От чего зависит количество электрической энергии

Как и зачем рассчитывать число часов использования заявленной мощности?

Чем больше неравномерность в нагрузке в часовом разрезе суток, тем дороже производство электроэнергии – больше тратится топлива, снижается эффективность использования генерирующего оборудования, что повышает стоимость электрической энергии.

Тариф на электрическую энергию для потребителей с максимальной мощностью энергопринимающих установок свыше 670 кВт, устанавливается с учётом годового числа часов использования заявленной мощности (ЧЧИ).

Под заявленной мощностью (договорной), в методических указаниях Федеральная служба по тарифам России рассматривает наибольшую часовую электрическую мощность, которую потребитель обязуется не превышать ежедневно в часы максимальной нагрузки энергосистемы. Величина заявленной мощности (договорной), как правило, устанавливается на год с разбивкой по месяцам.

Число часов использования заявленной мощности – это условный показатель, показывающий время, которое должен проработать потребитель с нагрузкой, соответствующей заявленной мощности, чтобы использовать то количество электрической энергии, которое фактически заявил на год.

ЧЧИ определяется как производная от деления заявленного годового объема потребления на величину максимальной мощности.

За величину максимальной мощности берется наибольшее значение потребления электрической мощности потребляемой потребителем в рабочий день в часы максимальной нагрузки энергосистемы (06:00ч. – 23:00ч.). Определение величины максимальной мощности для определения ЧЧИ, предпочтительно на основе интервальных приборов учета (наличие памяти). Эти приборы учета позволяют регистрировать значения потребляемой мощности, а значит, их использование приведёт к точному определению значения ЧЧИ, что позволит отнести потребителя к той или иной тарифной группе.

В отсутствие интервальных приборов учета, расчет ЧЧИ потребитель может определить на основе заявленного объема годового потребления и заявленной максимальной мощности собственного потребления, но для этого заявленная величина мощности должна быть подтверждена контрольным замером рабочего дня, при условии нормальной загрузки производства.

Потребителю, заинтересованному в снижении стоимости электрической энергии, необходимо обратить внимание на рациональное построение режима работы технологического оборудования, внедрить на производстве мероприятия по выравниванию суточного часового графика потребления электроэнергии.

Качество электрической энергии

Качество электрической энергии (Качество ЭЭ) – комплексное свойство. Оно характеризует электромагнитную среду и возможности технологического процесса по производству, передаче, распределению и использованию электрической энергии потребителями.

Устройства улучшения качества электрической энергии СВЭЛ – эффективное решение для повышения надежности систем электроснабжения, повышения стабильности и снижения затрат.

Качество электроэнергии отвечает за надежность: режим электроснабжения потребителей считается нормальным, если электроэнергия доходит до потребителей бесперебойно, и в том в количестве, которое было заранее согласовано с энергоснабжающей организацией.

Качество электроэнергии еще называют «электромагнитной совместимостью» (способностью электроустановки нормально функционировать в ее электромагнитной среде, не создавая электромагнитных помех другим электроприборам, функционирующим в данной сети).

Качество электроэнергии определяется степенью соответствия эксплуатационным параметрам электроэнергии и установленным значениям заявленных показателей. К таким единичным свойствам относятся:

Состоит их следующих показателей:

Состоит их следующих показателей:

Показатели качества электроэнергии выражаются:

Вред и ущерб для оборудования от ухудшения качества электроэнергии

Использование некоторых мощных электротехнических установок (вентильные преобразователи, дуговые сталеплавильные печи, сварочные установки) независимо от их экономичности и технологической эффективности приводит к ухудшению качества электроэнергии. Возникает проблема электромагнитной совместимости электроприемников промышленного типа с питающей сетью.

Зависимость отклонения напряжения обусловлена уровнем напряжения, подаваемым энергосистемой промышленным предприятиям, а так же работой отдельных промышленных электроприборов с большим потреблением реактивной мощности. По этим причинам вопросы качества электроэнергии важно рассматривать через решение вопросов компенсации реактивной мощности.

Несоответствие показателей качества электроэнергии приводит к ущербу:

• вреду материалам и оборудованию;
• нарушению последовательности технологических процессов;
• снижению показателей качества выпускаемой продукции;
• спаду продуктивности и производительности;
• росту потерь электроэнергии;
• повреждению электротехнического оборудования;
• сбою процессов работы в автоматике, телемеханике, связи, электронной технике и т.д.

К основным негативным проблемам в системах электроснабжения относятся:

1. Нестабильность напряжения.
2. Реактивная мощность.
3. Перетоки мощности.
4. Гармонические искажения.
5. Падение напряжения (или провал).
6. Кратковременные перебои.
7. Долговременные перебои.
8. Импульсные всплески.
9. Перенапряжение.
10. Гармонические искажения.
11. Колебание напряжения.
12. Шумы.
13. Дисбаланс напряжения.

Нестабильность напряжения

Выражается резкими перепадами сетевого напряжения за доли секунд, выходящими за границы допустимых отклонений (в нескольких тысяч вольт). Действующие нормы гласят: допустимые отклонения напряжения не должны превышать показатели номинала.

Импульсные перенапряжения оказывают сильное влияние:

• на работу и срок службы электроприборов;
• на состояние изоляции электропроводки;
• на безопасность людей и сохранность имущества.

Виды и причины импульсных перенапряжений:

1. воздействие внешних факторов (например, грозовые разряды);
2. коммутационные перенапряжения, происходящие по причине включения или отключения мощных установок.

Любые перепады напряжения в питающей электрической сети значительно сокращают срок службы подключенного оборудования, приводят к непредвиденным расходам и выводят из строя важное дорогостоящее оборудование.

Незначительные постоянные перепады в 5-10% отклонения от нормы, несут за собой микросбои в управляющих блоках оборудования, приводят к браку продукции и остановкам в работе. Они недопустимы в работе установок, для которых важны точность и стабильность (медицинское или лабораторное оборудование, производственное оборудование с программным управлением, управляющие микросхемы и микропроцессоры).

Скачки напряжения в 10-25% отклонения от нормы снижают срок службы электроприборов в среднем в 2 раза. Стабильное электропитание обеспечивает десятки лет службы оборудования, а несколько вышеупомянутых скачков сокращает работу до гарантийного срока.

Перепады напряжения однофазной сети до 300В часто приводят к поломке отдельных электрокомпонентов (блоки питания, электродвигатели, приводы, световое оборудование, сенсорные и управляющие панели).

Понижение напряжения за границы допустимых значений тоже опасно: это приводит к потере несохранённых данных, нарушению работы производственного оборудования, поломкам и сбоям.

На данный момент электросети не рассчитаны на активный рост потребителей. Перепады напряжения однофазных сетей до 380В приводят к авариям, разрушению ЛЭП по причине перегревов и коротких замыканий в щитах и магистралях, к полному выходу из строя электроприборов и даже к их возгоранию.

Причины падения напряжения:

1. Состояние трансформаторных подстанций и линий электропередач. Подавляющее большинство трансформаторных подстанций и линий электропередач было установлено во времена СССР, когда был совершенно иной расчет нагрузки, другая аппаратура. Показатели диаметра жил и материалов кабеля (алюминий) часто не выдерживают выросшее потребление электроэнергии.
2. Разница потребляемой мощности на фазах. В системе электропитания есть три фазы. Когда возникает превышение по нагрузке на одной фазе, то появляется перекос фаз, ведущий к повышению или понижению напряжения.

Низкое напряжение в сети приводит:

• серьезному ухудшению условий запуска всех типов двигателей и устройств на базе двигателя;
• увеличению пускового тока при запуске электродвигателей;
• перегреву проводки, оплавлению изоляции, риску возгорания от короткого замыкания;
• нестабильной работе и поломке электроприборов, уменьшению срока их службы.

Рис. 1. Состояние трансформаторных подстанций влияет на напряжение

Реактивная мощность

Это величина, определяемая электромагнитными полями, возникающими во время работы электроприборов.

Нарушение баланса реактивной мощности ведет за собой изменения в уровне напряжения электросети. Если рост показателей генерируемой реактивной мощности (вырабатывается генерaторaми электростанций и компенсирующими устройствами) превышает показатели потребляемой, то происходит повышение напряжения в сети. Недостаток реактивной мощности приводит к понижению напряжения в сети.

Реактивная мощность активно влияет на режимы напряжения. Показатели потерь, обусловленные передачей реактивной мощности, составляют 1/3 общих потерь напряжения в сетях 6 –10 кВ и 2/3 в сетях с высоким напряжением.

Активное использование реактивной мощности дает:

• увеличение тока и последующие дополнительные потери в проводниках,
• выход напряжения сети за границы номинальных значений,
• увеличение нагрузки на кабельные сети и трансформаторы,
• уменьшение пропускной способности систем электроснабжения и трансформаторов,
• умножение сечений проводов и кабельных линий,
• рост номинальных мощностей или количества трансформаторов на подстанциях.

Рис. 2. Комплектные трансформаторные подстанции СВЭЛ

Перекомпенсaция реактивной мощности несет в себе риски, т. к. повышение сетевого напряжения приводит к коротким замыканиям, выходу электроприборов из строя, возникновению пожара.

Перетоки мощности

Активные потери электроэнергии в электрических сетях вызывают и перетоки мощности. Так как значительная часть электроприемников промышленных предприятий, наряду с активной мощностью, потребляет также и реактивную, то показатели перетоков мощности весьма существенны.

Причины их появления:

1. неправильное подключение оборудования;
2. нестабильность в напряжении и частоте электросети;
3. изношенность оборудования;
4. нарушение баланса мощности, неравномерное распределение в сети;
5. воздействие внешних факторов, таких как грозовые разряды, могут вызвать перетоки мощности;
6. несоответствие нагрузки и ее параметров;
7. нарушение правил эксплуатации.

Негативные последствия перетоков мощности:

1. повреждение оборудования – избыток энергии может привести к перегрузке и перегреву;
2. нарушение работы и сбой системы из-за нестабильности в напряжении и частоте электросети;
3. пожары – перегрузки и перетоки мощности могут вызвать возгорание электрических проводов и оборудования;
4. потери энергии, снижающие эффективность работы системы;
5. неэффективное использование ресурсов;
6. снижение пропускной способности электросетей.

Для снижения перетоков мощности и сокращения отрицательных последствий промышленные предприятия прибегают к использованию компенсирующего оборудования.

Гармонические искажения

Это изменения формы синусоидального сигнала, вызванные наличием дополнительных частотных компонент в сигнале.

Причины гармонических искажений:

1. Нелинейность оборудования: (статические преобразователи частоты, сварочные аппараты, трансформаторы, силовое электрооборудование, выпрямительные установки, дуговые сталеплавильные печи, индукционные печи, частотно-регулируемые электроприводы, циклоконверторы и мн.др.).
2. Несимметричность сигнала относительно нулевой линии.
3. Резонансные явления (емкость электрической сети, индуктивность и сопротивление).
4. Неустойчивость напряжения.
5. Некачественное оборудование.
6. Неправильное подключение оборудования.

Негативные последствия гармонических искажений:

1. Перегрев электрооборудования и кабелей.
2. Снижение эффективности работы оборудования, что может привести к ухудшению качества продукции и увеличению затрат на энергию.
3. Ускоренное повреждение оборудования по причине износа изоляции обмоток и сердечника чрезмерным нагревом токами высших гармоник.
4. Перенапряжение электросети нейтральной перегрузки трехфазных систем – выход из строя или необходимость модернизации.
5. Уменьшение пропускной способности ЛЭП.
6. Воздействие на другие устройства, например, вывод из строя или компьютерной техники, приводов двигателей, осветительных устройств и прочего незащищенного оборудования.
7. Увеличение тока в конденсаторах по причине содержания высших гармоник трехфазной сети (реактивное сопротивление конденсаторов с ростом частоты снижается).
8. Электромагнитные помехи с системами связи.
9. Ошибки в измерениях при использовании счётчиков усреднённых значений.
10. Гармонические искажения могут влиять на здоровье людей, вызывая головные боли, усталость и другие отрицательные последствия.

Способ подавления гармонических возмущений в силовых сетях – специализированное оборудование, фильтры и программы.

Рис. 3. Гармонические искажения однофазной сети

Контроль качества электроэнергии

Контроль качества энергии (ККЭ) помогают анализаторы качества электроэнергии и устройства, способные уменьшить или устранить искажения в электрической сети.

Для контроля качества ЭЭ применяются стандарты и нормативы, устанавливающие допустимые уровни гармонических искажений и других параметров электрической энергии.

К основным задачам контроля качества электроэнергии относятся:

1. Определение уровня гармонических искажений.
2. Измерение показателей тока напряжения.
3. Оценка мощности и энергии.
4. Определение коэффициента и фактора мощности.
5. Обнаружение перегрузок и перенапряжений в сети.
6. Оценка эффективности работы подключенного оборудования.
7. Оценка соответствия нормативным требованиям параметров электроэнергии.
8. Поиск причин возникновения проблем с качеством ЭЭ и разработка способов их устранения.
9. Улучшение качества энергии путем использования фильтров гармонических искажений и иных устройств.
10. Проверка по исполнению требований стандартов в части эксплуатационного контроля показателей электроэнергии.

Приборы и методы контроля качества электроэнергии

1. Анализаторы качества – устройства для измерения и анализа параметров электрической энергии.
2. Мультиметры – приборы для измерения напряжения, тока и сопротивления.
3. Тестеры – устройства, используемые для проверки электрических цепей на наличие проблем, таких как обрывы, короткие замыкания и других неисправностей.
4. Осциллографы – приборы, позволяющие визуально отобразить перемены напряжения и тока во времени.
5. Термометры – устройства, используемые для измерения температуры оборудования.
6. Измерители мощности – приборы, предназначенные для замеров мощности и энергии в сети.
7. Фильтры гармонических искажений – устройства, используемые для устранения гармонических искажений в электрической сети.

Рис. 4. Мультиметр – прибор, который измеряет напряжение, ток и сопротивление

Приборы, устанавливаемые на щитах управления или в распределительном устройстве:

1. Амперметры – устройства для непрерывного контроля величины тока на вводах распределительных подстанций, отходящих линий, перемычках между секциями сборных шин. Если нагрузка равномерная производится установка одного амперметра. Если же нагрузка неравномерная или необходим контроль над каждой фазой (конденсаторные батареи, электрические печи) производится установка по три амперметра.
2. Вольтметры и частотомеры – устройства, которые предназначены для контроля КЭЭ, выявления показателей междуфазного напряжения (сети с заземленной нейтралью до 1000В) и контроля изоляции (сети с изолированной нейтралью). Вольтметры устанавливаются на сторонах выключателей нагрузки трансформаторных подстанций, а том числе на каждой секции шин всех напряжений.
3. Счетчики активной и реактивной электроэнергии – аппараты по расчетному и техническому учету в местах выработки и потребления электрической энергии.

Методы контроля качества электроэнергии:

1. Измерение напряжения, мощности и тока.
2. Анализ гармонических искажений.
3. Измерение температуры оборудования.
4. Визуальный анализ перемены тока и напряжения во времени.
5. Проверка электрических цепей на наличие неисправностей, таких как обрыв, короткие замыкания и др.
6. Мониторинг параметров электрической сети.
7. Анализ данных о потреблении электроэнергии для оптимизации пользования ресурсами и снижения затрат на электроэнергию.
8. Контроль над распределением нагрузок, величиной их составляющих активного и реактивного аспекта, параметрами сети.
9. Учет выработки и обработки электроэнергии.
10. Определение уровня потери энергии в сетях.
11. Регистрация некоторых электрических величин при нормальном и аварийном режиме работы и мн.др.

Стандарты качества электроэнергии

Стандарты, определяющие качества энергии, утверждают перечень требований к параметрам и характеристикам электрической энергии, которые необходимо обеспечивать системам электроснабжения. Эти стандарты определяют допустимые уровни напряжения, частоты, гармонических искажений, перенапряжений и других параметров, которые влияют на деятельность электротехнического оборудования и обеспечивают безопасность людей и имущества. Стандарты также устанавливают виды методов по измерению и оценке параметров качества электрической энергии и требований к компетентности испытательных лабораторий, проводящих такие измерения.

Международные стандарты:

1. IEEE 519-2014 – Стандарт IEEE для гармонических искажений в системах электропитания.
2. IEC 61000-2-4 – Стандарт Международной электротехнической комиссии для измерения и оценки характеристик электрических сетей в отношении нежелательных влияний.
3. EN 50160 – Стандарт Европейского союза для качества электрической энергии в системах электроснабжения.
4. ANSI C84.1 – Стандарт Американского национального института стандартов для напряжения и частоты в системах электроснабжения.
5. AS/NZS 61000.4.7 – Стандарт Австралийского и Новозеландского института электротехники и электроники для измерения и оценки характеристик электрических сетей в отношении нежелательных влияний.

Стандарты качества электроэнергии по ГОСТ:

1. ГОСТ Р 51317.4.30-99 – Стандарт Государственного комитета по стандартизации России для качества электрической энергии в системах электроснабжения.
2. ГОСТ Р 54149-2010 – Стандарт Государственного комитета по стандартизации России для гармонических искажений в системах электропитания.
3. ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2009 – Стандарт Государственного комитета по стандартизации России для оценки компетентности испытательных лабораторий по измерению параметров качества электрической энергии.
4. ГОСТ Р 52343-2005 – Стандарт Государственного комитета по стандартизации России для измерения и оценки характеристик электрических сетей в отношении нежелательных влияний.
5. ГОСТ Р 50571.1-2010 – Стандарт Государственного комитета по стандартизации России для регулирования напряжения в системах электроснабжения.

Декларирование целей по качеству ЭЭ поставщиками обеспечивает:

• Надежное и безопасное функционирование электротехнического оборудования.
• Предотвращение выхода оборудования из строя по причине неисправностей и ситуаций аварийности.
• Улучшение качества жизни потребителей путем поставки стабильного и качественного снабжения электроэнергией.
• Сокращение расходов электроэнергии во время процессов ее передачи и распределения.
• Соответствие установленному перечню требований законодательства и стандартов в области качества энергии.
• Повышение уровня конкурентоспособности на рынке электроэнергии.
• Снижение негативного воздействия для окружающей среды путем снижения выбросов и загрязнения.

Оборудование для повышения качества электроэнергии (УУКЭЭ)

1. Регулирующие трансформаторы с целью поддержки стабильного напряжения в сети.
2. Фильтры, которые удаляют помехи и шумы электросети.
3. Компенсационные устройства для восполнения реактивной мощности и улучшения коэффициента мощности.
4. Системы авторегулирования напряжения с целью поддержки стабильного напряжения на выходе из трансформаторов.
5. Системы по контролю и управлению качеством электрической энергии с функцией мониторинга параметров сети и возможностью оперативной реакции на проблемные процессы.
6. Устройства защиты от перенапряжений и перегрузок, которые предотвращают ущерб оборудования и аварийные ситуации.
7. Электронные регуляторы скорости и частоты вращения электродвигателей, которые позволяют снизить использование электроэнергии и сделать показатели нагрузки на сеть ниже.
8. Устройства снижения гармонических искажений, которые уменьшают влияние нелинейных нагрузок на КЭ.
9. Системы резервного питания, которые обеспечивают непрерывность работы при отключении основного источника электропитания.
10. Системы распределения электрической энергии с применением интеллектуальных технологий, которые позволяют оптимизировать расходы энергии и уменьшить траты на ее формирование.
11. Системы хранения электроэнергии (аккумуляторы и суперконденсаторы, используемые для балансирования нагрузки и понижения пиковых нагрузок на сеть).
12. Устройства мониторинга и управления энергопотреблением, которые позволяют оптимизировать расходование энергии и снизить затраты на ее производство.
13. Устройства обратной связи, которые позволяют операторам сети получать информацию о потреблении энергии и оптимизировать работу системы в режиме реального времени.
14. Системы автоуправления нагрузкой, которые позволяют оптимизировать потребление энергии и снизить затраты на ее производство.
15. Системы энергоэффективного освещения, которые позволяют снизить использование энергии на освещение и улучшить качество света в помещении.

Методы улучшения качества энергии:

• Использование приборов, задачей которых является компенсация реактивной мощности на кабельной линии и стабилизация коэффициента мощности в трёхфазной сети.
• Замена трансформаторов современными установками, которые имеют функцию регулировки под нагрузкой. Данным аппаратам не требуется демонтаж и отключение в условиях падения напряжения, а настройка калибровки возможна в режиме эксплуатации.
• Использование автотрансформаторов с линейными переключателями для изменения величин напряжений на вторичных обмотках, так же работающих без снятия нагрузки.
• Подключение компенсаторов к кабельной силовой сети, гармонизирующих количество вырабатываемой мощности в авторежиме.
• Подключение к сети установок БСК.

Подходы СВЭЛ по улучшению качества электроэнергии

• Мониторинг и анализ качества энергии в системе для выявления проблемы и оптимизации деятельности всего оборудования.
• Использование актуальных технических средств (систем, компенсирующих реактивную мощность с автоматическим регулированием напряжения).
• Эксплуатация высококачественных устройств, способных функционировать при различных условиях электросети, не создавая при этом помех для остального оборудования.
• Обучение персонала работе с оборудованием и правильному использованию электроэнергии, чтобы минимизировать возможные ошибки и повреждения оборудования.
• Регулярное техническое обслуживание оборудования и систем, чтобы предотвратить возможные проблемы и обеспечить надежную работу системы в целом.

Тело человека — источник энергии. Есть шесть гуманных способов получить из него электричество

Ваше тело постоянно генерирует энергию: пока вы тренируетесь, потеете, работаете за компьютером, плачете из-за работы за компьютером или фильма про верного пса, гуляете с псом или без него и даже спите. Современная наука утверждает, что все это можно делать с двойной пользой, и предлагает ряд инновационных решений. Выясняем, насколько мир готов перейти на энергию, генерируемую человеческим телом.

Жара и холод

Наши тела поддерживают постоянную температуру 36,6 градуса — это оптимальный показатель для протекания химических реакций в организме. Чаще всего температура внутри человека отличается от температуры окружающей среды, и процессы генерации и отдачи тепла в теле регулируются. Примерно 75% производимой тепловой энергии рассеивается через кожу без пользы для человека.

Произвести электричество из тепла можно с помощью термоэлектрических генераторов. Такие устройства используют разницу температур между поверхностью кожи и окружающей средой: при этом не важно, где вы находитесь: в пустыне или на Северном полюсе. Чем больше абсолютная разница температур, тем больше электроэнергии вырабатывается — этот принцип называется эффектом Зеебека: если два провода из разных материалов замкнуть в электрический контур, а в местах соединения проводов поддерживать разную температуру, по этому контуру потечет электрический ток.

Мощность, с которой человеческое тело в состоянии покоя вырабатывает тепло, — около 80–100 ватт — это мощность примерно 12 светодиодных лампочек. При занятиях спортом выделение тепла усиливается, продолжается оно даже во сне, пусть и с меньшей мощностью — 60–80 ватт. Пока вы спите, браслет с термоэлектрическим генератором на запястье может преобразовать до 4,5% вашей тепловой энергии в электричество и накопить достаточно для зарядки смартфона. Будь такое устройство на руке у каждого из нас в течение 8 часов каждый день, тепло, вырабатываемое восьмью миллиардами жителей Земли, могло бы обеспечить до 25% потребляемой в мире электроэнергии.

Николай Киселев

ведущий специалист инжинирингового центра Российского экономического университета

В устройствах, основанных на термоэлектрохимических ячейках, как и у любых батареек или конденсаторов, есть электролит и электроды. Правда, КПД таких устройств пока не превышает нескольких процентов.

Вместо антиперсперанта — гидрогель и биотопливный элемент

Пот — это не просто соленая вода. В небольших количествах в нем присутствует лактат — продукт метаболизма, который при физических нагрузках выделяется из молочной кислоты в скелетных мышцах, затем попадает в кровь, органы и другие мышцы, где используется для накопления энергии.

Чтобы применить лактат для генерации электричества, ученые создали биотопливные элементы на основе углеродных нанотрубок . Устройство напоминает лейкопластырь с электродами, на поверхности которых — окисляющие ферменты. Электрохимические реакции между ферментами и лактатом в составе пота ведут к генерации электрического тока. Концентрация лактата в поте повышается при физических нагрузках, поэтому электроэнергию лучше запасать во время тренировок. Выходной мощности должно хватить для питания небольшой техники — наушников, электронных часов, фитнес-браслетов.

Во время отдыха тело человека тоже может побыть «электростанцией». Используя технологию окисления лактата, ученые создали маленькие пластины с гидрогелем и биотопливным элементом. Пластины крепятся на подушечки пальцев, где находится самая высокая концентрация потовых желез в человеческом теле. Скорость потоотделения на пальце достигает нескольких микролитров на квадратный сантиметр в минуту — в 2­–3 раза быстрее, чем на других участках тела. Произведенной за восемь часов работы устройства энергии хватит, чтобы зарядить наручные часы.

Слезы, пролитые не напрасно

В слезах и слюне содержится лизоцим — фермент , который помогает разрушать стенки бактериальных клеток. Еще в 1965 году, до открытия пенициллина, Александр Флеминг исследовал потенциал этого белка в качестве антибиотика. В 2018 году лизоцим начали использовать для получения электричества. Для этого из кристаллов лизоцима создали пленку и зажали ее между двумя стеклами. Эффект, когда ток возникает при механическом воздействии на твердое тело, называется пьезоэлектрическим.

Лицозим — первый белок, используя который получили пьезоэлектричество. По эффективности кристаллы лицозима не уступают кристаллам кварца — известного пьезоэлектрика. Но, в отличие от минерала, лизоцим — биологический материал с противомикробными свойствами, и его можно использовать для биомедицинских устройств, таких как кардиостимуляторы.

В слезах есть и другие электрически перспективные вещества: глюкоза, молочная и аскорбиновая кислоты. Научный коллектив из России и других стран использовал эти соединения как топливо для умных контактных линз. В них встроены электрические сенсоры, измеряющие уровень сахара в организме. Для подпитки сенсоров ученые создали биотопливный элемент, который конвертирует аскорбат и кислород в энергию.

доктор химических наук

Мощность электрохимической ячейки очень мала — исходя из концентрации аскорбата и скорости слезотечения, она может составлять до 22,1 микроватта. Но этого достаточно для питания микро-датчика, особенно если увеличить размеры электродов , задействовав обе стороны линзы.

Электрическое сердце

Сердце окружено электромагнитным полем. Каждое сокращение мышечной ткани вызывает электрический импульс, который и фиксируют электрокардиограммы. Если ритм и скорость биения сердца нарушаются, это можно скорректировать имплантацией кардиостимулятора, который регулирует импульсы. Такое устройство состоит из микросхемы и аккумулятора, последний приходится заменять каждые 5–10 лет.

Бессрочным источником энергии может стать само сердце. Чип из наноразмерных слоев цирконата-титаната свинца — пьезоэлектрического материала — вживляется в сердце. С каждым его ударом вырабатывается электричество и накапливается в небольшой батарее. Опыты на крупных животных показали, что организм не отторгает чип.

«ГЭС» через кровоток

Кровь непрерывно движется по организму, проходя через капилляры, артерии и вены подобно реке с ее порогами и притоками. Если с помощью плотин люди конвертируют энергию падающей воды в электричество, то почему бы не установить миниатюрную «гидроэлектростанцию» в сосудах?

Модель подобной «плотины» разработали из волокон на основе углеродных нанотрубок. В экспериментах ее прикрепляли к электродам и погружали в раствор, имитирующий кровоток. При движении жидкости волокна помогали вырабатывать электричество подобно речным гидроэлектростанциям.

Энергия, которую можно услышать

Во внутреннем ухе млекопитающих находится естественный аккумулятор — ушная улитка, где генерируются крошечные электрические напряжения — 80–100 милливольт. Это эндокохлеарный потенциал, который обеспечивает работу волосковых клеток, воспринимающих звуки. Далее механическая энергия звуковых волн преобразуется в электрические импульсы, посылаемые в слуховой нерв мозга.

Для сбора электрической энергии разработали чип размером с ноготь. Его протестировали на внутреннем ухе морской свинки: мощность чипа составила около одного нановатта (одна миллиардная часть ватта) — это в миллион раз меньше, чем нужно для питания электронного имплантата, но работы по увеличению мощности продолжаются.

Использовать человеческие тела для электроснабжения городов пока не научились. Сначала, по мнению ученых, появятся самопитающиеся имплантаты и кардиостимуляторы: их энергетические запросы невелики. На клинические испытания и разрешение испытаний на живых людях потребуются годы. Энергоемкие устройства, накапливающие электричество от пота или тепла, еще долго будут слишком дорогими, чтобы обрести массовую популярность. Пока новая эра гибкой электроники не наступила, более 60% электроэнергии люди будут получать из ископаемого топлива, а хранить ее помогут привычные аккумуляторы и батарейки.

Емкость аккумуляторной батареи.

Емкость аккумуляторов — количество электрической энергии, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при определенном режиме разряда и температуре от начального до конечного напряжения. Единицей СИ для электрического заряда является кулон (1Кл), но на практике емкость обычно выражается в ампер-часах (Ач).
Емкость измеряют в ампер-часах и определяют по формуле:
C=Ip _* tp, где С– емкость, Ач;
Ip – сила разрядного тока, А;
Tp – время разряда, Ч.
Номинальная емкость — емкость, которую должен отдать новый полностью заряженный аккумулятор в нормальных условиях разряда, указанных в стандарте на этот аккумулятор. При этом напряжение не должно упасть ниже определенной величины.
Так как емкость зависит от разрядного тока и конечного разрядного напряжения, в условном обозначении аккумуляторов указывается емкость, соответствующая определенному режиму разряда. Для стартерных аккумуляторов за номинальную принимается емкость при 20-часовом, стационарных при 10-часовом, тяговых при 5-часовом режимах разряда.
Пример оценки ёмкости батареи 20-часовым режимом разряда, током 0.05 С20 (током, равным 5% от номинальной ёмкости).
Если ёмкость батареи 55Ач, то разряжая ее током 2.75А, она полностью разрядится за 20 часов. Аналогично для батарей ёмкостью 60Ач полный 20-часовой разряд произойдет при чуть большем токе разряда — 3А.
Отдача по емкости — отношение количества электричества, полученного от аккумулятора при разряде, к количеству электричества, необходимого для заряда аккумулятора до первоначального состояния при определенных условиях.
Она зависит от полноты заряда. Часть же заряда теряется на газообразование, это уменьшает коэффициент отдачи.
Емкость остаточная – величина, соответствующая количеству электричества, которое может отдать частично разряженный аккумулятор при установленном режиме разряда до конечного напряжения .
Резервная ёмкость аккумуляторной батареи — время, в течение которого батарея сможет обеспечить работу потребителей в аварийном режиме. Величина резервной ёмкости, выраженная в минутах, последнее время все чаще проставляется изготовителями стартерных аккумуляторных батарей после значения тока холодного старта.
Емкость зарядная — количество электричества, сообщаемое аккумулятору во время заряда . Зарядная емкость АКБ всегда больше разрядной из-за потерь энергии на побочные реакции и процессы.
При постоянном токе заряда l зарядная емкость С= I _* t, где t — время заряда.
Измерение емкости ведется до падения напряжения хотя бы одного элемента аккумуляторной батареи до величины, регламентированной для конкретного режима разряда.
В течение срока службы емкость АКБ изменяется. В начале срока службы она возрастает, так как происходит разработка активной массы пластин. В процессе эксплуатации емкость некоторое время держится стабильной, а затем начинает постепенно уменьшаться из-за устаревания активной массы пластин.
Емкость батареи зависит от количества активного материала и конструкции электродов, количества и концентрации электролита, величины тока разряда, температуры электролита, степени изношенности аккумулятора, наличия посторонних примесей в электролите и других факторов.
При увеличении тока разряда емкость батареи уменьшается. АКБ при форсированных режимах разряда отдают емкость меньше, чем при разряде более длительными режимами (небольшой величиной тока). Поэтому на аккумуляторах могут быть обозначения при 3,5,6,10,20 и 100 часах разряда. При этом емкости одной и той же батареи будут совершенно разные. Наименьшая будет при 3-часовом разряде, наибольшая при 100 часовом.
С повышением температуры электролита емкость растет, но при излишне высоких температурах уменьшается срок их службы . Это происходит потому, что при повышении температуры электролит легче проникает в поры активной массы, так как уменьшается его вязкость и увеличивается внутреннее сопротивление. Поэтому в реакции разряда принимает участие больше активной массы, чем при заряде, производившемся при более низкой температуре.
При низких же температурах емкость и полезное действие АКБ быстро уменьшается.
Если увеличить концентрацию ( плотность электролита ), то емкость также увеличится, но аккумулятор быстро выйдет из строя из-за разрыхления активной массы батареи.

Похожие статьи

Проверка аккумуляторной батареи нагрузочной вилкой.

Нагрузочные вилки применяются для определения электрического напряжения (под нагрузкой) на клеммах аккумуляторной батареи, состоящей из последовательно соединенных элементов 1,2 и 2В. Они используются..

Сульфатация аккумуляторных батарей.

«Сульфатация» — в настоящее время одна из основных неисправностей свинцовых аккумуляторных батарей. Под термином «сульфатация» электродов (пластин) в свинцово-кислотных аккумуляторах понимают такое с..

Что такое аккумулятор.

Аккумулятор (элемент) — состоит из положительных и отрицательных электродов (свинцовых пластин) и сепараторов разделяющих эти пластины, установленных в корпус и погруженных в электролит (раствор серно..

Эксплуатационные дефекты в аккумуляторах

В процессе эксплуатации аккумуляторов могут возникать проблемы. Причины эксплуатационных дефектов: Низкая степень заряженности (менее 75 %): — может являться результатом слабого натяжения ремня п..