemogo akkumulyatoru zaryada razlagaet 0,34 g
vody. Pri etom obrazuetsya:
0,42 l vodoroda;
0,22 l kisloroda.
V germetichnyh nikel'-kadmievyh akkumulyatorah gaz ne
vydelyaetsya.
Na ris. p075 pokazano, chto pri povyshenii napryazheniya
zakrytogo svincovogo akkumulyatora tol'ko na 200 mV tok
postoyannogo podzaryada uvelichivaetsya v 10 raz. Pri vozrastanii
napryazheniya na akkumulyatore tol'ko na 2,5%, chto sostavlyaet 50
mV, tok pochti udvaivaetsya. Uvelichenie napryazheniya na
akkumulyatorah uvelichivaet skorost' korrozii reshetok i, tem
samym, privodit k umen'sheniyu sroka sluzhby.
Tok postoyannogo podzaryada zavisit ot tipa akkumulyatora.
Pri postoyannom podzaryade s napryazheniem 2,23 V/el. i +20oS
znacheniya toka podzaryada na kazhdye 100 Ach akkumulyatorov
zakrytogo tipa sostavyat:
GroE -- 15 mA;
OPzS -- 20 mA;
Vb -- 25 mA.
Osobenno vazhno podderzhanie optimal'nogo napryazheniya
postoyannogo podzaryada dlya germetizirovannyh akkumulyatorov, v
kotoryh net izbytochnogo elektrolita i ne predstavlyaetsya
vozmozhnym dobavlyat' ego v processe ekspluatacii.
Vliyanie temperatury
Analogichnoe vliyanie, svyazannoe s uvelicheniem toka
podzaryada, okazyvaet i temperatura. Pri povyshenii temperatury
na 10oS udvaivaetsya tok postoyannogo podzaryada i, tem samym,
rashod vody.
S rostom temperatury uvelichivaetsya skorost' korrozionnyh
processov, chto sokrashchaet srok sluzhby akkumulyatornyh batarej.
Povyshenie temperatury akkumulyatora na 10oS udvaivaet
skorost' korrozionnyh processov i vdvoe sokrashchaet srok sluzhby.
Ot temperatury zavisit i otdavaemaya emkost', chto
illyustriruet ris. p076.
Rezhim razryada akkumulyatora
Pri vybore akkumulyatora neobhodimo uchityvat' to
obstoyatel'stvo, chto raznye tipy akkumulyatorov imeyut razlichnye
razryadnye harakteristiki. V zavisimosti ot skorosti razryada
otdavaemaya emkost' u raznyh tipov batarej izmenyaetsya ne
odinakovo. Ris. p086 pokazyvaet, chto pri toke 200 A trebuemaya
nominal'naya emkost' raznyh tipov akkumulyatornyh batarej
razlichna. Poetomu stoimost' batarei, sostoyashchej iz dorogih
akkumulyatorov (Vb), mozhet okazat'sya ne vyshe stoimosti batarei
vybrannoj dlya teh zhe uslovij, no sostoyashchej iz bolee deshevyh
akkumulyatorov (OPzS).
2.3. STACIONARNYE AKKUMULYATORY FIAMM
Stacionarnye akkumulyatory -- abstraktnye i zachastuyu
maloizvestnye sputniki budnichnoj zhizni. My ne zamechaem ih
prisutstviya na elektricheskih podstanciyah, v sistemah svyazi, v
ustrojstvah avtomatiki. Stacionarnye akkumulyatory prednaznacheny
dlya ekspluatacii na postoyannom meste ili v usloviyah,
isklyuchayushchih peremeshchenie mashin, v kotoryh oni ustanovleny.
Tradicionnye primeneniya vklyuchayut: istochniki besperebojnogo
pitaniya (UPS), protivopozharnye i ohrannye sistemy signalizacii,
komp'yutery i medicinskie pribory.
Vedushchie akkumulyatornye kompanii, takie, kak VARTA, Bosch,
FIAMM, Baren vypuskayut neobsluzhivaemye akkumulyatornye batarei.
Takie akkumulyatornye batarei mogut ekspluatirovat'sya na
peremeshchaemyh ustrojstvah.
Firma FIAMM zanimaet odno iz vedushchih mest v mire po
proizvodstvu akkumulyatorov. Znachitel'nyj ob®em proizvodstva
FIAMM-GS sostavlyayut germetizirovannye akkumulyatory s
sorbirovannym elektrolitom (AGM).
V pervom vypuske serii [8] Vy poznakomilis' s
avtomobil'nymi akkumulyatorami FIAMM. V etoj glave my
predstavlyaem stacionarnye akkumulyatory. Oni harakterizuyutsya
sokrashcheniem ekspluatacionnyh zatrat i perekryvayut diapazon
emkostej ot 0,5 do 8000 Ach, chto pozvolyaet udovletvorit'
trebovaniya lyubogo potrebitelya.
2.3.1. OBSHCHIE HARAKTERISTIKI
Udel'nye vesovye i ob®emnye harakteristiki -- naibolee
obshchie harakteristiki, otrazhayushchie tehnologicheskij uroven'
proizvodstva akkumulyatorov. Dlya stacionarnyh akkumulyatorov
FIAMM oni predstavleny na ris. p002.
Akkumulyatory tipov SD, SDH, SMZA, SMF, SMBF, PMF otnosyatsya
k malouhodnym. Ih sleduet raspolagat' v special'nom pomeshchenii.
Vse oni osnashcheny ventilyami-probkami s keramicheskimi
iskrogasitelyami.
Naibolee udobnymi i bezopasnymi iz kislotnyh akkumulyatorov
yavlyayutsya neobsluzhivaemye germetizirovannye akkumulyatory VRLA
(Valve Regulated Lead Acid), vneshnij vid kotoryh pokazan na
ris. p004.
|lektrolit v etih akkumulyatorah nahoditsya v sorbirovannom
ili zheleobraznom sostoyanii. |to povyshaet nadezhnost'
akkumulyatorov, bezopasnost' ih ekspluatacii i transportirovki.
Svincovym akkumulyatoram prisushcha unikal'naya osobennost' --
sposobnost' vydelyat' vodorod pri perenapryazheniyah i kislorod,
kogda napryazhenie svincovoj batarei priblizhaetsya k znacheniyu,
svojstvennomu polnomu zaryadu. Pri etom proishodit sushchestvennyj
pod®em napryazheniya neobhodimyj dlya prohozhdeniya zaryazhayushchego toka
cherez elektrolit. Esli napryazhenie, obuslovlivayushchee prohozhdenie
zaryadnogo toka, fiksirovano i dostatochno vysoko dlya zaryada
elektrodov, no ne nastol'ko, chtoby vyzvat' vydelenie gaza,
napryazhenie elementa budet rasti do teh por, poka ne stanet
ravnym napryazheniyu zaryazhayushchego istochnika.
V germetizirovannyh akkumulyatorah realizovana rekombinaciya
gazov, vydelyayushchihsya pri zaryade-razryade. Poetomu
ekspluatacionnye rashody na soderzhanie etih tipov batarej
men'she, v sravnenii s obsluzhivaemymi.
|lektrolit skonstruirovan tak, chto generaciya kisloroda v
processe zaryada kompensiruetsya drugimi himicheskimi reakciyami
podderzhivayushchimi usloviya ravnovesiya, v kotoryh batareya mozhet
dlitel'no rabotat' bez poter' vody. |to principial'no vazhno dlya
germetizirovannyh akkumulyatorov.
Germetizirovannye akkumulyatory: SMG, SLA, UPS, FG po
stepeni vozdejstviya na apparaturu i lyudej otlichayutsya ot svoih
predshestvennikov tem, chto oni mogut nahodit'sya v pomeshchenii s
estestvennoj ventilyaciej. Dlya nih ne trebuetsya otdel'nogo
pomeshcheniya. Oni osnashcheny iskrogasyashchim klapanom isklyuchayushchim
raspylenie elektrolita i vosplameneniya gremuchej smesi. Soglasno
DIN 43 539 pri vozrastanii davleniya vyshe 30 kPa klapan
akkumulyatora sbrasyvaet izbytochnoe davlenie gaza.
V sovremennyh stacionarnyh akkumulyatorah primenyayutsya
tol'ko pastirovannye elektrody. Oni mogut byt' reshetchatymi,
korobchatymi i pancirnymi.
V reshetchatyh elektrodah aktivnaya massa uderzhivaetsya v
reshetke iz svincovo-sur'myanogo ili svincovo-kal'cievogo splava
(sm. ris. p003) tolshchinoj 1...4 mm.
V korobchatyh plastinah reshetki s aktivnoj massoj
zakryvayutsya s dvuh storon perforirovannymi svincovymi listami.
V korobchatyh plastinah akkumulyatorov SD i SDH splav Sb-Pb
legiruetsya selenom.
Pancirnye plastiny (ris. p005) sostoyat iz
svincovo-sur'myanyh shtyrej, kotorye pomeshchayutsya vnutri
perforirovannyh trubok zapolnennyh aktivirovannoj massoj.
Ispol'zovanie korobchatyh i pancirnyh plastin pozvolyaet
izgotavlivat' akkumulyatory bol'shoj emkosti s malym vnutrennim
soprotivleniem.
Dlya otricatel'nyh elektrodov ispol'zuyutsya reshetchatye i
korobchatye plastiny, dlya polozhitel'nyh -- poverhnostnye,
reshetchatye i pancirnye. V kachestve separatorov primenyayut
mikroporistye plastiny iz vulkanizirovannogo kauchuka (mipor),
polivinilhlorida (miplast) i steklovolokna.
Tradicionno, dlya uvelicheniya prochnosti, plastiny vypolnyayut
iz splava svinca i sur'my. V sovremennyh modelyah ispol'zuyut
splav svinca i kal'ciya, a takzhe svinca, sur'my i selena.
Primenenie sur'my privodit k tomu, chto elektroliz vody
nachinaetsya uzhe pri sravnitel'no nizkih napryazheniyah. |to, v svoyu
ochered', obuslovlivaet poteri vody. Prisutstvie sur'my takzhe
vyzyvaet obrazovanie dendritov v materiale plastin. Poetomu,
esli ne prinimat' dopolnitel'nyh mer, takie plastiny sil'nee
podverzheny korrozii i mehanicheskomu razrusheniyu. Ispol'zovanie
selena v korobchatyh plastinah SD i SDH pozvolyaet predotvratit'
sur'myanoe otravlenie akkumulyatorov.
Splav svinca i kal'ciya pozvolyaet izgotavlivat' bolee
legkie i prochnye plastiny. Zdes' elektroliz vody nachinaetsya pri
bolee vysokih napryazheniyah. Kristally, obrazuyushchiesya v plastinah
soderzhashchih kal'cij -- melkie i odnorodnye, a ih rost ogranichen.
Vo mnogih modelyah stacionarnyh akkumulyatorov FIAMM kazhdaya
plastina otdelyaetsya dvojnymi separatorami ili upakovana v
mikroporistyj konvert-separator. V perevodnyh instrukciyah i
prospektah k akkumulyatoram chasto vstrechaetsya utverzhdenie o tom,
chto konverty-separatory vypolneny iz polietilena. |to
zabluzhdenie ili oshibka perevoda. Iz polietilena (s radiacionno
privitoj akrilovoj kislotoj) izgotavlivayut membrany [5].
Konverty vypolnyayut iz poristogo miplasta. On inerten po
otnosheniyu k elektrolitu.
Konvert-separator ne tol'ko povyshaet stojkost' plastin k
vibraciyam i udaram, no i predotvrashchaet odnu iz osnovnyh prichin
vyhoda iz stroya batarej -- igloobraznoe razrastanie aktivnoj
massy, vedushchee k zamykaniyu plastin vnutri akkumulyatora.
Plastiny, raspolozhennye v konvertah-separatorah mogut
raspolagat'sya znachitel'no blizhe drug k drugu. Pri etom
izmenyayutsya udel'nye harakteristiki akkumulyatora, v chastnosti,
povyshaetsya nominal'naya emkost'. Konverty-separatory primeneny v
sleduyushchih modelyah akkumulyatorov: SD, SDH, SMZA, SMF, SMBF.
Separatory iz steklovolokna izgotavlivayutsya v vide cinovok
i ispol'zuyutsya sovmestno s poristymi separatorami PVC. Dvojnye
separatory primeneny v modelyah: SMZA, SMF, SMBF.
Malouhodnye i germetizirovannye akkumulyatory dostavlyayut
men'she hlopot svoim hozyaevam. |to ne oznachaet, chto obsluzhivanie
voobshche isklyuchaetsya. V lyubom sluchae neobhodim kontrol' za
sostoyaniem akkumulyatornyh batarej. No esli oni ispol'zuyutsya v
ustrojstvah s avtomaticheskim kontrolem stepeni zaryada (sm. gl.
3), to ne dostavlyayut nikakih hlopot.
Pri vybore akkumulyatora dlya stacionarnyh uslovij raboty
potrebitelyu sleduet rukovodstvovat'sya harakteristikami,
privedennymi v tabl. t001 i vybirat' akkumulyatory v
sootvetstvii s usloviyami ekspluatacii. Sleduet pomnit', chto
priobretenie akkumulyatorov tipov SD, SDH, SMZA, SMF, SMBF, PMF
povlechet dopolnitel'nye zatraty na obsluzhivanie. Esli u vas
est' pomeshchenie, oborudovannoe dlya razmeshcheniya obsluzhivaemyh
akkumulyatorov, to ego sleduet ispol'zovat' po naznacheniyu.
Vybrannyj akkumulyator dolzhen sootvetstvovat' rezhimu
ekspluatacii. V akkumulyatorah nahodyashchihsya v ekspluatacii
nepreryvno povtoryaetsya zamknutyj cikl elektrohimicheskih
preobrazovanij. Period zaryada-razryada akkumulyatora nazyvayut
ciklom. S kazhdym ciklom akkumulyatory iznashivayutsya.
Dolgovechnost' akkumulyatora ocenivayut kolichestvom ciklov
zaryada-razryada.
Razlichayut tri rezhima raboty uchityvayushchih osobennosti
zaryadno-razryadnyh processov akkumulyatora:
bufernyj;
ciklicheskij;
smeshannyj.
Esli periody razryada neprodolzhitel'ny, v sravnenii s
periodami zaryada, takoj rezhim raboty akkumulyatora nazyvaetsya
bufernym. V etom rezhime akkumulyator postoyanno podzaryazhaetsya.
Ciklicheskij rezhim raboty harakterizuetsya dlitel'nymi
periodami zaryad-razryad-zaryad. Polnyj ciklicheskij rezhim na
praktike ispol'zuetsya redko, naprimer, pri kontrol'nyh
zaryadno-razryadnyh ciklah akkumulyatorov. V etom sluchae
akkumulyator polnost'yu zaryazhaetsya, a zatem razryazhaetsya do
minimal'no dopustimogo napryazheniya i snova zaryazhaetsya. Takim
obrazom, opredelyayut dostupnuyu emkost' akkumulyatora.
Pod dostupnoj emkost'yu sleduet ponimat' maksimal'noe
kolichestvo elektrichestva v kulonah (amper chasah (1 Ach = 3600
Kl)), kotoroe akkumulyator otdaet pri razryade do vybrannogo
konechnogo napryazheniya. Minimal'noe konechnoe napryazhenie razryada
batarei ogovarivaetsya izgotovitelem. Ne rekomenduetsya
ispol'zovat' rezhim bolee glubokogo, a takzhe myagkogo razryada,
kotorye snizhayut prodolzhitel'nost' ciklicheskogo sroka sluzhby
akkumulyatora.
Dostupnaya emkost' posle vvoda v ekspluataciyu
uvelichivaetsya, a zatem, s uvelicheniem chisla ciklov, umen'shaetsya
(ris. p006). Pervonachal'noe uvelichenie emkosti svyazano s
aktivaciej plastin pri vvode akkumulyatorov v ekspluataciyu.
Kolichestvo ciklov raboty zavisit ot stepeni razryada
akkumulyatora. CHem men'she glubina razryada akkumulyatora, tem
bol'shee kolichestvo ciklov on prosluzhit.
Schitaetsya, chto akkumulyator otrabotal svoj srok sluzhby,
esli dostupnaya emkost' padaet do 80% ukazannoj pervonachal'noj
emkosti. V etom sluchae 30% glubina razryada sootvetstvuet
maksimal'nomu ciklicheskomu sroku sluzhby akkumulyatora [8].
Zaryadnye i razryadnye harakteristiki akkumulyatora izmenyayut
v zavisimosti ot rezhima raboty. Napryazhenie zaryada pri
ciklicheskom rezhime vyshe, chem dlya bufernogo (ris. p008).
Izgotoviteli ogovarivayut predpochtitel'nye rezhimy ekspluatacii
batarej. V sluchae esli izgotovitel' privodit parametry odnogo
rezhima -- eto dlya bufernogo.
Tehnika zaryada
Soglasno rekomendacij izgotovitelya zaryad vseh tipov
akkumulyatorov FIAMM mozhet osushchestvlyat'sya v rezhime plavayushchego i
kompensacionnogo zaryada.
Rezhim plavayushchego zaryada akkumulyatora obespechivaetsya, esli
k nemu prilozhen potencial prevyshayushchij ego rabochee napryazhenie.
Tok zaryada proporcionalen raznosti prilozhennogo napryazheniya i
napryazheniya holostogo hoda akkumulyatora. Napryazhenie akkumulyatora
vozrastaet po mere zaryada do teh por, poka ne nachinaetsya
elektroliz. Odnovremenno s etim umen'shaetsya effektivnost'
zaryada, a napryazhenie na zazhimah akkumulyatora uvelichivaetsya po
mere umen'sheniya skorosti zaryada. Pri takom sposobe zaryada
udaetsya zapasti do 90% dostupnoj emkosti. Napryazhenie zaryada dlya
stacionarnyh akkumulyatorov ukazano v tabl. t002.
Sleduet obratit' vnimanie na tot fakt, chto malouhodnye
akkumulyatory mogut postavlyat'sya s elektrolitom plotnost'yu 1,21
i 1,25 g/sm3, po trebovaniyu zakazchika, v zavisimosti ot
klimaticheskih uslovij ekspluatacii. Pri etom zaryadnoe
napryazhenie vyshe dlya akkumulyatorov s elektrolitom bolee vysokoj
plotnosti.
Posle polnogo zaryada akkumulyatora dal'nejshee prodolzhenie
zaryada vyzyvaet vydelenie gazov (proishodit "perezaryad"). V
obsluzhivaemyh akkumulyatorah FIAMM v processe perezaryada
raspylenie elektrolita ogranicheno konstrukciej ventilej.
Rezhim kompensacionnogo zaryada (IU) dlya yacheek SD, SDH,
SMZA, SMF, SMBF -- pozvolyaet zaryadit' akkumulyator na 100% v dva
etapa. Snachala batareyu zaryazhayut bol'shim tokom, ravnym 15%
emkosti batarei pri desyatichasovom zaryade do napryazheniya 2,3 V.
Zatem dozaryazhayut tokom, ravnym 5% emkosti pri desyatichasovom
zaryade do napryazheniya 2,4 V. Svincovye akkumulyatory dolzhny
ekspluatirovat'sya v rezhime postoyannogo podzaryada i ne
ostavat'sya dlitel'noe vremya nezaryazhennymi, chtoby ne dopustit'
korrozionnyh povrezhdenij plastin.
Pri izmenyayushchejsya temperature zaryadnoe napryazhenie sleduet
korrektirovat' v sootvetstvii s popravochnymi koefficientami ili
grafikami izgotovitelya. Harakternaya krivaya zavisimosti
napryazheniya batarej ot temperatury privedena na ris. p007. Pri
etom napryazhenie zaryada mozhet izmenyat'sya v predelah, ukazannyh v
tabl. t002.
Maksimal'nyj tok zaryada germetizirovannyh akkumulyatorov
SMG, SLA, UPS dlya rezhima plavayushchego i kompensacionnogo zaryada
proizvoditel' ogranichivaet do 0,25% emkosti. Pri plavayushchem
zaryade germetizirovannye batarei zaryazhayut do napryazheniya 2,23
V/yachejku, pri kompensacionnom -- do 2,4 V/yachejku.
Izgotovitel' ne rekomenduet zloupotreblyat' rezhimom
bystrogo kompensacionnogo zaryada dlya vseh tipov akkumulyatorov.
Tipichnye krivye zaryada dlya akkumulyatorov FIAMM pokazany na ris.
p008. Pri zaryadnom napryazhenii bol'shem 2,3 V sleduet
ogranichivat' tok zaryada do znacheniya, ukazannogo v tabl. t002.
Tehnika razryada
Dostupnaya emkost' akkumulyatorov nechuvstvitel'na k razryadam
so skorost'yu nizhe S/10. Pri bolee intensivnyh razryadah emkost'
umen'shaetsya po mere uvelicheniya skorosti razryada. Izgotovitelyu
dostatochno privesti otnositel'no ogranichennoe chislo tipichnyh
krivyh razryada. Pri rabote akkumulyatora dostupnaya emkost'
opredelyaetsya skorost'yu razryada. Tipichnaya zavisimost'
procentnogo sootnosheniya emkosti ot maksimal'nogo toka razryada
akkumulyatorov FIAMM predstavlena na ris. p093.
Pri razomknutoj bataree otdavaemaya moshchnost' ravna nulyu,
poskol'ku tok raven nulyu. Esli batareya zamknuta nakorotko, to
otdavaemaya moshchnost' snova ravna nulyu, tak kak napryazhenie blizko
k nulyu, hotya tok mozhet byt' ochen' bol'shim. Srednee napryazhenie
zavisit ot otbiraemogo toka, no linejnoj zavisimosti mezhdu
etimi velichinami net. Dlya himicheskih istochnikov toka
zavisimost' vremeni razryada ot moshchnosti pokazana na ris. p094.
Iz grafika vidno, chto maksimal'naya otdavaemaya moshchnost' imeet
mesto pri ravenstve soprotivleniya nagruzki vnutrennemu
soprotivleniyu batarei.
Predel'naya emkost' akkumulyatornyh batarej dostigaetsya pri
normal'noj temperature (20oS), malyh skorostyah razryada i nizkih
napryazheniyah otsechki. Podvizhnost' ionov i skorost' ih
vzaimodejstviya s elektrodami umen'shayutsya po mere snizheniya
temperatury. Bol'shinstvo batarej s elektrolitami na vodnoj
osnove umen'shayut otdavaemuyu energiyu v sravnenii s toj, kotoruyu
oni mogut otdat' pri normal'noj temperature. Esli elektrolit
zamerzaet, to podvizhnost' ionov mozhet upast' do takoj stepeni,
chto batareya perestanet rabotat'.
Pri razryade batarei v usloviyah nizkih temperatur
uvelichivaetsya ee vnutrennee soprotivlenie, chto privodit k
vydeleniyu dopolnitel'nogo tepla. Ono v nekotoroj stepeni
kompensiruet ponizhenie temperatury okruzhayushchej sredy. V takih
usloviyah rabotosposobnost' batarei opredelyaetsya ee konstrukciej
i usloviyami razryada.
2.4. AKKUMULYATORY HAWKER BATTERIES GROUP
Nesmotrya na to, chto svincovyj akkumulyator izvesten bolee
sta let, prodolzhayutsya raboty po ego usovershenstvovaniyu.
V akkumulyatorah proishodit gazovydelenie. Nekotoroe
snizhenie gazovydeleniya v okruzhayushchee prostranstvo dostigaetsya
pri ispol'zovanii special'nyh probok s kataliticheskimi
nasadkami. Uvenchalas' uspehom popytka sozdaniya
germetizirovannyh akkumulyatorov, v kotoryh ispol'zuetsya
rekombinaciya gazov po kislorodnomu ciklu.
V 1982 firma Chloride Industrial Batteries (Chloride
Industrial Batteries Ltd odin iz izgotovitelej akkumulyatornyh
batarej. Firma -- chlen mezhdunarodnoj gruppy Hawker Batteries
Group (sm. ris. 2.1). Proizvodstvo raspolozheno v Manchestere
(Velikobritaniya). Distrib'yutor na ukrainskom rynke -- firma
Selkom (sm. str. 106)) nachala proizvodstvo novogo pokoleniya
germetizirovannyh batarej. Ih pervym otlichitel'nym priznakom
yavlyaetsya rekombinaciya gazov pri zaryade akkumulyatora. Vtorym --
izgotovlenie setki plastin iz chistogo svinca. Akkumulyatory
Chloride ispol'zuyutsya dlya pitaniya avtonomnyh ustrojstv
telekommunikacij, v aviacii, v istochnikah besperebojnogo
pitaniya. Udel'nye vesovye harakteristiki akkumulyatorov Chloride
Industrial Batteries otobrazheny na diagramme ris. p043.
2.4.1. AKKUMULYATORY SERII POWERSAFE
Akkumulyatory Powersafe -- germetizirovannye akkumulyatory v
monoblochnom ispolnenii. Vypuskayutsya v diapazone emkostej ot 19
do 1689 Ach. Akkumulyatory mogut soedinyat'sya v batarei
posledovatel'no do 200 yacheek.
Polozhitel'nye plastiny vypolneny iz splava
svinec-kal'cij-olovo. V batareyah serii Powersafe osushchestvlena
95% rekombinaciya gazov. V nih ispol'zuyutsya ionoobmennye
membrany-separatory osushchestvlyayushchie transportirovku ionov
kisloroda ot polozhitel'noj plastiny k otricatel'noj.
Tak kak skorost' gazovydeleniya pri zaryade na polozhitel'nom
i otricatel'nom elektrodah ne odinakova ispol'zuetsya tot fakt,
chto kislorod vydelyaetsya na polozhitel'nom elektrode prezhde, chem
na otricatel'noj vydelyaetsya vodorod. V to zhe vremya neobhodimo
otvesti kislorod s cel'yu predotvrashcheniya okisleniya polozhitel'noj
plastiny akkumulyatora. Ispol'zovanie splava
svinec-kal'cij-olovo pozvolilo uvelichit' napryazhenie elektroliza
vody na poslednej stadii zaryada akkumulyatora.
Ionoobmennaya membrana-separator yavlyaetsya napravlennym
provodnikom ionov kisloroda ot polozhitel'noj plastiny k
otricatel'noj. Membrana-separator imeet preimushchestvenno
gorizontal'nye pory. Na otricatel'nom elektrode proishodit
reakciya soedineniya kisloroda s vodorodom s obrazovaniem vody
(ris. p041):
2e-- + 2H + 1/2 O2 = H2O.
Takim obrazom, pri ekspluatacii akkumulyatorov Powersafe
vydelyayushchiesya gazy rekombiniruyut s obrazovaniem vody.
Diapazon napryazhenij dlya kazhdoj yachejki batarei Powersafe
sostavlyaet 2,27...2,29 V pri temperature 20oS. Minimal'noe
napryazhenie razryada -- 1,63 V.
Proizvoditel' preduprezhdaet, chto razryazhennye do napryazheniya
1,6 V batarei sleduet nachat' zaryazhat' v techenie dvuh minut.
Vozmozhno priobretenie akkumulyatorov so vstroennoj zashchitoj ot
glubokogo razryada, odnako, primenyayutsya oni isklyuchitel'no redko.
Pri izmenenii temperatury zaryad i podzaryad akkumulyatora
sleduet osushchestvlyat' s uchetom temperaturnyh koefficientov,
privedennyh v tabl. t024. Napryazhenie zaryada opredelyaetsya
umnozheniem nominal'nogo napryazheniya zaryada na velichinu
temperaturnogo koefficienta. Sleduet obratit' vnimanie na
otlichie koefficientov dlya razlichnoj skorosti zaryada.
Maksimal'nyj zaryadnyj tok batarej na protyazhenii vsego vremeni
zaryada ne dolzhen prevyshat' 10% nominal'noj emkosti dlya rezhima
trehchasovogo razryada.
V tabl. P2 prilozheniya predstavleny tehnicheskie
harakteristiki akkumulyatorov Powersafe. V tablice predstavleny
4 tipa akkumulyatorov.
Optimal'nye zaryadnye harakteristiki akkumulyatora Powersafe
privedeny na ris. p038 i ris. p039. Na grafike (ris. p038)
pokazana zavisimost' zaryadnogo toka ot vremeni zaryada batarej,
a na ris. p039 -- tipichnoe vremya zaryada v zavisimosti ot
stepeni razryada.
Kontrol' stepeni zaryada germetizirovannyh akkumulyatorov ne
mozhet osushchestvlyat'sya po plotnosti elektrolita. Dlya
akkumulyatorov Powersafe izgotovitel' privodit zavisimost'
napryazheniya yachejki i stepeni ee zaryada (ris. p040).
2.4.2. AKKUMULYATORY "PURE LEAD TECHNOLOGY"
Pod nadezhnost'yu akkumulyatora ponimayut ego sposobnost'
sohranyat' ogovorennye izgotovitelem harakteristiki pri
ekspluatacii v techenie zadannogo vremeni v zadannyh usloviyah.
Dlya akkumulyatorov harakteren bol'shoj razbros parametrov
svyazannyh s tehnologiej izgotovleniya, v chastnosti, s kolebaniem
svojstv ishodnogo syr'ya. Poetomu akkumulyatory chasto imeyut
izbytochnyj zapas aktivnyh veshchestv.
Sushchestvuet ryad faktorov, kotorye ogranichivayut dostizhenie
vysokoj stepeni nadezhnosti batarej:
sil'noe vliyanie neznachitel'nyh primesej na svojstva
aktivnyh mass;
bol'shoe kolichestvo tehnologicheskih stadij;
ispol'zovanie shirokogo assortimenta materialov.
Povyshenie nadezhnosti svyazano, v pervuyu ochered', s
tshchatel'nym vhodnym kontrolem vsego postupayushchego syr'ya i
ispol'zuemyh materialov.
Akkumulyatory Chloride Industrial Batteries vypolneny po
tehnologii Pure Lead Technology (PLT). K nim otnosyatsya batarei
sleduyushchih tipov:
CYCLON;
MONOBLOC;
GENESIS;
SBS.
Osnova tehnologii PLT -- uvelichenie koefficienta
ispol'zovaniya elementov konstrukcii i aktivnyh mass elektrodov.
Obychnaya konstrukciya akkumulyatora obespechivaet ih vysokuyu
nadezhnost' za schet izbytochnosti aktivnoj massy elektrodov,
elektrolita i tokovedushchih elementov. V nih izbytok reagentov i
elektrolita sostavlyaet 75...85% ot teoreticheski neobhodimyh
[5].
CHistye svincovye reshetki plastin vpervye byli primeneny
korporaciej Gates v 1973 g. (teper' Inc Hawker Energy
Products.). Osnovnoj osobennost'yu tehnologii yavlyaetsya chistota
materialov i ispol'zovanie bolee tonkih plastin iz chistogo
svinca bez snizheniya resursa akkumulyatora. Plastiny
izgotavlivayutsya shtampovkoj s posleduyushchim prokatyvaniem. Pri
prokatyvanii proishodit uplotnenie svinca, zakrytie por i, kak
sledstvie, vysokaya korrozionnaya stojkost' reshetok plastin.
V sravnenii s akkumulyatorami drugih proizvoditelej
vpechatlyaet temperaturnyj diapazon raboty (sm. tabl. t025).
Pervonachal'no byli razrabotany akkumulyatory tipa SBS,
kotorye poyavilis' v nachale 1980 goda. Oni ispol'zovalis' v
aviacii i apparature svyazi. V 1989 godu nachali vypuskat'sya
batarei serij Cyclon Monobloc i Genesis.
Plastiny v etih akkumulyatorah izgotovleny iz splava olova
i svinca.
SBS -- batarei dlya shirokogo primeneniya perekryvayushchie
diapazon emkostej ot 7 do 350 Ach. Vysokaya plotnost' energii
dostignuta primeneniem tonkih namaznyh plastin, ionoobmennyh
separatorov i sorbirovannogo elektrolita. Otlichitel'noj
osobennost'yu SBS batarej yavlyaetsya vozmozhnost' bystrogo
perezaryada, t.k. 99% gazov rekombiniruet pri zaryade.
Oni terpimy k glubokomu razryadu i mogut rabotat' v
ciklicheskom i bufernom rezhimah. Osobennost' konstrukcii
pozvolyaet ispol'zovat' akkumulyatory v shirokom diapazone
temperatur. Verhnij predel podnimaetsya do 60oS pri
ispol'zovanii dopolnitel'nogo stal'nogo kozhuha.
Konstrukciya akkumulyatorov Cyclon i Monobloc analogichna
akkumulyatoram Plante (ris. p042). Ih otlichitel'noj osobennost'yu
yavlyaetsya spiral'noe raspolozhenie namaznyh plastin. Oni
ustojchivo rabotayut v ciklicheskom rezhime. Monobloc soderzhit v
odnom korpuse neskol'ko banok, otkuda i proizoshlo nazvanie
akkumulyatora. Konstrukciya Genesis -- takzhe monoblochnaya.
Tehnicheskie harakteristiki akkumulyatorov Genesis privedeny v
tabl. P1 prilozheniya.
Batarei ot Chloride Industrial Batteries v shirokom
assortimente ispol'zuyutsya:
v apparature svyazi;
v aviacii;
v vychislitel'noj tehnike;
v transportnyh sredstvah;
v medicinskom oborudovanii;
v avtonomnyh vozobnovlyaemyh istochnikah energii.
Akkumulyatory Cyclon i Monobloc perekryvayut diapazon malyh
emkostej i prednaznacheny, v osnovnom, dlya malomoshchnyh perenosnyh
ustrojstv. Oni horosho rabotayut v ciklicheskom rezhime i
neprihotlivy.
Akkumulyatory Cyclon krome cilindricheskogo ispolneniya mogut
izgotavlivat'sya v zadannyh formah i gabaritah dlya
malogabaritnoj apparatury pod zakaz. |ffektivnost' rekombinacii
gazov v nih sostavlyaet 99,7%. Rabochee polozhenie proizvol'noe.
Klapan izbytochnogo davleniya predohranyaet batareyu ot vzryva i
srabatyvaet pri davlenii 50 MPa.
Toplivnye elementy osushchestvlyayut pryamoe prevrashchenie energii
topliva v elektrichestvo minuya maloeffektivnye, idushchie s
bol'shimi poteryami, processy goreniya. |to elektrohimicheskoe
ustrojstvo v rezul'tate vysokoeffektivnogo "holodnogo" goreniya
topliva neposredstvenno vyrabatyvaet elektroenergiyu.
Biohimiki ustanovili, chto biologicheskij
vodorodno-kislorodnyj toplivnyj element "vmontirovan" v kazhduyu
zhivuyu kletku [9].
Istochnikom vodoroda v organizme sluzhit pishcha -- zhiry, belki
i uglevody. V zheludke, kishechnike, kletkah ona v
konechnoladyvaetsya do monomerov, kotorye, v svoyu ochered', posle
ryada himicheskih prevrashchenij dayut vodorod, prisoedinennyj k
molekule-nositelyu.
Kislorod iz vozduha popadaet v krov' cherez legkie,
soedinyaetsya s gemoglobinom i raznositsya po vsem tkanyam. Process
soedineniya vodoroda s kislorodom sostavlyaet osnovu
bioenergetiki organizma. Zdes', v myagkih usloviyah (komnatnaya
temperatura, normal'noe davlenie, vodnaya sreda), himicheskaya
energiya s vysokim KPD preobrazuetsya v teplovuyu, mehanicheskuyu
(dvizhenie myshc), elektrichestvo (elektricheskij skat), svet
(nasekomye izluchayushchie svet).
CHelovek v kotoryj raz povtoril sozdannoe prirodoj
ustrojstvo polucheniya energii. V to zhe vremya etot fakt govorit o
perspektivnosti napravleniya. Vse processy v prirode ochen'
racional'ny, poetomu shagi po real'nomu ispol'zovaniyu T| vselyayut
nadezhdu na energeticheskoe budushchee.
Otkrytie v 1838 godu vodorodno-kislorodnogo toplivnogo
elementa prinadlezhit anglijskomu uchenomu U. Grovu. Issleduya
razlozhenie vody na vodorod i kislorod on obnaruzhil pobochnyj
effekt -- elektrolizer vyrabatyval elektricheskij tok.
CHto gorit v toplivnom elemente?
Iskopaemoe toplivo (ugol', gaz i neft') sostoit v osnovnom
iz ugleroda. Pri szhiganii atomy topliva teryayut elektrony, a
atomy kisloroda vozduha priobretayut ih. Tak v processe
okisleniya atomy ugleroda i kisloroda soedinyayutsya v produkty
goreniya -- molekuly uglekislogo gaza. |tot process idet
energichno: atomy i molekuly veshchestv, uchastvuyushchih v gorenii,
priobretayut bol'shie skorosti, a eto privodit k povysheniyu ih
temperatury. Oni nachinayut ispuskat' svet -- poyavlyaetsya plamya.
Himicheskaya reakciya szhiganiya ugleroda imeet vid:
C + O2 = CO2 + teplo.
V processe goreniya himicheskaya energiya perehodit v teplovuyu
energiyu blagodarya obmenu elektronami mezhdu atomami topliva i
okislitelya. |tot obmen proishodit haoticheski.
Gorenie -- obmen elektronov mezhdu atomami, a elektricheskij
tok -- napravlennoe dvizhenie elektronov. Esli v processe
himicheskoj reakcii zastavit' elektrony sovershat' rabotu, to
temperatura processa goreniya budet ponizhat'sya. V T| elektrony
otbirayutsya u reagiruyushchih veshchestv na odnom elektrode, otdayut
svoyu energiyu v vide elektricheskogo toka i prisoedinyayutsya k
reagiruyushchim veshchestvam na drugom.
Osnova lyubogo HIT -- dva elektroda soedinennye
elektrolitom. T| sostoit iz anoda, katoda i elektrolita (sm.
ris. p087) [10]. Na anode okislyaetsya, t.e. otdaet elektrony,
vosstanovitel' (toplivo CO ili H2), svobodnye elektrony s anoda
postupayut vo vneshnyuyu cep', a polozhitel'nye iony uderzhivayutsya na
granice anod-elektrolit (CO+, H+). S drugogo konca cepi
elektrony podhodyat k katodu, na kotorom idet reakciya
vosstanovleniya (prisoedinenie elektronov okislitelem O2--).
Zatem iony okislitelya perenosyatsya elektrolitom k katodu.
V T| vmeste svedeny vmeste tri fazy fiziko-himicheskoj
sistemy:
gaz (toplivo, okislitel');
elektrolit (provodnik ionov);
metallicheskij elektrod (provodnik elektronov).
V T| proishodit preobrazovanie energii
okislitel'no-vosstanovitel'noj reakcii v elektricheskuyu, prichem,
processy okisleniya i vosstanovleniya prostranstvenno razdeleny
elektrolitom. |lektrody i elektrolit v reakcii ne uchastvuyut, no
v real'nyh konstrukciyah so vremenem zagryaznyayutsya primesyami
topliva. |lektrohimicheskoe gorenie mozhet idti pri nevysokih
temperaturah i prakticheski bez poter'. Na ris. p087 pokazana
situaciya v kotoroj v T| postupaet smes' gazov (CO i H2), t.e. v
nem mozhno szhigat' gazoobraznoe toplivo (sm. gl. 1). Takim
obrazom, T| okazyvaetsya "vseyadnym".
Uslozhnyaet ispol'zovanie T| to, chto dlya nih toplivo
neobhodimo "gotovit'". Dlya T| poluchayut vodorod putem konversii
organicheskogo topliva ili gazifikacii uglya. Poetomu strukturnaya
shema elektrostancii na T|, pokazannaya na ris. p088, krome
batarej T|, preobrazovatelya postoyannogo toka v peremennyj (sm
gl. 3.6) i vspomogatel'nogo oborudovaniya vklyuchaet blok
polucheniya vodoroda.
Dva napravleniya razvitiya T|
Sushchestvuyut dve sfery primeneniya T|: avtonomnaya i bol'shaya
energetika.
Dlya avtonomnogo ispol'zovaniya osnovnymi yavlyayutsya udel'nye
harakteristiki i udobstvo ekspluatacii. Stoimost'
vyrabatyvaemoj energii ne yavlyaetsya osnovnym pokazatelem.
Dlya bol'shoj energetiki reshayushchim faktorom yavlyaetsya
ekonomichnost'. Krome togo, ustanovki dolzhny byt' dolgovechnymi,
ne soderzhat' dorogih materialov i ispol'zovat' prirodnoe
toplivo pri minimal'nyh zatratah na podgotovku.
Naibol'shie vygody sulit ispol'zovanie T| v avtomobile.
Zdes', kak nigde, skazhetsya kompaktnost' T|. Pri
neposredstvennom poluchenii elektroenergii iz topliva ekonomiya
poslednego sostavit poryadka 50%.
Vpervye ideya ispol'zovaniya T| v bol'shoj energetike byla
sformulirovana nemeckim uchenym V. Osval'dom v 1894 godu.
Pozdnee poluchila razvitie ideya sozdaniya effektivnyh istochnikov
avtonomnoj energii na osnove toplivnogo elementa.
Posle etogo predprinimalis' neodnokratnye popytki
ispol'zovat' ugol' v kachestve aktivnogo veshchestva v T|. V 30-e
gody nemeckij issledovatel' |. Bauer sozdal laboratornyj
prototip T| s tverdym elektrolitom dlya pryamogo anodnogo
okisleniya uglya. V eto zhe vremya issledovalis'
kislorodno-vodorodnye T|.
V 1958 godu v Anglii F. Bekon sozdal pervuyu
kislorodno-vodorodnuyu ustanovku moshchnost'yu 5 kVt. No ona byla
gromozdkoj iz-za ispol'zovaniya vysokogo davleniya gazov (2...4
MPa).
S 1955 goda v SSHA K. Kordesh razrabatyval
nizkotemperaturnye kislorodno-vodorodnye T|. V nih
ispol'zovalis' ugol'nye elektrody s platinovymi katalizatorami.
V Germanii |. YUst rabotal nad sozdaniem neplatinovyh
katalizatorov.
Posle 1960 goda byli sozdany demonstracionnye i reklamnye
obrazcy. Pervoe prakticheskoe primenenie T| nashli na kosmicheskih
korablyah "Apollon". Oni byli osnovnymi energoustanovkami dlya
pitaniya bortovoj apparatury i obespechivali kosmonavtov vodoj i
teplom.
Osnovnymi oblastyami ispol'zovaniya avtonomnyh ustanovok s
T| byli voennye i voenno-morskie primeneniya. V konce 60-h godov
ob®em issledovanij po T| sokratilsya, a posle 80-h vnov' vozros
primenitel'no k bol'shoj energetike.
Firmoj VARTA razrabotany T| s ispol'zovaniem dvuhstoronnih
gazodifuzionnyh elektrodov. |lektrody takogo tipa nazyvayut
"YAnus". Firma Siemens razrabotala elektrody s udel'noj
moshchnost'yu do 90 Vt/kg. V SSHA raboty po kislorodno-vodorodnym
elementam provodit United Technology Corp.
V bol'shoj energetike ochen' perspektivno primenenie T| dlya
krupnomasshtabnogo nakopleniya energii, naprimer, poluchenie
vodoroda (sm. gl. 1). Vozobnovlyaemye istochniki energii (solnce
i veter) otlichayutsya rassredotochenost'yu (sm gl. 4). Ih ser'eznoe
ispol'zovanie, bez kotorogo v budushchem ne obojtis', nemyslimo
bez emkih akkumulyatorov, zapasayushchih energiyu v toj ili inoj
forme.
Problema nakopleniya aktual'na uzhe segodnya: sutochnye i
nedel'nye kolebaniya nagruzki energosistem zametno snizhayut ih
effektivnost' i trebuyut tak nazyvaemyh manevrennyh moshchnostej.
Odin iz variantov elektrohimicheskogo nakopitelya energii --
toplivnyj element v sochetanii s elektrolizerami i gazgol'derami
(gazgol'der [gaz + angl. holder derzhatel'] -- hranilishche dlya
bol'shih kolichestv gaza).
Pervoe pokolenie T|
Naibol'shego tehnologicheskogo sovershenstva dostigli
srednetemperaturnye T| pervogo pokoleniya, rabotayushchie pri
temperature 200...230oS na zhidkom toplive, prirodnom gaze libo
na tehnicheskom vodorode (tehnicheskij vodorod -- produkt
konversii organicheskogo topliva, soderzhashchij neznachitel'nye
primesi okisi ugleroda). |lektrolitom v nih sluzhit fosfornaya
kislota, kotoraya zapolnyaet poristuyu uglerodnuyu matricu.
|lektrody vypolneny iz ugleroda, a katalizatorom yavlyaetsya
platina (platina ispol'zuetsya v kolichestvah poryadka neskol'kih
grammov na kilovatt moshchnosti).
Odna takih elektrostancij vvedena v stroj v shtate
Kaliforniya 1991 godu. Ona sostoit iz vosemnadcati batarej
massoj po 18 t kazhdaya i razmeshchaetsya v korpuse diametrom chut'
bolee 2 m i vysotoj okolo 5 m. Produmana procedura zameny
batarei s pomoshch'yu ramnoj konstrukcii dvizhushchejsya po rel'sam.
Dve elektrostancii na T| SSHA postavili v YAponiyu. Pervaya iz
nih byla pushchena eshche v nachale 1983 goda. |kspluatacionnye
pokazateli stancii sootvetstvovali raschetnym. Ona rabotala s
nagruzkoj ot 25 do 80% ot nominal'noj. KPD dostigal 30...37% --
eto blizko k sovremennym krupnym T|S. Vremya ee puska iz
holodnogo sostoyaniya -- ot 4 ch do 10 min., a prodolzhitel'nost'
izmeneniya moshchnosti ot nulevoj do polnoj sostavlyaet vsego 15 s.
Sejchas v raznyh rajonah SSHA ispytyvayutsya nebol'shie
teplofikacionnye ustanovki moshchnost'yu po 40 kVt s koefficientom
ispol'zovaniya topliva okolo 80%. Oni mogut nagrevat' vodu do
130oS i razmeshchayutsya v prachechnyh, sportivnyh kompleksah, na
punktah svyazi i t.d. Okolo sotni ustanovok uzhe prorabotali v
obshchej slozhnosti sotni tysyach chasov. |kologicheskaya chistota
elektrostancij na T| pozvolyaet razmeshchat' ih neposredstvenno v
gorodah.
Pervaya toplivnaya elektrostanciya v N'yu-Jorke, moshchnost'yu 4,5
MVt, zanyala territoriyu v 1,3 ga. Teper' dlya novyh stancij s
moshchnost'yu v dva s polovinoj raza bol'shej nuzhna ploshchadka
razmerom 30x60 m. Stroyatsya neskol'ko demonstracionnyh
elektrostancij moshchnost'yu po 11 MVt. Porazhayut sroki
stroitel'stva (7 mesyacev) i ploshchad' (30h60 m), zanimaemaya
elektrostanciej. Raschetnyj srok sluzhby novyh elektrostancij --
30 let.
Vtoroe i tret'e pokolenie T|
Luchshimi harakteristikami obladayut uzhe proektiruyushchiesya
modul'nye ustanovki moshchnost'yu 5 MVt so srednetemperaturnymi
toplivnymi elementami vtorogo pokoleniya. Oni rabotayut pri
temperaturah 650...700oS. Ih anody delayut iz spechennyh chastic
nikelya i hroma, katody -- iz spechennogo i okislennogo alyuminiya,
a elektrolitom sluzhit rasplav smesi karbonatov litiya i kaliya.
Povyshennaya temperatura pomogaet reshit' dve krupnye
elektrohimicheskie problemy:
snizit' "otravlyaemost'" katalizatora okis'yu ugleroda;
povysit' effektivnost' processa vosstanovleniya okislitelya
na katode.
Eshche effektivnee budut vysokotemperaturnye toplivnye
elementy tret'ego pokoleniya s elektrolitom iz tverdyh oksidov
(v osnovnom dvuokisi cirkoniya). Ih rabochaya temperatura -- do
1000oS. KPD energoustanovok s takimi T| blizok k 50%. Zdes' v
kachestve topliva prigodny i produkty gazifikacii tverdogo uglya
so znachitel'nym soderzhaniem okisi ugleroda. Ne menee vazhno, chto
sbrosovoe teplo vysokotemperaturnyh ustanovok mozhno
ispol'zovat' dlya proizvodstva para, privodyashchego v dvizhenie
turbiny elektrogeneratorov.
Firma Vestingaus zanimaetsya toplivnymi elementami na
tverdyh oksidah s 1958 goda. Ona razrabatyvaet energoustanovki
moshchnost'yu 25...200 kVt, v kotoryh mozhno ispol'zovat'
gazoobraznoe toplivo iz uglya. Gotovyatsya k ispytaniyam
eksperimental'nye ustanovki moshchnost'yu v neskol'ko megavatt.
Drugaya amerikanskaya firma Engelgurd proektiruet toplivnye
elementy moshchnost'yu 50 kVt rabotayushchie na metanole s fosfornoj
kislotoj v kachestve elektrolita.
V sozdanie T| vklyuchaetsya vse bol'she firm vo vsem mire.
Amerikanskaya United Technology i yaponskaya Toshiba obrazovali
korporaciyu International Fuel Cells. V Evrope toplivnymi
elementami zanimayutsya bel'gijsko-niderlandskij konsorcium
Elenko, zapadnogermanskaya firma Siemens, ital'yanskaya Fiat,
anglijskaya Jonson Metju.
SISTEMY BESPEREBOJNOGO |LEKTROPITANIYA
Naibolee universal'nyj vid energii -- elektrichestvo. Ono
vyrabatyvaetsya na elektrostanciyah i raspredelyaetsya mezhdu
potrebitelyami posredstvom elektricheskih setej kommunal'nymi
sluzhbami. Massovomu potrebitelyu bezrazlichno kakim tokom
pitayutsya bytovye pribory do teh por, poka ne migayut ili ne
peregorayut lampy osveshcheniya, televizor ili drugie
elektropribory.
Povyshenie grozovoj aktivnosti, otmechennoe v nastoyashchee
vremya, privodit k ser'eznym posledstviyam. Popadanie molnii v
liniyu elektroperedach ili transformatornuyu podstanciyu
soprovozhdaetsya elektromagnitnymi impul'sami ogromnoj moshchnosti.
Oni rasprostranyayutsya po vsem liniyam, vklyuchaya telefonnye i
povrezhdayut podklyuchennye ustrojstva.
V slozhivshihsya usloviyah potrebitelyu samomu sleduet
prinimat' dopolnitel'nye mery po zashchite svoego oborudovaniya.
Predstavlennyj analiz tipichnyh narushenij v setyah elektropitaniya
i ryada ustrojstv dlya zashchity oborudovaniya pozvolyaet sdelat'
optimal'nyj vybor.
Naibolee rasprostranennym ustrojstvom nuzhdayushchimsya v zashchite
yavlyaetsya personal'nyj komp'yuter. Analiz sboev i neispravnostej
provedennyj IBM pokazal, chto on podvergaetsya bolee chem 120-ti
nezhelatel'nym vozdejstviyam v mesyac. |to proishodit ne vziraya na
to, chto sovremennye istochniki pitaniya obespecheny
bystrodejstvuyushchej zashchitoj.
Po prichine narushenij pitayushchego napryazheniya v SSHA srednie
poteri rabochego vremeni sostavlyayut 9%. Krome trivial'noj poteri
dannyh i periodicheskogo "zavisaniya" nekachestvennaya
elektroenergiya otricatel'no vliyaet na rabotu nakopitelej
informacii. Te zhe problemy harakterny i dlya takih ustrojstv kak
faksy, kopiroval'nye apparaty i pr.
Krome orgtehniki lyuboe oborudovanie, prostoj kotorogo
privedet k material'nym izderzhkam, a tem bolee k ugroze
chelovecheskoj zhizni, dolzhno byt' zashchishcheno.
Poteri vremeni, vyzvannye nerabotosposobnost'yu elektronnyh
ustrojstv, obuslovleny prichinami sootnoshenie kotoryh otrazhaet
ris. p014. Sredi nih narusheniya svyazannye s nesootvetstviem
parametrov elektroenergii sostavlyayut pochti polovinu. Sleduet
otmetit', chto narushenie elektropitaniya nanosit ushcherb
soizmerimyj so stihijnymi bedstviyami.
Pri neispravnostyah v seti sistema zashchity otklyuchaet
potrebitelej na neprodolzhitel'noe vremya (neskol'ko sekund), a
zatem vklyuchaet snova. Tak voznikayut "provaly" napryazheniya.
Harakternoj osobennost'yu nastoyashchego vremeni yavlyaetsya smeshchenie
procentnogo sootnosheniya v storonu polnyh ili kratkovremennyh
propadanij napryazheniya i moshchnyh impul'snyh pomeh v setyah.
Broski napryazheniya, voznikayushchie pri avarijnyh pereklyucheniyah
i otklyucheniyah, vyzyvayut peregruzki elektricheskih priborov
mnogokratno prevoshodyashchie dopustimye. Otklyuchenie nedopustimo
dlya proizvodstv s nepreryvnym ciklom i v pervuyu ochered' tam,
gde eto sopryazheno s ugrozoj dlya zhizni lyudej.
Nesootvetstvie parametrov elektroenergii privodit k sboyam
i prezhdevremennomu vyhodu iz stroya elektronnoj tehniki.
Naibolee sovershennye istochniki pitaniya elektronnyh ustrojstv
rabotayut v intervale napryazhenij pitayushchej seti ot 100 do 275 V
pri izmenenii chastoty pitayushchego napryazheniya ot 45 do 60 Gc.
Odnako, pri krajnih znacheniyah ukazannogo diapazona oni
peregruzheny i ne mogut ustojchivo rabotat' prodolzhitel'noe
vremya.
Tradicionno potrebiteli obrashchayut vnimanie na osnovnye
parametry, privodimye izgotovitelyami elektricheskih priborov --
potreblyaemuyu moshchnost', velichinu i chastotu pitayushchego napryazheniya.
Nesootvetstvie kachestva elektroenergii dlya potrebitelya
nezametno do teh por, poka pribor ne kapriznichaet ili ne
vyhodit iz stroya.
Dlya edinichnyh nagruzok resheniem trivial'nyh problem
elektrosnabzheniya, svyazannyh s ponizhennym napryazheniem, broskami
i impul'snymi pomehami, mozhet stat' ustanovka stabilizatora
napryazheniya ili istochnika besperebojnogo pitaniya (IBP).
Dlya raspredelennyh nagruzok obshchej moshchnost'yu do neskol'kih
kilovatt udovletvoritel'nym mozhet schitat'sya ispol'zovanie
raspredelennyh IBP s gruppirovaniem raspolozhennyh ryadom
nagruzok. Pri bol'shih moshchnostyah ispol'zovanie raspredelennyh
IBP ekonomicheski necelesoobrazno.
Sistemy besperebojnogo elektropitaniya -- ustrojstva,
osnovnoj zadachej kotoryh yavlyaetsya uderzhanie parametrov
pitayushchego napryazheniya bol'shoj gruppy oborudovaniya v zadannyh
predelah pri otkloneniyah parametrov napryazheniya elektricheskoj
seti i, kak sledstvie, zashchita elektronnyh priborov po cepi
pitaniya.
Parametrami, zasluzhivayushchimi otdel'nogo rassmotreniya,
yavlyayutsya chastota i forma pitayushchego napryazheniya. Snizhenie chastoty
privodit k poteryam pri peredache elektroenergii (ponizhenie
chastoty v seti na 0,1% privodit k potere 10% moshchnosti).
Otklonenie formy napryazheniya ot sinusoidal'noj takzhe vyzyvaet
poteri.
My stanovimsya svidetelyami snizheniya chastoty do kriticheskoj
nizhnej otmetki, nizhe kotoroj situaciya v setyah stanovitsya
katastroficheskoj. Processy otklyucheniya pri takih avariyah
stanovyatsya neupravlyaemymi, t.k. otklyuchayutsya bol'shie gruppy
potrebitelej i neizvestno na kakom iz nih rasseetsya ogromnaya
energiya zapasennaya v seti.
Poteri voznikayut kak po vine kommunal'nyh sluzhb, tak i po
vine potrebitelej. Umen'shit' poteri i, sootvetstvenno, izderzhki
potrebitelyu pozvolyaet primenenie otdel'nyh IBP ili sistem
garantirovannogo elektropitaniya.
3.1. KLASSIFIKACIYA ISTOchNIKOV BESPEREBOJNOGO PITANIYA
Issledovaniya AT&T Bell Labs pokazali, chto tipichnymi dlya
setej yavlyayutsya sleduyushchie narusheniya:
snizhenie (provaly) napryazheniya;
otklyuchenie napryazheniya;
broski napryazheniya i impul'snye pomehi;
shumovye pomehi.
Naibolee rasprostranennym narusheniem yavlyaetsya snizhenie
napryazheniya na velichinu bolee 10%. Takie narusheniya sostavlyayut
87% (sm. ris. p015). V industrial'nyh zonah kratkovremennoe
ponizhenie napryazheniya mozhet byt' vyzvano vklyucheniem moshchnyh
potrebitelej. Tak puskovye toki asinhronnyh dvigatelej v 7...8
raz prevoshodyat nominal'nye.
Zdaniya staroj postrojki rasschityvalas' na ogranichennoe
potreblenie elektroenergii. S uchetom stareniya seti v nih ne
sootvetstvuyut energovooruzhennosti sovremennogo zhilishcha ili
ofisa. |to privodit k hronicheskomu snizheniyu napryazheniya v
dnevnoe i vechernee vremya.
Broski napryazheniya i impul'snye pomehi -- yavlenie ne
chastoe. Oni voznikayut vo vremya raboty kommutacionnoj apparatury
ili v momenty atmosfernyh razryadov. Broski napryazheniya i
impul'snye pomehi obychno imeyut nepovtoryayushchijsya harakter.
Voznikayushchie impul'sy bol'shoj moshchnosti privodyat k ser'eznomu
povrezhdeniyu elektronnyh ustrojstv.
SHumovye pomehi s bol'shimi urovnyami -- yavlenie redkoe. Oni
mogut byt' periodicheskimi i hronicheskimi. Istochnikom shuma s
shirokim spektrom izlucheniya yavlyaetsya elektricheskaya duga.
Periodicheskie shumovye pomehi voznikayut vo vremya svarochnyh
rabot. Hronicheskie -- pri rabote gorodskogo elektrotransporta.
Praktika pokazyvaet, chto harakternymi priznakami
neobhodimosti dopolnitel'nyh mer zashchity oborudovaniya yavlyayutsya:
ogranichennaya moshchnost' vvoda i staraya razvodka v zdaniyah
staroj postrojki;
raspolozhenie zdaniya nedaleko ot stroitel'nyh ploshchadok i
marshrutov elektrotransporta;
nalichie v zdaniyah moshchnogo industrial'nogo oborudovaniya;
raspolozhenie oborudovaniya v sel'skih rajonah udalennyh ot
mestnyh podstancij;
raspolozhenie oborudovaniya v zone s povyshennoj grozovoj
aktivnost'yu.
Naibolee prostym sredstvom zashchity elektropriborov
potrebitelya yavlyaetsya kombinirovannoe ustrojstvo, soderzhashchee
fil'tr i ustrojstvo zashchity ot perenapryazheniya v seti. Sleduet
otmetit', chto fil'tr -- ustrojstvo simmetrichnoe, on podavlyaet
pomehi postupayushchie kak iz seti, tak i ot potrebitelya. Fil'tr
prednaznachen dlya podavleniya broskov napryazheniya ogranichennoj
moshchnosti i shumov obshchego vida.
Stepen' zashchity nagruzki opredelyaetsya vremenem
srabatyvaniya, diapazonom podavlyaemyh chastot, stepen'yu
podavleniya i maksimal'noj energiej podavlyaemogo vybrosa.
Stabilizatory napryazheniya vyderzhivayut v zadavaemyh predelah
tol'ko amplitudnye znacheniya napryazheniya. Ih sleduet ispol'zovat'
v teh sluchayah, kogda primenenie istochnikov besperebojnogo
pitaniya ekonomicheski necelesoobrazno. Stabilizator uvelichivaet
srok sluzhby Vashih priborov i delaet ih bolee ekonomichnymi.
Nazvanie invertorov opredelyaetsya ih funkcional'nym
naznacheniem -- sposobnost'yu preobrazovyvat' postoyannyj tok v
peremennyj. Ih ispol'zuyut kak mobil'nye istochniki setevogo
napryazheniya v avtonomnyh usloviyah, a v stacionarnyh -- v
kachestve uzlov rezervnyh istochnikov elektropitaniya.
Logicheskim dopolneniem elektricheskih setej yavlyayutsya
sistemy besperebojnogo elektropitaniya. Oni soderzhat: fil'try,
stabilizatory, invertory, akkumulyatornye batarei, ustrojstva
kommutacii i pr.
Ustrojstvo, nazyvaemoe istochnikom besperebojnogo
elektropitaniya (UPS -- Uninterruptible Power Systems
(Supplies)) mozhet obespechivat' elektroenergiej celoe zdanie ili
domashnij komp'yuter. Poetomu ih razdelyayut na istochniki maloj (do
edinic kilovatt), srednej (ot edinic do desyatkov kilovatt) i
bol'shoj moshchnosti (do neskol'kih megavatt).
IBP podklyuchaetsya k seti peremennogo toka obychnogo kachestva
i vypolnyaet dve funkcii:
uluchsheniya kachestva elektricheskogo pitaniya;
rezervnogo istochnika pitaniya.
Bol'she vsego mifov o nailuchshih principah raboty IBP
rasprostraneno prodavcami i distrib'yuterami. Normativnye
dokumenty, v chastnosti, evropejskie standarty EN50091-1 i
EN50091-2 ne dayut opredelenij principov raboty IBP. Normiruyutsya
osnovnye parametry, pri soblyudenii kotoryh pribor budet
sootvetstvovat' vybrannomu standartu.
Sledovatel'no, opredelenie i klassifikaciya principov
raboty IBP predlozhennaya firmoj-izgotovitelem ili distrib'yuterom
vryad li mozhet sluzhit' kriteriem vybora togo ili inogo
ustrojstva.
Vse vypuskaemye v mire IBP po arhitekture postroeniya mozhno
razdelit' na dva klassa:
Off-Line (Standby) -- rezervnye istochniki;
On-Line (Double conversion) -- istochniki s dvojnym
preobrazovaniem.
3.1.1. REZERVNYE IBP (OFF-LINE)
Princip postroeniya rezervnyh Off-Line sistem osnovan na
tom, chto nagruzka iznachal'no podklyuchena k seti (ris. p016). V
sluchae otklyucheniya ili otkloneniya parametrov setevogo napryazheniya
ot zadannyh, nagruzka pereklyuchaetsya i zapityvaetsya ot invertora
ispol'zuyushchego energiyu akkumulyatornyh batarej. Vremya starta
invertora i pereklyucheniya nagruzki obychno ne prevyshaet 4-h
millisekund.
Samyj bol'shoj nedostatok Off-Line istochnikov --
neposredstvennoe podklyuchenie nagruzki k seti. Pri etom pomehi
besprepyatstvenno popadayut v nagruzku. Moshchnost' takih istochnikov
nahodit'sya v predelah ot 250 do 2000 BA.
Rezervnye istochniki Off-Line poluchili shirokoe
rasprostranenie na nashem rynke blagodarya nizkoj stoimosti,
prostote ekspluatacii, nalichiyu udobnogo i neslozhnogo
programmnogo interfejsa i marketingovoj politike izvestnoj APC
(American Power Conversion).
Interaktivnye istochniki (Line-Interactive)
Raznovidnost'yu Off-Line IBP yavlyayutsya tak nazyvaemye
interaktivnye istochniki besperebojnogo pitaniya. Oni poluchili
shirokoe rasprostranenie. Otlichitel'nymi priznakami etih modelej
(ris. p017) yavlyayutsya:
fil'try;
stabilizator napryazheniya;
vhodnoj pereklyuchatel';
avtotransformator.
V nih usovershenstvovan invertor i bolee razvit processor
upravleniya. Invertor vmesto stupenchatogo formiruet napryazhenie
sinusoidal'noj formy. Naibolee sovershennye modeli pozvolyayut
korrektirovat' amplitudu i formu vyhodnogo napryazheniya.
Dopolnitel'no mozhet ustanavlivat'sya razdelitel'nyj
transformator, osushchestvlyayushchij gal'vanicheskuyu razvyazku nagruzki
ot seti. Funkciya pereklyucheniya obmotok avtotransformatora
pozvolila rasshirit' diapazon vhodnogo napryazheniya IBP do
165...275 V (funkciya pereklyucheniya -- povyshenie ponizhennogo
napryazheniya (+40V) i ponizhenie povyshennogo (-40V) pereklyucheniem
obmotok avtotransformatora).
Interaktivnye istochniki mogut imet' dva rezhima --
standartnyj (Off-Line) i rezhim pereklyucheniya. V nih mozhet
primenyat'sya reversivnyj invertor (ris. p018), rabotayushchij v
"goryachem" rezerve, t.e. rabotayushchij v normal'nom rezhime na zaryad
batarej, a v avarijnom -- na razryad.
Vse eti novovvedeniya uvelichivayut stoimost' IBP, no sut'
ego ostaetsya ta zhe -- v normal'nom rezhime vasha nagruzka
podklyuchena k seti.
Obobshchennye harakteristiki Off-Line i Line-Interactive
istochnikov predstavleny v tabl. t004. V zaklyuchenie otmetim
dostoinstva i nedostatki Off-Line istochnikov.
Dostoinstva:
prostota ispolneniya;
malyj ves i gabarity;
nizkaya stoimost';
nizkie ekspluatacionnye rashody;
vysokij KPD.
Nedostatki:
invertor ne rasschitan na dlitel'nuyu rabotu;
psevdosinusoidal'nyj vyhod (krome Line-Interactive);
fiksirovannoe, maloe "okno" po vhodnomu napryazheniyu;
neustojchivaya rabota v nestabil'nyh setyah;
kak pravilo, otsutstvie vozmozhnosti sushchestvenno uvelichit'
vremya avtonomnoj raboty za schet dopolnitel'nyh batarej;
otsutstvie vozmozhnosti uluchsheniya parametrov vhodnogo
napryazheniya (krome Line-Interactive);
ne rabotayut v usloviyah uhoda chastoty setevogo napryazheniya i
ot dizel'-generatora;
ne rasschitany na rabotu s bol'shimi moshchnostyami;
otlichnoe ot nulya vremya pereklyucheniya na batarei v sluchae
avarii seti;
slabye vozmozhnosti po upravleniyu moshchnost'yu i nagruzkoj.
Pri vybore IBP otlichitel'nym priznakom Off-Line rezhima
yavlyaetsya ravenstvo dopuskov na vhodnuyu i vyhodnuyu chastoty
pitayushchego napryazheniya. Esli dopusk po chastote na vhode IBP takoj
zhe, kak i na vyhode -- nagruzka podklyuchena neposredstvenno k
seti.
3.1.2. IBP S DVOJNYM PREOBRAZOVANIEM (ON-LINE)
On-Line sistemy -- eto sistemy generiruyushchie sobstvennoe,
stabil'noe po amplitude i chastote, sinusoidal'noe napryazhenie.
Oni rabotayut po principu dvojnogo preobrazovaniya napryazheniya:
peremennoe -- postoyannoe -- peremennoe (ris. p019).
Vhodnoe napryazhenie ot seti peremennogo toka podaetsya na
vypryamitel', gde ono preobrazuetsya v napryazhenie postoyannogo
toka. |to napryazhenie pitaet invertor, a chast' energii
ispol'zuetsya dlya zaryada batarej. Postoyanno rabotayushchij invertor
generiruet stabil'noe napryazhenie, parametry kotorogo nikak ne
svyazany s parametrami vhodnogo.
IBP arhitektury On-Line pozvolyaet:
isklyuchit' amplitudnye i chastotnye iskazheniya;
rabotat' v slabyh i nestabil'nyh setyah;
effektivno podavlyat' impul'snye pomehi.
Pri propadanii vhodnogo napryazheniya proishodit perehod na
pitanie invertora ot batarej s nulevym vremenem pereklyucheniya
bez skachka amplitudy i fazy vyhodnogo napryazheniya. Takim
obrazom, On-Line IBP predstavlyaet soboj stanciyu etalonnogo
sinusoidal'nogo napryazheniya.
Vyhodnaya forma napryazheniya formiruetsya samim istochnikom i
nikoim obrazom ne svyazana s formoj napryazheniya v seti obshchego
naznacheniya. Blagodarya minimum dvojnomu preobrazovaniyu
obespechivaetsya vysokaya izolyaciya vyhodnogo napryazheniya ot vliyaniya
vneshnej seti i naoborot, chto sushchestvenno dlya zashchity informacii
ot nesankcionirovannogo dostupa so storony seti obshchego
naznacheniya.
Naibolee sovershennye On-Line IBP vypolnyayut do chetyreh
preobrazovanij:
peremennoe setevoe napryazhenie -- v postoyannoe;
postoyannoe -- v postoyannoe napryazhenie promezhutochnoj shiny;
napryazheniya batarej v napryazhenie promezhutochnoj shiny;
napryazheniya promezhutochnoj shiny -- v vyhodnoe peremennoe
napryazhenie.
IBP takogo tipa snabzheny vhodnymi i vyhodnymi fil'trami,
razdelitel'nymi transformatorami. Oni dopuskayut shirokij
diapazon izmeneniya vhodnogo napryazheniya bez otbora moshchnosti
batarej. Bolee togo, snizheniem moshchnosti nagruzki mozhno ponizit'
minimal'nyj uroven' napryazheniya perehoda na pitanie ot batarej
(do 120 V), chto sushchestvenno dlya uspeshnoj raboty v seti s
hronicheski ponizhennym napryazheniem.
Sovremennye On-Line sistemy sposobny rabotat' v kachestve
preobrazovatelej chastoty dlya pitaniya oborudovaniya ne
sootvetstvuyushchego otechestvennym standartam, naprimer, 60 Gc.
Dlya normirovaniya stepeni zashchity elektronnyh ustrojstv
razrabotany testy, kotorye modeliruyut setevye processy i
pozvolyayut izmerit' stepen' zashchity nagruzki. Testirovanie mozhet
osushchestvlyat'sya po specifikacii Instituta Inzhenerov-elektrikov
IEEE-587. Kazhdoj kategorii zashchity sootvetstvuyut opredelennye
usloviya testa (sm. tabl. t003).
3.2. IBP CHLORIDE POWER ELECTRONICS
Ni odna set' ne obladaet immunitetom k problemam,
svyazannym s pitaniem. Esli set' ne zashchishchena ot takih
opasnostej, kak shum linii, otklyuchenie pitaniya, skachki i padeniya
napryazheniya -- vy riskuete stolknut'sya s poteryami informacii,
proizvoditel'nosti i oborudovaniya.
|tot risk sam po sebe dostatochen dlya togo, chtoby ubedit'
lyubogo rukovoditelya v neobhodimosti zashchity elektropitaniya.
Nikogda ne zabyvajte staruyu istinu: "Preduprezhdenie luchshe
lecheniya". |to otnositsya ne tol'ko k zdorov'yu, no i k sostoyaniyu
seti.
V IBP Chloride Power Electronics dve arhitektury
ob®edineny tak nazyvaemym intellektual'nym klyuchom. Vybor odnogo
iz opisannyh vyshe rezhimov raboty IBP oznachaet otkaz ot
preimushchestv drugogo. S etim svyazano poyavlenie gibridnyh
modelej, sposobnyh rabotat' v neskol'kih rezhimah. Cifrovoj
rezhim Line-Interactive obespechivaet vysokuyu nadezhnost' pri
maksimal'no nizkih ekspluatacionnyh zatratah. Rezhim dvojnogo
preobrazovaniya -- naivysshuyu stepen' zashchity i pokazateli
kachestva elektroenergii.
IBP Chloride Power Electronics osushchestvlyayut:
avtomaticheskij kontrol' za rabochimi harakteristikami;
upravlenie invertorami na vysokoj chastote;
programmnoe upravlenie nagruzkami;
vydachu soobshcheniya o korrektiruyushchih dejstviyah pri
vosstanovlenii optimal'nyh uslovij raboty.
Obshchie svedeniya ob IBP Chloride Power Electronics
predstavleny v tabl. t005.
Model' Synthesis
IBP Synthesis (ris. p021), strukturnaya shema kotorogo
predstavlena na ris. p046, vklyuchaet:
vhodnoj preobrazovatel' 1;
batareyu akkumulyatorov 2;
invertor 3;
preobrazovatel' 4;
pereklyuchateli S1...S5;
predohraniteli F1...F3.
IBP imeet dva vhoda. Upravlenie mozhet osushchestvlyat'sya
programmno i v ruchnom rezhime. V avtomaticheskom rezhime shema
upravleniya izmenyaet strukturu v sootvetstvii s parami nagruzki.
Nagruzka mozhet pitat'sya cherez: osnovnoj vhod -- preobrazovateli
1, 3 ili batareya -- preobrazovatel' 3; dopolnitel'nyj vhod --
preobrazovatel' 4 (peremennogo toka v peremennyj).
Ruchnoj servisnyj pereklyuchatel' S1 i sinhronnye tiristornye
S2...S5 pozvolyayut izmenyat' arhitekturu istochnika bez pereryvov
pitaniya. Vhodnoj preobrazovatel' vypolnyaet funkcii vypryamitelya
i zaryadnogo ustrojstva.
Pri otklyuchenii pitaniya po odnomu iz vhodov istochnik pitaet
nagruzku ot batarej. Nalichie dvuh vhodnyh linij pozvolyaet
ispol'zovat' IBP Synthesis sovmestno s avtonomnymi istochnikami
bez dorabotok.
Naprimer, dizel'-generator s avtomaticheskim zapuskom (sm.
gl. 4.1) mozhet podklyuchat'sya k osnovnomu vhodu. Pri otklyuchenii
setevogo napryazheniya po dopolnitel'nomu vhodu, istochnik budet
pitat' nagruzku na vremya zapuska i vyhoda na rezhim generatora.
Posle poyavleniya ustojchivogo napryazheniya ot generatora na
osnovnom vhode istochnik pereklyuchit nagruzku na generator.
Sistema dvojnogo preobrazovaniya nadezhno zashchishchaet nagruzku ot
deviacii chastoty -- osnovnogo nedostatka dizel'-generatornyh
ustanovok.
Tehnicheskie harakteristiki IBP Synthesis predstavleny v
tabl. t006. Zdes' predstavleny odnofaznye i trehfaznye IBP ot 6
do 20 kVA. Otlichitel'noj osobennost'yu modelej Synthesis
yavlyaetsya vysokij koefficient moshchnosti na vhode.
Akkumulyatornaya batareya, kak serdce kazhdogo IBP --
otvetstvennyj element. Germetizirovannye batarei, kotorymi
oborudovan Synthesis, ne nuzhdayutsya v obsluzhivanii, no trebuyut
berezhnogo otnosheniya (sm. gl.2). Ispol'zovanie avtomaticheskogo
upravleniya zaryadnymi harakteristikami pozvolyaet maksimal'no
uvelichit' srok sluzhby batarei (do 30%). Avtomatika
osushchestvlyaet:
temperaturno-kompensirovannyj zaryad batarei;
avtomaticheskoe testirovanie batarei;
kontrol' ciklov zaryada-razryada;
regulirovanie napryazheniya okonchaniya zaryada v zavisimosti ot
dlitel'nosti razryada;
raschet vremeni avtonomnoj raboty v zavisimosti ot real'nyh
uslovij.
Narashchivanie moshchnosti mozhet osushchestvlyat'sya dvumya putyami:
parallel'nym podklyucheniem dopolnitel'nyh IBP;
modernizaciej imeyushchegosya IBP (sm. str. 106).
Model' EDP-90
Otlichitel'noj osobennost'yu IBP serii EDP-90 yavlyaetsya
shirokij diapazon moshchnostej i vozmozhnost' podklyucheniya nelinejnoj
nagruzki. |to vozmozhno blagodarya ispol'zovaniyu dopolnitel'nyh
fil'trov. Tshchatel'naya fil'traciya napryazheniya pozvolyaet
normirovat' harakteristiki napryazheniya do 19 garmoniki. V
rezul'tate garantiruetsya koefficient moshchnosti do 0,9 pri rabote
s nelinejnoj nagruzkoj.
IBP serii EDP-90 ustojchivo rabotayut s dizel'-generatorami.
|tomu sposobstvuet kak effektivnaya fil'traciya, tak i
strukturnye osobennosti istochnikov.
Strukturnaya shema IBP EDP-90 predstavlena na ris. p044.
Ona vklyuchaet:
vhodnoj preobrazovatel' 1;
batareyu akkumulyatorov 2;
invertor 3;
sinhronnyj pereklyuchatel' 4;
pereklyuchateli S1...S4;
predohraniteli F1...F3.
V otlichie ot struktury Synthesis (ris. p046) EDP-90
soderzhit staticheskij trehvhodovoj klyuch. On pozvolyaet sinhronno
pereklyuchat' strukturu IBP pri podklyuchennoj nagruzke bol'shoj
moshchnosti bez fazovyh skachkov. Pri bol'shih moshchnostyah takie
skachki naibolee opasny.
Stepen' zashchity nagruzki
Esli usloviya podachi elektroenergii nestabil'ny, naprimer,
esli oborudovanie podvergaetsya postoyannym otklyucheniyam (desyatki
raz v god) ili set' vypolnena bolee 10 let nazad -- v takoj
situacii sleduet produmat' povyshenie stepeni zashchity (kolichestvo
i tip zashchishchaemyh komponentov seti), a takzhe vybor modeli
razvertyvaemyh IBP. Vysokij uroven' zashchity takzhe neobhodim v
sluchae, kogda povsednevnaya zhizn' organizacii v znachitel'noj
stepeni zavisit ot raboty seti.
Kazhdyj IBP dolzhen obespechivat' neobhodimyj uroven' zashchity
pitaniya. Uroven' zashchity konkretnogo oborudovaniya zavisit ot
kachestva energosnabzheniya i vozmozhnyh zatrat, kotorye kompaniya
poneset v sluchae snizheniya proizvoditel'nosti ili vyhoda iz
stroya dorogostoyashchego oborudovaniya. Povyshenie nadezhnosti sistem
besperebojnogo pitaniya obespechivayut:
parallel'noe rezervirovanie ustrojstv;
dispetcherskaya sistema tehnicheskogo kontrolya i
obsluzhivaniya.
Vazhnym aspektom, kotoryj neobhodimo uchityvat' pri
ustanovke IBP, yavlyaetsya vybor proizvoditelya, predostavlyayushchego
tehnicheskuyu podderzhku otvechayushchuyu vashim potrebnostyam.
Neobhodimo iznachal'no poluchit' otvet na vopros kakie
zatraty povlechet modernizaciya programmnogo obespecheniya i kakie
tipy podderzhki dostupny?
Intellektual'nye IBP
IBP -- ves'ma vazhnye komponenty lyuboj seti; no malo
ustanovit' IBP, neobhodim eshche i kontrol' nad pravil'nost'yu ih
raboty. Esli IBP bol'she desyatka, to neobhodim effektivnyj
sposob ih kontrolya i upravleniya. Administratory setej dolzhny
postoyanno proveryat' zaryad batarej, a takzhe kontrolirovat'
temperaturu i kachestvo provodki.
Upravlenie elektropitaniem yavlyaetsya sostavnoj chast'yu
sistemy zashchity pitaniya. Chloride Power Electronics
predostavlyaet vmeste so svoimi sistemami upravlyayushchee
programmnoe obespechenie. Programmno upravlyaemye istochniki
besperebojnogo pitaniya nazyvayutsya intellektual'nymi. Podobnye
ustrojstva mogut registrirovat' sobytiya, nepreryvno
kontrolirovat' kachestvo energosnabzheniya, soobshchat' o sostoyanii
batarej i vypolnyat' druguyu diagnostiku.
Programmnoe obespechenie IBP sposobno stroit' poleznye
diagrammy harakteristik opisyvayushchih kachestvo elektropitaniya, v
chastnosti, chastoty i urovnya napryazheniya. Ispol'zuya programmy
upravleniya IBP, neobhodimye harakteristiki mozhno otobrazhat' ili
sohranyat' v baze dannyh dlya analiza. Vozmozhnost' kontrolya
napryazheniya udobna dlya predotvrashcheniya i diagnostirovaniya sboev v
seti. Naprimer, povyshennoe napryazhenie raspoznaetsya i
korrektiruetsya do togo, kak ono "sozhzhet" oborudovanie.
Povyshenie nadezhnosti IPB
Povyshenie nadezhnosti sistem elektropitaniya dostigaetsya
parallel'nym vklyucheniem istochnikov (ris. p045). Dlya obespecheniya
povyshennoj nadezhnosti sistema stroitsya po sheme N+1. V sluchae
vyhoda iz stroya odnogo iz istochnikov on blokiruetsya, a sistema
prodolzhaet rabotat'. Chloride Power Electronics predlagaet dve
konfiguracii parallel'nyh sistem:
centralizovannye (s vyhodnym ustrojstvom SOS -- Common
Output Cubicle);
raspredelennye.
Dostoinstvo pervoj konfiguracii -- prostota obsluzhivaniya i
upravleniya. Nedostatok -- uvelichenie stoimosti za schet SOS.
Dostoinstva vtoroj konfiguracii -- prostota installyacii i
cena. Nedostatok -- slozhnost' obsluzhivaniya i remonta.
Udalennyj kontrol' i upravlenie
IBP Chloride Power Electronics krome tradicionnyh
atributov vklyuchaet sovremennuyu sistemu telediagnostiki LIFE.
Ona pozvolyaet obsluzhivat' IBP iz centra tehnicheskogo
obsluzhivaniya ezhednevno v avtomaticheskom rezhime. Takoj servis
pozvolyaet ne tratit' vremya na obsluzhivanie. IBP peredaet po
modemu vsyu informaciyu o svoem rabochem sostoyanii v centr
tehnicheskogo obsluzhivaniya v ustanovlennoe vremya i, konechno zhe,
v lyuboj moment, esli proizoshlo otklonenie zadannyh parametrov
ot normy.
Takaya svyaz' pozvolyaet personalu centra nepreryvno
nablyudat' za rabotoj istochnikov. Analiziruya funkcionirovanie
IBP i parametry seti specialisty centra v sluchae neispravnosti
srazu pribudut dlya ustraneniya nepoladok bez dopolnitel'nogo
priglasheniya.
Ukrainskaya firma "Selkom" predlagaet individual'noe
proektirovanie, postavku, ustanovku, montazh i obsluzhivanie
sistem besperebojnogo elektropitaniya (sm. str. 106).
3.3. IBP AMERICAN POWER CONVERSION
Po dannym zhurnala "Line Magazine" okolo 50% mirovogo
ob®ema prodazh IBP maloj i srednej moshchnosti prinadlezhit American
Power Conversion (APC).
Po mneniyu avtorizovannyh distrib'yuterov APC v Ukraine
naibol'shee rasprostranenie, k nastoyashchemu vremeni, poluchili IBP
Back-UPS.
Pribory etoj serii perekryvayut diapazon moshchnostej ot 250
do 1250 VA, chto sootvetstvuet poleznoj moshchnosti ot 170 do 900
Vt. Osnovnoe otlichie ot drugih serij -- forma vyhodnogo
napryazheniya (ris. p030 a).
Na ris. p031 pokazana strukturnaya shema IBP etoj serii.
Istochnik rabotaet v dvuh rezhimah. Vybor rezhima "Standby" ili
"Batareya" reglamentiruet prioritet odnoj iz dvuh cepej pitaniya.
V rezhime "Standby" nagruzka podklyuchena cherez ogranichitel'
napryazheniya i fil'tr neposredstvenno k seti.
Samoj rasprostranennoj problemoj setej pitaniya dlya
komp'yuterov yavlyaetsya ponizhennoe napryazhenie. Bezuslovnym
dostoinstvom blokov modelej Back-UPS yavlyaetsya maloe vremya
pereklyucheniya -- 2...4 ms vklyuchaya vremya raspoznavaniya.
Vo vseh modelyah serii Back-UPS pereklyuchenie nagruzki na
rabotu ot batarej proishodit pri snizhenii setevogo napryazheniya
nizhe 196 B ±5%, a u modelej Back-UPS 900 i 1250 i pri
prevyshenii 264 B ±5% [11].
Sleduet otmetit' druguyu problemu zachastuyu prevoshodyashchuyu
predydushchuyu -- broski napryazheniya v seti. Istochniki predotvrashchayut
povrezhdenie i uvelichivayut srok sluzhby komp'yuterov.
Spravedlivosti radi, otmetim, chto tem samym oni ukorachivayut
svoj srok sluzhby. Zaregistrirovany sluchai prevysheniya setevogo
napryazheniya vyshe 300 V. V takih sluchayah IBP, ne imeyushchij zashchity
ot perenapryazheniya po vhodu, zashchishchaya komp'yuter vyhodit iz stroya.
3.3.1. VTOROE I TRETXE POKOLENIE IBP APC
Predstaviteli vtorogo pokoleniya IBP APC -- Smart-UPS.
Malomoshchnye modeli etoj serii vypolneny v vide podstavki pod
monitor (AP 250i i AP 400i sm. tabl. t014).
V otlichie ot Back-UPS modeli Smart-UPS vyrabatyvayut
trapeceidal'noe, stupenchatoe ili sinusoidal'noe napryazhenie i
imeyut promezhutochnye rezhimy raboty. Naprimer, pribory serii
Smart-UPS XL rabotayut sleduyushchim obrazom:
pri napryazhenii seti v intervale 253...282 V pribor
perehodit v rezhim ogranicheniya napryazheniya (Trim);
pri napryazhenii seti v intervale 176...196 V pribor
perehodit v rezhim povysheniya napryazheniya (Boost);
pri napryazhenii nizhe 173 V ili vyshe 282 V pereklyuchaetsya na
batareyu akkumulyatorov (sm. tabl. t014).
Smart-UPS 2000 sostoit iz dvuh blokov. V odnom nahodyatsya
batarei, a v drugom -- elektronika. On dopuskaet podklyuchenie do
10 dopolnitel'nyh batarej.
IBP serij Back-UPS Pro i Matrix-UPS
Malomoshchnye modeli BP280I, BP420I i BP650I pri rabote ot
batarej na vyhode generiruyut signal trapeceidal'noj formy.
Modeli BP1000I i BP1400I -- signal stupenchatoj formy (ris. p030
b).
IBP Back i Smart vtorogo pokoleniya ne imeyut otklyucheniya
nejtrali. Modeli tret'ego pokoleniya (ris. p036) razryvayut oba
setevyh provoda. |to povyshaet elektrobezopasnost' istochnikov
tret'ego pokoleniya.
Matrix-UPS sostoit iz treh blokov:
upravleniya;
transformatorov;
akkumulyatorov.
Blochnoe ispolnenie pozvolyaet operativno narashchivat'
kolichestvo batarej i, takim obrazom, uvelichivat' vremya
avtonomnoj raboty do 3-h chasov.
Strukturnaya shema Matrix-UPS predstavlena na ris. p035.
Korrekciya napryazheniya bez perehoda na batarei osushchestvlyaetsya
pereklyucheniem obmotok transformatora.
Matrix-UPS postroen po gibridnoj sheme Line-Interactive.
Vhodnaya obmotka transformatora W1 osushchestvlyaet gal'vanicheskuyu
razvyazku nagruzki s set'yu. Vyhodnoe napryazhenie IBP
korrektiruetsya pereklyucheniem vtorichnyh obmotok transformatora
T1. Pereklyuchatel' S2 obespechivaet koefficient transformacii T1
ravnym 1 (bypass).
Letom etogo goda APC ob®yavila o vypuske novyh IBP Symmetra
Power Array moshchnost'yu 6...20 kVA. Oni razrabotany dlya zashchity
neskol'kih serverov i vazhnyh delovyh prilozhenij.
Vse elektricheskie ustrojstva potreblyayut energiyu. V
dokumentacii izgotoviteli privodyat polnuyu ili aktivnuyu
potreblyaemuyu ustrojstvom moshchnost'.
Polnaya moshchnost' predstavlyaet soboj geometricheskuyu summu
aktivnoj i reaktivnoj moshchnosti. Ona opredelyaet maksimal'nuyu
elektricheskuyu nagruzku oborudovaniya. Znachenie polnoj moshchnosti v
cepi peremennogo toka opredelyaetsya proizvedeniem effektivnyh
znachenij toka i napryazheniya. Ona izmeryaetsya v vol'tamperah (sm.
tabl. t013) [12].
Aktivnaya moshchnost' harakterizuet poleznuyu elektricheskuyu
moshchnost'. Pri kompleksnoj nagruzke v cepi peremennogo toka
tol'ko aktivnaya sostavlyayushchaya yavlyaetsya polezno ispol'zuemoj.
Aktivnaya moshchnost' izmeryaetsya v vattah (sm. tabl. t013).
Reaktivnaya moshchnost' ne okazyvaet neposredstvennogo
vozdejstviya na nagruzku. Ona obuslovlena vozniknoveniem polya
pri nalichii v cepi induktivnosti ili emkosti. Otlichie formy
toka ili napryazheniya ot sinusoidal'noj vyzyvaet vozniknovenie
moshchnosti iskazhenij kak sostavlyayushchej reaktivnoj moshchnosti. Takie
iskazheniya prisutstvuyut i pri ispol'zovanii IBP s
nesinusoidal'noj formoj vyhodnogo napryazheniya.
Koefficient moshchnosti harakterizuet tu chast' polnoj
moshchnosti, kotoraya obuslovlena aktivnoj sostavlyayushchej i yavlyaetsya
poleznoj. Koefficient moshchnosti -- otnoshenie aktivnoj
sostavlyayushchej moshchnosti ustrojstva k polnoj moshchnosti.
Pri sinusoidal'noj forme napryazheniya i toka za koefficient
moshchnosti prinimayut znachenie kosinusa ugla sdviga faz mezhdu
faznym tokom i napryazheniem.
S ekonomicheskoj tochki zreniya potrebitelem energii s
pomoshch'yu kompensiruyushchih shem dolzhny prinimat'sya mery k tomu,
chtoby v elektricheskih setyah mezhdu generatorom i nagruzkoj imelo
mesto kak mozhno men'shee kolebanie reaktivnoj moshchnosti, t.e.
koefficient moshchnosti dolzhen imet' kak mozhno bolee blizkoe k 1
znachenie (ne sleduet putat' koefficient moshchnosti s
koefficientom poleznogo dejstviya, kotoryj opredelyaetsya kak
otnoshenie vhodnoj moshchnosti k vyhodnoj).
Preimushchestvenno vse ustrojstva obladayut reaktivnost'yu.
Bol'shinstvo nagruzok imeet induktivnyj harakter (sm. tabl.
t023). Koefficient moshchnosti uzlov komp'yuterov, nahoditsya v
predelah 0,6...0,8. Povyshenie koefficienta moshchnosti privodit k
ekonomii elektroenergii. |togo mozhno dostich' ispol'zuya IBP. Vo
mnogih sluchayah uvelichenie koefficienta vhodnoj moshchnosti, krome
snizheniya potrebleniya elektroenergii, predotvrashchaet takzhe
povyshenie tarifov na elektroenergiyu, kotorye vzimayutsya za
koefficient moshchnosti nizhe 0,9.
Sootnoshenie mezhdu aktivnoj moshchnost'yu nagruzki i polnoj
moshchnost'yu IBP dolzhen sostavlyat' priblizitel'no 0,7.
Naprimer, dlya komp'yutera moshchnost'yu 170 Vt vybirayut IBP
moshchnost'yu 170 Vt/0,7 = 250 VA.
Vybiraya IBP ili stabilizator neobhodimo ispol'zovat' v
raschetah maksimal'noe znachenie moshchnosti nagruzki. Dlya nadezhnoj
prodolzhitel'noj raboty IBP znachenie moshchnosti dolzhno byt' vyshe
raschetnogo znacheniya na 20...50%.
Vremya raboty ot batarei opredelyaet period, v techenie
kotorogo IBP obespechivaet elektropitanie (pri opredelennoj
velichine nagruzki) zashchishchaemogo ustrojstva. V obshchem sluchae vremya
raboty batarei sleduet prinyat' ravnym, po krajnej mere,
pyatnadcati minutam. Inache garantirovat' rabotu komponentov seti
v techenie perioda vremeni prevyshayushchego obychnuyu
prodolzhitel'nost' otklyucheniya pitaniya ves'ma problematichno. Esli
etogo nedostatochno, vyberite IBP s vozmozhnost'yu narashchivaniya
emkosti batarej i rassmotrite vozmozhnost' priobreteniya
rezervnogo generatora (sm. gl. 4.1).
Vse IBP osnashcheny germetizirovannymi (sm. gl. 2), ne
trebuyushchimi uhoda, kislotnymi akkumulyatorami. Izgotoviteli
ukazyvayut sok sluzhby akkumulyatora 3...6 let v sostave IBP.
Kak pokazyvaet praktika, srok sluzhby batarej redko
dostigaet nizhnej granicy, chto obuslovleno nestabil'nost'yu
setevogo napryazheniya v setyah. Poetomu celesoobrazno priobretat'
IBP v avtorizovannyh centrah APC, kotorye vypolnyaya garantijnye
obyazatel'stva firmy-izgotovitelya proizvodyat bezvozmezdnuyu
zamenu akkumulyatornyh batarej vyshedshih iz stroya vo vremya
garantijnogo sroka ekspluatacii. Odin iz avtorizovannyh
predstavitelej APC -- firma "Epos" (sm. str. 106).
3.3.3. SOEDINENIE PRIBOROV
Pravil'nost' podklyucheniya priborov opredelyaetsya shemoj
ispol'zuemoj seti i pravil'no vypolnennymi zazemleniem i
zanuleniem. Podavlyayushchee bol'shinstvo setej -- seti s zazemlennoj
nejtral'yu.
Razlichayut zazemlenie zashchitnoe i rabochee. Zashchitnym
zazemleniem nazyvaetsya zazemlenie chasti elektropribora s cel'yu
obespecheniya elektrobezopasnosti. Rabochim zazemleniem nazyvaetsya
zazemlenie kakoj-libo tochki tokovedushchih chastej elektropribora
neobhodimoe dlya obespecheniya ego raboty.
Edinstvennym naznacheniem zashchitnogo zazemleniya yavlyaetsya
zashchita cheloveka ot porazheniya elektricheskim tokom. Poetomu ni v
koem sluchae nel'zya zazemlyat' pribory na truby vodosnabzheniya,
otopleniya i drugie, ne prednaznachennye dlya etogo, predmety.
|tim Vy podvergaete opasnosti sebya i drugih lyudej, naprimer,
obsluzhivayushchih sistemy vodosnabzheniya. V dopolnenie mozhno
dobavit', chto nichego krome vreda takoe "zazemlenie" ne
prineset.
Zanuleniem nazyvaetsya prednamerennoe soedinenie chastej
elektropribora, normal'no ne nahodyashchihsya pod napryazheniem, s
gluhozazemlennoj nejtral'yu generatora ili transformatora v
setyah trehfaznogo toka ili s gluhozazemlennym vyvodom istochnika
odnofaznogo toka ili s gluhozazemlennoj srednej tochkoj
istochnika v setyah postoyannogo toka. Naznachenie zanuleniya --
vyzvat' srabatyvanie zashchity s cel'yu predotvrashcheniya vyhoda
pribora iz stroya.
Bol'shaya chast' priborov, kotorye pitayutsya cherez IBP,
naprimer, komp'yutery, orgtehnika i pr. podklyuchayutsya po
trehprovodnoj sheme. Pri etom ispol'zuyutsya shtatnye soediniteli,
predstavlennye v tabl. t022. Vybor soedinitelya osushchestvlyaetsya
ishodya iz maksimal'no dopustimoj moshchnosti podklyuchaemyh
priborov.
Ispol'zovanie special'nyh soedinitelej pozvolyaet isklyuchit'
neprednamerennoe podklyuchenie bytovyh priborov, naprimer,
pylesosa ili kipyatil'nika v set' istochnika besperebojnogo
pitaniya. Takoe vklyuchenie mozhet vyvesti IBP iz stroya.
Krome togo, nepravil'noe podklyuchenie priborov, svyazannyh
mezhdu soboj cherez interfejs, pri podklyuchenii k raznym fazam
elektroseti ili nepravil'no vypolnennom zazemlenii privedet k
povrezhdeniyu oboih priborov. Primenenie special'nyh soedinitelej
takzhe isklyuchaet neprednamerennoe oshibochnoe podklyuchenie
priborov.
Esli neskol'ko ustrojstv svyazany mezhdu soboj liniej dannyh
(sm. ris. p047), to ustojchivost' obmena v bol'shoj stepeni
opredelyaetsya pravil'no vypolnennymi soedineniyami.
Osnovnym usloviem yavlyaetsya sleduyushchee: vse zazemlyayushchie
provodniki, idushchie ot ustrojstv, dolzhny soedinyat'sya v odnoj
tochke. Esli eto uslovie ne vypolnyaetsya v seti voznikaet shum.
Razlichayut shumy obshchego vida i mezhsistemnye shumy. SHumy
obshchego vida voznikayut vo vseh aktivnyh ustrojstvah i, v
osnovnom, horosho podavlyayutsya istochnikami pitaniya.
Odna iz prichin vozniknoveniya mezhsistemnyh shumov --
protekanie uravnivayushchih tokov. Oni vyzvany neravenstvom
potencialov soedinyaemyh tochek. Uravnivayushchie toki protekayut po
obshchemu provodu linii dannyh, naprimer, interfejsov soedinennyh
mezhdu soboj ustrojstv zazemlennyh na razlichnye kontury, pri
neravnyh potencialah tochek zazemleniya ili nepravil'nom
podklyuchenii zazemlyayushchego provoda.
3.3.4. OBSLUZHIVANIE I REMONT IBP
Pri nestabil'nosti v setyah iz-za blizko raspolozhennyh
stroek, tramvajnyh linij, IBP postoyanno perehodit na rabotu ot
batarej ne uspevaya zaryazhat' akkumulyatory. V takih sluchayah ne
tol'ko umen'shaetsya srok sluzhby akkumulyatorov, no i vyhodyat iz
stroya kommutiruyushchie elementy.
Vyshedshij iz stroya IBP necelesoobrazno pytat'sya
otremontirovat' samostoyatel'no. Otsutstvie tehnicheskoj
dokumentacii, komplektuyushchih i stenda dlya kontrolya svedut vashi
usiliya na net.
Posle remonta na stende kontrolya osushchestvlyaetsya
regulirovka formy, chastoty i amplitudy vyhodnogo signala;
urovni zaryada batarej i pereklyucheniya nagruzki. Pribory
proveryayutsya testami nagruzki i korotkogo zamykaniya, na vremya
uderzhaniya i t.d.
Tak proveryayut IBP v avtorizovannyh centrah APC (sm. str.
106).
Esli Vam neobhodima konsul'taciya ili Vashi ustrojstva
nuzhdayutsya v kvalificirovannoj tehnicheskoj podderzhke,
rekomenduem obratit'sya v servisnyj centr firmy "Epos" (epos
[grech. epos -- slovo, povestvovanie], odin iz treh rodov
hudozhestvennoj literatury, osobennostyami kotorogo yavlyayutsya:
razvernutoe povestvovanie, zavershennost' sobytij, razvitie
harakterov).
Firma "Epos" byla sozdana bolee chetyreh let nazad s cel'yu
vypolneniya rabot i okazaniya uslug v oblasti slozhnoj elektronnoj
tehniki. Ishodya iz etogo i bylo vybrano nazvanie firmy --
Elektronika POSlugi.
Nailuchshim testom dlya lyubogo apparatnogo kompleksa yavlyaetsya
rezul'tat vypolnennoj na nem raboty. Takoj rezul'tat -- kniga,
kotoruyu Vy derzhite v rukah. Kniga sdelana na tehnike ot
"Eposa".
Best Power -- amerikanskaya proizvodstvennaya kompaniya,
vhodyashchaya v industrial'nuyu gruppu General Signal, yavlyaetsya
izvestnym proizvoditelem istochnikov besperebojnogo pitaniya. V
iyune 1995 goda Best Power ob®edinilas' s ryadom otdelenij Sola
Electric. V Ukraine Best Power predstavlyaet firma Best Pauer
Ukraina (sm. str. 106).
Prezhde chem kupit' IBP sleduet sostavit' plan adekvatnoj
zashchity seti na sluchaj pereboev s energosnabzheniem. Esli takogo
plana net, to tyanut' s etim voprosom ne stoit. Plan dolzhen
opredelyat' trebovaniya po zashchite komponentov seti.
Sostaviv podobnyj plan ocenite sostoyanie elektricheskoj
seti. Uchityvaya vliyanie pereboev v seti na oborudovanie, reshite
kakie komponenty bol'she vsego nuzhdayutsya v zashchite. Lish' imeya
osnovatel'noe predstavlenie o seti vy smozhete vybrat'
ustrojstvo otvechayushchee vashim potrebnostyam.
Ispol'zujte obshchie harakteristiki IBP Best Power, kotorye
privedeny v tabl. t015. Dalee, naryadu s opisaniem osobennostej
modelej, budut privedeny konkretnye rekomendacii po
ispol'zovaniyu IBP dlya chasto ispol'zuemyh prilozhenij.
Best Power predlagaet dlya energozashchity oborudovaniya
odnofaznye i trehfaznye sistemy besperebojnogo pitaniya
sposobnye rabotat' prakticheski s lyuboj nagruzkoj (kress-faktor
(kress-faktor -- koefficient formy) ot 2,7 do 3,5).
Uchityvaya spros i tradicionnye simpatii potrebitelej, Best
Power vypuskaet istochniki vseh izvestnyh arhitektur.
Patentnochistye tehnicheskie resheniya pozvolili kompanii sozdat'
IBP s tehnicheskimi harakteristikami udovletvoryayushchimi
trebovaniyam pitaniya telekommunikacionnyh sistem, medicinskogo
oborudovaniya, komp'yuterov i drugoj elektronnoj tehniki.
Naibolee obshchej harakteristikoj nagruzki yavlyaetsya
potreblyaemaya moshchnost' (sm. gl. 3.3.2). Sleduet ocenit' diapazon
izmeneniya napryazheniya seti, pri kotorom istochnik pereklyuchaetsya
na batarei (stroki "Uroven'" i "Rezhim" v tabl. t015).
V sluchae otklyucheniya energosnabzheniya vse IBP obespechivayut
pitanie ot batarej v techenie ukazannogo v tabl. t015 perioda
vremeni. Ubedites' v tom, chto IBP nadlezhashchim obrazom
korrektiruyut harakteristiki napryazheniya peremennogo toka v
sluchae pitaniya ot elektroseti.
Esli imeet mesto shum linij -- vybrannyj IBP dolzhen
soderzhat' fil'tr, esli napryazhenie podverzheno spadam -- IBP
dolzhen obespechivat' regulirovku napryazheniya. Dlya vseh modelej v
tabl. t015 ukazany dopuski vyhodnogo napryazheniya.
V lyubom sluchae obyazatel'na vstroennaya zashchita ot vybrosov
napryazheniya. Dazhe esli vybrosy, proishodyashchie po vine
kommunal'noj sluzhby, v vashej praktike redkost', pozabotit'sya o
zashchite ot nih stoit, poskol'ku dlya vyhoda iz stroya oborudovaniya
mozhet byt' dostatochno odnogo (pust' dazhe sluchajnogo) vybrosa.
Obobshchenie opyta firmy Best Pauer Ukraina pozvolyaet
rekomendovat' konkretnye modeli istochnikov dlya chasto
ispol'zuemyh prilozhenij.
3.4.1. NETRADICIONNYE PRIMENENIYA IBP
IBP serii Patriot primenyayutsya v kachestve avtonomnyh
istochnikov setevogo napryazheniya v teh sluchayah, kogda nagruzka ne
kritichna k forme pitayushchego napryazheniya. Blagodarya horoshim
udel'nym pokazatelyam i "holodnomu startu" modeli Patriot
ispol'zuyutsya dlya nastrojki tyunerov sputnikovogo televideniya,
sputnikovyh antenn i pr.
Modeli Best 510 horosho zarekomendovali sebya v rabote s
mini-ATS i ohrannymi sistemami. Oni nadezhno rabotayut s
oborudovaniem kritichnym k forme pitayushchego napryazheniya, no
dopuskayushchim nebol'shoe vremya pereklyucheniya (2ms).
Istochniki Fortress i Best 610 primenyayutsya dlya obespecheniya
pitaniya radiostancij, televizionnogo i medicinskogo
oborudovaniya i potrebitelej, dlya kotoryh nedopustimy pereryvy v
elektropitanii pri perehode na batarei.
Pri bol'shih moshchnostyah i prodolzhitel'nyh pereryvah
centralizovannoj podachi elektroenergii ekonomicheski
celesoobrazno ispol'zovanie IBP sovmestno s dizel'-generatorami
(sm. gl. 4).
Na vse izdeliya firma Best Pauer Ukraina (sm. str. 106)
predostavlyaet garantiyu dva goda i obespechivaet zamenu
neispravnogo garantijnogo oborudovaniya v techenie chetyreh chasov
so sklada. Vse modeli IBP Best Power imeyut interfejsnyj port
dlya svyazi s komp'yuterom. V postavku vhodit programmnoe
obespechenie dlya kontrolya i upravleniya v srede DOS, Windows
3.xx, Windows95, NT, OS/2, UNIX, Novell NetWare.
3.4.2. ISPOLXZOVANIE IBP DLYA ORGTEHNIKI
Pribory chuvstvitel'nye k elektronnym pomeham, no ne
trebuyushchie besperebojnogo pitaniya, mogut zapityvat'sya cherez
stabilizatory napryazheniya Citadel. V kachestve reguliruyushchego
elementa v nih primenen ferrorezonansnyj transformator.
Analogichnyj transformator primenen v IBP Ferrups. Fil'tr
stabilizatora obespechivaet oslablenie impul'snyh pomeh v 250
raz. Tehnicheskie harakteristiki stabilizatorov Citadel
privedeny v tabl. t028, t029.
V stabilizatorah Citadel vozmozhna korrektirovka vhodnogo
koefficienta moshchnosti. Oni otvechayut evropejskim standartam po
elektrobezopasnosti. Nagruzka, podklyuchennaya cherez stabilizator,
gal'vanicheski razvyazana ot seti.
IBP Patriot rekomendovany k ispol'zovaniyu dlya ofisnyh
prilozhenij.
Seriya Patriot -- Off Line istochniki imeyushchie vremya
pereklyucheniya 2...4 ms. Oni obespechivayut zashchitu ot broskov
napryazheniya i pomeh v seti. Na indikatore perednej paneli
otobrazhayutsya parametry sostoyaniya seti i batarei. Krome togo,
IBP preduprezhdaet zvukovymi signalami o predusmotrennyh
avarijnyh rezhimah. Oni sovmestimy s komp'yuterami s
korrektirovkoj koefficienta moshchnosti. Modeli moshchnost'yu 420 VA i
bolee imeyut kommunikacionnyj port, chto pozvolyaet kontrolirovat'
rabotu istochnika ispol'zuya programmnoe obespechenie.
IBP Best-510 rekomendovany k ispol'zovaniyu dlya gruppy
pol'zovatelej 5...8 komp'yuterov.
Model' Best-510 -- Line-Interactive so stabilizaciej
vyhodnogo napryazheniya. Dlya raboty pri ponizhennom napryazhenii seti
ispol'zuetsya rezhim povysheniya napryazheniya (boost). Rasshirennoe
programmnoe obespechenie daet polnuyu informaciyu o parametrah
napryazheniya seti i IBP.
IBP Fortress rekomendovany k ispol'zovaniyu dlya serverov i
grupp pol'zovatelej.
V modelyah Fortress mikroprocessor nepreryvno analiziruet
formu sinusoidy, i pri ee otklonenii bolee chem na 10%
vyrabatyvaet korrektiruyushchie signaly. Diskretnoe regulirovanie
vyhodnogo napryazheniya obespechivaet shirokij diapazon vhodnogo
napryazheniya, pri kotorom ne rashoduetsya energiya batarei
akkumulyatorov. Napryazhenie stabiliziruetsya v predelah zadavaemyh
pol'zovatelem vruchnuyu ili cherez interfejs. V modeli Fortress
programmiruetsya 15 parametrov vhodnogo i vyhodnogo napryazheniya
istochnika.
IBP Best-610 rekomendovany k ispol'zovaniyu dlya nagruzok
kritichnyh k parametram setevogo napryazheniya.
IBP Best-610 -- otnosyatsya k klassicheskim istochnikam
struktury On-Line s dvojnym preobrazovaniem. V nih otsutstvuet
pereryv v pitanii nagruzki pri propadanii setevogo napryazheniya.
Nesomnennym preimushchestvom Best-610 yavlyaetsya nizkij
koefficient nelinejnyh iskazhenij (do 3%), gal'vanicheskaya
razvyazka i vstroennyj elektronnyj bypass. Sushchestvuet
vozmozhnost' ispol'zovaniya vstraivaemogo SNMP-adaptera.
IBP Unity/1 rekomendovany k ispol'zovaniyu dlya raboty
gruppy pol'zovatelej do 60 komp'yuterov.
IBP Unity/1 -- Line-Interactive IBP s parallel'nym
preobrazovaniem energii. Pozvolyaet kompensirovat' reaktivnuyu
moshchnost' nagruzki (koefficient moshchnosti 1) i korrektirovat'
chastotu vyhodnogo napryazheniya, chto osobenno vazhno pri rabote ot
avtonomnyh istochnikov energii, takih kak dizel'-generator.
Fortress i Unity/1 -- istochniki korrektiruyushchie formu
sinusoidy. Pri sboe seti, na vyhode net fazovyh skachkov ili
iskazhenij, chto obespechivaetsya nulevym vremenem perehoda na
batarei. V moment otklyucheniya napryazheniya seti Fortress
ispol'zuet energiyu magnitnogo polya transformatora, a Unity/1 --
energiyu nakoplennuyu v bataree kondensatorov.
Ferrups rekomendovan k primeneniyu dlya zashchity serverov i
moshchnyh rabochih stancij.
Ferrups -- naibolee nadezhnyj (narabotka na otkaz -- 19
let) istochnik besperebojnogo pitaniya obespechivayushchij effektivnuyu
zashchitu ot pomeh. On imeet uvelichennyj diapazon vhodnyh
napryazhenij pri rabote ot seti. Na vyhode IBP vklyuchen
kommutiruemyj transformator. Zaryad batarei rashoduetsya pri
padenii vhodnogo napryazheniya na 38% nizhe nominal'nogo.
Dlya energozashchity otdelov, etazhej i zdanij Best Power
predlagaet moshchnye trehfaznye sistemy besperebojnogo pitaniya
sposobnye rabotat' s lyuboj nagruzkoj (do 3 MVA) v techenie
zadannogo potrebitelem vremeni.
Obychno programmy upravleniya IBP vypolnyayutsya na rabochih
stanciyah podsoedinennyh k komp'yuternoj seti i ispol'zuyut
sobstvennye protokoly dlya vzaimodejstviya s IBP. Takaya shema
rabotaet tol'ko s produktami odnogo proizvoditelya. Odnako, esli
v seti ustanovleny pribory ot razlichnyh proizvoditelej --
upravlyat' imi sleduet posredstvom protokola SNMP.
Gruppa inzhenernoj podderzhki Internet (IETF) razrabotala
proekt standarta, opredelyayushchego strukturu informacionnoj bazy
(MIB), dlya istochnikov besperebojnogo pitaniya upravlyaemyh
posredstvom protokola SNMP.
Primerom proizvoditelya IBP, predlagayushchego v nastoyashchee
vremya interfejsy SNMP, sluzhit Best Power. Adapter SNMP
pozvolyaet osushchestvlyat' udalennyj kontrol' i upravlenie
istochnikom peremennogo toka po protokolu TCP/IP (ris. p048).
3.5. PREOBRAZOVATELXNAYA TEHNIKA FIRMY BENNING
Bolee 30% vyrabatyvaemoj elektroenergii (ris. p022)
potreblyaetsya v preobrazovannom vide -- postoyannogo ili
peremennogo toka s chastotoj, otlichnoj ot promyshlennoj.
Nablyudaetsya tendenciya rosta ispol'zovaniya preobrazovannoj
elektroenergii vo mnogih oblastyah tehniki, gde do sih por
primenyalsya isklyuchitel'no trehfaznyj tok promyshlennoj chastoty.
Silovye poluprovodnikovye ustrojstva sluzhat dlya
preobrazovaniya:
peremennogo toka v postoyannyj;
postoyannogo toka v peremennyj;
peremennogo toka odnoj chastoty v peremennyj tok drugoj
chastoty;
nizkogo postoyannogo napryazheniya v vysokoe postoyannoe
napryazhenie.
Blagodarya vysokoj chastote preobrazovaniya obespechivaetsya
KPD poryadka 90...95%, normiruemye staticheskie i dinamicheskie
harakteristiki. Osnovnymi harakteristikami preobrazovatel'nyh
ustrojstv yavlyayutsya:
koefficient poleznogo dejstviya;
koefficient moshchnosti;
massogabaritnye harakteristiki.
Firma Benning yavlyaetsya vedushchim evropejskim proizvoditelem
sistem garantirovannogo elektropitaniya. Osnovana v 1938 godu
Teo Benningom starshim. Mnogoletnij opyt raboty, innovacionnye
konstruktorskie resheniya, novejshie tehnologii pozvolyayut uverenno
zanimat' lidiruyushchie pozicii na evropejskom rynke, v Azii i na
Blizhnem Vostoke.
Na predpriyatiyah firmy truditsya okolo 800 chelovek
obespechivaya godovoj oborot v 600 millionov nemeckih marok.
Oblasti primeneniya produkcii firmy -- sistemy elektropitaniya
dlya apparatury svyazi, industrii i elektricheskih stancij.
Benning proizvodit zaryadnye ustrojstva dlya shirokoj
nomenklatury batarej, sistemy besperebojnogo elektropitaniya,
izmeritel'nye pribory. Predpriyatie po pravu yavlyaetsya
proizvodstvom s vysokim urovnem kul'tury. Podtverzhdenie tomu
sertifikaciya produkcii po sisteme ISO 9002 i ISO 9003.
V Ukraine produkciyu reprezentuet predstavitel'stvo firmy
Benning (sm. str. 106). Apparatura Benning uspeshno
ekspluatiruetsya na predpriyatiyah svyazi, elektricheskih stanciyah
(v t.ch. atomnyh), magistral'nyh liniyah svyazi. Sistemy
elektropitaniya obespechivayut besperebojnoe elektrosnabzhenie.
Preobrazovatel'nye ustrojstva Benning obladayut vysokimi
regulirovochnymi harakteristikami i energeticheskimi
pokazatelyami, imeyut malye gabarity i massu, prosty i nadezhny v
ekspluatacii, obespechivayut beskontaktnuyu kommutaciyu tokov v
silovyh cepyah, a takzhe regulirovanie toka i napryazheniya.
Blagodarya ukazannym preimushchestvam oni poluchayut shirokoe
primenenie v sleduyushchih otraslyah:
radioelektronnaya apparatura i avtomatika;
elektrosvarka;
cvetnaya metallurgiya;
himicheskaya promyshlennost';
elektroprivody;
gal'vanotehnika;
elektrohimicheskaya obrabotka metallov.
Poyavlenie novyh poluprovodnikovyh preobrazovatelej vo
mnogom opredelyaetsya uspehami v razvitii silovyh
poluprovodnikovyh priborov. Takie pribory pri neznachitel'nyh
vnutrennih poteryah mogut upravlyat' bol'shimi moshchnostyami
podvodimymi k nagruzke, chto otkryvaet shirokie perspektivy dlya
ih primeneniya v teh oblastyah tehniki, gde trebuetsya
vysokoeffektivnoe regulirovanie rezhimov raboty potrebitelya.
V preobrazovatel'noj tehnike nahodyat primenenie:
vypryamiteli, preobrazuyushchie odno- ili trehfaznyj peremennyj
tok v postoyannyj;
invertory, preobrazuyushchie postoyannyj tok v odno- ili
trehfaznyj tok neizmennoj ili reguliruemoj chastoty;
preobrazovateli postoyannogo napryazheniya;
elektronnye stabilizatory postoyannogo i peremennogo
napryazheniya, preobrazuyushchie postoyannoe ili peremennoe napryazhenie
odnogo urovnya v postoyannoe ili peremennoe napryazhenie drugogo
urovnya -- neizmennogo ili izmenyayushchegosya;
preobrazovateli chisla faz, preobrazuyushchie odno- ili
trehfaznyj tok zadannoj chastoty v treh- ili odnofaznyj tok toj
zhe chastoty.
Preobrazovateli chastoty primenyayutsya v elektroprivodah
peremennogo toka, v elektrotermii, dlya pitaniya svetotehnicheskih
priborov, v radioelektronnoj apparature.
Preobrazovateli postoyannogo i peremennogo napryazhenij
primenyayutsya dlya stabilizacii i regulirovaniya napryazheniya
pribornyh kompleksov, v bystrodejstvuyushchih pozicionnyh i
tahometricheskih sledyashchih sistemah, elektrohimii,
pod®emno-transportnyh ustrojstvah, tyagovyh elektroprivodah
gornodobyvayushchej promyshlennosti, dlya zaryada akkumulyatorov
elektromobilej, gorodskogo elektrotransporta.
Poluprovodnikovye preobrazovatel'nye ustrojstva nahodyat
takzhe shirokoe primenenie v kachestve kommutacionnoj apparatury i
staticheskih regulyatorov reaktivnoj moshchnosti.
SHirokoe razvitie poluchili avtonomnye sistemy
elektropitaniya sravnitel'no nebol'shoj moshchnosti. Ih razvitie
idet, v osnovnom, v napravlenii sozdaniya miniatyurnyh istochnikov
s vysokimi massogabaritnymi (udel'nymi) harakteristikami. V
takih ustrojstvah predusmatrivaetsya maksimal'noe sovmeshchenie
funkcij v otdel'nyh blokah sistemy, chto sokrashchaet kolichestvo
funkcional'nyh blokov i elementov.
Sistemy elektropitaniya stroyatsya na baze poluprovodnikovyh
preobrazovatel'nyh ustrojstv. Oni osnashchayutsya kak ustrojstvami
signalizacii i kontrolya osnovnyh funkcij, tak i sistemoj
distancionnogo kontrolya i signalizacii.
Nalichie distancionnogo kontrolya i signalizacii pozvolyaet
sledit' za sostoyaniem sistemy i osushchestvlyat' upravlenie cherez
modem. |to izbavlyaet potrebitelej ot neobhodimosti soderzhat'
shtat po obsluzhivaniyu sistemy elektropitaniya, a obratit'sya k
professionalam, kotorye imeyut opyt predostavleniya takih uslug
(sm. str. 106).
Sistemy elektropitaniya firmy Benning imeyut modul'nuyu
konstrukciyu i ispolnyayutsya v nastennyh i napol'nyh konstrukciyah.
Modul'noe ispolnenie pozvolyaet realizovyvat' razlichnye varianty
konfiguracii sistem elektropitaniya ispol'zuya rezervirovanie,
chem dostigaetsya vysokaya stepen' nadezhnosti ustrojstv. Pri
montazhe sistem rezervnogo elektropitaniya v kombinirovannyh
modulyah ustanavlivayutsya i akkumulyatornye batarei.
Vypryamiteli ispol'zuyutsya kak samostoyatel'no
funkcioniruyushchie ustrojstva, tak i v kachestve sostavnyh
elementov sistem elektropitaniya.
Vypryamiteli, ispol'zuyushchie princip impul'snogo
preobrazovaniya, obladayut horoshimi massogabaritnymi
pokazatelyami. V silu svoih dostoinstv impul'snye vypryamiteli s
bestransformatornym vhodom nashli naibolee shirokoe primenenie v
diapazone malyh i srednih moshchnostej.
Predlagaemyj ryad tiporazmerov vypryamitel'nyh modulej PDT
800...PDD 3000 (ris. p024) pozvolyaet montirovat' ustanovki
elektropitaniya s estestvennym ohlazhdeniem i tokami nagruzki ot
desyati do neskol'kih soten amper. Ispol'zovanie prinuditel'noj
ventilyacii pozvolyaet uvelichit' moshchnost' bloka vdvoe.
Tehnicheskie harakteristiki vypryamitelej predstavleny v tabl.
t007.
Ispol'zovanie impul'snyh vypryamitelej sovmestno s
germetizirovannymi, ne trebuyushchimi uhoda, akkumulyatornymi
batareyami pozvolyaet realizovyvat' sistemy besperebojnogo
elektropitaniya kotorye nahodyat shirokoe primenenie dlya pitaniya
apparatury svyazi i ne trebuyut obsluzhivaniya v techenie mnogih let
ekspluatacii. V podtverzhdenie skazannogo mozhno privesti tot
fakt, chto predstaviteli firmy Benning byli priglasheny dlya
remonta apparatury, kotoraya prorabotala v metropolitene bez
obsluzhivaniya 30 let.
Podklyuchenie vypryamitel'nyh ustrojstv v standartnyh
19"dyujmovyh shkafah osushchestvlyaetsya pri pomoshchi raz®emov. Vse
moduli imeyut vnutrennyuyu zashchitu ot povyshennogo napryazheniya na
vhode, peregreva i perenapryazheniya na vyhode. Otobrazhenie vseh
vazhnyh ekspluatacionnyh i avarijnyh parametrov pozvolyaet
uprostit' i optimizirovat' rabotu obsluzhivayushchego personala.
Dannye vypryamiteli primenyayutsya takzhe dlya obespecheniya
pitaniem v sistemah nablyudeniya i signalizacii. V oblasti malyh
moshchnostej oni nahodyat primenenie dlya zaryada starternyh batarej
dizel'nyh dvigatelej i gazovyh turbin.
3.5.2. TIRISTORNYE VYPRYAMITELI
Tiristornye vypryamiteli (ris. p059) ohvatyvayut srednij i
verhnij diapazony moshchnostej. Imenno pri vysokih vyhodnyh
napryazheniyah i bol'shih tokah tiristor -- naibolee udachnyj
poluprovodnik v elektrotehnike. Upravlenie osushchestvlyaetsya
kombinirovannym tranzistorno-tiristornym silovym elementom. Kak
pravilo, v vypryamitelyah primenyayutsya mostovye kommutiruemye
shemy vypryamleniya.
Tiristornye vypryamiteli primenyayutsya kak dlya
neposredstvennogo pitaniya potrebitelej, tak i, odnovremenno,
dlya podzaryada akkumulyatornyh batarej v ustrojstvah
besperebojnogo elektropitaniya. Obespechenie optimal'nogo rezhima
ekspluatacii batarej vypolnyayut avtomaticheskie ustrojstva,
kotorye osushchestvlyayut pereklyuchenie iz rezhima zaryada v rezhim
soderzhashchego zaryada, i pozvolyayut izbezhat' gazovydeleniya
akkumulyatornoj batareej i zashchitit' ih ot glubokogo razryada (sm.
gl. 2).
Dlya otobrazheniya osnovnyh funkcional'nyh i avarijnyh
parametrov predusmotreny ustrojstva kontrolya i signalizacii
kotorye obespechivayut peredachu soobshchenij na central'nyj
dispetcherskij pul't. Takaya svyaz' pozvolyaet personalu centra
obsluzhivaniya nepreryvno nablyudat' za rabotoj vypryamitelej i
registrirovat' parametry:
seti peremennogo toka;
vyhodnogo napryazheniya;
vypryamitelya;
batarej.
|lektropitanie osushchestvlyaetsya ot seti peremennogo toka
napryazheniem 220 V libo 380±15% V i chastotoj 50±5% Gc.
Nestabil'nost' vyhodnogo napryazheniya pri izmenenii parametrov
seti v ukazannyh predelah ne huzhe 1% ot nominal'nogo znacheniya.
Nestabil'nost' vyhodnogo toka 2%. Pul'sacii vyhodnogo
napryazheniya v diapazone 0...100% nagruzki ne prevyshayut 5%. KPD
ne huzhe 80%. Napryazhenie pomeh sootvetstvuet VDE 0875 klassa
"G".
Odna iz osnovnyh oblastej primeneniya tiristornyh
vypryamitelej bol'shoj moshchnosti -- rezervnoe elektropitanie
elektricheskih stancij.
Invertory ispol'zuyutsya dlya raboty v kachestve uzlov
rezervnyh istochnikov elektropitaniya peremennogo napryazheniya 220
V i 380 V, 50 Gc i yavlyayutsya sostavnoj chast'yu sistem
besperebojnogo elektropitaniya. Oni primenyayutsya dlya pitaniya
potrebitelej peremennogo toka ot pervichnogo istochnika v vide
akkumulyatornoj batarei ili istochnikov elektroenergii,
vyrabatyvayushchih postoyannyj tok, v sistemah peredachi
elektroenergii postoyannogo toka. Krome togo, invertory yavlyayutsya
sostavnoj chast'yu preobrazovatelej chastoty so zvenom postoyannogo
toka.
Razlichayut invertory primenyaemye dlya rezervnogo pitaniya
apparatury maloj i srednej moshchnosti, rabotayushchie ot nominal'nogo
postoyannogo napryazheniya 24 V, 48 V i 60 V, moshchnost'yu do 2,5 kVA
(tabl. t010) i invertory bol'shoj moshchnosti, primenyaemye v
promyshlennosti, na elektricheskih stanciyah, rabotayushchie ot
postoyannogo napryazheniya 110 V i 220 V, moshchnost'yu do 160 kVA.
V invertorah ispol'zuyutsya novejshie elektronnye komponenty
naryadu s vysokochastotnym preobrazovaniem, chto, v konechnom
schete, pozvolyaet poluchit' kompaktnuyu konstrukciyu, maluyu massu i
vysokij koefficient poleznogo dejstviya. Nalichie special'nyh
shemnyh reshenij delaet vozmozhnoj parallel'nuyu rabotu
invertorov. Pri etom mogut byt' realizovany ustanovki (ris.
p025) s urovnem rezervirovaniya N+1. Pomimo etogo, parallel'noe
vklyuchenie pozvolyaet uvelichit' summarnuyu moshchnost'. Takim
obrazom, vozmozhno doosnashchenie oborudovaniya pri neobhodimosti
uvelicheniya moshchnosti.
Dlya povysheniya nadezhnosti raboty sistemy v celom sovmestno
s invertorom primenyaetsya elektronnoe pereklyuchayushchee ustrojstvo
(EUE). EUE pozvolyaet v sluchae neispravnosti invertora
podklyuchit' nagruzku neposredstvenno k seti (prioritet
invertora) ili pereklyuchit' pitanie nagruzki ot seti na invertor
(prioritet seti) v sluchae otklyucheniya napryazheniya.
Invertor firmy Benning obespechivaet vyhodnoe napryazhenie
230±5% V, chastotoj 50±0,1% Gc pri izmenenii napryazheniya na vhode
ot -15 do +20%. Koefficient nelinejnyh iskazhenij na vyhode --
menee 3% pri linejnoj nagruzke. Uroven' radiopomeh
sootvetstvuet evropejskim normam EN55022. Krome togo, pribory
etogo tiporazmernogo ryada otlichayutsya normiruemoj dinamikoj. Pri
izmenenii nagruzki ot 10% do 100% i obratno v techenie primerno
1 ms proishodit ustanovlenie skachkov napryazheniya.
3.5.4. STABILIZATORY I PREOBRAZOVATELI POSTOYANNOGO NAPRYAZHENIYA
Dlya pitaniya nagruzok, chuvstvitel'nyh k izmeneniyam vhodnogo
napryazheniya, primenyayut stabilizatory. Kak pravilo, neobhodimost'
primeneniya stabilizatorov voznikaet v sistemah elektropitaniya s
batareyami. Napryazhenie akkumulyatornoj batarei pri razryade
izmenyaetsya v znachitel'nyh predelah. Kolebaniya napryazheniya dlya
mnogih potrebitelej yavlyayutsya nedopustimymi.
Preobrazovateli, pozvolyayushchie osushchestvlyat'
shirotno-impul'snoe regulirovanie na nagruzke, nazyvayut
shirotno-impul'snymi preobrazovatelyami.
Primenenie shirotno-impul'snyh preobrazovatelej dlya
regulirovaniya i stabilizacii napryazheniya razlichnyh potrebitelej
ob®yasnyaetsya sleduyushchimi preimushchestvami:
vysokij KPD;
vysokaya nadezhnost';
malaya chuvstvitel'nost' k izmeneniyam temperatury;
malye gabarity i massa;
postoyannaya gotovnost' k rabote.
Stabilizatory napryazheniya postroennye po principu
impul'snogo preobrazovaniya obladayut vysokimi tehnicheskimi
harakteristikami i obespechivayut stabil'nost' vyhodnogo
napryazheniya ±1% pri otklonenii vhodnogo napryazheniya v diapazone
ot -20% do +30%. Nominal'noe vyhodnoe napryazhenie
stabilizatorov, primenyaemyh v svyazi, 24 V, 48 V i 60 V pri toke
do 50 A.
Shemnoe reshenie pozvolyaet vklyuchat' parallel'no
neogranichennoe kolichestvo stabilizatorov rabotayushchih na obshchuyu
nagruzku. Pul'sacii vyhodnogo napryazheniya sostavlyayut menee 2%,
KPD ne huzhe 88% (sm. tabl. t008). Uroven' elektromagnitnyh
izluchenij sootvetstvuet evropejskim normam EN 55022 klass A.
Primenenie stabilizatorov napryazheniya pozvolyaet dostich'
sleduyushchih preimushchestv. Napryazhenie na nagruzke ne zavisit ot
napryazheniya batarei. Polnoe ispol'zovanie batarei v techenie
perioda ot polnost'yu zaryazhennogo do razryazhennogo sostoyaniya.
Blagodarya rezhimu ogranicheniya toka obespechivaetsya zashchita ot
korotkogo zamykaniya.
Modul'nyj princip postroeniya pozvolyaet razmeshchat'
stabilizatory v shkafah unificirovannogo ispolneniya sovmestno s
drugoj preobrazovatel'noj apparaturoj.
Vse ustrojstva kontrolya i upravleniya firmy Benning
proektiruyutsya kak samozashchishchennye, obespechivaya tem samym
besperebojnost' pitaniya nagruzki. Kontrol' vazhnyh
ekspluatacionnyh i avarijnyh parametrov, takih kak: peregruzka,
neispravnost', sinhronizaciya seti, parallel'nyj rezhim --
osushchestvlyaetsya indikaciej na perednej paneli. Sushchestvuet
vozmozhnost' distancionnoj peredachi soobshchenij na central'nyj
dispetcherskij punkt.
3.5.5. UPRAVLENIE USTROJSTVAMI |LEKTROPITANIYA
Trudno pereocenit' znachenie nadezhnosti ustrojstv
garantirovannogo elektropitaniya ot kotoryh zavisit vo mnogom
rabotosposobnost' sredstv svyazi, komp'yuternyh setej, sredstv
avarijnogo elektrosnabzheniya. Oni ispol'zuyutsya v operacionnyh,
na atomnyh stanciyah i t.d. Dlya obespecheniya vysokoj nadezhnosti
primenyayutsya ustrojstva elektropitaniya ispol'zuyushchie
rezervirovanie ustrojstv avtomatiki i zashchity. V etih sluchayah
nemalovazhnuyu rol' igraet obsluzhivayushchij personal, neobhodimyj
dlya servisnoj podderzhki ustrojstva elektropitaniya (podderzhaniya
ustrojstva elektropitaniya v rabotosposobnom sostoyanii).
Servisnoe obsluzhivanie mozhet osushchestvlyat'sya i distancionno.
Dlya distancionnogo nablyudeniya za rabotosposobnost'yu
sredstv elektropitaniya, primenyaemyh v telekommunikacionnoj
tehnike, sluzhat sistemy upravleniya i nablyudeniya razmeshchaemye na
centralizovannyh dispetcherskih punktah. Sistema upravleniya i
nablyudeniya cherez telefonnuyu set' pozvolyaet kontrolirovat'
sostoyanie ustrojstv elektropitaniya i upravlyat' imi v
ekspluatacionnyh i avarijnyh rezhimah. |tim obespechivaetsya
optimal'noe ispol'zovanie obsluzhivayushchego personala. Primer
takoj sistemy -- MCU-2000 firmy Benning (ris. p055).
Struktura MCU-2000
MCU-2000 pozvolyaet osushchestvlyat' upravlenie ustrojstvom
elektropitaniya i kontrol' ego sostoyaniya cherez telefonnuyu set'.
Informaciya cherez modem peredaetsya k central'nomu pul'tu
upravleniya. Na central'nom pul'te dannye obrabatyvayutsya,
registriruyutsya i predostavlyayutsya operatoru.
MCU-2000 razrabotana po ierarhicheskomu principu (Master
Slave). Upravlenie sistemoj elektropitaniya osushchestvlyaetsya:
v avtomaticheskom rezhime;
operatorom cherez mestnyj pul't upravleniya;
operatorom cherez dispetcherskij pul't upravleniya po
telefonnoj seti.
Vysokaya stepen' nadezhnosti sistemy elektropitaniya
dostigaetsya tem, chto pri parallel'noj rabote lyuboj vypryamitel'
mozhet avtomaticheski vzyat' na sebya funkcii vedushchego.
MCU-2000 integriruetsya v sistemu elektropitaniya i vklyuchaet
sleduyushchie ustrojstva (ris. p033):
ustrojstvo upravleniya i otobrazheniya;
platu processora;
vstraivaemye v oborudovanie satelitnye karty;
izmeritel'nye karty (dlya kontroliruemyh ustrojstv);
relejnye karty (dlya upravlyaemyh ustrojstv);
modem.
Satelitnye karty, izmeritel'nye karty, relejnye karty i
plata processora svyazany cherez interfejs RS485. CHerez nego
peredayutsya komandy upravleniya i znacheniya izmeryaemyh velichin
(napryazhenie U, tok I i temperatura batarej akkumulyatorov toC).
Processornyj blok, v sostav kotorogo vhodyat izmeritel'nye
i relejnaya karty, po suti, yavlyaetsya interfejsom mezhdu
pol'zovatelem i sistemoj elektropitaniya dlya mestnogo i
distancionnogo oprosa. On osushchestvlyaet preobrazovanie komand
standarta RS485 v RS232.
Ustrojstvo otobrazheniya i upravleniya raspolagaetsya, kak
pravilo, na perednej paneli shkafa elektropitaniya i sluzhit dlya
mestnogo upravleniya rabotoj sistemy elektropitaniya. Dlya
otobrazheniya parametrov sistemy elektropitaniya ispol'zuetsya
zhidkokristallicheskij indikator. Vozmozhno podklyuchenie komp'yutera
cherez shtatnyj raz®em (RS232) dlya ustanovki parametrov sistemy
elektropitaniya (programmnoe obespechenie postavlyaetsya).
MCU-2000 obespechivaet distancionnyj kontrol' i ustanovku
takih parametrov sistemy elektropitaniya, kak: napryazhenie
pitaniya, summarnyj tok ustrojstva, tok lyubogo otdel'no vzyatogo
vypryamitelya, tok zaryada akkumulyatornoj batarei, temperaturu
batarei. (Konfiguraciya sistemy MCU-2000 soglasovyvaetsya s
potrebitelem).
Vozmozhno provedenie s central'nogo dispetcherskogo punkta
registracii osnovnyh parametrov sistemy elektropitaniya,
kontrol'nogo razryada batarei i pr.
Pri poyavlenii sboev v rabote ustrojstva elektropitaniya:
propadanii setevogo napryazheniya, razryade akkumulyatornoj batarei
i drugih avarijnyh situaciyah -- sistema MCU-2000 avtomaticheski
svyazyvaetsya s central'nym dispetcherskim punktom i vydaet
protokol soobshchenij.
Dlya ogranicheniya dostupa nekompetentnogo personala
ispol'zuetsya mnogourovnevaya sistema parolej, pozvolyayushchaya
ogradit' sistemu ot nekvalificirovannyh dejstvij i sabotazha.
CHislo elektropitayushchih ustrojstv kontroliruemyh s odnogo
dispetcherskogo punkta ne ogranicheno.
Dlya bolee detal'nogo oznakomleniya s sistemoj MCU-2000
rekomenduem obratit'sya v predstavitel'stvo firmy Benning v
Ukraine (sm. str. 106).
3.6. PREOBRAZOVATELXNAYA TEHNIKA FIRMY VOIGT & HAEFFNER
Preobrazovatel'naya tehnika firmy Voigt & Haeffner
predstavlena sleduyushchim ryadom izdelij:
E60, D60 i E400 -- impul'snye vypryamiteli s regulirovaniem
v pervichnoj cepi;
E110 i E220 -- preobrazovateli peremennogo toka v
postoyannyj, moshchnost'yu do 2 kVt;
STS i tbGR -- universal'nye vypryamiteli;
G60/48E230 -- invertory, moshchnost'yu do 3 kVA;
E230 -- sinhronnyj kommutator moshchnost'yu do 3 kVA;
SVS -- mnogofunkcional'noe kontrol'no-izmeritel'noe
ustrojstvo (MKU).
Vypryamiteli, invertory, sinhronnyj kommutator i
mnogofunkcional'noe kontrol'no-izmeritel'noe ustrojstvo
pozvolyayut sozdavat' kompleksnye sistemy elektropitaniya (ris.
p051) dlya sredstv svyazi, avtomatiki zheleznyh dorog i
elektrostancij, telekommunikacionnyh setej i promyshlennosti.
Upravlenie kak otdel'nymi modulyami, tak i vsej sistemoj mozhet
osushchestvlyat'sya distancionno posredstvom telemetricheskoj sistemy
upravleniya.
Impul'snye vypryamiteli Voigt & Haeffner, ispol'zuyutsya dlya
zaryada akkumulyatorov (vyhodnaya harakteristika IU po DIN
41772/73), obespechivayushchih besperebojnoe pitanie nagruzki
postoyannym tokom.
Preobrazovateli peremennogo toka v postoyannyj (ris. p052)
vypolnyayut funkcii analogichnye impul'snym vypryamitelyam.
Otlichitel'noj osobennost'yu yavlyaetsya chastotnyj diapazon vhodnyh
napryazhenij (16...60 Gc), chto pozvolyaet v avtonomnyh usloviyah
ili avarijnyh situaciyah zaryazhat' akkumulyatornye batarei ot
dizel'-generatora. Vyhodnoe napryazhenie 24 V, vyhodnaya
harakteristika IU po DIN 41772/73, tok do 500 A.
Universal'nye vypryamitel'nye bloki prednaznacheny dlya
mobil'nogo primeneniya ustrojstv elektropitaniya.
Izdeliya Voigt & Haeffner sootvetstvuyut sleduyushchim
mezhdunarodnym standartam po elektrosovmestimosti i
elektrobezopasnosti:
stepen' zashchity -- klass F po DIN 0040;
elektromagnitnaya sovmestimost' -- klass B po VDE 0878;
elektrobezopasnost' -- IP 20 po DIN/VDE 0470 ch. 1.
Sistemy elektropitaniya montiruyutsya v 19"shkafah imeyushchih
neskol'ko modifikacij. Oni obespechivayut sleduyushchij ryad
napryazhenij postoyannogo toka: 24, 48, 60, 110, 220 i 400 V.
Pri ogranichennoj ploshchadi ispol'zuyutsya shkafy nastennogo
ispolneniya. Vse moduli Voigt & Haeffner imeyut vnutrennyuyu zashchitu
ot povyshennogo napryazheniya na vhode, peregreva i perenapryazheniya
na vyhode.
Istochniki postoyannogo toka montiruyutsya v nastennyh i
napol'nyh shkafah. Dlya akkumulyatornyh batarej i
raspredelitel'nyh ustrojstv predlagayutsya otdel'nye special'nye
modifikacii. Vybor tiporazmera konstrukcii opredelyaetsya
moshchnost'yu istochnika i emkost'yu akkumulyatornyh batarej.
V shkafah montiruyutsya shchity s ustanovlennymi vypryamitel'nymi
blokami, blok upravleniya i kontrolya, fidery postoyannogo toka i
akkumulyatornye batarei. Podklyuchenie ustrojstv osushchestvlyaetsya
pri pomoshchi raz®emov.
Impul'snye vypryamiteli s regulirovaniem v pervichnoj cepi
mogut byt' vklyucheny parallel'no i obespechivayut napryazhenie ot 12
do 400 V postoyannogo toka. Takie vypryamiteli ispol'zuyutsya pri
poluchenii:
vysokih vypryamlennyh napryazhenij;
bol'shih vypryamlennyh tokov nagruzki pri nizkom
vypryamlennom napryazhenii;
bol'shih moshchnostej.
Tak kak regulirovanie proishodit na vhode vypryamitelya
pered transformatorom, impul'snye vypryamiteli s regulirovaniem
v pervichnoj cepi dopuskayut beskontaktnoe otklyuchenie
transformatora ot seti. Kazhdyj vypryamitel' imeet otdel'nuyu
zashchitu ot peregruzok i korotkih zamykanij vyhoda. Tehnicheskie
harakteristiki vypryamitelej predstavleny v tabl. t039.
Invertory Voigt & Haeffner razvivayut moshchnost' 2,5 kVt i
vypuskayutsya dlya raboty s vhodnym napryazheniem 48 i 60 V ± 20%.
Pri etom oni obespechivayut vyhodnoe napryazhenie 230 V ± 1...5%
chastotoj 50 Gc ± 1%. Maksimal'naya nestabil'nost' vyhodnogo
napryazheniya ± 5% normiruetsya pri izmenenii nagruzki
0...100...10%.
MKU kontroliruet rabotu vypryamitelej, ustrojstv zashchity i
zaryad akkumulyatorov. Ustrojstvo kontrolya imeet analogovye i
cifrovye vhody i vyhody, oborudovano zhidkokristallicheskim
displeem, kotoryj indiciruet parametry blokov, seti peremennogo
toka i akkumulyatornyh batarej.
AVTONOMNYE ISTOCHNIKI |NERGII
Besperebojnoe obespechenie energiej predpolagaet nalichie
avtonomnogo istochnika. Vybor tipa istochnika opredelyaetsya ego
naznacheniem, potreblyaemoj moshchnost'yu, nalichiem ili otsutstviem
seti elektrosnabzheniya, geograficheskim polozheniem potrebitelya i
dopustimymi zatratami.
Po sej den' universal'nym avtonomnym istochnikom,
bezuslovno, yavlyaetsya dizel'-generator. On nahodit shirokoe
primenenie blagodarya vysokoj nadezhnosti. Krome togo, on
obespechivaet ne tol'ko elektroenergiej, no i teplom.
Bol'shinstvo istochnikov energii tak ili inache zagryaznyayut
ili izmenyayut prirodnye usloviya. Lish' solnce i veter -- dva
postavshchika energii, pravda, dostatochno kapriznye, ne vnosyat
prakticheski nikakih narushenij. Ispol'zovanie solnechnoj energii
pozvolyaet rasshirit' energeticheskie resursy i sekonomit'
znachitel'noe kolichestvo topliva ot ekvatora do shiroty 60o.
Vozobnovlyaemye istochniki energii -- vetrogeneratory i
geliostancii delayut pervye real'nye shagi v energetike.
Gelioenergetika (gelio... [gr. helios solnce] -- pervaya
sostavnaya chast' slozhnyh slov, oznachayushchaya: otnosyashchijsya k solncu
ili solnechnym lucham) razvivaetsya bystrymi tempami v samyh
raznyh napravleniyah. Gelioenergeticheskie programmy prinyaty
bolee chem v 70 stranah -- ot severnoj Skandinavii do vyzhzhennyh
pustyn' Afriki. Ustrojstva, ispol'zuyushchie energiyu solnca
razrabotany dlya otopleniya i ventilyacii zdanij, opresneniya vody,
proizvodstva elektroenergii. Takie ustrojstva ispol'zuyutsya v
razlichnyh tehnologicheskih processah. Poyavilis' transportnye
sredstva s "solnechnym privodom": motornye lodki i yahty,
solncelety i dirizhabli s solnechnymi panelyami. Solncemobili,
vchera sravnivaemye s zabavnym avtoattrakcionom, segodnya
peresekayut strany i kontinenty so skorost'yu, pochti ne
ustupayushchej obychnomu avtomobilyu.
Veter stal pervym prirodnym istochnikom ispol'zovannym
chelovekom dlya svoego blaga. Pervymi izobreteniyami v oblasti
energetiki byli parus i vetrodvigatel'. Parus pozvolil cheloveku
otkryt' mir. Za 200 let do nashej ery vetryanye mel'nicy rabotali
v Persii, a eshche ran'she ih ispol'zovali v Kitae. Spustya
neskol'ko tysyacheletij prishlo vremya para i elektrichestva. S
obostreniem energeticheskih krizisov interes k vetroustanovkam
periodicheski vozrastal, a teoriya vetrodvigatelej razvivalas'
parallel'no s teoriej aviacii.
Solnce i veter predstavlyayut soboj neissyakaemye
ekologicheski chistye istochniki energii. Obostrenie syr'evyh i
ekologicheskih problem stimuliruet kommercheskoe ispol'zovanie
netradicionnyh istochnikov energii. Proektiruyutsya, stroyatsya i
ekspluatiruyutsya eksperimental'nye i promyshlennye
energoustanovki. Stoimost' vyrabatyvaemoj imi energii
opredelyaetsya zatratami na izgotovlenie, ustanovku i
obsluzhivanie.
4.1. DIZELX-GENERATORNYE USTANOVKI FIRMY ABZ AGGREGATE-BAUGMBH
Vse vydayushchiesya izobreteniya chelovechestva okruzheny
legendami. Odna iz nih glasit, chto pervaya model' dizelya (Dizel'
Rudol'f, nemeckij izobretatel'. V 1892 godu zapatentoval, a v
1897 godu postroil dvigatel' vnutrennego sgoraniya s
vosplameneniem ot szhatiya) prorabotav vsego minutu vzorvalas' i
vse prisutstvuyushchie pri ispytanii snyali shlyapy. Tak eto bylo ili
net, no segodnya dizel'-generatory -- eto tradicionnye istochniki
energii, a dvigatel' nazvannyj v chest' svoego izobretatelya
neustanno truditsya na protyazhenii vot uzhe sta let.
Dizel'-generatornye ustanovki nahodyat shirokoe primenenie v
promyshlennosti, stroitel'stve, sel'skom i kommunal'nom
hozyajstvah. Oni rabotayut na predpriyatiyah, v aero-, morskih i
rechnyh portah, v energoblokah bol'nic, fermerskih hozyajstv, v
sistemah avarijnogo energosnabzheniya, na ob®ektah oboronnogo
kompleksa -- vezde, gde neobhodima elektroenergiya, a set' ili
udalena ili rabotaet s pereboyami.
Dizel'-generatornye ustanovki -- istochniki elektricheskoj i
teplovoj energii. Ih osnovnuyu chast' sostavlyayut ob®edinennye v
agregat dvigatel' i generator, ustanovlennye na stal'noj rame
(ris. p026). Sinhronnyj generator trehfaznogo toka privoditsya v
dvizhenie dizel'nym dvigatelem. Dvigatel' i generator
soedinyayutsya cherez muftu ili napryamuyu flancem. V pervom sluchae
ispol'zuetsya dvuhopornyj generator, t.e. generator imeyushchij dva
opornyh podshipnika, vo vtorom -- odnoopornyj s odnim opornym
podshipnikom. Mezhdu ramoj, opornymi poverhnostyami dvigatelya i
generatora ustanavlivayutsya rezino-metallicheskie amortizatory,
chto snizhaet vibracii peredavaemye na fundament agregata.
V sostav dizel'-generatornoj ustanovki vhodit sleduyushchee
oborudovanie:
toplivnaya sistema;
sistema vyhlopa;
sistema shumopodavleniya;
kontrol'no-izmeritel'nye pribory i avtomatika (KIPiA);
sistemy teploobmena (esli ustanovka prednaznachena i dlya
proizvodstva tepla).
Firma ABZ Aggregate-Bau GmbH -- izvestnyj proizvoditel'
dizel'-generatornyh ustanovok. Agregaty ABZ uspeshno rabotayut vo
mnogih stranah mira. Gibkost' v rabote, kvalificirovannaya
rabota sotrudnikov firmy ABZ s zakazchikami i proektirovshchikami
-- eto vazhnejshij aspekt raboty v etoj oblasti.
Prezhde chem izgotovit' agregat, nuzhno ochen' tochno
opredelit' i posovetovat' zakazchiku -- kak vybrat' sostav
ustanovki i gde ee luchshe razmestit' na meste ekspluatacii. V
zavisimosti ot rezhima ekspluatacii vybiraetsya sootvetstvuyushchaya
shema KIPiA i komplektaciya toplivnoj sistemy.
Na praktike vydelyayutsya dva osnovnyh rezhima ekspluatacii
dizel'-generatornoj ustanovki:
dlitel'nyj;
rezervnyj (v sluchae pereboev v seti).
Firma ABZ Aggregate-Bau GmbH proizvodit i postavlyaet cherez
svoego predstavitelya v Ukraine firmu "Selkom" dizel'-generatory
v diapazone moshchnostej ot 2 do 2500 kVA.
"Selkom" proizvodit montazh, puskonaladku i servisnoe
obsluzhivanie dizel'-generatornyh ustanovok. Osnovnye
tehnicheskie harakteristiki agregatov predstavleny v tabl. t012.
V agregatah, v kachestve privodnyh, ispol'zuyutsya dizel'nye
ili gazovye dvigateli sleduyushchih firm: Deutz, MAN, Daimler-Benz,
MTU, Cummins, Perkins/Dorman, Scania, Volvo, Iveco i sinhronnye
generatory trehfaznogo toka firm: Leroy Somer, Mess Alte,
A.v.Kaick, Newage-Stamford, Siemens.
Garantirovannyj srok sluzhby agregatov do kapital'nogo
remonta sostavlyaet 20 000 motochasov, chto sootvetstvuet sroku
ekspluatacii 15...20 let.
Malyj rashod topliva (okolo 1 litra na 4 kVtch) dostigaetsya
blagodarya ispol'zovaniyu dvigatelej s turbonadduvom. Vozduh v
takih dvigatelyah, prezhde chem popast' v kameru sgoraniya,
szhimaetsya v turbokompressore. Ego turbina privoditsya v dvizhenie
vyhlopnymi gazami. Posle szhatiya on (vozduh) ohlazhdaetsya
vozduhom ili vodoj i postupaet v kameru sgoraniya dvigatelya. Po
urovnyu vybrosov agregaty ABZ udovletvoryayut dejstvuyushchim v
Germanii normam TA-Luft (sm. tabl. t012).
Vazhnym tehnicheskim pokazatelem v rabote
dizel'-generatornyh ustanovok yavlyaetsya uroven' shuma. V
agregatah ABZ, blagodarya kompleksnomu shumopodavleniyu, uroven'
shuma sostavlyaet ne bolee 75 dB, a pri usilennom shumopodavlenii
-- ne bolee 65 dB.
4.1.1. VYBOR SPOSOBA UPRAVLENIYA AGREGATOM
V sootvetstvii s rezhimom raboty dizel'-generatornoj
ustanovki vybiraetsya sposob upravleniya -- ruchnoj ili
avtomaticheskij. Dlya dlitel'nogo rezhima ekspluatacii
predpochtitel'nee ruchnoj rezhim upravleniya. Pri etom sleduet
kontrolirovat' sleduyushchie parametry:
davlenie masla dvigatelya;
chislo oborotov generatora;
uroven' i temperaturu ohlazhdayushchej zhidkosti;
napryazhenie v seti.
Vazhnym elementom dizel'-generatornoj ustanovki yavlyaetsya
blok upravleniya. Vse elementy avtomatiki sobrany v nastennom
ili napol'nom shkafu. Ot agregata k shkafu vedut kabeli
upravleniya i silovye kabeli. Pri ruchnom rezhime ispolnenie shkafa
upravleniya i silovoj chasti dostatochno prostoe.
Dlya avtomaticheskogo rezhima rezervnogo energosnabzheniya
trebuetsya bolee slozhnaya shema upravleniya i bol'shij nabor
elementov avtomatiki. Oni obespechivayut avtomaticheskij rezhim
raboty agregata v rezervnom rezhime raboty.
Kogda v seti est' napryazhenie -- agregat ne rabotaet. Pri
propadanii napryazheniya podaetsya upravlyayushchij signal na zapusk
agregata i cherez 1...3 s on dostigaet nominal'nogo chisla
oborotov -- 1500 ob/min. CHerez 15 sekund nagruzka avtomaticheski
pereklyuchaetsya na generator, kotoryj zameshchaet set'.
Kogda napryazhenie v seti vosstanavlivaetsya, proishodit
avtomaticheskoe pereklyuchenie nagruzki s generatora na set' s
zaderzhkoj, kotoruyu mozhno zadat'. Obratnoe pereklyuchenie mozhet
osushchestvlyat'sya s kratkovremennoj, sinhronno s set'yu,
parallel'noj rabotoj generatora. Pri etom ne proishodit
preryvaniya pitaniya potrebitelej.
Posle vosstanovleniya napryazheniya v seti agregat okolo 3
minut prodolzhaet rabotu na holostom hodu dlya ohlazhdeniya
dvigatelya, a zatem ostanavlivaetsya. Posle ostanovki on srazu
gotov k zapusku.
Toplivnaya sistema ustanovki vklyuchaet:
rashodnyj toplivnyj bak;
bak rezerva topliva;
zapornuyu armaturu;
sistemy truboprovodov;
nasosnyj blok;
kontrol'no-izmeritel'nye pribory.
Rashodnyj toplivnyj bak mozhet byt' integrirovan v ramu
dizel'-generatora. Dlya agregatov, rabotayushchih v rezhime
rezervnogo avtomaticheskogo energosnabzheniya, integrirovannyj
rashodnyj bak ne ispol'zuetsya, tak kak v lyuboj moment uroven'
topliva v nem dolzhen byt' vyshe urovnya tochki vhoda topliva v
toplivnyj nasos dizel'nogo dvigatelya. V etom sluchae
ispol'zuetsya otdel'no raspolozhennyj toplivnyj bak. V nem
uroven' topliva podderzhivaetsya za schet podkachki topliva
nasosnym blokom sostoyashchim iz ruchnogo i elektricheskogo nasosov i
ustrojstva avtomatizirovannogo kontrolya urovnya. Tak
obespechivaetsya nadezhnyj toplivnyj rezerv na sluchaj avarijnogo
avtomaticheskogo zapuska agregata.
Silovaya chast' generatora i seti nagruzki komplektuetsya
avtomatami zashchity ili trehpolyusnymi pereklyuchatelyami-avtomatami
s ruchnym ili elektricheskim privodom.
4.1.2. SFERY PRIMENENIYA DIZELX-AGREGATOV
Pri rabote dizelya chast' energii (do 40%) bezvozvratno
teryaetsya v vide rasseivaemogo tepla. Agregaty firmy ABZ mogut
byt' osnashcheny ustrojstvami regeneracii. V etom sluchae mezhdu
dvigatelem i radiatorom, na obshchej rame, ustanavlivaetsya
teploobmennik (sm. ris. p027). V nem ohlazhdayushchaya dvigatel'
zhidkost', prezhde chem ohladit'sya v radiatore, peredaet teplo
vode, naprimer, dlya otopleniya zdaniya.
Krome nagreva v pervom teploobmennike, voda sistemy
otopleniya mozhet dopolnitel'no podogrevat'sya vo vtorom
vyhlopnymi gazami agregata.
Takim obrazom, krome elektroenergii agregaty vyrabatyvayut
bol'shoe kolichestvo vtorichnogo tepla. Ono mozhet ispol'zovat'sya
dlya tehnologicheskih nuzhd proizvodstva. Tak v
derevoobrabatyvayushchej promyshlennosti ego ispol'zuyut v sushil'nyh
kamerah, v sel'skom hozyajstve -- dlya obogreva teplic i ferm.
Na risunkah ris. 4.1...ris. 4.4 predstavleny razlichnye
varianty ispolneniya dizel'nyh agregatov firmy ABZ.
Agregat tip ON-700/50 rabotaet v aeroportu g.
Frankfurt-na-Majne i v sluchae otsutstviya napryazheniya v seti
pitaet elektroenergiej ustanovku zapravki samoletov toplivom.
Dizel'nyj agregat (ris. p026) moshchnost'yu 700 kVA, v
shumoizolirovannom 9-metrovom kontejnere:
tip ON-700/50;
dvigatel' MTU serii 396;
generator Leroy Somer.
Agregat v ispolnenii blochnoj miniteploelektrostancii (ris.
p027). Teplovoj shkaf pokazan so snyatoj perednej stenkoj. Dannyj
agregat rabotaet na derevoobrabatyvayushchem kombinate pod
Sankt-Peterburgom.
Agregat rezervnogo energosnabzheniya (ris. p028), dlya Centra
Lyuftganzy v Pekine (Kitaj), moshchnost'yu 1000 kVA:
tip CS-1000/50;
dvigatel' Cummins serii KTA-50;
generator Leroy Somer.
Peredvizhnoj agregat legkoj konstrukcii (ris. p029),
moshchnost'yu 60 kVA transportiruemyj legkovym avtomobilem:
tip AT-60/50;
dvigatel' Iveco;
generator Leroy Somer.
Agregat pokazan v zakrytom polozhenii i s podnyatym kozhuhom.
Avtonomnyj nasos s dizel'nym privodom moshchnost'yu 319 kVt:
tip RG-319/PP/1800;
dvigatel' MAN;
nasos Sulzer Weise.
4.2. DIZELX-GENERATORY KONCERNA SDMO
Koncern SDMO (Franciya) vhodit v gruppu kompanij Group
Meunier. On obrazovan v 1969 godu i k nastoyashchemu vremeni
vklyuchaet tri krupnyh podrazdeleniya ES, MS, AS i shest' zavodov.
Na zavodah koncerna vypuskayutsya dizeli moshchnost'yu ot 1 do 5000
kVA.
Otdelenie ES rabotaet s dvumya zavodami, gde vypuskaet
agregaty moshchnost'yu ot 1 do 100 kVA.
Otdelenie MS vypuskaet dizel'-generatory moshchnost'yu ot 100
do 2000 kVA. Zdes' proektiruyutsya i izgotavlivayutsya
dizel'-elektrostancii. Oni mogut raspolagat'sya v stacionarnyh
sooruzheniyah ili kontejnerah.
Otdelenie AS vypuskaet nestandartnye agregaty. Ono
proektiruet i izgotavlivaet specializirovannye sistemy dlya
voennyh prilozhenij, sredstv svyazi, morskih sudov.
V agregatah SDMO ispol'zuyutsya dvigateli sleduyushchih
proizvoditelej: Cummins, Volvo, Perkins, Lister, Petter, dlya
kotoryh harakterny nadezhnost' i ekonomichnost'.
Dizel'-generatory SDMO vypuskayutsya v treh ispolneniyah dlya
ustanovki v pomeshchenii ili pod otkrytym nebom:
Compact -- na vibroizoliruyushchej rame (ris. p056);
Silent -- v shumopogloshchayushchem kontejnere;
Super Silent -- v dvojnom shumopogloshchayushchem kontejnere.
Kontejnery Silent i Super Silent mogut ustanavlivat'sya na
kolesnoe shassi.
Vazhnym tehnicheskim pokazatelem dizel'-generatornyh
ustanovok yavlyaetsya uroven' shuma. V agregatah SDMO, blagodarya
kompleksnomu shumopodavleniyu, uroven' shuma sostavlyaet ne bolee
85 dB, a pri usilennom shumopodavlenii -- ne bolee 75 dB.
SHumopogloshchayushchaya obolochka dlya kontejnerov imeet sloenuyu
strukturu s chereduyushchimisya sloyami metall-poliuretan-metall.
Firma proizvodit i postavlyaet dizel'-generatory v
diapazone moshchnostej ot 1 do 5000 kVA. Tipy generatornyh
ustanovok koncerna SDMO predstavleny v tabl. t030.
Garantirovannyj srok sluzhby agregatov 4 000 motochasov ili 12
mesyacev ekspluatacii.
Zapusk i upravlenie dizelyami osushchestvlyaetsya v ruchnom ili
avtomaticheskom rezhimah. Dlya etogo ustanavlivaetsya odna iz
sleduyushchih sistem upravleniya (ris. p057).
MICS Nano -- sistema kontrolya i upravleniya
dizel'-generatorom dlya ruchnogo sposoba upravleniya (ris. p057
a).
MICS Pico -- sistema kontrolya parametrov raboty i
upravleniya dizel'-generatorom v avtomaticheskom rezhime (ris.
p057 b).
MICS Process -- mikroprocessornaya sistema kontrolya i
upravleniya vsemi funkciyami dizel'-generatora (start, vyhod na
rezhim, ostanovka, upravlenie sistemoj ohlazhdeniya i t.d.). Na
cifrovom displee otobrazhayutsya parametry raboty agregata v
rezhime real'nogo vremeni (ris. p057 v).
MICS Commander -- sistema upravleniya funkciyami
energosistemy, sostoyashchej iz neskol'kih agregatov. Ona stroitsya
na baze integrirovannyh modulej MICS Process i osushchestvlyaet
sinhronizaciyu parallel'no rabotayushchih dizel'-generatorov.
Maksimal'noe kolichestvo parallel'no rabotayushchih agregatov -- 12.
MICS Process obrabatyvaet do 100 priznakov nepoladok,
vklyuchaya 60 ustanovlennyh izgotovitelem i 30 programmiruemyh
pol'zovatelem, registriruet datu i vremya priznakov otklonenij
parametrov raboty uzlov dizel'-generatorov v rezhime real'nogo
vremeni.
Programmirovanie rezhimov raboty pozvolyaet MICS Commander
ispol'zovat' minimal'no neobhodimoe kolichestvo agregatov dlya
pitaniya potrebitelej. Zapusk, sinhronizaciya, vklyuchenie i
vyklyuchenie osushchestvlyaetsya v avtomaticheskom rezhime.
Dlya distancionnogo upravleniya energosistemoj ispol'zuetsya
telekommunikacionnyj modul'. On pozvolyaet osushchestvlyat'
udalennyj kontrol' i upravlenie cherez interfejs RS422 i
regulirovat' 32 parametra energosistemy.
Krome shirokoj nomenklatury dizel'-generatorov koncern SDMO
vypuskaet avtonomnye agregaty dlya osveshcheniya, svarochnyh rabot
(ris. p058) i elektrogeneratory s nestandartnym vyhodnym
napryazheniem. Dlya avtonomnogo osveshcheniya bol'shoj ploshchadi
vypuskaetsya peredvizhnoj agregat oborudovannyj shestimetrovoj
machtoj s natrievoj lampoj moshchnost'yu 1,5 kVt.
Moshchnost' svarochnyh avtonomnyh agregatov koncerna SDMO --
3,7 kVt. Tri tipa ispolneniya -- na rame, na telezhke i na
avtomobil'nom pricepe udovletvoryayut lyubym trebovaniyam.
Tehnicheskie harakteristiki svarochnyh avtonomnyh agregatov
privedeny v tabl. t031.
4.3. SOLNEchNAYA |NERGIYA
Pervye popytki ispol'zovaniya solnechnoj energii na
kommercheskoj osnove otnosyatsya k 80-m godam nashego stoletiya.
Krupnejshih uspehov v etoj oblasti dobilas' firma Loose
Industries (SSHA). Eyu v dekabre 1989 goda vvedena v ekspluataciyu
solnechno-gazovaya stanciya moshchnost'yu 80 MVt.
Zdes' zhe, v Kalifornii, v 1994 godu vvedeno eshche 480 MVt
elektricheskoj moshchnosti, prichem, stoimost' 1 kVtch energii --
7...8 centov. |to nizhe, chem na tradicionnyh stanciyah. V nochnye
chasy i zimoj energiyu daet, v osnovnom, gaz, a letom v dnevnye
chasy -- solnce.
|lektrostanciya v Kalifornii prodemonstrirovala, chto gaz i
solnce, kak osnovnye istochniki energii blizhajshego budushchego,
sposobny effektivno dopolnyat' drug druga. Poetomu ne sluchaen
vyvod, chto v kachestve partnera solnechnoj energii dolzhny
vystupat' razlichnye vidy zhidkogo ili gazoobraznogo topliva.
Naibolee veroyatnoj "kandidaturoj" yavlyaetsya vodorod. Ego
poluchenie s ispol'zovaniem solnechnoj energii, naprimer, putem
elektroliza vody mozhet byt' dostatochno deshevym, a sam gaz,
obladayushchij vysokoj teplotvornoj sposobnost'yu, legko
transportirovat' i dlitel'no hranit'.
Otsyuda vyvod: naibolee ekonomichnaya vozmozhnost'
ispol'zovaniya solnechnoj energii, kotoraya prosmatrivaetsya
segodnya -- napravlyat' ee dlya polucheniya vtorichnyh vidov energii
v solnechnyh rajonah zemnogo shara. Poluchennoe zhidkoe ili
gazoobraznoe toplivo mozhno budet perekachivat' po truboprovodam
ili perevozit' tankerami v drugie rajony.
Bystroe razvitie gelioenergetiki stalo vozmozhnym blagodarya
snizheniyu stoimosti fotoelektricheskih preobrazovatelej v raschete
na 1 Vt ustanovlennoj moshchnosti s 1000 dollarov v 1970 godu do
3...5 dollarov v 1997 godu i povysheniyu ih KPD s 5 do 18%.
Umen'shenie stoimosti solnechnogo vatta do 50 centov pozvolit
gelioustanovkam konkurirovat' s drugimi avtonomnymi istochnikami
energii, naprimer, s dizel'elektrostanciyami.
4.3.1. GELIOUSTANOVKI NA SHIROTE 60o
Odnim iz liderov prakticheskogo ispol'zovaniya energii
Solnca stala SHvejcariya. Zdes' postroeno primerno 2600
gelioustanovok na kremnievyh fotopreobrazovatelyah moshchnost'yu ot
1 do 1000 kVt i solnechnyh kollektornyh ustrojstv dlya polucheniya
teplovoj energii. Programma, poluchivshaya naimenovanie "Solar-91"
i osushchestvlyaemaya pod lozungom "Za energonezavisimuyu
SHvejcariyu!", vnosit zametnyj vklad v reshenie ekologicheskih
problem i energeticheskuyu nezavisimost' strany importiruyushchej
segodnya bolee 70 procentov energii.
Programma "Solar-91" osushchestvlyaetsya prakticheski bez
podderzhki gosudarstvennogo byudzheta, v osnovnom, za schet
dobrovol'nyh usilij i sredstv otdel'nyh grazhdan,
predprinimatelej i municipalitetov. K 2000-mu godu ona
predusmatrivaet dovesti kolichestvo gelioustanovok do 3000.
Gelioustanovku na kremnievyh fotopreobrazovatelyah, chashche
vsego moshchnost'yu 2...3 kVt, montiruyut na kryshah i fasadah
zdanij. Ona zanimaet primerno 20...30 kvadratnyh metrov. Takaya
ustanovka vyrabatyvaet v god v srednem 2000 kVtch
elektroenergii, chto dostatochno dlya obespecheniya bytovyh nuzhd
srednego shvejcarskogo doma i zaryadki bortovyh akkumulyatorov
elektromobilya. Dnevnoj izbytok energii v letnyuyu poru napravlyayut
v elektricheskuyu set' obshchego pol'zovaniya. Zimoj zhe, osobenno v
nochnye chasy, energiya mozhet byt' besplatno vozvrashchena vladel'cu
gelioustanovki.
Krupnye firmy montiruyut na kryshah proizvodstvennyh
korpusov geliostancii moshchnost'yu do 300 kVt. Odna takaya stanciya
mozhet pokryt' potrebnosti predpriyatiya v energii na 50...70%.
V rajonah al'pijskogo vysokogor'ya, gde nerentabel'no
prokladyvat' linii elektroperedach, stroyatsya avtonomnye
gelioustanovki s akkumulyatorami.
Opyt ekspluatacii svidetel'stvuet, chto Solnce uzhe v
sostoyanii obespechit' energopotrebnosti, po men'shej mere, vseh
zhilyh zdanij v strane. Gelioustanovki, raspolagayas' na kryshah i
stenah zdanij, na shumozashchitnyh ograzhdeniyah avtodorog, na
transportnyh i promyshlennyh sooruzheniyah ne trebuyut dlya
razmeshcheniya dorogostoyashchej sel'skohozyajstvennoj ili gorodskoj
territorii.
Avtonomnaya solnechnaya ustanovka u poselka Grimzel' daet
elektroenergiyu dlya kruglosutochnogo osveshcheniya avtodorozhnogo
tonnelya. Vblizi goroda SHur solnechnye paneli, smontirovannye na
700-metrovom uchastke shumozashchitnogo ograzhdeniya, ezhegodno dayut
100 kVt elektroenergii. Solnechnye paneli moshchnost'yu 320 kVt,
ustanovlennye po zakazu firmy Biral na kryshe ee
proizvodstvennogo korpusa v Myunzingene, pochti polnost'yu
pokryvayut tehnologicheskie potrebnosti predpriyatiya v teple i
elektroenergii.
Sovremennaya koncepciya ispol'zovaniya solnechnoj energii
naibolee polno vyrazhena pri stroitel'stve korpusov zavoda
okonnogo stekla v Arisdorfe, gde solnechnym panelyam obshchej
moshchnost'yu 50 kVt eshche pri proektirovanii byla otvedena
dopolnitel'naya rol' elementov perekrytiya i oformleniya fasada.
KPD kremnievyh fotopreobrazovatelej pri sil'nom nagreve
zametno snizhaetsya i, poetomu, pod solnechnymi panelyami prolozheny
ventilyacionnye truboprovody dlya prokachki naruzhnogo vozduha.
Nagretyj vozduh rabotaet kak teplonositel' kollektornyh
ustrojstv. Temno-sinie, iskryashchiesya na solnce
fotopreobrazovateli na yuzhnom i zapadnom fasadah
administrativnogo korpusa, otdavaya v set' 9 kVt elektroenergii,
vypolnyayut rol' dekorativnoj oblicovki [13].
4.3.2. GELIOMOBILX SEGODNYA
Odin iz krupnyh razdelov programmy "Solar-91" -- razvitie
transportnyh sredstv ispol'zuyushchih solnechnuyu energiyu, tak kak
avtotransport "s®edaet" chetvert' energeticheskih resursov
neobhodimyh strane. Ezhegodno v SHvejcarii provoditsya
mezhdunarodnoe ralli solncemobilej "Tur de sol". Trassa ralli,
protyazhennost'yu 644 kilometra, prolozhena po dorogam
severo-zapadnoj SHvejcarii i Avstrii. Gonki sostoyat iz 6
odnodnevnyh etapov, dlina kazhdogo -- ot 80 do 150 kilometrov.
SHvejcarskie grazhdane vozlagayut bol'shie nadezhdy na
decentralizovannoe proizvodstvo elektricheskoj i teplovoj
energii sobstvennymi gelioustanovkami. |to otvechaet
nezavisimomu i samostoyatel'nomu shvejcarskomu harakteru, chuvstvu
civilizovannogo sobstvennika, ne zhaleyushchego sredstv radi chistoty
gornogo vozduha, vody i zemli. Nalichie personal'nyh
geliostancij stimuliruet razvitie v strane elektroniki i
elektrotehniki, priborostroeniya, tehnologii novyh materialov i
drugih naukoemkih otraslej.
V iyune 1985 goda Urs Muntvajler, 27-letnij inzhener iz
Berna, provel po dorogam Evropy pervoe mnogodnevnoe ralli
legkih elektromobilej, oborudovannyh fotopreobrazovatelyami i
ispol'zuyushchih dlya dvizheniya solnechnuyu energiyu. V nem uchastvovalo
neskol'ko shvejcarskih samodel'shchikov, vossedavshih v
"postavlennyh na kolesa yashchikah iz-pod myla" s prikruchennymi k
nim sverhu solnechnymi panelyami. Vo vsem mire togda edva li
mozhno bylo naschitat' s desyatok geliomobilej.
Proshlo chetyre goda. "Tur de sol" prevratilsya v
neoficial'nyj chempionat mira. V pyatom "solnechnom ralli",
sostoyavshemsya v 1989 godu, uchastvovalo svyshe 100 predstavitelej
iz FRG, Francii, Anglii, Avstrii, SSHA i drugih stran. Tem ne
menee, bol'she poloviny geliomobilej prinadlezhalo po-prezhnemu
shvejcarskim pervoprohodcam.
V techenie posleduyushchih pyati let poyavilos' ponyatie serijnyj
geliomobil'. Geliomobil' schitaetsya serijnym, esli
firma-izgotovitel' prodala ne menee 10-ti obrazcov i oni imeyut
sertifikat, razreshayushchij dvizhenie po dorogam obshchego pol'zovaniya.
4.3.3. PREOBRAZOVATELI SOLNECHNOJ |NERGII
Sushchestvuyut i drugie napravleniya v osvoenii solnechnoj
energii. |to, prezhde vsego, ispol'zovanie fotosinteziruyushchej
sposobnosti rastenij. Uzhe sozdany i uspeshno rabotayut, pravda
poka v laboratornyh usloviyah, fotobiohimicheskie sistemy, gde
energiya kvanta sveta ispol'zuetsya dlya perenosa elektronov. Oni
yavlyayutsya proobrazom effektivnyh preobrazovatelej budushchego,
ispol'zuyushchih principy estestvennogo fotosinteza.
Reshaya voprosy "ekonomichnosti" solnechnoj energetiki, nel'zya
vpadat' v rasprostranennoe zabluzhdeie: sravnivat'
dorogostoyashchuyu, no ochen' moloduyu tehnologiyu preobrazovaniya
energii Solnca v elektrichestvo s pomoshch'yu fotoelementov, s
deshevoj, no "gryaznoj" tehnologiej ispol'zovaniya nefti i gaza.
|konomichnost' etogo novogo vida energeticheskih resursov dolzhna
sravnivat'sya s temi vidami energii, kotorye budut v teh zhe
masshtabah ispol'zovat'sya v budushchem.
Raschety pokazyvayut, chto stoimost' shirokogo proizvodstva
sinteticheskogo zhidkogo topliva s pomoshch'yu solnechnoj energii
budet ravnyat'sya 60 dollaram za barrel' (barrel' [angl. barrel
bukv. bochka] -- mera ob®ema zhidkih i sypuchih veshchestv.
Anglijskij barel' raven 163,65 l; vinnyj barel' v SSHA -- 119,24
l; neftyanoj -- 19 l). Dlya sravneniya otmetim, chto segodnya
stoimost' barrelya nefti iz rajona Persidskogo zaliva sostavlyaet
35 dollarov.
Intensivnost' solnechnogo sveta na urovne morya sostavlyaet
1...3 kVt na kvadratnyj metr. KPD luchshih solnechnyh batarej
sostavlyaet 12...18 procentov. S uchetom KPD preobrazovanie
energii solnechnyh luchej s pomoshch'yu fotopreobrazovatelej
pozvolyaet poluchit' s odnogo kvadratnogo metra ne bolee 1/2 kVt
moshchnosti.
Opyt ispol'zovaniya solnechnoj energii v umerennyh shirotah
pokazyvaet, chto energiyu solnca vygodnee neposredstvenno
akkumulirovat' i ispol'zovat' v vide tepla. Razrabotany
proektnye predlozheniya dlya Alyaski i severa Kanady.
Prirodno-klimaticheskie usloviya etih regionov sopostavimy s
usloviyami srednej polosy nashej strany.
Sushchestvuet dva osnovnyh napravleniya v razvitii solnechnoj
energetiki: reshenie global'nogo voprosa snabzheniya energiej i
sozdanie solnechnyh preobrazovatelej, rasschitannyh na vypolnenie
konkretnyh lokal'nyh zadach. |ti preobrazovateli, v svoyu
ochered', takzhe delyatsya na dve gruppy; vysokotemperaturnye i
nizkotemperaturnye [10].
V preobrazovatelyah pervogo tipa solnechnye luchi
koncentriruyutsya na nebol'shom uchastke, temperatura kotorogo
podnimetsya do 3000oS. Takie ustanovki uzhe sushchestvuyut. Oni
ispol'zuyutsya, naprimer, dlya plavki metallov (sm. ris. p096).
Samaya mnogochislennaya chast' solnechnyh preobrazovatelej
rabotaet pri gorazdo men'shih temperaturah -- poryadka
100...200oS. S ih pomoshch'yu podogrevayut vodu, obessolivayut ee,
podnimayut iz kolodcev. V solnechnyh kuhnyah gotovyat pishchu.
Skoncentrirovannym solnechnym teplom sushat ovoshchi, frukty i dazhe
zamorazhivayut produkty. |nergiyu solnca mozhno akkumulirovat' dnem
dlya obogreva domov i teplic v nochnoe vremya.
Solnechnye ustanovki prakticheski ne trebuyut
ekspluatacionnyh rashodov, ne nuzhdayutsya v remonte i trebuyut
zatrat lish' na ih sooruzhenie i podderzhanie v chistote. Rabotat'
oni mogut beskonechno.
4.3.4. KONCENTRATORY SOLNECHNOGO SVETA
S detstva mnogie pomnyat chto s pomoshch'yu sobiratel'noj linzy
ot solnechnogo sveta mozhno zazhech' bumagu. V promyshlennyh
ustanovkah linzy ne ispol'zuyutsya: oni tyazhely, dorogi i trudny v
izgotovlenii.
Sfokusirovat' solnechnye luchi mozhno i s pomoshch'yu vognutogo
zerkala. Ono yavlyaetsya osnovnoj chast'yu geliokoncentratora,
pribora, v kotorom parallel'nye solnechnye luchi sobirayutsya s
pomoshch'yu vognutogo zerkala. Esli v fokus zerkala pomestit' trubu
s vodoj, to ona nagreetsya. Takov princip dejstviya solnechnyh
preobrazovatelej pryamogo dejstviya.
Naibolee effektivno ih mozhno ispol'zovat' v yuzhnyh shirotah,
no i v srednej polose oni nahodyat primenenie. Zerkala v
ustanovkah ispol'zuyutsya libo tradicionnye -- steklyannye, libo
iz polirovannogo alyuminiya.
Naibolee effektivnye koncentratory solnechnogo izlucheniya
(ris. p091) imeyut formu:
cilindricheskogo paraboloida (a);
paraboloida vrashcheniya (b);
plosko-linejnoj linzy Frenelya (v).
Firma Loose Industries na solnechno-gazovoj elektrostancii
v Kalifornii ispol'zuet sistemu parabolo-cilindricheskih dlinnyh
otrazhatelej v vide zheloba. V ego fokuse prohodit truba s
teplonositelem -- difenilom, nagrevaemym do 350oS. ZHelob
povorachivaetsya dlya slezheniya za solncem tol'ko vokrug odnoj osi
(a ne dvuh, kak ploskie geliostaty). |to pozvolilo uprostit'
sistemu slezheniya za solncem.
Solnechnaya energiya mozhet neposredstvenno preobrazovyvat'sya
v mehanicheskuyu. Dlya etogo ispol'zuetsya dvigatel' Stirlinga.
Esli v fokuse parabolicheskogo zerkala diametrom 1,5 m
ustanovit' dinamicheskij preobrazovatel', rabotayushchij po ciklu
Stirlinga, poluchaemoj moshchnosti (1 kVt) dostatochno, chtoby
podnimat' s glubiny 20 metrov 2 m3 vody v chas.
V real'nyh geliosistemah plosko-linejnaya linza Frenelya
ispol'zuetsya redko iz-za ee vysokoj stoimosti.
Vodonagrevatel'
Vodonagrevatel' prednaznachen dlya snabzheniya goryachej vodoj,
v osnovnom, individual'nyh hozyajstv. Ustrojstvo sostoit iz
koroba so zmeevikom, baka holodnoj vody, baka-akkumulyatora i
trub. Korob stacionarno ustanavlivaetsya pod uglom 30...50o s
orientaciej na yuzhnuyu storonu. Holodnaya, bolee tyazhelaya, voda
postoyanno postupaet v nizhnyuyu chast' koroba, tam ona nagrevaetsya
i, vytesnennaya holodnoj vodoj, postupaet v bak-akkumulyator. Ona
mozhet byt' ispol'zovana dlya otopleniya, dlya dusha libo dlya drugih
bytovyh nuzhd.
Dnevnaya proizvoditel'nost' na shirote 50o primerno ravna 2
kvtch s kvadratnogo metra. Temperatura vody v bake-akkumulyatore
dostigaet 60...70o. KPD ustanovki -- 40%.
Teplovye koncentratory
Kazhdyj, kto hot' raz byval v teplicah, znaet, kak rezko
otlichayutsya usloviya vnutri nee ot okruzhayushchih: Temperatura v nej
vyshe (mehanizm parnikovogo effekta sm. str. 6). Solnechnye luchi
pochti besprepyatstvenno prohodyat skvoz' prozrachnoe pokrytie i
nagrevayut pochvu, rasteniya, steny, konstrukciyu kryshi. V obratnom
napravlenii teplo rasseivaetsya malo iz-za povyshennoj
koncentracii uglekislogo gaza. Po shodnomu principu rabotayut i
teplovye koncentratory.
|to -- derevyannye, metallicheskie, ili plastikovye koroba,
s odnoj storony zakrytye odinarnym ili dvojnym steklom. Vnutr'
koroba dlya maksimal'nogo pogloshcheniya solnechnyh luchej vstavlyayut
volnistyj metallicheskij list, okrashennyj v chernyj cvet. V
korobe nagrevaetsya vozduh ili voda, kotorye periodicheski ili
postoyanno otbirayutsya ottuda s pomoshch'yu ventilyatora ili nasosa.
4.3.5. ZHILOJ DOM S SOLNECHNYM OTOPLENIEM
Srednee za god znachenie summarnoj solnechnoj radiacii na
shirote 55o, postupayushchej v sutki na 20 m2 gorizontal'noj
poverhnosti, sostavlyaet 50...60 kVtch. |to sootvetstvuet
zatratam energii na otoplenie doma ploshchad'yu 60 m2.
Dlya uslovij ekspluatacii sezonno obitaemogo zhilishcha srednej
polosy naibolee podhodyashchej yavlyaetsya vozdushnaya sistema
teplosnabzheniya. Vozduh nagrevaetsya v solnechnom kollektore i po
vozduhovodam podaetsya v pomeshchenie. Udobstva primeneniya
vozdushnogo teplonositelya po sravneniyu s zhidkostnym ochevidny:
net opasnosti, chto sistema zamerznet;
net neobhodimosti v trubah i kranah;
prostota i deshevizna.
Nedostatok -- nevysokaya teploemkost' vozduha.
Konstruktivno kollektor predstavlyaet soboj ryad
zasteklennyh vertikal'nyh korobov, vnutrennyaya poverhnost'
kotoryh zachernena matovoj kraskoj, ne dayushchej zapaha pri
nagreve. SHirina koroba okolo 60 sm.
V chasti raspolozheniya solnechnogo kollektora na dome
predpochtenie otdaetsya vertikal'nomu variantu. On mnogo proshche v
stroitel'stve i dal'nejshem obsluzhivanii. Po sravneniyu s
naklonnym kollektorom (naprimer, zanimayushchim chast' kryshi), ne
trebuetsya uplotneniya ot vody, otpadaet problema snegovoj
nagruzki, s vertikal'nyh stekol legko smyt' pyl'.
Ploskij kollektor, pomimo pryamoj solnechnoj radiacii,
vosprinimaet rasseyannuyu i otrazhennuyu radiaciyu: v pasmurnuyu
pogodu, pri legkoj oblachnosti, slovom, v teh usloviyah, kakie my
real'no imeem v srednej polose.
Ploskij kollektor ne sozdaet vysokopotencial'noj teploty,
kak koncentriruyushchij kollektor, no dlya konvekcionnogo otopleniya
etogo i ne trebuetsya, zdes' dostatochno imet' nizkopotencial'nuyu
teplotu. Solnechnyj kollektor raspolagaetsya na fasade,
orientirovannom na yug (dopustimo otklonenie do 30o na vostok
ili na zapad) [9].
Neravnomernost' solnechnoj radiacii v techenie dnya, a takzhe
zhelanie obogrevat' dom noch'yu i v pasmurnyj den' diktuet
neobhodimost' ustrojstva teplovogo akkumulyatora. Dnem on
nakaplivaet teplovuyu energiyu, a noch'yu otdaet. Dlya raboty s
vozdushnym kollektorom naibolee racional'nym schitaetsya
gravijno-galechnyj akkumulyator. On deshev, prost v stroitel'stve.
Gravijnuyu zasypku mozhno razmestit' v teploizolirovannoj
zaglublennoj cokol'noj chasti doma. Teplyj vozduh nagnetaetsya v
akkumulyator s pomoshch'yu ventilyatora.
Dlya doma, ploshchad'yu 60 m2, ob®em akkumulyatora sostavlyaet ot
3 do 6 m3. Razbros opredelyaetsya kachestvom ispolneniya elementov
geliosistemy, teploizolyaciej, a takzhe rezhimom solnechnoj
radiacii v konkretnoj mestnosti.
Sistema solnechnogo teplosnabzheniya doma rabotaet v chetyreh
rezhimah (ris. p095 a...g):
otoplenie i akkumulirovanie teplovoj energii (a);
otoplenie ot akkumulyatora (b);
akkumulirovanie teplovoj energii (v);
otoplenie ot kollektora (g).
V holodnye solnechnye dni nagretyj v kollektore vozduh
podnimaetsya i cherez otverstiya u potolka postupaet v pomeshcheniya.
Cirkulyaciya vozduha idet za schet estestvennoj konvekcii. V yasnye
teplye dni goryachij vozduh zabiraetsya iz verhnej zony kollektora
i s pomoshch'yu ventilyatora prokachivaetsya cherez gravij, zaryazhaya
teplovoj akkumulyator. Dlya nochnogo otopleniya i na sluchaj
pasmurnoj pogody vozduh iz pomeshcheniya progonyaetsya cherez
akkumulyator i vozvrashchaetsya v komnaty podogretyj.
V srednej polose geliosistema lish' chastichno obespechivaet
potrebnosti otopleniya. Opyt ekspluatacii pokazyvaet, chto
sezonnaya ekonomiya topliva za schet ispol'zovaniya solnechnoj
energii dostigaet 60%.
Pervoj lopastnoj mashinoj, ispol'zovavshej energiyu vetra,
byl parus. Parus i vetrodvigatel' krome odnogo istochnika
energii ob®edinyaet odin i tot zhe ispol'zuemyj princip.
Issledovaniya YU. S. Kryuchkova pokazali, chto parus mozhno
predstavit' v vide vetrodvigatelya s beskonechnym diametrom
kolesa. Parus yavlyaetsya naibolee sovershennoj lopastnoj mashinoj,
s naivysshim koefficientom poleznogo dejstviya, kotoraya
neposredstvenno ispol'zuet energiyu vetra dlya dvizheniya.
Vetroenergetika, ispol'zuyushchaya vetrokolesa i vetrokaruseli
(dvigateli karusel'nogo tipa sm. ris. p068), vozrozhdaetsya
sejchas, prezhde vsego, v nazemnyh ustanovkah. V SSHA uzhe
postroeny i ekspluatiruyutsya kommercheskie ustanovki. Proekty
napolovinu finansiruyutsya iz gosudarstvennogo byudzheta. Vtoruyu
polovinu investiruyut budushchie potrebiteli ekologicheski chistoj
energii.
Eshche v 1714 godu francuz Dyu Kvit predlozhil ispol'zovat'
vetrodvigatel' v kachestve dvizhitelya dlya peremeshcheniya po vode.
Pyatilopastnoe vetrokoleso, ustanovlennoe na trenoge,
dolzhno bylo privodit' v dvizhenie grebnye kolesa. Ideya tak i
ostalas' na bumage, hotya ponyatno, chto veter proizvol'nogo
napravleniya mozhet dvigat' sudno v lyubom napravlenii [14].
Pervye razrabotki teorii vetrodvigatelya otnosyatsya k 1918
g. V. Zalevskij zainteresovalsya vetryakami i aviaciej
odnovremenno. On nachal sozdavat' polnuyu teoriyu vetryanoj
mel'nicy i vyvel neskol'ko teoreticheskih polozhenij, kotorym
dolzhna otvechat' vetroustanovka.
V nachale HH veka interes k vozdushnym vintam i vetrokolesam
ne byl obosoblen ot obshchih tendencij vremeni -- ispol'zovat'
veter, gde eto tol'ko vozmozhno. Pervonachal'no naibol'shee
rasprostranenie vetroustanovki poluchili v sel'skom hozyajstve.
Vozdushnyj vint ispol'zovali dlya privoda sudovyh mehanizmov. Na
vsemirno izvestnom "Frame" ("Fram" [fr. frum vpered] --
issledovatel'skoe sudno F. Nansena, issledovatelya Arktiki) on
vrashchal dinamomashinu. Na parusnikah vetryaki privodili v dvizhenie
nasosy i yakornye mehanizmy.
V Rossii k nachalu nyneshnego veka vrashchalos' okolo 2500
tysyach vetryakov obshchej moshchnost'yu million kilovatt. Posle 1917
goda mel'nicy ostalis' bez hozyaev i postepenno razrushilis'.
Pravda, delalis' popytki ispol'zovat' energiyu vetra uzhe na
nauchnoj i gosudarstvennoj osnove. V 1931 godu vblizi YAlty byla
postroena krupnejshaya po tem vremenam vetroenergeticheskaya
ustanovka moshchnost'yu 100 kVt, a pozdnee razrabotan proekt
agregata na 5000 kVt. No realizovat' ego ne udalos', tak kak
Institut vetroenergetiki, zanimavshijsya etoj problemoj, byl
zakryt [14].
Slozhivshayasya situaciya otnyud' ne obuslovlivalas' mestnym
golovotyapstvom. Takova byla obshchemirovaya tendenciya. V SSHA k 1940
godu postroili vetroagregat moshchnost'yu v 1250 kVt. K koncu vojny
odna iz ego lopastej poluchila povrezhdenie. Ee dazhe ne stali
remontirovat' -- ekonomisty podschitali, chto vygodnej
ispol'zovat' obychnuyu dizel'nuyu elektrostanciyu. Dal'nejshie
issledovaniya etoj ustanovki prekratilis', a ee sozdatel' i
vladelec P. Putnem izlozhil svoj gorestnyj opyt v prekrasnoj
knige "|nergiya vetra", kotoraya ne poteryala do sih por svoej
aktual'nosti.
Neudavshiesya popytki ispol'zovat' energiyu vetra v
krupnomasshtabnoj energetike sorokovyh godov ne byli sluchajny.
Neft' ostavalas' sravnitel'no deshevoj, rezko snizilis' udel'nye
kapital'nye vlozheniya na krupnyh teplovyh elektrostanciyah,
osvoenie gidroenergii, kak togda kazalos', garantiruet i nizkie
ceny i udovletvoritel'nuyu ekologicheskuyu chistotu.
Sushchestvennym nedostatkom energii vetra yavlyaetsya ee
izmenchivost' vo vremeni, no ego mozhno skompensirovat' za schet
raspolozheniya vetroagregatov. Esli v usloviyah polnoj avtonomii
ob®edinit' neskol'ko desyatkov krupnyh vetroagregatov, to
srednyaya ih moshchnost' budet postoyannoj. Pri nalichii drugih
istochnikov energii vetrogenerator mozhet dopolnyat' sushchestvuyushchie.
I, nakonec, ot vetrodvigatelya mozhno neposredstvenno poluchat'
mehanicheskuyu energiyu.
Veter duet vezde -- na sushe i na more. CHelovek ne srazu
ponyal, chto peremeshchenie vozdushnyh mass svyazano s neravnomernym
izmeneniem temperatury i vrashcheniem zemli, no eto ne pomeshalo
nashim predkam ispol'zovat' veter dlya moreplavaniya.
Global'nye vetry
K global'nym vetram otnosyatsya passaty i zapadnyj veter.
Passaty obrazuyutsya v rezul'tate nagreva ekvatorial'noj
chasti zemli. Nagretyj vozduh podnimaetsya vverh, uvlekaya za
soboj vozdushnye massy s severa i yuga. Vrashchenie zemli otklonyaet
potoki vozduha. V rezul'tate ustanavlivayutsya duyushchie kruglyj god
s postoyannoj siloj severo-vostochnyj passat v severnom polusharii
i yugo-vostochnyj -- v yuzhnom. Passaty duyut v priekvatorial'noj
oblasti, zaklyuchennoj mezhdu 25 i 30o severnoj i yuzhnoj shirotami
sootvetstvenno. V severnom polusharii passaty ohvatyvayut 11%
poverhnosti okeanov, a v yuzhnoj -- 20%. Sila passatnogo vetra
obychno sostavlyaet 2...3 balla.
Zapadnyj veter duet kruglyj god s zapada na vostok v
polose ot 40 do 60o yuzhnoj shiroty vdol' kromki drejfuyushchih l'dov
Antarktidy. |to samyj sil'nyj postoyannyj veter. Ego sila
dostigaet 8...10 ballov i redko byvaet menee 5 ballov.
V glubine materika net postoyannogo napravleniya vetra. Tak
kak raznye uchastki sushi v raznoe vremya goda nagrevayutsya
po-raznomu mozhno govorit' tol'ko o preimushchestvennom sezonnom
napravlenii vetra. Krome togo, na raznoj vysote veter vedet
sebya po-raznomu, a dlya vysot do 50 metrov harakterny ryskayushchie
potoki.
Potencial atmosfery mozhno vychislit' znaya ee massu i
skorost' rasseyaniya energii. Dlya prizemnogo sloya tolshchinoj v 500
metrov energiya vetra, prevrashchayushchayasya v teplo, sostavlyaet
primerno 82 trilliona kilovatt-chasov v god. Konechno, vsyu ee
ispol'zovat' nevozmozhno, v chastnosti, po toj prichine, chto chasto
postavlennye vetryaki budut zatenyat' drug druga. V to zhe vremya
otobrannaya u vetra energiya, v konechnom schete, vnov' prevratitsya
v teplo.
Srednegodovye skorosti vozdushnyh potokov na stometrovoj
vysote prevyshayut 7 m/s. Esli vyjti na vysotu v 100 metrov,
ispol'zuya podhodyashchuyu estestvennuyu vozvyshennost', to vezde mozhno
stavit' effektivnyj vetroagregat.
Na ris. p085 pokazany oblasti energii srednegodovyh
potokov vetra Evropejskoj chasti stran SNG [15]. Esli vzyat'
tol'ko nizhnij 100-metrovyj sloj i postavit' ustanovku na 100
kvadratnyh kilometrov, to pri ustanovlennoj moshchnosti okolo dvuh
milliardov kilovatt mozhno vyrabotat' za god 5 trillionov
kilovatt-chasov, chto v 2 raza bol'she gidroenergeticheskogo
potenciala stran SNG.
Mestnye vetry
Pervymi dlya plavaniya ispol'zovalis' mestnye vetry. K nim
otnosyatsya brizy (briz [fr. brise] -- svezhij veter). Brizy --
eto legkie vetry, okajmlyayushchie berega materikov i bol'shih
ostrovov, vyzyvaemye sutochnym kolebaniem temperatury. Ih
periodichnost' obuslovlena razlichiem temperatury sushi i morya
dnem i noch'yu. Dnem susha nagrevaetsya bystree i sil'nee, chem
more.
Teplyj vozduh podnimaetsya nad beregovoj polosoj, a na ego
mesto ustremlyaetsya prohladnyj vozduh s morya -- morskoj briz.
Noch'yu bereg ohlazhdaetsya bystree i sil'nee, chem more, poetomu
teplyj vozduh podnimaetsya nad morem, a ego zameshchaet holodnyj
vozduh s sushi -- beregovoj briz.
Vtorymi, postoyanno duyushchimi vetrami, yavlyayutsya mussony
(musson [arabsk. mavsim] -- vremya goda). |ti vetry duyut v
Indijskom okeane i svyazany s sezonnym izmeneniem temperatury
materika i okeana. Letom solnechnye luchi sil'nee nagrevayut sushu
i veter duet s morya na sushu. Zimoj musson duet s sushi na more.
Vrashchenie zemli vyzyvaet poyavlenie sil Koriolisa, kotorye
otklonyayut mussony vpravo. Poetomu letom duyut yugo-zapadnye
mussony, a zimoj -- severovostochnye. Mussony dostigayut bol'shoj
sily i vyzyvayut v Indijskom okeane sootvetstvuyushchie mestnym
vetram poverhnostnye techeniya.
4.4.2. UPRYAZHX DLYA VETRA
Princip dejstviya vseh vetrodvigatelej odin: pod naporom
vetra vrashchaetsya vetrokoleso s lopastyami, peredavaya krutyashchij
moment cherez sistemu peredach valu generatora, vyrabatyvayushchego
elektroenergiyu, vodyanomu nasosu. CHem bol'she diametr
vetrokolesa, tem bol'shij vozdushnyj potok ono zahvatyvaet i tem
bol'she energii vyrabatyvaet agregat.
Principial'naya prostota daet zdes' isklyuchitel'nyj prostor
dlya konstruktorskogo tvorchestva, no tol'ko neopytnomu vzglyadu
vetroagregat predstavlyaetsya prostoj konstrukciej.
Tradicionnaya komponovka vetryakov -- s gorizontal'noj os'yu
vrashcheniya (ris. p084) -- neplohoe reshenie dlya agregatov malyh
razmerov i moshchnostej. Kogda zhe razmahi lopastej vyrosli, takaya
komponovka okazalas' neeffektivnoj, tak kak na raznoj vysote
veter duet v raznye storony. V etom sluchae ne tol'ko ne udaetsya
optimal'no orientirovat' agregat po vetru, no i voznikaet
opasnost' razrusheniya lopastej.
Krome togo, koncy lopastej krupnoj ustanovki dvigayas' s
bol'shoj skorost'yu sozdayut shum. Odnako glavnoe prepyatstvie na
puti ispol'zovanii energii vetra vse zhe ekonomicheskaya --
moshchnost' agregata ostaetsya nebol'shoj i dolya zatrat na ego
ekspluataciyu okazyvaetsya znachitel'noj. V itoge sebestoimost'
energii ne pozvolyaet vetryakam s gorizontal'noj os'yu okazyvat'
real'nuyu konkurenciyu tradicionnym istochnikam energii.
Po prognozam firmy Boing (SSHA) na tekushchee stoletie --
dlina lopastej kryl'chatyh vetrodvigatelej ne prevysit 60
metrov, chto pozvolit sozdat' vetroagregaty tradicionnoj
komponovki moshchnost'yu 7 MVt. Segodnya samye krupnye iz nih --
vdvoe "slabee". V bol'shoj vetroenergetike tol'ko pri massovom
stroitel'stve mozhno rasschityvat' na to, chto cena kilovatt-chasa
snizitsya do desyati centov.
Malomoshchnye agregaty mogut vyrabatyvat' energiyu primerno
vtroe bolee doroguyu. Dlya sravneniya otmetim, chto serijno
vypuskavshijsya v 1991 godu NPO "Vetroen" kryl'chatyj
vetrodvigatel', imel razmah lopastej 6 metrov i moshchnost' 4 kVt.
Ego kilovatt-chas obhodilsya v 8...10 kopeek.
Tipy vetrodvigatelej
Bol'shinstvo tipov vetrodvigatelej izvestny tak davno, chto
istoriya umalchivaet imena ih izobretatelej. Osnovnye
raznovidnosti vetroagregatov izobrazheny na ris. p066. Oni
delyatsya na dve gruppy:
vetrodvigateli s gorizontal'noj os'yu vrashcheniya (kryl'chatye)
(2...5);
vetrodvigateli s vertikal'noj os'yu vrashcheniya (karusel'nye:
lopastnye (1) i ortogonal'nye (6)).
Tipy kryl'chatyh vetrodvigatelej otlichayutsya tol'ko
kolichestvom lopastej.
Kryl'chatye
Dlya kryl'chatyh vetrodvigatelej, naibol'shaya effektivnost'
kotoryh dostigaetsya pri dejstvii potoka vozduha perpendikulyarno
k ploskosti vrashcheniya lopastej-kryl'ev, trebuetsya ustrojstvo
avtomaticheskogo povorota osi vrashcheniya. S etoj cel'yu primenyayut
krylo-stabilizator. Karusel'nye vetrodvigateli obladayut tem
preimushchestvom, chto mogut rabotat' pri lyubom napravlenii vetra
ne izmenyaya svoego polozheniya.
Koefficient ispol'zovaniya energii vetra (sm. ris. p067) u
kryl'chatyh vetrodvigatelej namnogo vyshe chem u karusel'nyh [14].
V to zhe vremya, u karusel'nyh -- namnogo bol'she moment vrashcheniya.
On maksimalen dlya karusel'nyh lopastnyh agregatov pri nulevoj
otnositel'noj skorosti vetra.
Rasprostranenie kryl'chatyh vetroagregatov ob®yasnyaetsya
velichinoj skorosti ih vrashcheniya. Oni mogut neposredstvenno
soedinyat'sya s generatorom elektricheskogo toka bez
mul'tiplikatora. Skorost' vrashcheniya kryl'chatyh vetrodvigatelej
obratno proporcional'na kolichestvu kryl'ev, poetomu agregaty s
kolichestvom lopastej bol'she treh prakticheski ne ispol'zuyutsya.
Karusel'nye
Razlichie v aerodinamike daet karusel'nym ustanovkam
preimushchestvo v sravnenii s tradicionnymi vetryakami. Pri
uvelichenii skorosti vetra oni bystro narashchivayut silu tyagi,
posle chego skorost' vrashcheniya stabiliziruetsya. Karusel'nye
vetrodvigateli tihohodny i eto pozvolyaet ispol'zovat' prostye
elektricheskie shemy, naprimer, s asinhronnym generatorom, bez
riska poterpet' avariyu pri sluchajnom poryve vetra. Tihohodnost'
vydvigaet odno ogranichivayushchee trebovanie -- ispol'zovanie
mnogopolyusnogo generatora rabotayushchego na malyh oborotah. Takie
generatory ne imeyut shirokogo rasprostraneniya, a ispol'zovanie
mul'tiplikatorov (mul'tiplikator [lat. multiplicator
umnozhayushchij] -- povyshayushchij reduktor) ne effektivno iz-za nizkogo
KPD poslednih.
Eshche bolee vazhnym preimushchestvom karusel'noj konstrukcii
stala ee sposobnost' bez dopolnitel'nyh uhishchrenij sledit' za
tem "otkuda duet veter", chto ves'ma sushchestvenno dlya prizemnyh
ryskayushchih potokov. Vetrodvigateli podobnogo tipa stroyatsya v
SSHA, YAponii, Anglii, FRG, Kanade.
Karusel'nyj lopastnyj vetrodvigatel' naibolee prost v
ekspluatacii. Ego konstrukciya obespechivaet maksimal'nyj moment
pri zapuske vetrodvigatelya i avtomaticheskoe samoregulirovanie
maksimal'noj skorosti vrashcheniya v processe raboty. S uvelicheniem
nagruzki umen'shaetsya skorost' vrashcheniya i vozrastaet vrashchayushchij
moment vplot' do polnoj ostanovki.
Ortogonal'nye
Ortogonal'nye vetroagregaty, kak polagayut specialisty,
perspektivny dlya bol'shoj energetiki. Segodnya pered
vetropoklonnikami ortogonal'nyh konstrukcij stoyat opredelennye
trudnosti. Sredi nih, v chastnosti, problema zapuska.
V ortogonal'nyh ustanovkah ispol'zuetsya tot zhe profil'
kryla, chto i v dozvukovom samolete (sm. ris. p066 (6)).
Samolet, prezhde chem "operet'sya" na pod®emnuyu silu kryla, dolzhen
razbezhat'sya. Tak zhe obstoit delo i v sluchae s ortogonal'noj
ustanovkoj. Snachala k nej nuzhno podvesti energiyu -- raskrutit'
i dovesti do opredelennyh aerodinamicheskih parametrov, a uzhe
potom ona sama perejdet iz rezhima dvigatelya v rezhim generatora.
Otbor moshchnosti nachinaetsya pri skorosti vetra okolo 5 m/s,
a nominal'naya moshchnost' dostigaetsya pri skorosti 14...16 m/s.
Predvaritel'nye raschety vetroustanovok predusmatrivayut ih
ispol'zovanie v diapazone ot 50 do 20 000 kVt. V realistichnoj
ustanovke moshchnost'yu 2000 kVt diametr kol'ca, po kotoromu
dvizhutsya kryl'ya, sostavit okolo 80 metrov.
U moshchnogo vetrodvigatelya bol'shie razmery. Odnako mozhno
obojtis' i malymi -- vzyat' chislom, a ne razmerom. Snabdiv
kazhdyj elektrogenerator otdel'nym preobrazovatelem (sm. gl.
3.5) mozhno prosummirovat' vyhodnuyu moshchnost' vyrabatyvaemuyu
generatorami. V etom sluchae povyshaetsya nadezhnost' i zhivuchest'
vetroustanovki.
Neozhidannye proyavleniya i primeneniya
Real'no rabotayushchie vetroagregaty obnaruzhili ryad
otricatel'nyh yavlenij. Naprimer, rasprostranenie
vetrogeneratorov mozhet zatrudnit' priem teleperedach i sozdavat'
moshchnye zvukovye kolebaniya.
Poyavlenie eksperimental'nogo vetrodvigatelya na Orknejskih
ostrovah (Angliya) v 1986 godu vyzvalo mnogochislennye zhaloby ot
telezritelej blizhajshih naselennyh punktov [16]. V itoge okolo
vetrostancii byl postroen televizionnyj retranslyator.
Lopasti kryl'chatoj vetryanoj turbiny byli vypolneny iz
stekloplastika, kotoryj ne otrazhaet i ne pogloshchaet radiovolny.
Pomehi sozdaval stal'noj karkas lopastej i imeyushchiesya na nih
metallicheskie poloski, prednaznachennye dlya otvoda udarov
molnij. Oni otrazhali i rasseivali ul'trakorotkovolnovyj signal.
Otrazhennyj signal smeshivalsya s pryamym, idushchim ot peredatchika, i
sozdaval na ekranah pomehi.
Postroennaya v 1980 godu v gorodke Bun (SSHA)
vetroelektrostanciya, dayushchaya 2 tysyachi kilovatt, dejstvovala
bezotkazno, no vyzyvala narekaniya zhitelej gorodka. Vo vremya
raboty vetryaka v oknah drebezzhali stekla i zvenela posuda na
polkah [17]. Bylo ustanovleno, chto shestidesyatimetrovyj vint pri
opredelennoj skorosti vrashcheniya izdaval infrazvuk. On ne
oshchushchaetsya chelovecheskim uhom, no vyzyvaet nizkochastotnye
kolebaniya predmetov i nebezopasen dlya cheloveka. Posle dorabotki
lopastej ot infrazvukovyh kolebanij udalos' izbavit'sya.
Vetrodvigateli mogut ne tol'ko vyrabatyvat' energiyu.
Sposobnost' privlekat' vnimanie vrashcheniem bez rashodovaniya
energii ispol'zuetsya dlya reklamy. Naibolee prostoj --
odnolopastnyj karusel'nyj vetrodvigatel' predstavlyaet soboj
pryamougol'nuyu plastinku s otognutymi krayami (ris. p092).
Zakreplennyj na stene on nachinaet vrashchat'sya dazhe pri
neznachitel'nom vetre.
Na bol'shoj ploshchadi kryl'ev karusel'nyj treh-chetyreh
lopastnyj vetrodvigatel' mozhet vrashchat' reklamnye plakaty i
nebol'shoj generator. Zapasennaya v akkumulyatore elektroenergiya
mozhet osveshchat' kryl'ya s reklamoj v nochnoe vremya, a v
bezvetrennuyu pogodu i vrashchat' ih.
1. Nauka i zhizn', No1, 1991 g.
M.: Pravda.
2. Tehnika molodezhi, No5, 1990 g.
3. Feliks R. Paturi
Zodchie HHI veka
M.: PROGRESS, 1979. 345 s.
4. Nauka i zhizn', No10, 1986 g.
M.: Pravda.
5. Bagockij V.S., Skundin A.M.
Himicheskie istochniki toka
M.: |nergoizdat, 1981. 360 s.
6. Korovin N.V.
Novye himicheskie istochniki toka
M.: |nergiya, 1978. 194 s.
7. D-r Ditrih Berndt
Konstruktorskij uroven' i tehnicheskie granicy primeneniya
germetichnyh batarej
A/O VARTA Betteri Nauchno-issledovatel'skij centr
8. Lavrus V.S.
Batarejki i akkumulyatory
K.: Nauka i tehnika, 1995. 48 s.
9. Nauka i zhizn', No5...7, 1981 g.
M.: Pravda.
10. Murygin I.V.
|lektrodnye processy v tverdyh elektrolitah
M.: Nauka, 1991. 351 s.
11. The Power Protection Handbook
American Power Conversion
12. SHul'c YU.
|lektroizmeritel'naya tehnika 1000 ponyatij dlya praktikov
M.: |nergoizdat, 1989. 288 s.
13. Nauka i zhizn', No11, 1991 g.
M.: Pravda.
14. YU. S. Kryuchkov, I. E. Perestyuk
Kryl'ya Okeana
L.: Sudostroenie, 1983. 256 s.
15. V. Bryuhan'.
Vetroenergeticheskij potencial svobodnoj atmosfery nad SSSR
Metrologiya i gidrologiya. No6, 1989 g.
16. New scientist No1536, 1986 g.
17. Daily Telegraf, 25.09.1986 g.
Page 56
Page 7
Printed 12/14/97, 6:53 PM Page 1
Last-modified: Mon, 27 Jul 1998 11:19:27 GMT