Энергию какого вида может запасать емкость

Энергию какого вида может запасать емкость?

Все вокруг нас, начиная от маленьких предметов, заканчивая огромными механизмами, содержит энергию. Однако, иногда нам необходимо сохранить эту энергию и использовать ее в более удобном для нас времени или месте. Для этого существуют различные емкости, которые способны сохранять различные виды энергии.

Одной из наиболее распространенных емкостей для сохранения энергии являются аккумуляторы. Аккумуляторы представляют собой электрохимические ячейки, способные сохранять электрическую энергию. Они состоят из двух электродов и электролита. Аккумуляторы используются в повседневной жизни, например, для питания мобильных устройств или электромобилей.

Еще одним примером емкости для сохранения энергии являются емкости для хранения газа. Такие емкости используются для сохранения газообразного топлива, например, в автомобилях на сжиженном природном газе или воздушного газа в промышленных системах. Газовые емкости способны сохранять большое количество энергии и обеспечивать устойчивую работу различных устройств.

Энергию можно также сохранить в физических емкостях, таких как упругие пружины или гравитационные системы.

Упругие пружины являются примером механической емкости, способной сохранять потенциальную энергию деформации. Примерами использования упругих пружин могут служить часы, игрушки или противовесы для регулировки весов. Гравитационные системы, например, подъемные краны или сточные системы, позволяют сохранять потенциальную энергию высоты и использовать ее при необходимости.

Как сохранить энергию в различных емкостях?

Сохранение энергии является одной из важных задач в современном мире. Одним из способов сохранения энергии является использование различных емкостей, которые позволяют хранить энергию и использовать ее по мере необходимости. В данной статье рассмотрим несколько типов емкостей, в которых можно сохранить энергию.

1. Аккумуляторы

Аккумуляторы являются одним из наиболее распространенных способов сохранения энергии. Они используются в различных устройствах, таких как мобильные телефоны, ноутбуки, автомобильные батареи и другие. Аккумуляторы состоят из двух электродов — положительного и отрицательного, между которыми происходят химические реакции, позволяющие накапливать и выделять энергию.

2. Конденсаторы

Конденсаторы также используются для хранения энергии. Они состоят из двух металлических пластин, разделенных диэлектриком. Когда на конденсатор подается электрическое напряжение, заряд накапливается на пластинах. Когда заряд снимается, конденсатор выделяет накопленную энергию. Конденсаторы широко применяются в электротехнике, например, в блоках питания, настройке и поддержке напряжения, компенсации пускового тока и т.д.

3. Сверхпроводники

Сверхпроводники являются особенным видом емкостей, которые способны сохранять энергию без потерь. Они обладают свойством нулевого сопротивления при определенной температуре, что позволяет сохранять энергию в виде тока в течение продолжительного времени. Сверхпроводники используются в квантовых компьютерах, магнитных энергоёмких носителях и других сферах, где требуется высокая энергоэффективность.

4. Гравитационные емкости

В некоторых случаях, для хранения энергии используют гравитационные емкости, которые включают в себя подъемные грузы или системы водного хранения. Принцип работы основан на накоплении потенциальной энергии при подъеме груза или на накоплении энергии при заполнении резервуаров водой. Эта энергия может быть использована для генерации электричества через специально разработанные механизмы и генераторы.

5. Теплоаккумуляторы

Теплоаккумуляторы представляют собой системы, которые способны сохранять тепловую энергию. Они состоят из материалов с высокой теплоемкостью, которые могут поглощать и выделять тепло в зависимости от потребности. Теплоаккумуляторы применяются в системах отопления, солнечных коллекторах и других устройствах, где необходимо сохранять тепло для последующего использования.

Заключение

Существуют различные типы емкостей, которые позволяют сохранять энергию и использовать ее по мере необходимости. Аккумуляторы, конденсаторы, сверхпроводники, гравитационные емкости и теплоаккумуляторы — все они играют важную роль в энергетике и позволяют нам использовать энергию более эффективно.

Батареи и аккумуляторы

Батареи и аккумуляторы представляют собой устройства, способные сохранять энергию и предоставлять ее в нужный момент. Они широко используются в различных сферах нашей жизни, от бытовой техники до автомобилей и мобильных устройств.

Батареи состоят из нескольких элементов, таких как электролит, анод и катод. Электролит служит средой для передачи ионов, а анод и катод являются электродами, через которые происходит химическая реакция. Подобная реакция превращает химическую энергию в электрическую и позволяет батарее аккумулировать энергию.

Аккумуляторы, в отличие от батарей, обладают возможностью перезаряжаться. Они имеют реактивные электроды, позволяющие осуществлять обратную реакцию и восстанавливать заряд. Таким образом, аккумуляторы можно использовать многократно, заполняя их электрической энергией снова и снова.

Существует несколько типов батарей и аккумуляторов:

• Солевые батареи: самые простые и дешевые типы батарей, которые используются, например, в пультов управления или наручных часах. Они содержат химические реакции на основе солей.
• Литий-ионные аккумуляторы: широко используются в мобильных устройствах, таких как смартфоны или ноутбуки. Они обладают высокой энергоемкостью и небольшими размерами.
• Свинцово-кислотные аккумуляторы: часто используются в автомобильной промышленности. Они обладают большой емкостью и способны выдавать высокий ток.

Важно правильно обращаться с батареями и аккумуляторами, чтобы избежать их повреждения и продлить их срок службы. Например, нельзя разряжать аккумуляторы до нуля или хранить их в сильно нагретом состоянии.

Батареи и аккумуляторы – незаменимые источники энергии для многих устройств и систем. Их правильное использование и обслуживание позволяют нам сохранить энергию и использовать ее в нужные моменты.

Емкости для сжатого воздуха

Емкости для сжатого воздуха являются одним из наиболее распространенных способов хранения энергии. Они могут быть использованы в различных отраслях промышленности, включая энергетику, автомобильное производство и строительство.

Основным преимуществом использования емкостей для сжатого воздуха является их способность хранить и освобождать энергию в любое время. Когда воздух сжимается в емкости, потенциальная энергия увеличивается. При необходимости эта энергия может быть освобождена и использована для приведения в действие различных механизмов и устройств.

Плюсом использования емкостей для сжатого воздуха является экологическая чистота этого способа хранения энергии. Воздух является экологически безопасным и не загрязняет окружающую среду, в отличие от некоторых других источников энергии.

Емкости для сжатого воздуха могут быть разных размеров и конструкций. Они могут быть маленькими и портативными, что позволяет использовать их в автомобилях для хранения энергии, например, для привода двигателя. Также существуют более крупные емкости, которые могут использоваться для промышленных нужд, таких как энергетические системы, производство и т.д.

Однако, помимо преимуществ, у емкостей для сжатого воздуха есть и некоторые ограничения. Например, процесс сжатия и расширения воздуха не всегда эффективен, и часть энергии может быть потеряна в виде тепла. Также, емкости для сжатого воздуха имеют ограниченный срок службы и требуют регулярного обслуживания.

В целом, использование емкостей для сжатого воздуха является эффективным и удобным способом хранения энергии. Они широко применяются в различных отраслях и продолжают развиваться и совершенствоваться.

Конденсаторы

Конденсатор – это электрическая емкость, способная накапливать и хранить энергию в форме электрического поля.

Конденсатор состоит из двух проводящих пластин, разделенных диэлектриком. Когда на пластины конденсатора подается электрический заряд, возникает электрическое поле, которое хранит энергию. Эта энергия может быть использована позже для питания электрических устройств.

Конденсаторы могут иметь различные характеристики, такие как емкость, рабочее напряжение и температурный диапазон. Емкость измеряется в фарадах (Ф) и указывает на количество электрического заряда, которое может хранить конденсатор. Рабочее напряжение – это максимальное напряжение, которое может быть применено к конденсатору без его повреждения. Температурный диапазон указывает на то, в каком диапазоне температур может надежно работать конденсатор.

Одной из основных особенностей конденсаторов является их способность сохранять энергию. Конденсаторы активно используются во многих сферах, включая электронику, электроэнергетику, медицину и автомобильную промышленность.

Конденсаторы можно подразделить на несколько типов:

• Фольговые конденсаторы – обычно используются в электронных устройствах, имеют качественные электрические параметры;
• Электролитические конденсаторы – имеют большую емкость и используются для питания электроустановок;
• Керамические конденсаторы – компактные и имеют хорошую рабочую частоту;
• Полипропиленовые конденсаторы – устойчивы к высоким температурам и электрическим полям;
• Плёночные конденсаторы – используются в электронной аппаратуре и имеют хорошую рабочую температуру.

Конденсаторы используются для хранения энергии, коммутации электрических сигналов, фильтрации переменного тока и многих других задач. Они являются важными компонентами в электронике и способны значительно улучшить работу различных электрических систем и устройств.

Теплоаккумуляторы

Теплоаккумуляторы – это устройства, предназначенные для сохранения и накопления тепловой энергии. Они широко применяются в системах отопления и горячего водоснабжения для обеспечения постоянного и равномерного тепла в помещении.

Основным принципом работы теплоаккумуляторов является сбор и накопление избыточного тепла в специальной емкости. Затем это накопленное тепло используется в тех моментах, когда источник тепла (например, котел) не функционирует или функционирует в недостаточном режиме.

Теплоаккумуляторы выгодно отличаются от других способов накопления энергии тем, что тепло, которое они накапливают, может быть использовано сразу после накопления без дополнительных преобразований. Более того, теплоаккумуляторы позволяют снизить затраты на отопление, так как они используют низкотарифное электричество или дешевые топливные ресурсы для нагрева.

Существуют различные типы теплоаккумуляторов, включая:

• Сухие теплоаккумуляторы – это емкости, заполненные утеплителем, который быстро нагревается и медленно остывает. Примерами таких устройств являются кирпичные или бетонные конструкции.
• Водяные теплоаккумуляторы – это емкости, заполненные водой или теплоносителем. Вода быстро нагревается и остывает, обеспечивая постоянное отопление в помещении. Такие теплоаккумуляторы могут представлять собой большие баки или емкости, установленные в подвале или специально отведенном месте.
• Теплоаккумуляторы на основе фазового перехода – это специальные материалы, которые обладают способностью накапливать тепло при переходе из одной фазы в другую. Например, парафиновые капсулы, которые при нагревании плавятся и выделяют тепло, а при остывании затвердевают и снова готовы к накоплению энергии.

Теплоаккумуляторы играют важную роль в обеспечении энергоэффективности систем отопления и горячего водоснабжения. Они позволяют сохранять и использовать тепло, что помогает снизить затраты на энергию и создает комфортные условия проживания в зданиях.

Электрохимические емкости

Электрохимические емкости – это устройства, способные сохранять электрическую энергию, преобразуя ее в химическую форму и обратно. Такие емкости активно применяются в различных областях, включая электроэнергетику, автомобилестроение, электронику и даже медицину.

Одним из самых распространенных типов электрохимических емкостей является аккумулятор, или перезаряжаемый элемент. Аккумулятор состоит из двух электродов – положительного и отрицательного, а также электролита, разделяющего электроды, и межплатформенного раствора, обеспечивающего движение ионов внутри аккумулятора.

В процессе зарядки аккумулятора происходит химическая реакция, в результате которой восстанавливается его потенциал. При разрядке аккумулятора электроны начинают двигаться от отрицательного электрода к положительному через внешнюю цепь, создавая электрическую энергию. Когда аккумулятор полностью разряжен, его можно снова зарядить.

Одним из наиболее известных типов аккумуляторных батарей являются литий-ионные аккумуляторы, которые широко применяются в портативных устройствах, таких как смартфоны, ноутбуки, планшеты и электронные книги. Литий-ионные аккумуляторы обладают высокой энергетической плотностью, малым весом и отсутствием эффекта памяти, что делает их очень популярными на современном рынке.

Кроме аккумуляторов, электрохимические емкости также включают в себя топливные элементы. Топливные элементы работают на основе электрохимической реакции между водородом и кислородом, которая происходит внутри них. В процессе реакции производится электричество и образуется вода.

Топливные элементы обладают высокой энергетической эффективностью и позволяют получать электричество непрерывно в течение длительного времени. Они находят применение в сфере энергетики, особенно в солнечных и ветровых системах, где они могут использоваться для хранения энергии и обеспечения дополнительного источника питания.

В заключение, электрохимические емкости представляют собой важный способ сохранения энергии. Они широко применяются в различных областях и обладают рядом преимуществ, таких как перезаряжаемость, высокая энергетическая эффективность и невысокие затраты на обслуживание. В будущем развитие и усовершенствование электрохимических емкостей может значительно повысить эффективность использования энергоресурсов.

Вопрос-ответ

Какую энергию можно сохранить в различных емкостях?

В различных емкостях можно сохранить различные виды энергии, например, механическую, химическую, электрическую и тепловую.

Что такое механическая энергия и как ее можно сохранить в емкости?

Механическая энергия – это энергия движения и/или положения тела. Ее можно сохранить в емкостях, например, в маятниках, пружинах или упругих шариках.

Какую энергию можно сохранить в аккумуляторах?

Аккумуляторы предназначены для хранения электрической энергии. В них происходит химическая реакция, которая преобразует электрическую энергию в химическую и обратно.

В какой форме сохраняется энергия в батарейках?

В батарейках энергия хранится в химической форме. Химические реакции, происходящие внутри батарейки, позволяют преобразовывать химическую энергию в электрическую.

Какую энергию можно сохранить в теплоизоляционных контейнерах?

Теплоизоляционные контейнеры предназначены для сохранения тепловой энергии. Они обеспечивают минимальные потери тепла, позволяя сохранить его в контейнере на протяжении длительного времени.

Какую энергию можно сохранить в гравитационных системах?

В гравитационных системах можно сохранить потенциальную энергию, связанную с положением объектов относительно земли. Например, поднятые вверх грузы обладают потенциальной энергией, которая может быть преобразована в другие виды энергии при их опускании.

Индуктивности и емкости

Итак, для начала немного о конденсаторах. Самый простой из них-две металлические пластины, расположенныена некотором расстоянии друг от друга (рис. 1). Если к такому элементу подсоединить батарейку, то он через некотороевремя зарядится до того же напряжения, что и батарейка.При этом на пластинах конденсатора будут сосредоточеныэлектрические заряды разного знака (рис. 1). Чем большеенапряжение будет приложено между обкладками, тем больше будет величина электрического заряда пластин. Посколькумежду пластинами находится воздух, а на практике чаще всего какой-либо диэлектрик (непроводящий материал), постоянный ток в цепи на рис. 1 протекать не может. В качестведиэлектрика обычно используются такие материалы, как бумага, слюда, керамика, различные органические пленки и некоторые другие. От типа диэлектрика зависят свойства конденсаторов (в первую очередь частотные), о чем мы дополнительно поговорим в рекомендациях по их выбору. Конечно, на практике через заряженный конденсатор все-таки протекает небольшой ток утечки, вызванный неидеальностью диэлектрика.

Собственно электроемкость есть физическая величина, характеризующая способность конденсатора накапливать (запасать) электрическую энергию. Сухим физико-математическим языком многих учебников говорится, что электроемкость С=q/Uc — это коэффициент пропорциональности между зарядом конденсатора q и напряжением на нем Uc=E, где Е- напряжение источника. Это утверждение, как и многие аналогичные, строго с математической точки зрения, однако, к сожалению, не отражает физической природы явления.

Емкость, как известно, измеряется в долях фарада (единица названа в честь выдающегося физика Майкла Фарадея). При емкости конденсатора в один фарад, электрический заряд на любой из его пластин составил бы один кулон, при напряжении между обкладками в один вольт. На практике емкости, как правило, измеряют в микрофарадах, нанофарадах и пикофарадах.

Емкость конденсатора зависит от формы и геометрических размеров пластин, а также расстояния между ними и параметров диэлектрика. Так, емкость плоского конденсатора, изображенного на рис. 1, определяется как С=ε₀εS/d, где ε₀ — электрическая постоянная, равная 8,85·1О 12 Кл 2 /(Нм 2 ); ε-диэлектрическая проницаемость диэлектрика; d ~ расстояние между обкладками; S — площадь обкладок. Физический смысл этой формулы вполне очевиден — чем больше площадь пластин и чем ближе друг к другу они расположены, тем больше емкость конденсатора. Отсюда можно сделать важный вывод — при параллельном соединении конденсаторов их емкости складываются, поскольку общая площадь пластин при этом увеличивается. А емкость последовательно соединенных конденсаторов определяется также как сопротивление параллельно включенных резисторов, т.е. итоговая емкость окажется меньше, нежели емкости каждого из последовательно включенных конденсаторов. При этом напряжение распределяется между конденсаторами пропорционально их емкости.

В заряженном конденсаторе запасена электрическая энергия W_эл = CU 2 _c/2. Однако, накопление электрического заряда и, соответственно, энергии происходит не мгновенно. В электрической цепи, показанной на рис. 2, в момент замыкания ключа начинает протекать ток заряда, ограниченный сопротивлением R, во много раз превосходящем по величине внутренне сопротивление источника, которым в этом случае можно пренебречь. Тогда ток заряда определяется из закона Ома: I_з=E/R. Напряжение на емкости при этом отсутствует Uc=0 (конденсатор до замыкания ключа, естественно, был не заряжен). В процессе заряда конденсатора ток в цепи уменьшается, а напряжение на конденсаторе возрастает и стремится к Uc=Е. Это проиллюстрировано на графиках (рис. 3) Аналогичным образом происходит разряд конденсатора в цепи на рис. 4.

Здесь ток разряда в момент замыкания ключа скачком возрастает от нуля до величины фаз i_раз=E/R, а затем снова плавно падает до нуля. Напряжение на конденсаторе при этом плавно падает от Uc=Е до Uc=0 (рис. 5.). При разряде конденсатора вся энергия, запасенная в нем, переходит в тепловую энергию, рассеиваемую на резисторе. Разряд и соответственно расход энергии, также как и заряд, не происходят мгновенно, а занимают определенное время. Это правило называют законом коммутации, который применительно к цепям с емкостью обычно формулируют так: напряжение на емкости мгновенно измениться не может. Действительно, при разряде конденсатора на резистор, напряжение на нем изменяется плавно:
Uc = E·EXP(-t/RC). Здесь функция ЕХР(х) — показательная функция е x (число Эйлера е=2,718), чаще называемая экспонентой; а величину RC обычно называют постоянной времени и обозначают греческой буквой τ (тау). Действительно, от этой величины зависит длительность разряда. Процессы заряда и разряда конденсатора являются частными случаями переходных процессов.

Теперь переидем к индуктивности. Катушка индуктивности или дроссель также являются накопителями энергии, только здесь, в отличие от конденсатора, энергия электрического тока преобразуется в энергию магнитного поля. Как известно из физики, вокруг проводника с током образуется магнитное поле, т.е. электрическое поле порождает магнитное. Если проводник свернуть в катушку, то магнитное поле возрастет. Это поле пропорционально количеству витков в катушке.

Интенсивность магнитного поля характеризуется величиной магнитного потока Ф и протекающим через катушку током I_L. Способность катушки (или проводника с током) накапливать энергию магнитного поля и характеризует величина индуктивности L, которая опять-таки математически строгим языком является коэффициентом пропорциональности между магнитным потоком и протекающим через катушку электрическим током, его порождающим L = Ф/I_L Эта величина зависит только от параметров катушки и измеряется в генри (Гн).

Катушка индуктивностью в один генри при протекании через нее тока в один ампер создает магнитный поток величиной в один веббер (единица измерения магнитного потока). На практике индуктивность катушек обычно намного меньше величины 1 Гн и измеряется в милигенри, микрогенри и наногенри. В цепях постоянного тока сопротивление катушки определяется резистивными потерями в образующем ее проводнике и на ней не падает почти никакого напряжения. При этом, запасенная в катушке энергия магнитного поля может быть вычислена следующим образом: W_L=L·I_L 2 /2. Индуктивность (в микрогенри) однослойной катушки (рис. 6) можно рассчитать по следующей известной формуле: L(мкГн)=N 2 ·r 2 /(9r+10l),где N — число витков, r — радиус витка (каркаса), l — длина намотки Для многослойных катушек существуют свои расчетные формулы. Часто с целью увеличения индуктивности в катушки вводят специальные сердечники из магнито-электриков -феррита, пермалоя, альсифера и т.п.

Таким образом, катушка, как и конденсатор, является накопителем энергии. В этом случае на цепи с индуктивностями также должен распространяться закон коммутации, который на сей раз будет звучать так: ток в катушке индуктивности мгновенно изменяться не может. Действительно, при замыкании ключа в цепи на рис. 7 напряжение на катушке изменится скачком до величины E (а затем будет плавно падать до нуля), а ток будет медленно нарастать по тому же закону экспоненты (рис. 8.) от нуля до величины I_L= E/R.

Так, в цепи на рис. 9 при замыкании ключа сначала загорится лампочка, включенная в ветвь с резистором, а затем, плавно увеличивая яркость, лампочка в индуктивной цепи. Это явление вызвано тем, что аналогично тому как электрическое поле порождает магнитное, так и магнитное, в свою очередь, порождает электрическое. Это утверждение справедливо только для переменного магнитного поля. Это наглядно иллюстрирует известный опыт (рис. 10), когда при перемещении постоянного магнита вдоль катушки в ее внешней цепи протекает ток. Так происходит и в нашем случае: при замыкании ключа через катушку начинает протекать небольшой ток, вызывающий появление около ее витков магнитного потока, изменяющегося пропорционально нарастанию тока. В свою очередь, этот изменяющийся магнитный поток приводит к появлению на катушке электродвижущей силы самоиндукции, включенной согласно закону Ленца встречно силе, вызвавшей ток. Тогда катушка будет оказывать сопротивление нарастанию тока, ровно как и его спаду. Из физики можно привести массу примеров того, когда система противодействует изменению своего стационарного состояния, и сопротивление катушки изменению тока — один из них. В процессе нарастания тока в катушке запасается энергия, а при его спаде, соответственно, тратится. В случае, если резко разомкнуть цепь на рис. 7, через ключ проскочит сильная искра, вызванная ни чем иным, как электродвижущей силой самоиндукции.

Рассмотрим, как ведут себя емкость и индуктивность в цепях переменного (синусоидального) тока. Пусть в цепь переменного тока включена емкость (рис. 11). Каждый раз при смене полярности напряжения конденсатор будет перезаряжаться, т.е. знак заряда каждой из его обкладок будет изменяться два раза период переменного напряжения. Если длительность процессов заряда и разряда значительно превосходит период изменения напряжения, ток в цепи также будет изменяться по синусоидальному закону, однако напряжение на конденсаторе отстает по фазе от тока на 90° (рис. 12), что и не удивительно, поскольку конденсатор препятствует резкому изменению напряжения. При этом в процессе каждого заряда-разряда конденсатор будет то накапливать электрическую энергию, то отдавать некоторую ее часть во внешнюю цепь. В большинстве случаев в конденсаторе, включенном в цепь переменного тока, постоянно накоплена определенная электрическая энергия. В цепи с индуктивностью (рис. 13), наоборот, ток отстает по фазе от напряжения на 90° (рис. 14). Это тоже соответствует вышеизложенным рассуждениям -катушка оказывает сопротивление любым изменениям тока. При протекании через катушку переменного тока в ней будет запасаться энергия переменного магнитного поля, приводящая к появлению переменной электродвижущей силы самоиндукции, препятствующей протеканию переменного тока.

Итак, катушка в цепи переменного тока оказывает ему сопротивление в результате наведенной переменнои электродвижущей силы самоиндукции. В то же время и конденсатор, запасая в себе электрическую энергию, оказывает сопротивление переменному току. Оба этих сопротивления называют реактивными и обозначают буквой X. В отличие от резистивного (активного) сопротивления, на реактивном не рассеивается никакой тепловой энергии, а лишь запасается энергия в виде электрического или магнитного поля.

Реактивные сопротивления катушки X_L = j·2πf·L и конденсатора Х_C = -j/2πf·C зависят от частоты f протекающего переменного тока. Мнимая единица j учитывает фазовый сдвиг 90° между током и напряжением, а знак «-» показывает, что напряжения на последовательно включенных емкости и индуктивности противофазны. Действительно, при расчете полного комплексного сопротивления цепи, содержащей индуктивности и емкости, индуктивные сопротивления необходимо складывать со знаком «+», а емкостные, наоборот, со знаком «-«. На рис. 15 показана зависимость реактивных сопротивлений индуктивности и емкости, а также их модулей от частоты. На постоянном токе, как известно, индуктивность не оказывает никакого сопротивления, а сопротивление конденсатора, наоборот, стремиться к бесконечно большому. С ростом частоты картина резко меняется — сопротивление катушки индуктивности возрастает по линейному закону, а сопротивление конденсатора падает согласно кривой, называемой гиперболой.

Вышеупомянутые свойства легко пояснить на примере. На рис. 16 приведена принципиальная схема выходной цепи простейшего радиочастотного усилителя. Здесь в цепь питания коллектора транзистора включен блокировочный дроссель L6n, который на рабочей частоте усилителя имеет очень большое сопротивление. Задача этого дросселя не пропустить переменный ток коллекторной цепи транзистора в источник питания, имеющий очень ма ленькое сопротивление. Этот переменный ток должен протекать в нагрузку через разделительный конденсатор Ср, предотвращающий замыкание источника питания на нагрузку (следующий каскад). Этот конденсатор должен выбираться таким образом, чтобы на рабочей частоте усилителя не оказывать практически никакого сопротивления переменному току, т.е. его реактивное сопротивление должно быть по крайней мере на порядок (в 10 раз) меньше сопротивления нагрузки. Для того, чтобы практически весь переменный ток протекал в нагрузку, нужно, чтобы реактивное сопротивление дросселя, наоборот, по крайней мере на порядок превышало сопротивление нагрузки. Однако, поскольку реактивное сопротивление дросселя не является бесконечно большим, незначительная часть переменного тока все же пройдет через него. Во избежание попадания этого тока в источник питания включен блокировочный конденсатор Сбл, обладающий на рабочей частоте очень маленьким реактивным сопротивлением.

Катушки, дроссели и конденсаторы находят и много других различных применений в радиоэлектронных устройствах. В частности, на них строятся селективные и иные колебательные цепи, о простейших из которых пойдет речь в следующий раз.

В завершении же сегодняшнего рассказа хотелось отметить еще один важный параметр катушек и конденсаторов. Как мы уже говорили, в катушках и конденсаторах имеются потери. В катушке это конечное сопротивление проводника r_L, а в конденсаторе — сопротивление утечки диэлектрика r_ут. Наличие этих потерь приводит к частичному преобразованию запасаемой в катушке и конденсаторе магнитной и электрической энергии в тепловую. Величина этих потерь характеризуется параметром добротность Q=Х/r, который определяется как отношение запасенной энергии к энергии потерь.

Перейдем к более практическим вещам — как выбрать конденсаторы, дроссели, катушки для своей аппаратуры? Для начала о конденсаторах. Здесь важно знать по крайней мере три параметра — электроемкость, рабочее напряжение (а в ряде случаев и предельную реактивную мощность) и частоту (с точностью до: постоянный ток, звуковые частоты, радиочастоты). Независимо от частоты любые конденсаторы следует выбирать на рабочее напряжение (указывается на корпусе), превосходящее ориентировочно в 1,2 раза максимальное значение напряжения, прикладываемое к этому конденсатору в схеме. Не смотря на то, что напряжение пробоя диэлектрика обычно примерно в 1,5 раза превосходит указанное рабочее, такой запас делать все равно необходимо. Что же касается типа диэлектрика, то на сегодняшний день во все радиочастотные цепи в качестве блокировочных и разделительных конденсаторов, а также емкостей фильтров, необходимо устанавливать керамические конденсаторы, диапазон номиналов которых простирается от единиц пикофорад до десятков нанофарад. Следует особо оговорить, что в качество контурных конденсаторов, а также для других частотоизбирательных цепей (фильтров, цепей согласования и т.п.) следует применять конденсаторы с высокой степенью точности величины их емкости (не хуже ±5%), а вот в качестве блокировочных и разделительных элементов применяют более дешевые детали с меньшей точностью. Подстроечные конденсаторы так же, как правило, керамические, а переменные — с воздушным или твердым синтетическим диэлектриком. Большие значения емкостей, как правило, требуются в низкочастотных цепях, где вполне хорошо работают бумажные конденсаторы — герметизированные и т.п. Разброс значений таких конденсаторов составляет от десятков нанофарад да сотен микрофарад. На смену бумажным конденсаторам (с емкостями, не превышающими единиц микрофарад) все чаще приходят танталовые полупроводниковые. Что же касательно слюдяных, то большинство из них в настоящее время сняты с производства из-за своей нетехнологичности. Эти конденсаторы выпускались с величинами емкостей в пределах от сотен пикофарад до десятков нанофарад. Бумажные конденсаторы устанавливают и в цепи токов промышленной частоты (в качестве сетевых фильтров, пусковых конденсаторов двигателей и неоновых ламп и т.п.). Несколько особняком стоят конденсаторы с диэлектриком на основе различных органических пленок. Их можно применять как в низкочастотной, так и в радиочастотной аппаратуре, однако при частотах, не превышающих примерно 50, в редких случаях 100 МГц. Наконец, в цепях постоянного тока (в фильтрах выпрямителей и т.п.) наиболее предпочтительны электролитические конденсаторы, разброс емкостей которых составляет от единиц микрофарад до десятков милифарад (иногда и более). Эти конденсаторы полярны и в цепях переменного тока очень быстро выходят из строя. В виде исключения, их можно устанавливать в цепи усилителей звуковой частоты в качестве разделительных, а также в цепи смещения маломощных каскадов.

Что касается катушек индуктивности и дросселей, то их при изготовлении любительской аппаратуры, как правило, приходится делать самому. Исключение составляют высокочастотные дроссели, которые выпускаются промышленностью на индуктивности порядка десятков — сотен микро-генри. Эти дроссели низкодобротные и ни в коем случае не могут использоваться в качестве контурных катушек и индуктивностей фильтров. Основное их назначение — блокировочные дроссели каскадов усиления радиочастоты малой и иногда средней мощности (при токах в цепях, не превышающих одного-двух ампер). В мощных каскадах передатчиков и другой генераторной аппаратуры устанавливаются самодельные дроссели, которые наматываются толстым медным проводом, способным выдерживать протекающие в этих цепях токи. Это касается и контурных катушек мощных каскадов. Их следует наматывать на теплостойких каркасах без сердечников, поскольку последние сильно разогреваются вихревыми токами высокой частоты и заметно снижают КПД каскада. А вот при намотке контурных катушек и индуктивносетй фильтров маломощных каскадов передатчиков и приемников обычно используют каркасы с сердечниками — чаще всего ферритовыми. Также иногда применяют альсиферовые и латунные (на УКВ) сердечники. В диапазонах KB и УКВ применяют однослойную намотку, а на более низких частотах — многослойную, причем при многослойной намотке желательно применять метод «универсаль» с перекрещиванием витков (как на бобине с нитками или шпагатом), что позволяет уменьшить собственную емкость катушки. Что же касается низкочастотных дросселей (фильтров выпрямителя и т.п.), то их чаще всего наматывают на сердечниках из трансформаторной стали или используют готовые от промышленной аппаратуры.

В заключение расскажем, как при помощи старенького авометра (стрелочного тестера) определить исправность катушек и конденсаторов. Для испытаний конденсаторов тестер следует перевести на максимальный предел измерения сопротивления. Итак, исправный конденсатор емкостью менее 0,1 микрофарад не должен вызывать никакого отклонения стрелки, — в противном случае конденсатор пробит. При испытании конденсатора емкостью 0,1. 10 микрофарад стрелка должна дернуться вправо и быстро вернуться в область бесконечно большого сопротивления. Наконец, при испытании конденсаторов большой емкости (электролитических и т.п.) стрелка тестера должна резко отклониться вправо (почти до нуля сопротивлений), а затем медленно возвратиться обратно. Слабый бросок свидетельствует о потере емкости. К сожалению, при помощи цифровых мультиметров подобное испытание практически невозможно ввиду отсутствия стрелочного индикатора, однако многие из них «умеют» измерять емкость, что существенно упрощает задачу. Для проверки катушек индуктивности и дросселей тестер необходимо перевести на нижний предел измерения сопротивлений. Контурные катушки и высокочастотные дроссели имеют омическое сопротивление, близкое к нулю, а при испытании низкочастотных дросселей (а также обмоток низкочастотных и силовых трансформаторов) тестер покажет сопротивление порядка десятков — сотен Ом. При испытании низкочастотных индуктивных элементов следует избегать касания проводников незащищенными руками, поскольку в момент подсоединения дросселя или трансформатора к тестеру, на зажимах появляется ЭДС самоиндукции значительной величины.

Мнения читателей

• некит / 19.02.2012 — 10:41 спасибо за полезную информацию.
• Санёк / 19.03.2011 — 08:16 спасибо, то что надо.давно пытаюсь найти просте обьяснение.
• azat / 17.03.2010 — 12:31 подскажите формулу для вычисления емкости если известно частота калебательного контура и индуктивность катушки и сопротивление
• марлиз / 12.02.2010 — 05:59 Как измерить бесконтакным способом величину тока потребления?Я знаю что индуктивностью.
• antonio / 03.01.2010 — 16:44 Индуктивность (в микрогенри) однослойной катушки (рис. 6) можно рассчитать по следующей известной формуле: L(мкГн)=N2·r2/(9r+10l), где N — число витков, r — радиус витка (каркаса), l — длина намотки————-радиус и длину в чем выражать в мм, см, м?
• илья / 24.11.2009 — 09:37 как измениться ход процесса разряда конденсатора на резистор при уменьшении ёмкости конденсатора в 2 раза? помогите кто нибудь график нарисовать!кто нарисует отправте пожалуйста на мыло borovikilya@mail.ru
• Кролик / 03.11.2009 — 04:41 Статья — что надо! Не содержит математических формул и объясняет доступно физику процесса. Хотя скажу одну вещь — для детей эта статья будет сложновата.
• дмитрий / 30.04.2009 — 19:00 зачётная статейка
• Romario / 02.04.2009 — 03:31 Отличная статья! Аффтар пишы есщо! А ты, Серёга, сам видимо пидарас антинаучный. Дохуя взрослый что-ли? Пиздуй нахуй на гей-форум и ищи себе там единомышленников-пидорасов. И нехуй тут флудить.
• АMD / 17.03.2009 — 08:34 А за какое время катушка зарядится ло значения LI^2/2 ?

Индуктивности

В первых моих статьях, я старался, преподнести Вам с практической стороны такие популярны элементы, как резисторы и конденсаторы. После долгого перерыва летом, во время которого я предоставил вам несколько советов по замене элементов, вернемся к основным элементам. Сегодня на семинаре у нас индуктивные элементы: дроссели, катушки и трансформаторы.

В следующих двух разделах, перед разговором о катушках, вернемся к некоторым основным соображениям. В редакцию приходить много писем с просьбами дать информацию для начинающих.

Я хорошо знаю, что большинство электронщиков не понимают полностью вопросов связанных с магнетизмом. Скажу больше — даже многие инженеры, которые студентами должны были сдавать по этому экзамены, имеют проблемы с практическим использованием своих знаний магнетизма. Не удивляйтесь — все учебники, которые до сих пор встречаются, представляют дело, таким образом, я бы сказал сухо и не практично. Хотя предоставленная информация является точной и правдивой, но не знаю, как ее взять, что бы она вписывалась в практику.

Осведомляю, что я ставлю трудную задачу — на самом деле попытаюсь объяснить вам основы магнетизма доступно и показать, что в работе катушки и трансформатора нет ни чего магического или не понятного.

Поскольку тема действительно не простая, подойдем к ней несколько раз: Во-первых, на гидравлической модели покажем основные вопросы. Это будет грубая модель — но не сердитесь, что я пользуюсь такими примерами, ведь эта статья для новичков. Эта часть будет содержать основание принципы и явления индуктивности и необходимые формулы.

Во втором подходе, введем минимальные знания об индуктивных элементах, которые необходимы для среднего радиолюбителя. Если возможно, постарайтесь понять физическую основу, что происходит в сердечнике трансформатора и катушки и как он влияет на параметры данных индуктивных элементов.

Уверен, что вы знаете такое катушка индуктивности. Попросту говоря, это элемент состоящий из нескольких витков провода. Обычно катушка намотана на пластиковом корпусе (каркасе); может быть со стрежнем из ферромагнитного материала (феррита или листового трансформаторного железа).

Основным параметром катушки является индуктивность, выражается в Генри, (миллигенри или микрогенри). На электрических схемах катушки обозначаются буквой L, L — так же обозначают индуктивность.

Гидравлическая модель

В книгах для начинающих, для легкого введения и иллюстрации понятий, связанных с электричеством, что представляют гидравлические аналоги электрических цепей. Очевидно, что это грубое упрощение. Но знакомят с важными вопросами и зависимостями. Такая модель движения воды изображена на рисунке 1. Она состоит из насоса, главного клапана, четыре сужения, длиной вертикальной трубки (открытой сверху), обратный клапан и турбина. На рисунке 2 показан электрический эквивалент такой цепи.

В электрической цепи говорят о напряжении питания схемы, напряжение обозначается буквой U. Единица напряжения электрического есть Вольт, коротко обозначается V (названа в честь итальянского физика Гиованни Вольта).

В электрической цепи может течь ток. Электрический ток в первом приближении это движение электронов. Сила тока, т.е. упрощенно количество электронов текущих за единицу времени, обозначается символом I. Единица измерения тока — Ампер (сокращено А). Названа в честь французского физика Андре М Ампера. В повседневной практики вместо: сила тока, говорят коротко — ток.

А теперь очень важная информация: эквивалент электрического напряжения — давление воды, а эквивалент силы тока — расход. Т.е. просто количество вытекшей воды.

Гидравлический насос создает определенное давление. Если закрыть основной клапан (что соответствует на схеме выключателю S1), то вода не сможет течь и будет производится максимально рабочее давление насоса, которое зависит от конструкции насоса. Это максимальное давление, в электрической цепи можно сравнить с электродвижущей силой, ЭДС или E — таким образом, на рисунке 2 источник напряжения рассматривается как, соединенные последовательно источник питания E ЭДС и внутреннее сопротивление Rw.

Если открыть основной клапан (включить переключателя S1), то по схеме потечет вода (ток). Некоторая часть воды потечет через отверстие 1 (резистор R1). Чем меньше отверстие, тем меньше воды, это понятно интуитивно. Это хорошо видно по закону Ома, сила тока, протекающего через резистор пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению (сопротивление) резистор.

Аналогично последовательное и параллельное соединение отверстий эквивалентно соединению резисторов.

Обратите внимание, что давление может быть и без потока воды (насос работает, вентиль закрыт), а вода без давления течь не может.

Аналогично в электрической цепи напряжение может присутствовать, и не быть тока (т.е. батарея не подключена), но ток не может течь, если нет напряжения.

Идем дальше. После открытия клапана (замыкания S1), вода, прошедшая через отверстие 2 (ток, течет через резистор R2) увеличивается уровень воды в вертикальной трубке (зарядка конденсаторов C1).

Уровень воды в трубке (напряжение на конденсаторе C1) не будет расти бесконечно, а только до тех пор пока давление столба воды не станет равным давлению, создаваемого насосом (напряжение на конденсаторе равно напряжению аккумулятора). Тогда в отверстие 2 (резистор R2) поток воды прекращается (поток электронов). В статическом состояние, в цепи отверстие — трубка 2 (R2 С1) ни чего не происходит. Но если мы закроем клапан (выключим переключатель S1), через трубку и отверстие (R2) вода (ток) снова начнет течь, но в противоположном направлении. Уровень воды в трубке постепенно снизиться (напряжение на конденсаторе достигнет нуля, он разрядиться).

Опять же, это хорошая аналогия зарядки и разрядки RC цепи. Обратите внимание — чем больше количество воды, большее давление оно производит — уровень воды в вертикальном открытой трубе, таким образом соответствует напряжению.

Емкость конденсатора, можно сравнить с толщиной трубы, с ее диаметром. Чем она меньше тем меньшее количество воды можно поднять в трубке.

В гидравлических системах часто используют односторонние клапаны. В простейшем случае это металлический диск, который просто лежит на переходном отверстие. Когда давление на входе отверстия будет больше чем на его выходе, клапан откроется через него потечет ток. Конечно это иллюстрирует работу диода D на рисунке 2. Опять же, аналогия хороша, потому что для поднятия диска требуется определенное количество энергии. Энергия не может быть взята из ничего — диск поднимется за счет энергии, течения воды. Другими словами, будет перепад давления на клапане. Кроме того, при токе через полупроводниковый диод то же происходит падение напряжения (для обычных кремниевых диодов 0,5..0,8 В, в зависимости от значения тока).

И вот наконец мы переходим к индуктивности. Представьте себе, что турбина показанная на рисунке 1 неподвижна, и может вращаться в обоих направлениях. На валу турбины установлен маховик. Как реагирует турбина, когда открывается главный клапан? Вода не течете через нее сразу — за счет инерции маховика скорость набирается постепенно. С течением времени скорость установиться — и расход воды будет определяться только сечением отверстия 4. Если бы это была идеальная турбина, работающая без потерь вызванных трением, тогда в установившемся состоянии не происходило бы падения давления между его входом и выходом. На практике часть энергии будет тратиться на преодоления трения, Таким образом, мы наблюдаем некоторое давление между его входом и выходом.

Опять же у нас прекрасная аналогия — турбина с маховиком иллюстрирует катушку индуктивности. После открытия переключателя S1 будет увеличиться ток, протекающий в цепи L R4. Через некоторое время, в зависимости от индуктивности катушки и резистора R4, ток стабилизируется на значении, зависящем только от напряжения U и сопротивление R4. Если катушка была бы идеальной, не было бы падения напряжения на ней. На практике у каждой катушки есть потери (в частности, сопротивление обмотки катушки).

Отметим, что турбина с маховиком имеет интересное свойство — выступает против изменения текущего потока. Так же индукционная катушка обладает свойством противостоять изменению силы тока. Вы должны запомнить, раз и навсегда: индуктивность всегда препятствует изменению тока в цепи.

Это только шаг к понимаю того, что же такое есть индуктивность. Индуктивность это сумма противодействий изменению силы тока. В нашей гидравлической модели ей соответствует масса маховика. Чем больше инерция (индуктивность), тем медленней увеличивается поток воды (сила тока), когда открыт главный вентиль (выключатель S1). Очень просто, не правда ли?

Накопление энергии

Вернемся теперь к рисунку 1. Вы наверное знаете, что поднимая воду в трубе, и вращением турбины, можно запасти некоторое количество энергии. Эту энергию можно потом использовать. Подумайте — нет разницы, что насос создает давление, что столб воды.

Как и с конденсатором, так и с катушкой, через которую течет ток. Другими словами конденсатор и катушка могут использоваться как источники энергии.

А что определяет количество этой энергии? Я думаю что понятно, энергия, запасенная в трубке (конденсаторе) зависит от высоты водяного столба, или давления (напряжения на конденсаторе), и от толщины трубки (емкость конденсатора). Аналогичным образом, энергия, запасенная в турбине (катушки) будет зависеть от инерции маховика (индуктивности) и скорости вращения в результате движения потока (от силы тока).

Теперь вы можете понять, откуда взялись школьные формулы для расчета энергии:
E = CU2/2
E = LI2/2

На данный момент просто помните, что конденсатор запасает энергию в электрическом поле, а катушка в магнитном. Не волнуйтесь, если вы не помните, что такое электрическое и магнитное поле. Если быть честным, то я и сам до конца не могу это объяснить. Определения из книг мало что говорят, а на основе материала данного в школе я не могу представить механизм передачи энергии в вакууме. Подобное объяснение электромагнитных явлений не так просто и теория электромагнитного поля основана на высшей математике. Может быть вы слышали об уравнениях Максвелла? И действительно ни один физик в мире не имеет полной картины. Мы ожидаем большой прорыв в физике, как открытия Коперника и Эйнштейна. На данный момент у нас есть только общие представления об этом и множество гипотез, до сих ждем теорию единого поля которая объяснит все явления связанных с магнетизмом.

Как и конденсатор так и катушка могут запасать энергию, и следовательно в определенных ситуациях могут служить источниками питания. Я писал, что конденсаторы изготавливаются с емкостью около 1 Фарада, используются как резервная батарея для питания памяти в компьютерных системах. Другим примером является емкостной преобразователь (инвертор, например, описанные в EDW 7/96 стр. 43), обычные трансформаторы, и все виды питания и преобразователи импульсов содержащих индуктивности.

Не смотря на то в катушках и емкостях за раз можно запастись небольшим количеством энергии, есть простой способ, не смотря ни на что передавать значительную мощность — просто увеличив частоту заряда — разряда на единицу времени. Этот вопрос будет закрыт в цикле статей посвященных импульсным источникам питания.

Что бы лично узнать о возможностях конденсаторов хранить энергию, сделайте простой эксперимент: возьмите электролитический конденсатор емкость 220. 2200 мкФ, подключите к нему источник напряжения 12 В на несколько минут (что бы сделать формовку), а потом разрядите с помощью светодиода с резистором 470.. 1000 Ом. Как видите вспышка была очень короткой. Попробуйте то же самое с емкостью 47..220 нанофарад. Вы ведите вспышку? Сравните емкость с яркостью вспышек. Вы можете так же подключить желтый или зеленый светодиод к батарейке от часов что бы узнать сколько в ней энергии.

А теперь вопрос: как вы думаете, что ограничивает и не позволяет запасать в конденсаторах и катушках большое количество энергии? Вы ведите по-чему для питания электроники нужно использовать батарей и аккумуляторы, запасающих энергию в химических связях, а не в электрическом поле?

Напряжение на катушке

А как на счет напряжения на катушке? Очень важный вопрос.

Хотя вопросы об напряжении и токе в конденсаторе легко понятны, но то же самое относительно катушек вызывает затруднения. Я помню как на первом или втором курсе ВУЗа на лекции по основам электричества, преподаватель утверждал что в цепи содержащей катушку индуктивности не может быть напряжение выше чем напряжение питания, потому ему не от куда взяться. Пан Вишневский, которого я люблю и уважаю как хорошего преподавателя, когда я возразил поставил мне 4 (за то что я знаю больше). Кроме того ни кто в группе не имел другого мнения об напряжение на катушке. Только через некоторое время я понял, что на самом деле происходит в катушке. Думаю у вас то же могут быть с этим проблемы, по-этому рассмотрим подробнее. В гидравлический контур на рисунке 1 включили дополнительный вентиль между катушкой и отверстием 4. Что будет если в момент когда поток установился, скорость потока установилась, мы закроем этот вентиль (выключатель S2 выключим)?

Так как турбина связана с маховиком, и он не может остановиться в одно мгновение. Каким будет давление на выходе турбины когда мы закроем вентиль? Конечно вы скажете что вращаясь маховик (катушка) накопил некоторое количество энергии, которое на время превратит нашу турбину (катушку) в насос (источник напряжение – батарею). Вы совершено правы! Энергия вращения маховика, будет продолжать вращать турбину.

Но клапан полностью закрыт (что соответствует размыканию электрической цепи). Что происходит с давлением на выходе турбины?

Что происходит с давлением на выходе насоса? После прекращения потока воды, в связи с наличием маховика, турбины будут производить на выходе давление. Какое значение? Подумайте: тяжелый маховик может привести полученное давление на выходе из насоса, будет гораздо выше (!), чем любой из давления, которое ранее было в системе. Это очень важный вывод: давление (напряжение) автоматически генерируется турбиной (катушкой) не зависит от давления (напряжения), которые имело место в цепи. Какое вы думаете? В идеальном случае. После полного закрытия в схеме формируется второе давление (напряжение), которое будет иметь значение . бесконечно большое. На практике, значение этого напряжения зависит от конструкции катушки, и, в частности, от некоторых потерь, но все равно будет очень большим и оно может достичь тысяч вольт что может привести к разрыву (пробою) изоляции между витками катушки.

И что произойдет, если дополнительный клапан не будет полностью закрыт, а лишь частично (что эквивалентно увеличению сопротивления R4)? Речь идет о фундаментальных принципах: катушка всегда оказывает сопротивление изменению тока. Посмотрите на рисунке 1, 3 и подумайте что будет в электрической цепи катушки?

Вы уже знаете: если схема будет резкое изменение сопротивления (или кардинальное изменение напряжения питания), то в катушке возникнет самоиндукция, вызывающая напряжение, но какой величины и какого напряжения?

Внимание! Это напряжение будет такой же величины и направления, что бы сохранить такой же ток что был и до изменения. Это выглядит, может быть, немного таинственно — как будто катушка знает, какое для этого нужно напряжение. На самом деле, тут нет ни чего экстраординарного, потому это связано с ее основными свойствами: выступать против изменения тока. Запомните — катушка временно создает такое напряжение, что бы поддержать ток (или что бы избежать роста тока). Конечно это будет длиться долго, потому что катушка может хранить лишь ограниченное количество энергии.

Вы можете спросить, от куда на катушке взялось это напряжение? Примите на веру, что это так называемое явление самоиндукции, связанное с известным со школы Ленцем. Вам не нужно, глубокое понимание этого физического явления — на сегодняшний день оно принято, что оно просто есть.

71 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 12/96

Альтернативные способы накопления энергии

Настоящее богатство измеряется не только в денежных знаках, но и в возможности обеспечения себя необходимым количеством энергии. Последние события в мире только подтверждают эту мысль.

Все известные человечеству способы хранения энергии обладают теми или иными недостатками. Прежде всего, они довольно дороги и недостаточно эффективны. Ко всему прочему тревожит истощение запасов ископаемых источников энергии, которые использует человечество, а также их неблагоприятное влияние на экологическую обстановку. А это значит, что по прошествии некоторого времени человечеству придется задуматься над поиском альтернативы — дешевой, мощной и эффективной системы получения и накопления энергии. Ведь сама Планета подталкивает нас к этому!

Что понимают под энергоносителем, энергией и энергонакопителем

Чтобы разобраться в проблеме и найти пути ее решения, нужно разобраться в понятиях.

Энергоноситель — это любая субстанция, которая после некоторых преобразований может дать полезную энергию. Примеры, которые у всех на слуху, — нефть, уголь и газ. Менее распространенный, но становящийся более актуальным энергоноситель — дрова. Более распространенный, но не такой очевидный пример энергоносителя — еда, которую ежедневно потребляет человек.

Энергия, которая выделяется при переработке энергоносителя, обычно сразу пускается в дело и может приносить пользу — обогревать и освещать жилье, двигать автомобили и ракеты, позволяет продолжать существование живым организмам. Но получение энергии из энергоносителя — иногда сложный и высокотехнологичный процесс. Пример — генерирование электрической энергии на электростанциях. Поэтому лучшие умы человечества задумываются о том, чтобы энергию после генерации можно было накапливать, а потом в нужное время в нужном месте использовать, не тратя при этом энергоноситель.

Из накопителей электрической энергии самые известные — аккумуляторы, которые есть в любом современном гаджете. Согласитесь, идея прекрасная — зарядить от электростанции аккумулятор, а потом через некоторое время, переместившись в пространстве, использовать его энергию. Не привлекая при этом уголь, газ и ядерный распад. Все хорошо, но получить электроэнергию от аккумуляторов в приемлемом виде (220 В 50 Гц) и в достаточном количестве — до сих пор большая проблема. И 99 % электроэнергии, которой мы пользуемся, — это та энергия, которую выработал генератор на электростанции в данный момент. Никакого накопления и преобразования при этом не происходит — только трансформация (понижение уровня напряжения).

Другой альтернативный путь — поиск дешевых источников энергии и способов ее преобразования. Но в этой статье я не буду говорить о получении дешевой энергии из эфира или вакуума. Не стану затрагивать и мошеннические системы с КПД более 100 %. Я расскажу, какие существуют реальные альтернативные способы накопления энергии и какое у них будущее. Но сначала — что мы имеем на сегодняшний день.

Проблемы существующих систем накопления энергии

В системах накопления энергии большое распространение получили литий-ионные (литиевые) аккумуляторы и их разновидности. Они обладают высокой плотностью запаса энергии (удельной энергией, Вт·ч/кг) и сравнительно недороги. Но, как уже было сказано, разработанные системы накопления энергии имеют свои недостатки, которые существенно осложняют их повсеместное применение.

Для литий-ионных аккумуляторов критически важно количество циклов заряда и разряда, которые они могут выдержать. Также очень важен температурный режим, своевременное обслуживание, а вся система стоит весьма больших денег. Но самое главное — они очень хорошо горят! В качестве примера могу привести пожар в Австралии, произошедший в 2021 году. Загорелось одно из крупнейших на планете хранилищ электроэнергии — TeslaMegapack, оборудованное литий-ионными аккумуляторами, общая емкость которых составляет 450 МВт·ч.

К слову сказать, тушить водой такие пожары нельзя — это только способствует горению.

Борьба с огнем продолжалась с 30 июля по 2 августа 2021 года. После ликвидации пожара было проведено расследование, которое установило, что возгорание произошло из-за серии коротких замыканий, вызванных утечкой охлаждающей жидкости. Кроме этого инцидента, в мире произошло еще несколько подобных возгораний. В результате было решено приостановить строительство хранилищ электроэнергии промышленных масштабов на литий-ионных батареях.

Активно ведутся разработки и внедрение так называемых проточных аккумуляторов (редокс-батарей), в которых происходит прокачка электролитов на основе солей ванадия через специальный коллектор, разделенный ионоселективной мембраной. Технология держится в секрете, но ясен ее главный плюс и преимущество — абсолютная пожаробезопасность. Главный минус — низкая удельная энергия. И, конечно, как и у любой новинки, кусается цена.

Философия хранения энергии

Большинство современных систем генерации электроэнергии (даже альтернативные) имеют общий недостаток. Полученную энергию требуется преобразовать, сохранить, а затем преобразовать еще раз, чтобы использовать. Например, при работе ветровых или солнечных электростанций механическая или световая энергия преобразуется в электроэнергию, а потом в химическую энергию. Чтобы ее использовать, нужно еще минимум одно преобразование.
При преобразовании значительная часть энергии теряется, причем безвозвратно. Ведь коэффициент полезного действия (КПД) преобразователя не может быть равен 1. Хорошим показателем будет КПД, равный 0,8. Однако если мы полученную энергию преобразуем для хранения, а затем сохраненную энергию преобразуем обратно, то при таком двойном переходе КПД будет уже меньше и составит в лучшем случае 0,64.

Логика подсказывает, что для повышения эффективности преобразовывать полученную энергию не стоит. В идеале нужно использовать энергию в том виде, в котором ее получили. Например, тепловую энергию — для обогрева, механическую — для движения.

А теперь давайте посмотрим на альтернативные системы накопления энергии, разработка которых ведется по всему миру.

Гравитационные накопители энергии

Перспективные гравитационные системы хранения энергии пока только разрабатываются, к тому же реальная экономическая эффективность их находится под вопросом. Пока компанией Gravitricity в Шотландии построен прототип на 250 кВт стоимостью 1 млн фунтов.

Конструкция такой системы представляет собой два груза по 25 тонн каждый, которые подвешены на вышке, высотой в 16 метров. Для подъема их используется электромотор, а при движении грузов вниз под воздействием гравитации вырабатывается электроэнергия. Получается, что система накапливает потенциальную энергию, которая затем в любое время может быть преобразована в электричество.

Большой плюс такой системы — для накопления может быть использован маломощный мотор или другой привод, если есть время и возможность. А генератор может быть гораздо большей мощности, только выдаваться она будет непродолжительное время. Также могут использоваться опускаемые в шахту грузы. А их подъем может быть за счет других видов энергии — например, от периодического затопления шахты водой в результате приливов. Зачем пропадать такой мощной энергии зря?

Песчаная батарея

Очень часто решение сложных проблем лежит у нас буквально перед носом, ну или под ногами. Нужно только уметь это увидеть. Энергию может накапливать обычный песок. Все просто — такие материалы, как камень или песок, обладают высокой теплоемкостью, то есть они способны много раз нагреваться до значительных температур, а затем медленно остывать.

Если создать аккумулятор тепловой энергии, где в качестве рабочей среды будет применен песок, в длительной перспективе такой способ хранения будет намного эффективнее химических аккумуляторов. Ведь песок не будет деградировать, а значит, количество циклов заряд-разряд неограниченно. Песок — экологически безопасный ма-териал, и его просто утилизировать. Ну и ко всему прочему песок очень дешев, он повсюду.

Недавно финская компания PolarNightEnergy построила первое коммерческое хранилище энергии на основе песка. Хранилище представляет собой стальной бункер диаметром 4 метра и высотой 7 метров, внутрь которого помещен обычный низкосортный песок в количестве 100 тонн.

При помощи продуваемого по трубам горячего воздуха песок может нагреваться до температуры 400-600 °С. Энергию для нагрева получают от возобновляемых источников энергии (солнечный свет и ветер) и от системы охлаждения сервера для обработки данных.

Такая система может накапливать и выдавать до 8 МВт·ч тепловой энергии при номинальной мощности 100 кВт. Хранить запасенную энергию можно в течение нескольких месяцев. Хранилище уже обеспечивает работу централизованной системы городского теплоснабжения, а также муниципального бассейна.

Нужно отметить, что такой накопитель обладает очень высоким КПД, поскольку преобразования энергии не происходит — тепловая энергия накапливается по мере возможности и отдается по мере необходимости. Кроме того, радует невысокая цена системы, минимальное количество обслуживания и расходных материалов, а также экстремально высокая долговечность. Система может быть размещена в заброшенных шахтах и бункерах и легко масштабируется.

Для Финляндии, зима в которой очень продолжительная и холодная, такая система является чрезвычайно важной. Ведь применение таких аккумуляторов тепла позволяет эффективно использовать возобновляемые источники энергии, а из-за последних событий важность этой технологии для Финляндии трудно переоценить.

Несомненно, система имеет и минусы, среди которых — необходимость применения контроллера. Система должна отслеживать множество датчиков и регулировать уровни теплообмена.

Механизмы с маховиком

Как эффективно хранить механическую энергию? Есть один способ, притом весьма старый — использовать маховик. При помощи маховика теоретически можно накапливать очень большое количество энергии. Устройства накопления меха-нической (кинетической) энергии называются гироаккумуляторами.

В качестве примера можно привести изобретение И. П. Кулибина. В 1791 году он изготовил коляску с педальным приводом и маховиком — «самокатку». Это транспортное средство кроме водителя еще и перевозило двух пассажиров. Маховик при помощи педалей раскручивался до требуемой скорости, а затем посредством механической передачи движение передавалось на колеса. Накопленная в маховике энергия позволяла «самокатке» без труда преодолевать подъемы.

Различные изобретатели постоянно экспериментировали с устройствами, в которых применялись маховики. В 1945 году в Швейцарии фирмой «Эрликон» был разработан опытный образец гиробуса — альтернатива грязным и шумным автобусам с двигателями внутреннего сгорания. Также этот вид транспорта должен был заменить троллейбусы, которые требовали непрерывного контакта с проводами. Гиробус приводился в движение тяговыми электродвигателями, которые получали энергию от генератора, который, в свою очередь, приводился в движение стальным маховиком. Масса маховика составляла полторы тонны, а диаметр — полтора метра. При подзарядке генератор переключался в режим электродвигателя, а электрическую энергию он получал через специальные штанги, которые выдвигались при остановке.

Фирмой «Эрликон» с 1953 года было выпущено несколько серий таких транспортных средств, которые работали в течение 20 лет не только в Швейцарии, но и в Бельгии и Конго. Причем в Конго были поставлены даже еще более совершенные модели гиробусов. Пассажирам нравился плавный ход и отсутствие выхлопных газов. Для зарядки требовалось всего 40 секунд, однако из-за невысокого КПД, примерно 50 %, требовалось производить остановки через один-два километра. Кроме того, опыт эксплуатации гиробусов в Конго выявил их низкую надежность.

Подшипники маховиков быстро выходили из строя, и им требовался ремонт каждый месяц. Низкая надежность и вследствие этого высокие затраты на перевозку пассажиров вместе с небезопасной конструкцией привели к прекращению эксплуатации гиробусов в 1959 году.

Такой печальный опыт не прекратил попытки изобретателей повысить надежность и эффективность гироаккумуляторов. Главная проблема — при увеличении массы маховика и его скорости разрушались подшипники и сам маховик. Причем осколки маховика будут обладать огромной неуправляемой кинетической энергией и смогут причинить немало проблем. Поэтому при расчетах такие накопители делают с трехкратным запасом прочности, что, конечно, снижает их эффективность. Даже при использовании лучших сортов стали и применении современных способов обработки внутри заготовки могут образовываться микротрещины, которые неизбежно приведут к разрушению.

Найти решение этой проблемы удалось советскому и российскому ученому Н. В. Гулиа. В 1964 году он подает заявку на изобретение маховика, состоящего из нескольких тысяч витков прочной стальной ленты.

При превышении предела скорости разрушения всего маховика не будет. Вместо этого разорвется внешняя лента, которая будет самой нагруженной. При этом лента прижмется к корпусу и затормозит маховик. После остановки ленту можно будет соединить, и маховик будет снова пригоден для эксплуатации. Но будьте осторожны — маховик будет очень горячим! Ведь кинетическая энергия никуда не исчезнет, а превратится в тепловую.

Даже первые образцы супермаховика из стальной ленты демонстрировали плотность энергии примерно 0,1 МДж/кг. Это превышало показатели свинцовых аккумуляторов. Расчеты показали, что если стальную ленту заменить графитовым волокном, такой маховик сможет запасти энергию в 20-30 раз больше.

Н. В. Гулиа предложил использовать магнитную подвеску в качестве основной, а подшипники — только для фиксации всей системы. Для решения проблемы трения изобретатель предложил использовать вакуумную камеру. Кроме того, для того чтобы передавать энергию маховику можно поместить в камеру электромотор. Соответственно, при передаче энергии от маховика, электромотор будет работать как генератор. Но как часто бывает, развитие эти идеи получили только за рубежом.

Например, в США компанией BeaconPower в 1997 году были разработаны системы хранения энергии на базе супермаховиков, которые могут выдавать мощность до 200 кВт в зависимости от модели. В 2009 году в США компания завершила постройку регулирующей электростанции мощностью 20 МВт на супермаховиках.

В мире создано множество прототипов движущихся механизмов на основе гироаккумуляторов — от игрушек до квадрокоптеров. Особенно эффективно накопление энергии на основе гироаккумуляторов работает на космических аппаратах, где минимизируются проблемы, связанные с трением. Прекрасно работают гибридные автомобили, которые «возят зарядку» с собой, «подзаряжая» маховик от двигателя внутреннего сгорания.

Поскольку гироаккумулятор обладает гироскопическим эффектом, который затрудняет изменение направления движения, перспективно использовать подобный вид накопителя на железнодорожном и крупном морском транспорте. Заметьте важный момент — как и в аккумуляторе тепловой энергии на песке, в аккумуляторе механической энергии на маховике не происходит преобразования энергии из одного вида в другой. Например, в случае с автомобилями вращательное движение от маховика передается через вариатор на колеса без всяких преобразований. Как и с «песчаным» аккумулятором, маховик имеет огромное количество циклов заряда-разряда, особенно если использовать магнитную подвеску вместо самого слабого звена — подшипников.

Что дальше?

Чтобы освоить новые виды энергии и ее накопления, одного желания и инвестиций мало. Нужна перестройка парадигмы получения и использования энергии. Нужно осваивать новые материалы и технологии, создавать новые устройства и системы. Но сегодня, когда рынок нефти и газа — отлаженный механизм, приносящий миллиарды долларов в день, никто всерьез не станет рассматривать альтернативные системы.

Тем не менее жизнь стремительно меняется. 100 лет назад никто не думал, что вместо шумных и грязных паровозов по железным дорогам будут «порхать» электрические «Ласточки». С большой долей вероятности могу предсказать, что мы станем свидетелями больших перемен. Кто сможет внедрить новые технологии получения и хранения энергии в массовое производство, сделав их дешевыми и популярными, — тот будет, без преувеличения, управлять миром.

Источник: Александр Ярошенко, автор блога SamElectric.ru. Опубликовано в журнале «Электротехнический рынок» № 6 (108), 2022 год

�� Подписывайтесь на Elec.ru. Мы есть в Телеграм, ВКонтакте и Одноклассниках