«Источники энергии»

В.С.Лаврус

Источники энергии

Серия "Информационное Издание", Выпуск 3

Никакая деятельность невозможна без использования энергии. Неисправности в сетях и перебои подачи электроэнергии парализуют все виды деятельности. В сложившихся условиях потребителю самому следует принимать дополнительные меры по энергообеспечению и защите своего оборудования. В книге отражено сегодняшнее техническое состояние энергетики как отрасли, представлен обзор устройств для получения и преобразования электрической энергии.

Правильный выбор необходимого Вам устройства помогут осуществить приведенные в книге сравнительный анализ и оценки эффективности доступных для практического использования устройств (информация предоставлена представительствами фирм-производителей).

Оглавление

Введение

Глава 1. Энергетика вчера и сегодня

Глава 2. Химические источники тока

2.1. Стационарные аккумуляторы

2.1.1. Сепараторы

2.1.2. Электролит

2.2. Стационарные аккумуляторы VARTA

2.2.1. Типы пластин аккумуляторов

2.2.2. Материал положительного электрода

2.2.3. Герметизация

2.2.4. Проектирование батарейных установок

2.3. Стационарные аккумуляторы FIAMM

2.3.1. Общие характеристики

2.3.2. Конструкция

2.3.3. Режимы работы

2.4. Аккумуляторы Hawker Batteries Group

2.4.1. Аккумуляторы серии Powersafe

2.4.2. Аккумуляторы "Pure Lead Technology"

2.5. Топливные элементы

Глава 3. Системы бесперебойного электропитания

3.1. Классификация источников бесперебойного питания

3.1.1. Резервные ИБП (Off-Line)

3.1.2. ИБП с двойным преобразованием (On-Line)

3.2. ИБП Chloride Power Electronics

3.3. ИБП American Power Conversion

3.3.1. Второе и третье поколение ИБП APC

3.3.2. Выбор ИБП

3.3.3. Соединение приборов

3.3.4. Обслуживание и ремонт ИБП

3.4. ИБП Best Power

3.4.1. Нетрадиционные применения ИБП

3.4.2. Использование ИБП для оргтехники

3.5. Преобразовательная техника фирмы Benning

3.5.1. Выпрямители

3.5.2. Тиристорные выпрямители

3.5.3. Инверторы

3.5.4. Стабилизаторы и преобразователи постоянного напряжения

3.5.5. Управление устройствами электропитания

3.6. Преобразовательная техника фирмы Voigt & Haeffner

Глава 4. Автономные источники энергии

4.1. Дизель-генераторные установки фирмы ABZ Aggregate-Bau GmbH

4.1.1. Выбор способа управления агрегатом

4.1.2. Сферы применения дизель-агрегатов

4.2. Дизель-генераторы концерна SDMO

4.3. Солнечная энергия

4.3.1. Гелиоустановки на широте 60o

4.3.2. Гелиомобиль сегодня

4.3.3. Преобразователи солнечной энергии

4.3.4. Концентраторы солнечного света

4.3.5. Жилой дом с солнечным отоплением

4.4. Энергия ветра

4.4.1. Ветер

4.4.2. Упряжь для ветра

ВВЕДЕНИЕ

Никакая деятельность невозможна без использования энергии. Производительность -- и, в конечном счете, прибыль -- в значительной степени зависит от стабильности подачи энергии. Наличие энергии -- одно из необходимых условий для решения практически любой задачи.

Получением, а правильнее сказать, преобразованием энергии лучшие умы человечества занимаются не одну сотню лет. Производство энергии предполагает ее получение в виде удобном для использования, а само получение -- только преобразование из одного вида в другой.

В предлагаемой книге ставилась цель представить сегодняшнее техническое состояние энергетики как отрасли и ассортимент источников и устройств преобразования электрической энергии, доступных для практического использования, от производителей присутствующих на нашем рынке. В приводимых примерах использован опыт разработок реальных проектов отечественных и зарубежных фирм (см. стр. 106).

Из всех отраслей хозяйственной деятельности человека энергетика оказывает самое большое влияние на нашу жизнь. Просчеты в этой области имеют серьезные последствия. Тепло и свет в домах, транспортные потоки и работа промышленности -все это требует затрат энергии.

Основой энергетики сегодняшнего дня являются топливные запасы угля, нефти и газа, которые удовлетворяют примерно девяносто процентов энергетических потребностей человечества (гл. 1).

Одной из важных проблем в энергетике, кроме получения энергии, является обеспечение возможностей ее хранения и транспортирования. Химические источники тока, известные более 100 лет, позволяют вырабатывать, хранить и преобразовывать энергию. Они являются непременными спутниками любых автономных источников энергии (гл. 2).

Наиболее универсальная форма энергии -- электричество. Оно вырабатывается на электростанциях и распределяется между потребителями посредством электрических сетей коммунальными службами. Прекращение подачи электроэнергии парализует все виды деятельности. Для того чтобы этого не произошло -- используются системы бесперебойного электропитания и автономные источники энергии (гл. 3 и 4).

Потребности в энергии продолжают постоянно расти. Наша цивилизация динамична. Любое развитие требует, прежде всего, энергетических затрат и при существующих формах национальных экономик многих государств можно ожидать возникновения серьезных энергетических проблем. Более того, в некоторых странах они уже существуют.

Даже если энергетического кризиса удастся избежать, мир, рано или поздно, неизбежно столкнется с тем, что основные виды традиционного топлива будут исчерпаны. Запасы нефти, газа, угля не бесконечны. Чем больше мы используем эти виды энергетического сырья, тем меньше их остается и тем дороже с каждым днем они нам обходятся.

Несмотря на то, что количество разведанных запасов некоторых энергетических ресурсов, например, нефти, возрастает, перед человечеством уже сегодня встает задача освоения неисчерпаемых источников энергии.

В течение следующего века начнется переход к другим источникам энергии, после чего человечество прочно встанет на путь создания неисчерпаемой системы снабжения энергией.

Поскольку, еще можно выбирать между различными источниками энергии решающее значение для выбора имеет стоимость энергии. В отличие от нефти сегодня в мире не существует каких-то единых цен на уголь. Его стоимость колеблется в зависимости от содержания тех или иных компонентов, возможности использования для определенных целей, условий транспортировки и т.д.

Что касается ядерной энергии, то здесь ситуация парадоксальна. Можно утверждать, что атомная энергетика возникла слишком рано и одновременно слишком поздно.

Если мы говорим "рано", то это означает, что ее использование еще не стало насущно необходимым, так как сегодня и в ближайшие десятилетия еще есть возможность пользоваться нефтью и газом. Во втором случае речь идет о том, что использование возможностей атомной энергетики не внесло существенного вклада в энергетику [1].

До настоящего времени работы по управляемому термоядерному синтезу не вышли из экспериментальной стадии. Поэтому на этот вид безграничных энергетических ресурсов пока рассчитывать не приходится.

Земля каждый день получает от Солнца в тысячу раз больше энергии, чем ее вырабатывается всеми электростанциями мира. Задача здесь состоит в том, чтобы научиться практически использовать хотя бы ее небольшое количество (гл. 4). Нельзя утверждать, что широкомасштабное использование солнечной энергии не будет иметь никаких последствий для окружающей среды, но все же они будут несравненно меньшими, чем в традиционной энергетике.

Глава 1

ЭНЕРГЕТИКА ВЧЕРА И СЕГОДНЯ

На протяжении почти 80 лет электроэнергетика развивалась и функционировала как общенациональная монополия. Каждая республика бывшего Союза являлась интегрированной частью единой энергетической системы (ЕЭС). В 1991 году начался процесс децентрализации и дезинтеграции ЕЭС и электроэнергетики. Начался процесс реформирования отрасли, что привело к снижению качества и росту цен на электроэнергию.

В эпоху угольной и мазутной энергетики необходимо было получать электричество и тепло на крупных станциях, а затем передавать их потребителям находящимся на расстоянии. Такие системы были оправданы -- они возникли в те годы, когда основным источником энергии для страны был каменный уголь. Сжигать его трудно -- нужна сложная техника для размола. Кроме того, следовало располагать станции подальше от жилья.

Затем появились электростанции и котельные на мазуте. Но мазут -- это топливо доступное только для сжигания на крупных установках, причем, с обилием выделяемых токсичных газов в выбросах из дымовых труб.

Атомные электростанции наносят не меньший ущерб. Утилизация отработанного топлива ядерных реакторов и тепла, последствия радиоактивных выбросов и аварий -- неполный перечень недостатков "мирного атома".

Зачастую мы не можем в абсолютных единицах выразить ущерб, который всегда наносит любая тепло- или электростанция. Выбор вариантов развития энергетики разумен только в том случае, если сравниваются не только положительные, но и отрицательные факторы.

В кипении политических страстей частный вопрос об энергоснабжении страны отодвинулся на второй план. Многие считают, что этот вопрос их не касается. Но если представить реакцию населения замерзающего в темных квартирах -- энергетика опередит даже продовольственный вопрос.

Лозунг "Долой атомные электростанции" используют деятели всех мастей. "Зеленые" его применяют в прямом смысле. Противостоящие им апологеты (апологет -- тот, кто выступает с защитой какой-либо идеи) нынешних гигантских электростанций тоже любят этот лозунг, как пример очевидной некомпетентности и недальновидности "зеленых": "Посидят, дескать, в темноте -запоют иначе" [2].

Главные объекты дискуссий -- тепловые, гидравлические и атомные электростанции. Каждая из этих "фабрик электричества" имеет серьезные недостатки из которых на первое место выдвигается наносимый ими экологический ущерб.

Для понимания "что такое хорошо и что такое плохо" в энергетике необходимы критерии учитывающие необходимость продолжения хозяйственной деятельности человека и, наряду с этим, минимизирующие ущерб наносимый окружающей среде.

Основной вклад в загрязнение атмосферы углекислым газом вносят ТЭЦ, ГРЭС и автомобили. Атомные электростанции не выбрасывают углекислый газ, а потому "парниковый эффект" стал главным аргументом у сторонников атомной энергетики.

Достаточно большим энергетическим потенциалом обладают разведанные запасы газа. С экологической точки зрения у природного газа два недостатка: выбросы окислов азота и углекислого газа усиливающего парниковый эффект. При умелом сжигании газа, в парогазовых установках, окислов азота образуется немного (см. стр. 9), а выбросы углекислого газа примерно вдвое ниже, чем при использовании угля или нефти.

До того как мы научимся получать энергию в больших количествах из принципиально новых источников будут использоваться традиционные виды топлива. Поэтому разрабатываются новые месторождения и исследуются процессы, позволяющие эффективнее использовать энергию ископаемого топлива и уменьшить связанное с этим загрязнение окружающей среды.

В этой главе мы хотим показать, что нет оснований слепо верить тем, кто рисует наше будущее в мрачных тонах, кто постоянно твердит, что близится "конец света", что энергетический кризис и загрязнение окружающей среды в течение десятилетий угробят человечество.

Парниковый эффект

Опасность парникового эффекта человечество осознало сравнительно недавно [1]. Наряду с термическими процессами, происходящими внутри нашей планеты, большую часть энергии несет излучение солнца.

Температура излучающей поверхности Солнца около 6000oК. Падающая на Землю энергия переносится излучением с длиной волны от 0,2 до 2 мкм (кривая 1 на рис. p082). Излучаемая земной поверхностью, со средней температурой в 255oК, энергия распространяется в диапазоне длин волн от 2 до 100 мкм (кривая 2 на рис. p082).

Водяной пар атмосферы свободно пропускает прямое солнечное излучение и сравнительно слабо задерживает его отражение. Активное поглощение водой приходится на диапазон 4...7 мкм. На рис. p082 этот диапазон занимает узкий участок спектра (участок H2O кривой 2). Углекислый газ (СО2) поглощает излучение на частотах 13...19 мкм. Он задерживает отраженное тепло на участке кривой 2.

Таким образом, "углекислотное одеяло" повышает температуру планеты. Рост температуры коррелирует с ростом концентрации углекислого газа в атмосфере.

На рис. p083 показано изменение концентрации СО2, измеренное на Гавайских островах. Там нет промышленных центров, поэтому можно считать, что регистрировалась "общемировая" картина. Замеры за 25 лет показали, что с 1959 по 1984 год, количество углекислого газа в атмосфере возросло.

За десятилетие 1970...80 гг. повышение температуры земной поверхности составило 0,3oС. В последующие десятилетия прогнозировался рост температуры на несколько градусов. Реальное повышение температуры происходит несколько медленнее. Однако, в будущем потепление может стать причиной глобального экологического бедствия -- привести к таянию полярных льдов, повышению уровня и затоплению прибрежных территорий мирового океана. По предварительным оценкам таяние полярных "шапок" Земли приведет к повышению уровня мирового океана на 6 метров.

Топливные ресурсы Земли

После нефтяного кризиса 1973...74 годов в развитых странах серьезно задумались об экономии природного топлива. С той поры начался интенсивный поиск энергосберегающих технологий -конструирование экономичных двигателей, электростанций и пр.

В результате потребности в топливе а, соответственно и цены на него, не только стабилизировались, но даже снизились. Изменились, став более оптимистичными, прогнозы относительно природных топливных запасов.

К примеру, прогнозы не учитывают гигантские резервы газовых гидратов (газовые гидраты -- газы, связанные с водой в зонах вечной мерзлоты и на дне морей). Но даже если этот сырьевой источник не брать в расчет, то имеющихся ресурсов, при незначительном замещении нефти углем и газом, вполне достаточно, чтобы обеспечить уверенное энергетическое обеспечение человечества до конца следующего столетия. Так что в обозримом будущем природные ресурсы смогут успешно конкурировать как с еще только осваиваемым водородом, так и с синтетическими видами топлива. Цифры, приводимые на рис. p065, показывают в каком соотношении используется ископаемое топливо [3].

Имеющиеся в нашем распоряжении источники энергии мы используем в высшей степени нерационально. Человек вынужден неоднократно преобразовывать один вид энергии в другой пока окончательно ее не использует.

Каждое преобразование сопровождается потерями части энергии. На электростанциях из топлива получают тепловую энергию, используемую для производства пара. Пар, в свою очередь, приводит в движение турбины. Теперь уже механическая энергия, которая передается генераторам, преобразуется, в конечном счете, в электроэнергию. При использовании электронагревательных приборов полученная многократными преобразованиями и поэтому дорогая электрическая энергия превращается вновь в тепловую. В результате из всей получаемой энергии мы реально потребляем не более половины, остальная безвозвратно теряется.

Потери тепловой энергии на первой ступени не позволяют получить КПД выше 40%. Отработанное тепло попадает в водоемы и нарушает в них биологическое равновесие. Тепловые электростанции сжигающие уголь день и ночь выбрасывают в атмосферу тонны соединений углерода (ежегодно в атмосферу выбрасывается около шести миллиардов тонн углерода [3]) и серы. Последние вступают в химическую реакцию с влагой, содержащейся в воздухе, образуя кислоты разъедающие сталь и мрамор и, что намного хуже, разрушающие наши легкие.

В сравнении с традиционными паротурбинными электростанциями, ТЭЦ и котельными более эффективна газовая микроэнергетика. Малые установки позволяют вырабатывать необходимое количество энергии в соответствии с текущими потребностями в непосредственной близости от потребителя. Они обладают высокой надежностью и малоинерционны. Стоимость оборудования на киловатт мощности вдвое ниже, чем на крупных ТЭЦ.

Важное преимущество газовой микроэнергетики -маневренность. Изменить электрический режим можно за секунды, тепловой режим -- за минуты, вместо многих часов изменения режима в обычных тепловых сетях. Практическая нерегулируемость сегодняшних тепловых источников с длинными сетями приводит к перерасходу энергии: когда зимой потеплеет и мы открываем окна, выбрасывая избыток тепла на улицу.

Отметим еще одну деталь: за все потери в энергетике, в конечном счете, платит потребитель.

Нефть -- источник энергии и сырья

Долгое время нефть не находила применения как топливо и сырье. Только в начале ХIХ века из "земляного масла", как ее тогда называли, стали выделять очищенные продукты. Прежде всего, научились получать керосин и бензин. Керосин нашел применение сразу с появлением керосиновой лампы. Судьба бензина оказалась более сложной. На протяжении почти ста лет эта легковоспламеняющаяся жидкость была одним из опаснейших отходов нефти.

Бензина с каждым годом становилось все больше и от него все труднее было избавляться. К началу ХХ века вес уничтожаемого бензина исчислялся сотнями тысяч тонн в год. Объявлялись конкурсы -- кто найдет лучший способ уничтожения отходов. Только изобретение двигателя внутреннего сгорания открыло реальную область применения бензина [4].

Нефть содержит до 50% мазута, который также не находил применения. В настоящее время из него изготавливают смазки и сжигают в специально разработанных топках котлов.

Месторождения нефти на материках, которые могут быть освоены отработанными методами, давно и хорошо известны. Их эксплуатация идет полным ходом.

На протяжении многих лет специально оборудованные суда, ведущие разведку нефти, тщательно исследуют морское дно. Геологи связывают свои надежды, прежде всего, с шельфом (шельф [англ. shelf] -- подводное продолжение материка, до глубины 200 м) -- дном мелководных морей, омывающих все без исключения части света.

В морях, которые глубоко вдаются в материки, шельфовые зоны сравнительно велики, поскольку вокруг лежит суша. Берега в таких местах, как правило, омываются мелководьем.

Наиболее перспективное шельфовое море -- Северное. Сейсмическое зондирование и контрольное бурение показало, что под его дном находятся несколько десятков нефтяных месторождений. Согласно оценкам, суммарные разведанные запасы нефти в Северном море достигают 1,5 млрд. т. Это в семь раз превышает запасы нефти на Европейском континенте.

Специалисты полагают, что до сих пор разведана около 1/3 нефти. Кроме нефти под дном Северного моря обнаружено около 50 газоносных месторождений.

В связи с этим становится понятной дальновидность построения морских терминалов, например, в Одессе. Нефть нужно переработать. При этом получают не только топливо, но и сырье.

Газификация угля

Кроме непосредственного сжигания уголь может использоваться как сырье для получения синтетического газа. Первые опыты по газификации угля относятся к концу ХVIII века. В 1782 году Ф. Фонтана сообщил о наблюдавшейся им реакции образования "горючего газа" при пропускании водяного пара через раскаленный уголь.

Опыты по получению газа для освещения проводились в Англии в начале ХIХ века. В 1831 г. Дж. Лоу предложил сжигать уголь в атмосфере воздуха, а затем газифицировать пропуская через него водяной пар. В 1840 г. был построен первый газогенератор. В 1854 г. -- зарегистрирован первый патент на технологию газификации угля в промышленных масштабах.

Рост доли промышленного использования в энергетике нефти и природного газа сделал процессы газификации угля конкурентоспособными. Энергетические компании снова обратили на него внимание в период энергетического кризиса 1973...74 гг.

Производительные технологии разработаны в начале ХХ века. Известен метод газификации угольной пыли, предложенный Винклером, в начале 20-х годов. Фирма "Лугри" разработала технологию получения газа, обладающего высокой теплотворной способностью, с использованием кислорода и водяного пара под давлением.

С точки зрения экологии любые виды газификации угля только увеличивают вредные выбросы. При сжигании выбросы окислов серы и азота остаются велики даже при очень дорогостоящих очистных сооружениях, а выбросы основного продукта сгорания -углекислого газа -- неустранимы.

Если теплоэлектростанции наряду с уловителями золы и очисткой сточных вод оборудуются установками для серо- и азотоочистки, то они, безусловно, дорожают. Расчеты показывают, что энергия угольных ТЭЦ обойдется вдвое дороже газовых.

Таким образом, представляется, что для энергоснабжения экономичнее использовать природный газ.

Газовая микроэнергетика

Газ -- наиболее эффективный вид топлива. Природный и попутный горючий газ состоит из углеводородов с примесью азота, углекислого газа, сероводорода и в небольших количествах аргона и гелия. В его состав входит 40...80% метана и пропана, 20...60% бутана, пентана и высших углеводородов, а теплотворная способность достигает 4,19 кДж/кг.

Газ как топливо создает единственную экологическую опасность -- токсичные окислы азота в продуктах горения. В малых котлах их образуется в пять раз меньше (на единицу вырабатываемой энергии), чем в больших. Кроме того, существуют хорошо проверенные простые методы дальнейшего снижения окислов азота в выбросах путем подмешивания части дымовых газов к входящему воздуху, то есть с рециркуляцией или дожиганием.

Дожигатель монтируется на любую горелку и обеспечивает медленное, с многократной рециркуляцией, вихревое движение горящих газов дающее полное сгорание -- без сажи и при минимальных количествах окислов азота. Этот метод используется при сжигании не только природного газа, но и отработанного машинного масла из автомобильных двигателей или резиновых отходов и старых шин.

Малые энергоустановки на базе двигателей внутреннего сгорания на газовом топливе (или газовых турбин), турбогенератора и котла-утилизатора для комбинированной выработки электроэнергии и тепла представляются реальной основой газовой энергетики. В тех случаях, когда необходимо только тепло (отопление, горячая вода), достаточно установить на чердаке здания небольшой полностью автоматизированный водогрейный котел.

Газовые трубы вместо тепломагистралей

Плотность потока энергии в газовой трубе, даже при невысоком давлении, в сто раз выше, чем в трубе с горячей водой. Уложенные до войны газовые трубы служат до сих пор. В то же время тепловые сети с водой, нагретой до 100...180oС, приходится менять каждые пять-десять лет из-за неустранимой коррозии металла в горячей и влажной среде. Поэтому одну и ту же энергию можно передать в газовой трубе десятикратно меньшего диаметра, кроме того, газовые сети многократно долговечнее.

Вместо тепловых магистралей диаметром около метра, которые хорошо знакомы жителям городов, газовая труба диаметром 100 миллиметров может быть проведена всюду практически без "травм" для окружающих сооружений.

Малые современные водогрейные котлы с полной конденсацией дымовых газов имеют КПД не ниже 90%. При нагреве воды для горячего водоснабжения от 10 до 100oС температура уходящих газов составляет всего 20...30oС. Рециркуляцией дымовых газов выбросы окислов азота снижаются до 30 частиц на миллион. Это лучше, чем при любых способах очистки, применяемых на больших электростанциях. Котлы полностью автоматизированы, они не требуют обслуживания кроме периодического осмотра.

На графике рис. p081 отражены результаты эксплуатации такого котла тепловой мощностью 300 кВт. Как видно из графиков, даже в трудном режиме малой нагрузки (20% от номинальной) достаточно рециркулировать 25% газов, чтобы добиться малых выбросов.

При такой же единичной мощности -- сотни киловатт можно решать и задачу снабжения электроэнергией. Здесь хорошим примером служат дизель-генераторы, поставляемые фирмой ABZ Aggregate-Bau GmbH (см. гл. 4.1). Дизельный двигатель на природном газе вращает синхронный генератор, дающий электроэнергию. Тепло охлаждения двигателя и выхлопных газов используется для отопления и горячего водоснабжения. Низкий уровень шума и малые выбросы окислов азота и других вредных газов приемлемы даже для условий города с особо высоким уровнем требований.

В жилых домах подобные агрегаты размещаются на верхнем этаже либо в подвале. Их возможный шум или вибрация меньше, чем от лифтовой машины или водяных насосов. Запуск и остановка проводятся автоматикой в соответствии с реальной нагрузкой. Никакой проблемы маневренности не возникает. При неисправности агрегата его не ремонтируют, а заменяют, привозя новый двигатель или генератор.

Эффективность малой энергетики по расходу топлива, несомненно, выше, чем при традиционном централизованном теплоснабжении от паротурбинных ТЭЦ. Дизельные двигатели имеют КПД около 42%, тогда как паротурбинные установки, даже самые совершенные -- не выше 39%. К тому же при доставке преобразованной энергии потребителю в тепловых сетях теряется в среднем не менее 10% энергии, тогда как в газовой таких потерь нет совсем.

Газ -- соперник бензина

Повсеместный рост количества автомобилей потребовал значительного увеличения объемов производства бензина. В качестве замены жидкого топлива для двигателей внутреннего сгорания широко используется природный газ.

Когда в тридцатые годы прошлого века англичанин Барнетт получил патент на газовый двигатель, а в 1860 году француз Э. Ленуар построил мотор, работающий на смеси воздуха и газа, никого такой выбор горючего не удивил -- бензина еще не было.

Впервые бензин в качестве горючего был использован лишь спустя два десятилетия, когда Г. Даймлер создал бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Бензиновый мотор заменил лошадь в первых "самодвижущихся колясках" -- автомобилях, создателями которых стали Карл Бенц и Готлиб Даймлер.

О газе как о возможном моторном топливе надолго забыли. Лишь через 100 лет после Барнетта, в конце тридцатых годов нашего столетия, возродилась мысль о его использовании. Тогда появились первые газогенераторные автомобили. Газ вырабатывался в топке, а оттуда подавался в двигатель.

Октановое число 105?

Исследования опровергли устоявшееся мнение, что использование газа вместо бензина -- вынужденная мера. Газовое топливо сгорает полнее, поэтому концентрация окиси углерода в выхлопе газового двигателя в несколько раз меньше.

Автомобиль на бензине выбрасывает в атмосферу сернистый газ, который образуется от сгорания сернистых компонентов топлива, и тетраэтилсвинец. В природном газе серы, как правило, нет, а поэтому в выхлопах газового двигателя нет ни сернистого газа, ни соединений свинца.

В отработанных газах бензинового двигателя из-за неполного сгорания топлива содержится и окись углерода (СО) -- токсичное для человека вещество.

И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества -- этил и этилен, а газовый двигатель -- метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен (см. рис. p064).

Газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам.

Двигатель внутреннего сгорания автомобиля работает по классическому четырехтактному циклу. Газообразная смесь воздуха и топлива всасывается в цилиндр двигателя, сжимается поршнем, воспламеняется искрой, давит на поршень и двигает шатунный механизм, а затем выбрасывается из цилиндра.

Чем сильнее можно сжать топливо без возникновения детонации (детонация [лат. detonare прогреметь] -распространение пламени в веществе со скоростью, превышающей скорость звука в данном веществе), тем больше мощность двигателя. Антидетонационную способность топлива определяют октановым числом. Чем оно выше, тем лучше топливо. Среднее октановое число природного газа -- 105 -- недостижимо для любых марок бензина.

Двигатель внутреннего сгорания работает на смеси воздуха и распыленного топлива, Для воспламенения смеси нужна определенная концентрация топлива. Газ, в сравнении с бензином, горит при меньших концентрациях, т.е. при более "бедных" смесях. В случае повышения концентрации газа и обогащения смеси можно добиться увеличения мощности двигателя. Обедняя смесь, наоборот, можно понизить мощность. Возникает возможность изменением состава смеси регулировать мощность двигателя: газ как топливо значительно "послушнее" бензина.

Эксплуатация показала, что автомобили на газе более выносливы -- в полтора-два раза дольше работают без ремонта. При сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя. Кроме того, масляная пленка дольше держится на металлических поверхностях -- ее не смывает жидкое топливо, и, наконец, газ практически не вызывает коррозию металла,

Несмотря на многочисленные достоинства природного газа, закрывать заправочные станции и выбрасывать бензиновые канистры еще рано.

Метан

В переходе на газовое топливо есть свои сложности. Так, например, плотность природного метана в тысячу раз ниже плотности бензина. Поэтому, если заправлять автомобиль метаном при атмосферном давлении, то для равного с бензином количества топлива понадобится бак в 1000 раз больше. Чтобы не возить огромный прицеп с топливом, необходимо увеличить плотность газа. Это можно достичь сжатием метана до 20...25 МПа (200...250 атмосфер (1ат = 9,81х104 Па)). Для хранения в таком состоянии используются специальные баллоны.

Пропан-бутан

Пропан-бутан -- синтетическое топливо. Его получают из нефти и сконденсированных нефтяных попутных газов. Чтобы эта смесь оставалась жидкой, ее хранят и перевозят под давлением в 1,6 МПа (16 атмосфер). Газобаллонная аппаратура для сжиженного пропан-бутана несколько проще. Процесс заправки машин на газонаполнительных станциях несложен и очень похож на заправку бензином.

По своим свойствам сжиженный пропан-бутан почти не отличается от сжатого природного газа. То же высокое октановое число, те же неплохие экологические и эксплуатационные показатели. Есть у сжиженного пропан-бутана и преимущество перед метаном -- 225 литров этого горючего хватает на пробег около 500 километров, а метана, помещающегося в восьми баллонах -- на вдвое меньший. Сейчас на сжиженном газе работает вдвое меньше машин, чем на сжатом и вот почему. Пропан-бутана получают в 20...25 раз меньше, чем добывают природного газа.

Водородная энергетика сегодня

Возможность повсеместного использования водорода как топлива сегодня выглядит менее обнадеживающе, чем, скажем, 30 лет назад. Это направление энергетики предполагает получение водорода в крупных масштабах путем разложения воды, транспортировку "горючего" к пунктам потребления и использование его практически во всех случаях, где сейчас сжигают ископаемое топливо. Находятся горячие головы, которые предлагают уже сегодня полностью отказаться от централизованного энергоснабжения, чтобы производить электроэнергию с помощью водорода в топливных элементах у самих потребителей [5].

О водородной энергетике мечтают давно:

удельная теплота сгорания водорода в три раза выше, чем у нефти или бензина;

продуктом сгорания водорода является водяной пар;

ресурсы сырья для получения водорода безграничны.

Но водород как горючее имеет ряд недостатков:

он более взрывоопасен, чем метан;

объемная теплота сгорания водорода в три раза меньше, чем у природного газа.

Путь к безвредной энергетике труден и многоэтапен. Здесь возможны разные решения. Тем не менее, в некоторых случаях применение водорода как топлива не только полезно с экологической точки зрения, но и вполне экономически оправдано.

К примеру, загрязнение атмосферы автомобильными выхлопными газами. Замена всех бензиновых двигателей на водородные нереальна, т.к. она связана с огромными материальными затратами. Однако, почти без всяких изменений в двигателе, можно использовать бензин с 10-процентной водородной добавкой. Даже этот небольшой шаг резко улучшит экологическую обстановку в крупных городах.

Водород -- аккумулятор энергии

Очевидным становится и то, что водород может ослабить некоторые напряженные проблемы атомной энергетики. Разрушительные аварии АЭС (Чернобыль, Тримайл-Айпенд) показали, что наиболее опасны "маневры" мощностью реактора, то есть изменение интенсивности ядерной реакции [3]. Следовательно, для обеспечения безопасности желательно ограничиваться стационарным режимом работы АЭС.

Эта стабильность ограничивает возможности энергосистем в части выравнивания нагрузок, когда, например, в рабочее время потребление энергии резко возрастает, а по ночам и в выходные дни падает. Пока не существует удовлетворительного способа аккумулировать электроэнергию, но на помощь может прийти водород. Расчеты показывают, что с помощью аккумулирования водорода затраты на производство электроэнергии могут быть снижены примерно на 15% по сравнению с традиционным способом -АЭС плюс пиковая теплоэлектростанция на водороде.

Аккумулировать водород можно не только в сжатом и жидком виде, а и в специально разработанных аккумуляторах водорода. Принцип работы таких аккумуляторов основан на свойстве полиметаллических композиций поглощать водород. Один из видов такого аккумулятора представляет собой емкость из нержавеющей стали заполненную сплавом титана, ванадия и железа. Сплав обладает свойством выделять чистый водород, даже если он аккумулировался с примесью кислорода и влаги.

На АЭС за счет излишков электроэнергии можно производить водород и для нужд промышленности. Химическая промышленность -самый крупный потребитель водорода. Его используют в качестве сырья, например, для производства аммиака. Такой энерготехнологический комплекс может снизить на 10...17% расходы топлива по сравнению с существующей раздельной системой производства электроэнергии, водорода и аммиака.

Но в целом эффективность таких систем не очень высока из-за сравнительно низкого коэффициента полезного действия АЭС. КПД современных АЭС не превышает 33%, в то время как у теплоэлектростанций -- 39%.

Невысокий коэффициент полезного действия АЭС обусловлен сравнительно низкой температурой водяного пара (около 300oС), нагреваемого теплом атомного реактора. Условия безопасности не позволяют увеличить эту температуру, а она определяет КПД паровой турбины и, следовательно, всей АЭС.

Промышленные методы получения водорода

Есть два направления промышленного получения водорода -электролиз и плазмохимия. Электролиз очень прост: в электролит, то есть в токопроводящую среду (классический вариант -- вода с небольшим количеством щелочи), помещают два электрода и подводят к ним напряжение. Однако, в установках, работающих по этому принципу, для получения одного кубометра водорода требуется 4...5 киловатт-часов электроэнергии, что довольно дорого -- производство эквивалентного по теплотворной способности количества бензина обходится втрое дешевле.

При электролизе большая часть электроэнергии теряется в виде тепла при протекании тока через электролит. Кроме того, удельная производительность современных установок -- не более 0,5 литра водорода в час с одного см2. Это количество определяется самим характером электрохимических реакций, протекающих только на поверхности электродов. Если электролиз будет широко использоваться, недостатки этого метода, по-видимому, останутся.

Гораздо производительнее метод плазмохимии, использующий химическую активность ионизованного газа -- плазмы. В специальные установки -- плазмотроны подводят газы или пары различных веществ. Интенсивным электромагнитным полем в этих газах или парах создают электрические разряды, образуется плазма. Энергия электрического поля передается ее электронам, а от них -- нейтральным молекулам. Последние переходят в возбужденное, химически активное состояние.

Перспективны неравновесные плазмохимические системы, где электроны, разогретые электромагнитным полем до температур 10...15 тысяч градусов, избирательно передают энергию молекулам, а последние, распадаясь, образуют нужные химические продукты. При этом газ в целом остается практически холодным (его температура 300...1000oС). Важное преимущество этих систем -- объемный характер протекающих в них процессов. Большие скорости химических реакций в газовой фазе позволяют добиваться гигантской удельной производительности плазмотронов.

Прямое плазмохимическое разложение паров воды на кислород и водород в настоящее время малоэффективно. А вот углекислый газ оказался идеальным плазмохимическим объектом. Неравновесное возбуждение его молекулярных колебаний до 4...6 тысяч градусов приводит к тому, что богатые энергией молекулы отбирают ее у более бедных. Это влечет за собой резкое повышение скорости химических реакций и энергетической эффективности процесса. Коэффициент полезного действия при разложении углекислого газа на окись углерода и кислород превышает 80 процентов. Практически всю вкладываемую в разряд энергию удается направить на осуществление полезной химической реакции.

С учетом этого можно организовать двухстадийный цикл производства водорода:

на первой стадии осуществить плазмохимическое разложение углекислого газа;

на второй -- выполнить давно освоенную промышленностью реакцию взаимодействия окиси углерода с водяным паром.

В результате образуется водород и исходное вещество -углекислый газ. Таким образом, углекислый газ будет выполнять роль физического катализатора для получения водорода из воды и, не расходуясь, разрешит трудности, возникающие при разложении водяного пара. В итоге формируется плазмохимический цикл, в котором тратится только вода, а углекислый газ постоянно возвращается в процесс.

Производительность такой плазмохимической системы в десятки тысяч раз превзойдет эффективность электролизеров, стоимость же водорода окажется примерно такой же, как и при электролизе. Это, конечно, еще дорого. Сегодня практически весь водород, потребляемый промышленностью, производится за счет переработки природного газа.

В таких установках вместо одного энергоносителя получаем другой и используем его не для нужд энергетики, а для технологии. Такая схема выглядит ущербно. Поэтому исследовали такой обнадеживающий источник водорода, как сероводород, сопутствующий, в частности, обычным, прежде всего, глубинным месторождениям природного газа.

Многие беды в районах газоносных месторождений связаны с выбросами сероводорода или продуктов его переработки в атмосферу. Сейчас в промышленности в лучшем случае сероводород окисляют кислородом воздуха по методу Клаусса, разработанному еще в прошлом веке, и получают при этом серу, а водород связывается с кислородом. Недостаток этого, кстати, весьма дорогостоящего процесса очевиден: из сероводорода извлекают только серу, а водород переходит в воду.

Поэтому проводились эксперименты по диссоциации сероводорода в плазме, чтобы на одной стадии получать два продукта: водород и конденсированную серу.

Для этого сероводородную плазму заставляют вращаться с околозвуковой скоростью. Образующиеся в плазмотроне частицы серы выносятся при этом из объема реакции за время, недостаточное для осуществления обратной реакции. Центробежный эффект позволяет добиться значительного отклонения плазмохимической системы от термодинамического равновесия и снизить энергозатраты на получение кубометра водорода до десятков ватт. Такой водород оказывается дешевле электролизного примерно в 15 раз, и его уже можно широко использовать в энергетике и в промышленности.

Мы давно находимся на переломном рубеже. Всем ясно, что назрели изменения традиционной энергетической структуры в которой главенствовали нефть и уголь. Сегодня наиболее перспективным является природный газ, но его широкое использование связано с проблемами экологии. В обозримом будущем водород может придать энергетике безопасность и экологическую чистоту.

Глава 2

ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОчНИКИ ТОКА

Первым источником тока, после изобретения электрофорной машины, был элемент Вольта названный в честь своего создателя. Итальянский физик А. Вольта объяснил причину гальванического эффекта, открытого его соотечественником Л. Гальвани. В марте 1800 г. он сообщил о создании устройства, названного в последствии "вольтов столб". Так началась эра электричества подарившая миру свет, тепло и опасность поражения электрическим током.

Именно гальванические (первичные) элементы позволили начать изучение электричества. В первой половине ХIХ века они являлись единственными источниками электрической энергии. До их появления были известны только законы электростатики, не существовало понятия электрического тока и его проявлений.

Уже в мае 1800 г. А. Карлейль и У. Николсон осуществили электролиз воды. В 1803 г. были открыты процессы электроосаждения металлов. В 1807 г. -- электролиз расплавов солей.

Дальнейшая хронология открытий:

1819 г. -- магнитное действие тока -- Х. Эрстед;

1820 г. -- взаимодействие проводников с током -- А. Ампер;

1827 г. -- закон Ома -- Г. Ом;

1831 г. -- закон электромагнитной индукции -- М. Фарадей;

1834 г. -- создание первого электродвигателя -- Б. Якоби;

1839 г. -- создание первого топливного элемента -- У. Гров;

1843 г. -- описано тепловое действие тока -- Дж. Джоуль;

1859 г. -- первый действующий кислотный свинцовый аккумулятор -- Г. Планте;

1860 г. -- первый эффективный генератор -- Ф. Хефнер-Альтенек [5].

В 1881 году на берегах Сены появился первый электромобиль. В нем использовались кислотные аккумуляторы. Только через 4 года появится первый автомобиль Даймлера и Бенца с двигателем внутреннего сгорания. Именно на электромобиле в 1899 году достигнут фантастический для того времени рекорд скорости -100 км/час.

После создания принципиально нового источника электрической энергии -- электромагнитного генератора -химические источники тока потеряли свое первостепенное значение. Генераторы превзошли своих предшественников по экономическим и техническим параметрам, но ХИТ продолжали совершенствоваться и развиваться как автономные источники для средств связи.

Химическими источниками тока называются устройства, в которых свободная энергия пространственно разделенного окислительно-восстановительного процесса, протекающего между активными веществами, превращается в электрическую энергию.

Новым толчком к совершенствованию ХИТ в начале ХХ века послужило развитие радиотехники и автомобильной промышленности. Первичные элементы и аккумуляторы являлись единственными источниками питания для средств связи, а для автомобилей потребовались стартерные аккумуляторы. Резкому улучшению характеристик ХИТ также способствовало развитие военной техники.

Появление новых разновидностей источников тока после второй мировой войны связано с работами в области авиационной и космической техники. Большое распространение ХИТ обусловлено неизменной эффективностью не зависящей от электрической мощности и условий эксплуатации. Ни один тип источников электрической энергии не обладает такой универсальностью.

Примечателен тот факт, что при одновременном включении всех ХИТ, находящихся в эксплуатации, можно получить мгновенную электрическую мощность соизмеримую с суммарной мощностью всех электростанций мира [6].

Современное производство ХИТ является самостоятельной отраслью электротехнической промышленности. Автоматизация изготовления источников тока явилась одной из причин их выпуска в огромных количествах с высокими удельными характеристиками.

Утилизация отработавших срок службы ХИТ вызвала определенные экологические проблемы. В производстве ХИТ используются ртуть, кадмий, сурьма и другие токсичные химические элементы. Сбор и переработка большого количества источников тока затруднительна. Это послужило причиной для поиска новых материалов и разработки источников тока свободных от токсичных элементов.

Хорошо известные гальванические элементы и аккумуляторы содержат ограниченное количество реагентов и способны в одном цикле "произвести" лишь фиксированную порцию энергии. Однако, есть третий тип ХИТ, в котором окислитель и восстановитель непрерывно подаются, соответственно, к катоду и аноду, а материал самих электродов в реакциях не участвует. Такие устройства называются топливными элементами (ТЭ) (см. гл. 2.5).

Первое практическое применение "новый" химический источник тока нашел в космосе, несмотря на то, что был открыт более 150 лет назад. Топливный элемент обладает наивысшими удельными характеристиками и КПД. В нем нет перемещающихся деталей, он бесшумен и кроме электроэнергии вырабатывает тепло. Топливный элемент -- обратимое устройство, с помощью которого можно вырабатывать топливо (разлагать воду на кислород и водород), т.о. он может выполнять роль аккумулятора.

Практическое использование топливных элементов началось в 60-х годах с их использования на борту космических кораблей. Американская корпорация United Technology затратила на разработку ТЭ по проекту "Аполло" около 100 млн. долларов (мощность созданной бортовой установки -- 2,5 кВт). В 1977 году та же корпорация изготовила и испытала установку мегаваттной мощности, а в начале 80-х годов в Нью-Йорке была смонтирована электростанция на 4,5 МВт для широкомасштабной демонстрации преимуществ "нового" способа получения электроэнергии.

Мы являемся свидетелями первых шагов коммерческого использования ТЭ. От лабораторных исследований до широкого внедрения в энергетике проходит около полувека. Критерием широкого использования можно считать момент, когда новые энергоустановки достигнут 10-процентной доли в общей мощности отрасли. История развития энергетических установок в большой энергетике позволяет оценить прогнозируемые сроки внедрения ТЭ.

Топливный элемент -- сверстник паровой турбины. Лабораторные исследования паровых турбин начались в 70-х годах прошлого века, их экспериментальные образцы возникли в первой половине 80-х годов, демонстрационная модель создана в 1890 году, первая промышленная паротурбинная установка -- в 1895-м, а 10-процентную долю в общей мощности электростанций турбины обеспечили в 1910 году [2].

В атомной энергетике лабораторные исследования велись в 30-х годах, экспериментальная установка была создана в 1941 году, демонстрационная -- в 1953-м, первая промышленная атомная электростанция -- в 1955-м, и лишь в 1978 году доля атомных электростанций в энергетике СССР достигла 10%.

Примером современного маркетинга в энергетике служит деятельность корпораций по завоеванию десятипроцентной доли рынка. В настоящее время американская корпорация H Power Corp. исследует, проектирует, и производит ТЭ. Electro-Chem-Technic и Warsitz (США) производят и продают по низкой цене небольшие ТЭ, главным образом, для школ, колледжей и университетов. Цель состоит в том, чтобы сделать широко известными преимущества основных принципов ТЭ. Энергетическая компания Brooklyn Union (Канада) проводит испытания установочной партии ТЭ мощностью 200 кВт.

2.1. СТАЦИОНАРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Современная техника располагает целым рядом электронакопительных устройств. Это -- свинцовые, железо-никелевые, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые, серно-натриевые, медно-литиевые и другие типы аккумуляторов. Наиболее распространенными являются свинцовые аккумуляторы.

Аккумуляторами называются химические источники тока, предназначенные для многократного использования их активных веществ, регенерируемых путем заряда.

Аккумуляторы являются химическими источниками электрической энергии многоразового действия. Они состоят из двух электродов (положительного и отрицательного), электролита и корпуса. Накопление энергии в аккумуляторе происходит при протекании химической реакции окисления-восстановления электродов. При разряде аккумулятора происходят обратные процессы.

Экономичнее свинцового аккумулятора до сих пор ничего не изобретено. Широкое распространение они получили благодаря высокой надежности и невысокой цене. Эксперты ООН считают, что в обозримом будущем свинцовые аккумуляторы сохранят свое значение как одних из самых удобных источников электрической энергии.

Основным достоинством свинцовых аккумуляторов является стабильность напряжения при изменении тока нагрузки и температуры. Напряжение аккумулятора -- это разность потенциалов между полюсами при фиксированной нагрузке. В зависимости от электрохимической системы напряжение на зажимах аккумулятора составляет от 1,2 до 2 В.

Бытует ошибочное мнение, что основной сферой использования свинца является производство боеприпасов. Ежегодно только на свинцовые аккумуляторы расходуется немногим меньше половины добываемого в мире свинца.

Первый работоспособный свинцово-кислотный аккумулятор был создан французским исследователем Г. Планте (в 1859 г.). Электроды первого аккумулятора были изготовлены из листового свинца, а сепаратором служило полотно. Вся конструкция сворачивалась в спираль и вставлялась в емкость с 10% раствором серной кислоты.

Для увеличения емкости такого аккумулятора проводили многократные циклы заряда-разряда, чем формировали развитую поверхность пластин. Для такой тренировки требовалось от 1000 часов до двух лет. В последствии поверхностные пластины формировались гальваническим способом. Единственными источниками энергии в то время были первичные элементы. От них (в основном это были элементы Бунзена) осуществлялся заряд аккумуляторов.

Зарядом аккумулятора называется превращение электрической энергии в химическую, а разрядом -- химической в электрическую. Процесс разряда -- явление обратное заряду, когда сам аккумулятор отдает свой заряд во внешнюю электрическую цепь потребителю электроэнергии.

Значительно увеличить емкость электродов удалось в 1880 г. К. Фор стал изготавливать намазные электроды нанесением на поверхность пластин окислов свинца. Уже в 1881 году Э. Фолькмар предложил намазную решетку в качестве электродов. В том же году Селлону был выдан патент согласно которому решетки Фолькмара предлагалось изготавливать из сплава сурьмы и свинца.

Ускорению работ по совершенствованию свинцового аккумулятора способствовало изобретение Эдисоном лампы накаливания. В 1881 году по Сене ходила лодка с электрическим двигателем и батареей аккумуляторов Планте. В том же году создан электромобиль. Тогда же появились дешевые генераторы, позволившие начать коммерческое использование аккумуляторов.

В Кронштадте разработки конструкции аккумулятора начались в 1881 г., а уже в 1884-м на Неве прошел испытание электрический катер. Он мог пройти 30 миль при скорости до 6 узлов.

К 1890 году в промышленно развитых странах свинцово-кислотные аккумуляторы выпускались серийно. Первой патенты Фора, Фолькмара и Селлона купила Electrical Power Storage Company.

В 1900 году фирма VARTA выпустила стартерный аккумулятор для запуска автомобильного двигателя. VARTA является поставщиком заводов "Мерседес", "Фольксваген", "Ауди" и "Опель".

В 1938 году, Леопольд Джунгфер основал фирму Baren. Начиная с 1939 года фирмой были изготовлены батареи почти для каждой области применения.

В 1942 году в Италии Гиулио Долсетта основал фирму FIAMM. FIAMM выпускает стартерные, тяговые и стационарные аккумуляторы (см. гл. 2.3).

С появлением электростанций понадобились мощные стационарные аккумуляторы. На станциях постоянного тока они служили дополнительным источником энергии в моменты пиковых нагрузок. На станциях переменного тока стационарные аккумуляторы используются для вспомогательных целей. Так городские сети постоянного тока имели батареи аккумуляторов, которые развивали в 1927 году мощность:

80000 кВт -- Берлин,

95000 кВт -- Нью-Йорк.

Кроме аварийного освещения их используют для средств связи, в системах автоматики на железной дороге, в устройствах охранной и пожарной сигнализации и пр. Для телефонных станций они служили единственным источником постоянного напряжения.

Из большого разнообразия стационарных аккумуляторов, которые обеспечивают питание нагрузок на время отключения электроснабжения, в большей мере используются только свинцовые и никель-кадмиевые аккумуляторы (см. табл. П4 приложения).

Основные черты свинцовый аккумулятор приобрел на рубеже ХIХ...ХХ веков. Вместе с ними и проблемы, часть из которых не решены по сегодняшний день. Конструкция аккумуляторов непрерывно совершенствуется. Они давно являются объектом пристального внимания изобретателей.

Критерием состояния отрасли промышленности являются экономические показатели. На рис. p001 представлен объем продаж стартерных аккумуляторов мировыми производителями.

Начиная с 1970 года выпускаются малоуходные (требующие незначительного ухода) и герметизированные (необслуживаемые) аккумуляторные батареи. В таких аккумуляторах используют электроды с малым содержанием сурьмы -- не более 3%.

С использованием сорбированного и гелеобразного электролита удалось получить герметизированный аккумулятор, который может работать в любом положении. В качестве загустителя электролита используется силикагель, алюмогель, сульфат кальция и др. Примерно в это же время были разработаны такие материалы для изготовления пластин, как медно-кальциевые сплавы покрытые оксидом свинца, титановые, алюминиевые и медные решетки.

Свинцовые аккумуляторы изготавливаются в различных исполнениях в зависимости от области применения. Основные типы -- стартерные, тяговые и стационарные аккумуляторы. Выпускаемые серийно свинцово-кислотные аккумуляторы обладают емкостью от 0,5 до 12000 Ач.

Активные вещества аккумулятора заключены в положительном и отрицательном электродах и электролите. Совокупность активных веществ, применяемых в химическом источнике тока, называется электрохимической системой.

Распространенные электрохимические системы стационарных аккумуляторов приведены в табл. t032 [7].

В аккумуляторах находящихся в эксплуатации непрерывно повторяется последовательность электрохимических преобразований. Период заряда-разряда аккумулятора называют циклом. С каждым циклом аккумуляторы изнашиваются. Долговечность аккумулятора оценивают количеством циклов.

Долговечность аккумуляторов зависит от:

ресурса заложенного в электрохимическую систему и конструкцию аккумулятора,

условий ввода в эксплуатацию;

условий эксплуатации.

Наиболее широкое применение, как более дешевые, получили свинцовые аккумуляторы. Они обеспечивают срок службы до 20 лет, что обусловлено соответствующим конструктивным исполнением.

Почти все свинцовые аккумуляторы используют так называемую баночную конструкцию. При изготовлении корпусов используются: эбонит, полипропилен, и т.п. Эти материалы стойки к длительному воздействию серной кислоты.

Блок электродов каждой аккумуляторной ячейки помещается в изолированной банке. Между электродами устанавливаются сепараторы. Крайними всегда являются отрицательные электроды (рис. p070). Горизонтальные перемычки, соединяющие одноименные пластины в банке, называются баретками.

Во всех малоуходных аккумуляторах пластины приподняты над дном. В образующемся пространстве скапливается шлам -отделившаяся от электродов активная масса. В герметизированных аккумуляторах выполненных по технологии PLT пространство под пластинами отсутствует.

Для получения достаточно больших значений напряжений или разрядных токов отдельные ячейки соединяются между собой последовательно или параллельно в батареи.

Батареей аккумуляторов называется источник тока, состоящий из нескольких параллельно или последовательно соединенных аккумуляторных ячеек. Аккумуляторы содержащие несколько последовательно соединенных банок в одном корпусе называются моноблочными.

Все европейские производители и большая часть в Азии руководствуются стандартами DIN. Перечень стандартов по стационарным аккумуляторам приведен в табл. П3 приложения. Ряд условных обозначений стационарных аккумуляторов стандартизован.

Согласно DIN VDE 0510 ч. 2 расшифровка условных обозначений аккумуляторов приведена в табл. t035.

Номинальной емкостью аккумулятора называется емкость, гарантированная заводом изготовителем при определенных условиях разряда. Зарядной емкостью называется количество электричества, сообщаемое аккумулятору при заряде. Зарядная емкость всегда несколько больше разрядной из-за необратимых процессов, протекающих при заряде и разряде.

Величина разрядной емкости аккумулятора зависит от типа и конструкции используемых пластин, количества содержащихся в них активных веществ, материала электродов, режима разряда и температуры.

Совершенствование свинцовых аккумуляторов идет по пути изыскания новых сплавов для решеток, облегченных и прочных материалов корпусов (сополимер пропилена и этилена) и улучшения качества сепараторов.

2.1.1. СЕПАРАТОРЫ

Во всех аккумуляторах между электродами устанавливаются изолирующие пластины. Они выполняются в виде:

разделителей;

пористых сепараторов;

мембран.

Разделители используются для отделения электродов друг от друга. Они изготавливаются в виде прокладок или решеток из перфорированного или гофрированного синтетического диэлектрика (рис. p009). Разделители имеют отверстия диаметром от 1 до 5 мм.

Пористые сепараторы, кроме непосредственного разделения пластин, удерживают активную массу электродов и препятствуют росту дендритов (дендриты -- незавершенные в своем развитии кристаллы, по форме напоминающие ветвистое дерево, папоротник, хвою и т.п.) при заряде аккумулятора.

В некоторых типах аккумуляторов пористый сепаратор удерживает электролит за счет капиллярных сил вблизи поверхности электродов. Диаметр пор таких сепараторов находится в интервале от 0,001 до 200 мкм. Такой вид сепараторов имеет наибольшее распространение в современных моделях аккумуляторов.

Мембраны (набухающие сепараторы) изготавливаются из материалов без геометрически четко выраженной системы пор. В отличие от пористых сепараторов в них ярко выражены силы взаимодействия между определенными видами ионов и молекул.

Сепараторы изготавливают из диэлектрических материалов с ребрами, гофрированными или тиснеными для предупреждения плотного прилегания к электродам. Размер сепаратора всегда больше размера пластины аккумулятора. В первых аккумуляторах в качестве сепараторов использовались керамические сосуды или перегородки. До второй мировой в качестве сепараторов использовался шпон (шпон -- тонкий лист древесины, получаемый лущением кряжей различных пород дерева).

Длительное время сепараторы изготавливали из мипора -вулканизированного натурального каучука с присадками. В современных аккумуляторах широкое применение нашел мипласт, получаемый спеканием порошкообразной поливинилхлоридной смолы.

В Англии разработан материал порвик, изготавливаемый из поливинилхлоридной смолы. Отечественный аналог -- поровинил. Юмикрон -- материал для сепараторов разработанный в Японии -выпускается в виде тонкой пленки или тисненых "вафлеобразных листов" (рис. p010).Наиболее дешевыми материалами для сепараторов являются картон и бумага на основе целлюлозы и асбеста (асбест [гр. asbestos] -- группа минералов (серпентин, амфиболы) волокнистого строения; огнестойкий, кислотостойкий, и неэлектропроводный материал).

В качестве дополнительных разделителей, в комбинации с сепараторами, применяются нетканные маты. Они изготавливаются из полипропилена или стекловолокна с добавлением связующих веществ.

В современных моделях аккумуляторов используют многослойные сепараторы. Использование нескольких слоев одного вида сепараторов более выгодно, так как в этом случае дефекты в одном из слоев защищены другими и рост дендритов затруднен при переходе от слоя к слою.

Если в аккумуляторах используются многослойные сепараторы из разных материалов, то каждый из них выполняет определенную функцию. Так же используются сочетания простых разделителей с мембранами.

В ряде случаев в аккумуляторах используют конверты-сепараторы. Конверт-сепаратор полностью окружает один из электродов аккумулятора для ограничения возможного проникновения нежелательных веществ или распространения дендритов в обход сепаратора по краям электродов.

2.1.2. ЭЛЕКТРОЛИТ

В качестве электролита для аккумуляторных батарей применяют раствор серной кислоты в дистиллированной воде. Для различных климатических и температурных условий, в которых батарее предстоит работать, используют электролит различной плотности.

Плотность электролита зависит от концентрации раствора серной кислоты -- чем больше концентрация раствора, тем больше плотность электролита и от температуры раствора -- чем выше температура, тем ниже плотность.

Концентрация или плотность электролита является точным критерием степени разряженности аккумулятора. В качестве точки отсчета, для определения текущей степени разряженности аккумулятора, принимается нормативная плотность электролита, т.е. плотность, приобретенная после первого полного заряда.

Для уравнивания плотности электролита, т.е. доведения ее до плотности, равной плотности в начале эксплуатации, следует измерить фактическую плотность и температуру. Уравнивание можно проводить только в полностью заряженном аккумуляторе, когда электролит имеет плотность, не искаженную недозаряженностью последнего.

Для свинцовых аккумуляторов характерно сильное разбавление электролита во время разряда из-за участия в реакции серной кислоты с образованием воды. В заряженных аккумуляторах концентрация кислоты равна 30...40%.

Чем меньше объем электролита, в сравнении с массой электродов, тем быстрее снижается концентрация кислоты при разряде. В конце разряда она составляет от 10 до 25%.

Многие вещества, например, незначительное количество солей железа попадая в электролит ускоряют выделение водорода и увеличивают саморазряд аккумулятора. Поэтому при приготовлении электролита следует использовать только дистиллированную воду и использовать неметаллическую посуду.

2.2. СТАЦИОНАРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ VARTA

Применение различных типов положительных пластин отражается на электрических характеристиках аккумуляторов. В первую очередь это связано с внутренним сопротивлением, которое состоит из омического внутреннего сопротивления аккумулятора и сопротивления поляризации.

Поляризацией называется изменение электродных потенциалов под влиянием прохождения постоянного тока вызывающего изменения концентрации электролита, химического состава активных веществ и поверхности электродов.

В зависимости от причин вызывающих поляризацию, она делится на концентрационную, химическую и электрохимическую, а в зависимости от того, исчезает или остается поляризация при отключении тока, последнюю делят на устранимую и неустранимую.

Химическая поляризация и частично концентрационная относятся к неустранимой поляризации не исчезающей при прекращении тока [6].

Сопротивление поляризации является мерой увеличения внутреннего сопротивления химического источника тока обусловленного поляризацией. Оно имеет размерность сопротивления, но не подчиняется закону Ома, так как зависит от величины проходящего тока. Значения внутреннего сопротивления 100 Ач пластин различных типов аккумуляторов приведены на рис. p073.

При высокой скорости разряд реально оказывается ограниченным, поскольку из-за наличия внутреннего сопротивления аккумулятора напряжение уменьшается ниже напряжения отсечки (напряжением отсечки называется минимальное напряжение, при котором аккумулятор способен отдавать полезную энергию).

При времени разряда свыше трех часов отличие внутренних сопротивлений не сказывается на разрядных характеристиках различных типов пластин. Для более короткого времени разряда величина внутреннего сопротивления в значительной степени влияет на разрядные характеристики (рис. p074):

100 Ач аккумулятор OPzS за 10 минут отдает ток 100 А;

100 Ач аккумулятор Vb за то же время отдает 170 А.

2.2.1. ТИПЫ ПЛАСТИН АККУМУЛЯТОРОВ

Пластины аккумуляторов бывают поверхностные и пастированные.

Поверхностный электрод состоит из свинцовой пластины на поверхности которой электрохимическим способом формируется слой активной массы (рис. p012).

Аккумуляторы с поверхностными пластинами содержат относительно большую долю свинца по отношению к активной массе. Они используются в моделях GroE фирмы VARTA.

Пастированные электроды подразделяются на решетчатые (намазные), коробчатые, стержневые (рис. p079) и панцирные (рис. p078). Основой пастированных пластин является решетка-токовод.

При циклической работе аккумуляторов с большим содержанием сурьмы в материале решетки сурьма переходит в раствор в результате коррозии решетки положительного электрода. Осаждаясь на активной массе отрицательного электрода сурьма способствует выделению водорода и увеличивает скорость коррозии свинца. Такой процесс называется сурьмяным отравлением аккумулятора.

Осыпание активной массы и внутреннее сопротивление аккумулятора при использовании кальциевых решеток несколько больше, чем в случае свинцово-сурьмяных. Разрушение пластин преимущественно происходит при заряде аккумулятора и является одним из важнейших факторов ограничивающих ресурс аккумулятора. Для уменьшения осыпания в активную массу вводят волокнистые материалы, например, фторопласт и используют нетканные маты из стекловолокна прижатые к пластинам.

Сульфатация пластин -- результат хранения аккумулятора в недозаряженном состоянии. Образующийся при этом плохо растворимый в воде сульфат свинца ограничивает емкость аккумулятора и способствует выделению водорода при заряде. Для восстановления емкости аккумулятора с сульфатированными электродами его заполняют электролитом низкой плотности или даже дистиллированной водой и заряжают малыми токами (примерно в сто раз меньше номинального зарядного тока).

2.2.2. МАТЕРИАЛ ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА

Ухудшение электрических характеристик аккумулятора и выход из строя обусловлены коррозией решетки и оползанием активной массы положительного электрода. Срок службы аккумулятора определяется, в первую очередь, типом положительных пластин и условиями эксплуатации.

В аккумуляторном производстве используется как чистый свинец, так и сплавы содержащие сурьму, которая неоднозначно воздействует на эксплуатационные характеристики аккумуляторов.

Положительное воздействие сурьмы связано с тем, что положительные электроды с легированными сурьмой решетками выдерживают более сильные циклические зарядно-разрядные нагрузки. Наличие сурьмы способствует более прочному электрическому контакту активного материала с решеткой, в то время, как в бессурьмянистых решетках активная масса полностью отслаивается и отпадает уже после нескольких циклов разряда-заряда. Поэтому все изготовители аккумуляторных батарей применяют в решетке положительных пластин сплавы содержащие 1...10% сурьмы (см. рис. p069). В тяговых батареях используют сплав содержащий более 4% сурьмы.

Следующим преимуществом решеток, выполненных из содержащих сурьму сплавов, является то, что на них не возникает блокирующего эффекта, который часто наблюдается в случае с бессурьмянистыми пластинами. Блокирующий эффект состоит в образовании токонепроводящих прослоек между решеткой и активным материалом. Это, в свою очередь, может привести к большим колебаниям емкости даже на новых батареях.

Отрицательный эффект заключается в том, что увеличение содержания сурьмы увеличивает ток постоянного подзаряда и относительное его увеличение во время эксплуатации аккумуляторов (см. рис. p071).

Между двумя крайностями -- обычным и бессурьмянистым сплавами -- располагается ряд малосурьмянистых сплавов.

Уменьшение содержания сурьмы ниже 3% вызывает образование кристаллических структур материалов решеток, которые приводят к быстрому образованию трещин. Это делает невозможным изготовление качественных решеток.

Фирме VARTA удалось разработать сплавы, которые даже при очень малом содержании сурьмы имеют очень тонкую структуру и, поэтому, могут использоваться для изготовления качественных решеток. При этом выполняется и такое требование, как неподверженность этого сплава повышенной коррозии. Для этих сплавов при изменении содержания сурьмы от 6% до 1,6% срок службы увеличивается в 5 раз [7].

По сравнению с сурьмянистыми сплавами других производителей преимущество сплавов фирмы VARTA состоит в том, что в аккумуляторах с такими решетками не возникают блокирующие эффекты, мешающие при заряде и разряде, а стойкость при циклических нагрузках хотя и меньше, по сравнению с обычными сплавами, но отличается от них незначительно. Это убедительно демонстрирует рис. p069.

Аккумуляторы, в которых используются малосурьмянистые сплавы имеют достаточно низкий ток подзаряда, что объясняется специальными добавками к активной массе. На практике саморазряд аккумуляторов с большим содержанием сурьмы доходит до 2...3% в месяц.

Из выше сказанного следует, что малосурьмянистые сплавы представляют собой выгодный компромисс, в котором недостатки сурьмы практически полностью исключены.

С другой стороны, остаются все преимущества которые дает сурьма обеспечивая стойкость к циклическим нагрузкам и безупречное поведение при заряде и разряде.

Применение мало- или бессурьмянистых сплавов значительно уменьшает разложение воды, однако, неизбежно происходит некоторый расход воды на газообразование, как неотъемлемое свойство свинцовых аккумуляторов. Поэтому свинцовые аккумуляторы не могут изготавливаться полностью герметичными, как щелочные.

Даже герметизированные свинцовые аккумуляторы, которые внешне выглядят полностью закрытыми, имеют клапан, который дает возможность газу выходить наружу. В герметизированных аккумуляторах потеря воды настолько незначительна в расчете на срок службы, что не требуется ее восполнения.

В отличие от герметизированных свинцовые стационарные аккумуляторы больших размеров, изготавливаемые из мало- или бессурмянистых сплавов, сконструированы таким образом, что позволяют долив воды. Такие аккумуляторы получили название "малоуходные".

В малоуходных аккумуляторах в процессе перезаряда происходит распыление электролита с выделением газов. Часть электролита разбрызгивается через вентиляционные отверстия, т.е. теряется. Уменьшение расхода жидкого электролита достигается использованием клапанов пропускающих газы, но задерживающих жидкость. В аккумуляторах используются пружинные и гидрофобные (гидрофобный [гр. hydor вода, влага + гр. phobos страх, боязнь] испытывающий слабое взаимодействие с водой) клапаны. Для увеличения интервалов между работами по уходу за аккумуляторами фирмы VARTA используются пробки с каталитическими насадки (см. рис. p072).

Они выполняются в виде ввинчивающихся пробок, закрывающих заливочное отверстие. Гидрофобные пористые фильтры пропускают газы, но не пропускают водный электролит. Эти насадки содержат в себе металлические катализаторы. Образующийся в аккумуляторах водяной пар конденсируется каталитическим (катализ [гр. katalysis разрушение] -- возбуждение химической реакции или изменение ее скорости небольшими добавками веществ (катализаторов) состав которых в реакции не меняется) путем и стекает в аккумулятор.

Вопрос обслуживания свинцовых аккумуляторов сводится к вопросу о расходе воды. В этом смысле переход к закрытым аккумуляторам был шагом вперед, поскольку в открытых аккумуляторах 95% потерь воды происходит за счет испарения. Определенный расход воды имеется за счет электролитического разложения воды, который в известных пределах неизбежен.

2.2.3. ГЕРМЕТИЗАЦИЯ

Широкое распространение переносной аппаратуры, источников бесперебойного питания и другой мобильной техники потребовало разработки более удобных в эксплуатации герметизированных аккумуляторов. Герметизация затруднена тем, что при работе или хранении аккумуляторов может происходить выделение газов. Особенно интенсивное выделение газов (водорода и кислорода) наблюдается:

в конце заряда;

при перезаряде;

при переполюсовке вследствие глубокого разряда.

Важным условием хорошей герметизации является плотное химически- и термостойкое соединение конструктивных элементов. Особое значение имеет герметизация выводов -- контакта металлических токовыводящих элементов и неметаллических изоляционных материалов.

В аккумуляторах фирмы VARTA (см. рис. p080) с целью получения минимального сопротивления внутренняя часть вывода (3) выполнена из меди. Снаружи он покрыт свинцом (6). Конструкция вывода обеспечивает герметичность соединения с корпусом (4) за счет зажимаемых элементами конструкции резиновых прокладок (5). Защитный чехол (2) механически защищает место соединения вывода с токоведущими проводниками (1).

Для выпуска образующихся газов внутренняя полость аккумулятора должна сообщаться с атмосферой. Отрицательные последствия газовыделения -- необходимость долива воды из-за ее разложения, вредное влияние на обслуживающий персонал и увеличение коррозионной активности атмосферы.

Частичная герметизация возможна при рекомбинации газов по кислородному циклу. Здесь используется тот факт, что при заряде аккумулятора сначала на положительном электроде выделяется кислород, а позднее на отрицательном -- водород. Правда, в таких аккумуляторах ограничены зарядные и разрядные токи из-за недопустимости большого газовыделения.

Внутренняя циркуляция кислорода представляет собой последовательность реакций, в результате которых ионы кислорода, образующиеся на положительном электроде, перемещаются к отрицательному, соединяются с водородом и образуют воду. В свинцовых аккумуляторах такая реакция возможна благодаря использованию "связанного" электролита. "Связанный" электролит имеет внутри поры позволяющие ионам газов свободно перемещаться от одного электрода к другому.

Для связывания электролита существует два метода:

использование пористого материала, например, стекловолокна пропитанного электролитом;

использование гелеобразного электролита.

Стекловолокно, пропитанное дозированным количеством серной кислоты, образует пористую систему капиллярные силы которой удерживают электролит. Электролит дозируется таким образом, чтобы мелкие поры были заполнены, а крупные оставались пустыми. Через незаполненные поры и свободное пространство в аккумуляторе возможно свободное перемещение газа.

В гелеобразном электролите соответствующий раствор серной кислоты содержит примерно 6% силикагеля. Перед заполнением аккумулятора такое желе интенсивно перемешивают и оно становится текучим. После заполнения аккумулятора в результате застывания геля образуется много пор, которые распространяются в разных направлениях и способствуют свободному движению газообразного кислорода.

В герметизированных аккумуляторах VARTA со связанным электролитом используются стекловолоконные маты с дополнительными сепараторами. Желеобразный электролит применяется совместно с обычными сепараторами. Использование желеобразного электролита имеет те преимущества, что при цикличной работе аккумулятора мала разница концентрации электролита в верхней и нижней части аккумулятора.

Высокие аккумуляторы с сорбированным электролитом производители рекомендуют использовать в стационарных условиях "лежа", чтобы ограничить высоту сепаратора.

2.2.4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАТАРЕЙНЫХ УСТАНОВОК

Для успешной эксплуатации аккумуляторных батарей важно, чтобы в выпрямителях, используемых для заряда, были реализованы все требования, которые предъявляют к заряду аккумуляторов (см. гл. 3).

Аккумуляторы, изготавливаемые по технологии VARTA (см. табл. t033), рекомендуется заряжать по характеристике IU (см. рис. p077). Этот щадящий заряд с напряжением постоянного подзаряда является наиболее предпочтительным, хотя при определенных условиях могут потребоваться методы заряда с повышенным зарядным напряжением до 2,4 В/эл. При этом вполне достаточно напряжения постоянного подзаряда 2,23 В/эл.

Никель-кадмиевым аккумуляторам, в отличие от свинцовых, требуются уравнительные заряды для восполнения емкости. Они должны проводиться через равномерные промежутки времени. Полный заряд достигается при достаточно высоком напряжении на аккумуляторах и не может быть достигнут при напряжении постоянного подзаряда.

Свинцовые аккумуляторы должны эксплуатироваться в режиме постоянного подзаряда и не оставаться длительное время незаряженными, чтобы не допустить тяжелых коррозионных повреждений.

В никель-кадмиевых аккумуляторах практически нет проблемы с коррозией, поэтому батареи с такими аккумуляторами могут храниться длительное время как в заряженном, так и в разряженном состоянии.

Стационарные свинцовые аккумуляторы Vb и OPzS фирмы VARTA сконструированы таким образом, что оптимальный срок службы и состояние полной заряженности достигается при использовании графика IU при поддерживающем зарядном напряжении 2,23 В/эл (рис. p077).

Более высокое напряжение заряда ведет к перезаряду аккумуляторов и уменьшению их срока службы. Регулярный уравнительный заряд для этих аккумуляторов не требуется.

Ток постоянного подзаряда

Для постоянной готовности к работе свинцовые аккумуляторы должны находиться под напряжением постоянного подзаряда. Напряжение постоянного подзаряда -- такая величина напряжения, непрерывно поддерживаемая на выводах аккумулятора, при которой протекание тока компенсирует процесс саморазряда аккумулятора.

Необходимо учитывать, что ток постоянного подзаряда зависит от:

напряжения постоянного подзаряда;

температуры аккумулятора.

Оба параметра изменяют силу тока постоянного подзаряда и, тем самым, влияют на расход воды посредством электролиза.

1 Ач сообщаемого аккумулятору заряда разлагает 0,34 г воды. При этом образуется:

0,42 л водорода;

0,22 л кислорода.

В герметичных никель-кадмиевых аккумуляторах газ не выделяется.

На рис. p075 показано, что при повышении напряжения закрытого свинцового аккумулятора только на 200 мВ ток постоянного подзаряда увеличивается в 10 раз. При возрастании напряжения на аккумуляторе только на 2,5%, что составляет 50 мВ, ток почти удваивается. Увеличение напряжения на аккумуляторах увеличивает скорость коррозии решеток и, тем самым, приводит к уменьшению срока службы.

Ток постоянного подзаряда зависит от типа аккумулятора. При постоянном подзаряде с напряжением 2,23 В/эл. и +20oС значения тока подзаряда на каждые 100 Ач аккумуляторов закрытого типа составят:

GroE -- 15 мА;

OPzS -- 20 мА;

Vb -- 25 мА.

Особенно важно поддержание оптимального напряжения постоянного подзаряда для герметизированных аккумуляторов, в которых нет избыточного электролита и не представляется возможным добавлять его в процессе эксплуатации.

Влияние температуры

Аналогичное влияние, связанное с увеличением тока подзаряда, оказывает и температура. При повышении температуры на 10oС удваивается ток постоянного подзаряда и, тем самым, расход воды.

С ростом температуры увеличивается скорость коррозионных процессов, что сокращает срок службы аккумуляторных батарей.

Повышение температуры аккумулятора на 10oС удваивает скорость коррозионных процессов и вдвое сокращает срок службы.

От температуры зависит и отдаваемая емкость, что иллюстрирует рис. p076.

Режим разряда аккумулятора

При выборе аккумулятора необходимо учитывать то обстоятельство, что разные типы аккумуляторов имеют различные разрядные характеристики. В зависимости от скорости разряда отдаваемая емкость у разных типов батарей изменяется не одинаково. Рис. p086 показывает, что при токе 200 А требуемая номинальная емкость разных типов аккумуляторных батарей различна. Поэтому стоимость батареи, состоящей из дорогих аккумуляторов (Vb), может оказаться не выше стоимости батареи выбранной для тех же условий, но состоящей из более дешевых аккумуляторов (OPzS).

2.3. СТАЦИОНАРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ FIAMM

Стационарные аккумуляторы -- абстрактные и зачастую малоизвестные спутники будничной жизни. Мы не замечаем их присутствия на электрических подстанциях, в системах связи, в устройствах автоматики. Стационарные аккумуляторы предназначены для эксплуатации на постоянном месте или в условиях, исключающих перемещение машин, в которых они установлены.

Традиционные применения включают: источники бесперебойного питания (UPS), противопожарные и охранные системы сигнализации, компьютеры и медицинские приборы.

Ведущие аккумуляторные компании, такие, как VARTA, Bosch, FIAMM, Baren выпускают необслуживаемые аккумуляторные батареи. Такие аккумуляторные батареи могут эксплуатироваться на перемещаемых устройствах.

Фирма FIAMM занимает одно из ведущих мест в мире по производству аккумуляторов. Значительный объем производства FIAMM-GS составляют герметизированные аккумуляторы с сорбированным электролитом (AGM).

В первом выпуске серии [8] Вы познакомились с автомобильными аккумуляторами FIAMM. В этой главе мы представляем стационарные аккумуляторы. Они характеризуются сокращением эксплуатационных затрат и перекрывают диапазон емкостей от 0,5 до 8000 Ач, что позволяет удовлетворить требования любого потребителя.

2.3.1. ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Удельные весовые и объемные характеристики -- наиболее общие характеристики, отражающие технологический уровень производства аккумуляторов. Для стационарных аккумуляторов FIAMM они представлены на рис. p002.

Аккумуляторы типов SD, SDH, SMZA, SMF, SMBF, PMF относятся к малоуходным. Их следует располагать в специальном помещении. Все они оснащены вентилями-пробками с керамическими искрогасителями.

Наиболее удобными и безопасными из кислотных аккумуляторов являются необслуживаемые герметизированные аккумуляторы VRLA (Valve Regulated Lead Acid), внешний вид которых показан на рис. p004.

Электролит в этих аккумуляторах находится в сорбированном или желеобразном состоянии. Это повышает надежность аккумуляторов, безопасность их эксплуатации и транспортировки.

Свинцовым аккумуляторам присуща уникальная особенность -способность выделять водород при перенапряжениях и кислород, когда напряжение свинцовой батареи приближается к значению, свойственному полному заряду. При этом происходит существенный подъем напряжения необходимый для прохождения заряжающего тока через электролит. Если напряжение, обусловливающее прохождение зарядного тока, фиксировано и достаточно высоко для заряда электродов, но не настолько, чтобы вызвать выделение газа, напряжение элемента будет расти до тех пор, пока не станет равным напряжению заряжающего источника.

В герметизированных аккумуляторах реализована рекомбинация газов, выделяющихся при заряде-разряде. Поэтому эксплуатационные расходы на содержание этих типов батарей меньше, в сравнении с обслуживаемыми.

Электролит сконструирован так, что генерация кислорода в процессе заряда компенсируется другими химическими реакциями поддерживающими условия равновесия, в которых батарея может длительно работать без потерь воды. Это принципиально важно для герметизированных аккумуляторов.

Герметизированные аккумуляторы: SMG, SLA, UPS, FG по степени воздействия на аппаратуру и людей отличаются от своих предшественников тем, что они могут находиться в помещении с естественной вентиляцией. Для них не требуется отдельного помещения. Они оснащены искрогасящим клапаном исключающим распыление электролита и воспламенения гремучей смеси. Согласно DIN 43 539 при возрастании давления выше 30 kPa клапан аккумулятора сбрасывает избыточное давление газа.

2.3.2. КОНСТРУКЦИЯ

В современных стационарных аккумуляторах применяются только пастированные электроды. Они могут быть решетчатыми, коробчатыми и панцирными.

В решетчатых электродах активная масса удерживается в решетке из свинцово-сурьмяного или свинцово-кальциевого сплава (см. рис. p003) толщиной 1...4 мм.

В коробчатых пластинах решетки с активной массой закрываются с двух сторон перфорированными свинцовыми листами. В коробчатых пластинах аккумуляторов SD и SDH сплав Sb-Pb легируется селеном.

Панцирные пластины (рис. p005) состоят из свинцово-сурьмяных штырей, которые помещаются внутри перфорированных трубок заполненных активированной массой. Использование коробчатых и панцирных пластин позволяет изготавливать аккумуляторы большой емкости с малым внутренним сопротивлением.

Для отрицательных электродов используются решетчатые и коробчатые пластины, для положительных -- поверхностные, решетчатые и панцирные. В качестве сепараторов применяют микропористые пластины из вулканизированного каучука (мипор), поливинилхлорида (мипласт) и стекловолокна.

Традиционно, для увеличения прочности, пластины выполняют из сплава свинца и сурьмы. В современных моделях используют сплав свинца и кальция, а также свинца, сурьмы и селена.

Применение сурьмы приводит к тому, что электролиз воды начинается уже при сравнительно низких напряжениях. Это, в свою очередь, обусловливает потери воды. Присутствие сурьмы также вызывает образование дендритов в материале пластин. Поэтому, если не принимать дополнительных мер, такие пластины сильнее подвержены коррозии и механическому разрушению. Использование селена в коробчатых пластинах SD и SDH позволяет предотвратить сурьмяное отравление аккумуляторов.

Сплав свинца и кальция позволяет изготавливать более легкие и прочные пластины. Здесь электролиз воды начинается при более высоких напряжениях. Кристаллы, образующиеся в пластинах содержащих кальций -- мелкие и однородные, а их рост ограничен.

Во многих моделях стационарных аккумуляторов FIAMM каждая пластина отделяется двойными сепараторами или упакована в микропористый конверт-сепаратор. В переводных инструкциях и проспектах к аккумуляторам часто встречается утверждение о том, что конверты-сепараторы выполнены из полиэтилена. Это заблуждение или ошибка перевода. Из полиэтилена (с радиационно привитой акриловой кислотой) изготавливают мембраны [5]. Конверты выполняют из пористого мипласта. Он инертен по отношению к электролиту.

Конверт-сепаратор не только повышает стойкость пластин к вибрациям и ударам, но и предотвращает одну из основных причин выхода из строя батарей -- иглообразное разрастание активной массы, ведущее к замыканию пластин внутри аккумулятора. Пластины, расположенные в конвертах-сепараторах могут располагаться значительно ближе друг к другу. При этом изменяются удельные характеристики аккумулятора, в частности, повышается номинальная емкость. Конверты-сепараторы применены в следующих моделях аккумуляторов: SD, SDH, SMZA, SMF, SMBF.

Сепараторы из стекловолокна изготавливаются в виде циновок и используются совместно с пористыми сепараторами PVC. Двойные сепараторы применены в моделях: SMZA, SMF, SMBF.

Малоуходные и герметизированные аккумуляторы доставляют меньше хлопот своим хозяевам. Это не означает, что обслуживание вообще исключается. В любом случае необходим контроль за состоянием аккумуляторных батарей. Но если они используются в устройствах с автоматическим контролем степени заряда (см. гл. 3), то не доставляют никаких хлопот.

При выборе аккумулятора для стационарных условий работы потребителю следует руководствоваться характеристиками, приведенными в табл. t001 и выбирать аккумуляторы в соответствии с условиями эксплуатации. Следует помнить, что приобретение аккумуляторов типов SD, SDH, SMZA, SMF, SMBF, PMF повлечет дополнительные затраты на обслуживание. Если у вас есть помещение, оборудованное для размещения обслуживаемых аккумуляторов, то его следует использовать по назначению.

Выбранный аккумулятор должен соответствовать режиму эксплуатации. В аккумуляторах находящихся в эксплуатации непрерывно повторяется замкнутый цикл электрохимических преобразований. Период заряда-разряда аккумулятора называют циклом. С каждым циклом аккумуляторы изнашиваются. Долговечность аккумулятора оценивают количеством циклов заряда-разряда.

2.3.3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Различают три режима работы учитывающих особенности зарядно-разрядных процессов аккумулятора:

буферный;

циклический;

смешанный.

Если периоды разряда непродолжительны, в сравнении с периодами заряда, такой режим работы аккумулятора называется буферным. В этом режиме аккумулятор постоянно подзаряжается.

Циклический режим работы характеризуется длительными периодами заряд-разряд-заряд. Полный циклический режим на практике используется редко, например, при контрольных зарядно-разрядных циклах аккумуляторов. В этом случае аккумулятор полностью заряжается, а затем разряжается до минимально допустимого напряжения и снова заряжается. Таким образом, определяют доступную емкость аккумулятора.

Под доступной емкостью следует понимать максимальное количество электричества в кулонах (ампер часах (1 Ач = 3600 Кл)), которое аккумулятор отдает при разряде до выбранного конечного напряжения. Минимальное конечное напряжение разряда батареи оговаривается изготовителем. Не рекомендуется использовать режим более глубокого, а также мягкого разряда, которые снижают продолжительность циклического срока службы аккумулятора.

Доступная емкость после ввода в эксплуатацию увеличивается, а затем, с увеличением числа циклов, уменьшается (рис. p006). Первоначальное увеличение емкости связано с активацией пластин при вводе аккумуляторов в эксплуатацию. Количество циклов работы зависит от степени разряда аккумулятора. Чем меньше глубина разряда аккумулятора, тем большее количество циклов он прослужит.

Считается, что аккумулятор отработал свой срок службы, если доступная емкость падает до 80% указанной первоначальной емкости. В этом случае 30% глубина разряда соответствует максимальному циклическому сроку службы аккумулятора [8].

Зарядные и разрядные характеристики аккумулятора изменяют в зависимости от режима работы. Напряжение заряда при циклическом режиме выше, чем для буферного (рис. p008). Изготовители оговаривают предпочтительные режимы эксплуатации батарей. В случае если изготовитель приводит параметры одного режима -- это для буферного.

Техника заряда

Согласно рекомендаций изготовителя заряд всех типов аккумуляторов FIAMM может осуществляться в режиме плавающего и компенсационного заряда.

Режим плавающего заряда аккумулятора обеспечивается, если к нему приложен потенциал превышающий его рабочее напряжение. Ток заряда пропорционален разности приложенного напряжения и напряжения холостого хода аккумулятора. Напряжение аккумулятора возрастает по мере заряда до тех пор, пока не начинается электролиз. Одновременно с этим уменьшается эффективность заряда, а напряжение на зажимах аккумулятора увеличивается по мере уменьшения скорости заряда. При таком способе заряда удается запасти до 90% доступной емкости. Напряжение заряда для стационарных аккумуляторов указано в табл. t002.

Следует обратить внимание на тот факт, что малоуходные аккумуляторы могут поставляться с электролитом плотностью 1,21 и 1,25 г/см3, по требованию заказчика, в зависимости от климатических условий эксплуатации. При этом зарядное напряжение выше для аккумуляторов с электролитом более высокой плотности.

После полного заряда аккумулятора дальнейшее продолжение заряда вызывает выделение газов (происходит "перезаряд"). В обслуживаемых аккумуляторах FIAMM в процессе перезаряда распыление электролита ограничено конструкцией вентилей.

Режим компенсационного заряда (IU) для ячеек SD, SDH, SMZA, SMF, SMBF -- позволяет зарядить аккумулятор на 100% в два этапа. Сначала батарею заряжают большим током, равным 15% емкости батареи при десятичасовом заряде до напряжения 2,3 В. Затем дозаряжают током, равным 5% емкости при десятичасовом заряде до напряжения 2,4 В. Свинцовые аккумуляторы должны эксплуатироваться в режиме постоянного подзаряда и не оставаться длительное время незаряженными, чтобы не допустить коррозионных повреждений пластин.

При изменяющейся температуре зарядное напряжение следует корректировать в соответствии с поправочными коэффициентами или графиками изготовителя. Характерная кривая зависимости напряжения батарей от температуры приведена на рис. p007. При этом напряжение заряда может изменяться в пределах, указанных в табл. t002.

Максимальный ток заряда герметизированных аккумуляторов SMG, SLA, UPS для режима плавающего и компенсационного заряда производитель ограничивает до 0,25% емкости. При плавающем заряде герметизированные батареи заряжают до напряжения 2,23 В/ячейку, при компенсационном -- до 2,4 В/ячейку.

Изготовитель не рекомендует злоупотреблять режимом быстрого компенсационного заряда для всех типов аккумуляторов. Типичные кривые заряда для аккумуляторов FIAMM показаны на рис. p008. При зарядном напряжении большем 2,3 В следует ограничивать ток заряда до значения, указанного в табл. t002.

Техника разряда

Доступная емкость аккумуляторов нечувствительна к разрядам со скоростью ниже С/10. При более интенсивных разрядах емкость уменьшается по мере увеличения скорости разряда. Изготовителю достаточно привести относительно ограниченное число типичных кривых разряда. При работе аккумулятора доступная емкость определяется скоростью разряда. Типичная зависимость процентного соотношения емкости от максимального тока разряда аккумуляторов FIAMM представлена на рис. p093.

При разомкнутой батарее отдаваемая мощность равна нулю, поскольку ток равен нулю. Если батарея замкнута накоротко, то отдаваемая мощность снова равна нулю, так как напряжение близко к нулю, хотя ток может быть очень большим. Среднее напряжение зависит от отбираемого тока, но линейной зависимости между этими величинами нет. Для химических источников тока зависимость времени разряда от мощности показана на рис. p094. Из графика видно, что максимальная отдаваемая мощность имеет место при равенстве сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению батареи.

Предельная емкость аккумуляторных батарей достигается при нормальной температуре (20oС), малых скоростях разряда и низких напряжениях отсечки. Подвижность ионов и скорость их взаимодействия с электродами уменьшаются по мере снижения температуры. Большинство батарей с электролитами на водной основе уменьшают отдаваемую энергию в сравнении с той, которую они могут отдать при нормальной температуре. Если электролит замерзает, то подвижность ионов может упасть до такой степени, что батарея перестанет работать.

При разряде батареи в условиях низких температур увеличивается ее внутреннее сопротивление, что приводит к выделению дополнительного тепла. Оно в некоторой степени компенсирует понижение температуры окружающей среды. В таких условиях работоспособность батареи определяется ее конструкцией и условиями разряда.

2.4. АККУМУЛЯТОРЫ HAWKER BATTERIES GROUP

Несмотря на то, что свинцовый аккумулятор известен более ста лет, продолжаются работы по его усовершенствованию.

В аккумуляторах происходит газовыделение. Некоторое снижение газовыделения в окружающее пространство достигается при использовании специальных пробок с каталитическими насадками. Увенчалась успехом попытка создания герметизированных аккумуляторов, в которых используется рекомбинация газов по кислородному циклу.

В 1982 фирма Chloride Industrial Batteries (Chloride Industrial Batteries Ltd один из изготовителей аккумуляторных батарей. Фирма -- член международной группы Hawker Batteries Group (см. рис. 2.1). Производство расположено в Манчестере (Великобритания). Дистрибьютор на украинском рынке -- фирма Селком (см. стр. 106)) начала производство нового поколения герметизированных батарей. Их первым отличительным признаком является рекомбинация газов при заряде аккумулятора. Вторым -изготовление сетки пластин из чистого свинца. Аккумуляторы Chloride используются для питания автономных устройств телекоммуникаций, в авиации, в источниках бесперебойного питания. Удельные весовые характеристики аккумуляторов Chloride Industrial Batteries отображены на диаграмме рис. p043.

2.4.1. АККУМУЛЯТОРЫ СЕРИИ POWERSAFE

Аккумуляторы Powersafe -- герметизированные аккумуляторы в моноблочном исполнении. Выпускаются в диапазоне емкостей от 19 до 1689 Ач. Аккумуляторы могут соединяться в батареи последовательно до 200 ячеек.

Положительные пластины выполнены из сплава свинец-кальций-олово. В батареях серии Powersafe осуществлена 95% рекомбинация газов. В них используются ионообменные мембраны-сепараторы осуществляющие транспортировку ионов кислорода от положительной пластины к отрицательной.

Так как скорость газовыделения при заряде на положительном и отрицательном электродах не одинакова используется тот факт, что кислород выделяется на положительном электроде прежде, чем на отрицательной выделяется водород. В то же время необходимо отвести кислород с целью предотвращения окисления положительной пластины аккумулятора. Использование сплава свинец-кальций-олово позволило увеличить напряжение электролиза воды на последней стадии заряда аккумулятора.

Ионообменная мембрана-сепаратор является направленным проводником ионов кислорода от положительной пластины к отрицательной. Мембрана-сепаратор имеет преимущественно горизонтальные поры. На отрицательном электроде происходит реакция соединения кислорода с водородом с образованием воды (рис. p041):

2e-- + 2H + 1/2 O2 = H2O.

Таким образом, при эксплуатации аккумуляторов Powersafe выделяющиеся газы рекомбинируют с образованием воды.

Диапазон напряжений для каждой ячейки батареи Powersafe составляет 2,27...2,29 В при температуре 20oС. Минимальное напряжение разряда -- 1,63 В.

Производитель предупреждает, что разряженные до напряжения 1,6 В батареи следует начать заряжать в течение двух минут. Возможно приобретение аккумуляторов со встроенной защитой от глубокого разряда, однако, применяются они исключительно редко.

При изменении температуры заряд и подзаряд аккумулятора следует осуществлять с учетом температурных коэффициентов, приведенных в табл. t024. Напряжение заряда определяется умножением номинального напряжения заряда на величину температурного коэффициента. Следует обратить внимание на отличие коэффициентов для различной скорости заряда. Максимальный зарядный ток батарей на протяжении всего времени заряда не должен превышать 10% номинальной емкости для режима трехчасового разряда.

В табл. П2 приложения представлены технические характеристики аккумуляторов Powersafe. В таблице представлены 4 типа аккумуляторов.

Оптимальные зарядные характеристики аккумулятора Powersafe приведены на рис. p038 и рис. p039. На графике (рис. p038) показана зависимость зарядного тока от времени заряда батарей, а на рис. p039 -- типичное время заряда в зависимости от степени разряда.

Контроль степени заряда герметизированных аккумуляторов не может осуществляться по плотности электролита. Для аккумуляторов Powersafe изготовитель приводит зависимость напряжения ячейки и степени ее заряда (рис. p040).

2.4.2. АККУМУЛЯТОРЫ "PURE LEAD TECHNOLOGY"

Под надежностью аккумулятора понимают его способность сохранять оговоренные изготовителем характеристики при эксплуатации в течение заданного времени в заданных условиях. Для аккумуляторов характерен большой разброс параметров связанных с технологией изготовления, в частности, с колебанием свойств исходного сырья. Поэтому аккумуляторы часто имеют избыточный запас активных веществ.

Существует ряд факторов, которые ограничивают достижение высокой степени надежности батарей:

сильное влияние незначительных примесей на свойства активных масс;

большое количество технологических стадий;

использование широкого ассортимента материалов.

Повышение надежности связано, в первую очередь, с тщательным входным контролем всего поступающего сырья и используемых материалов.

Аккумуляторы Chloride Industrial Batteries выполнены по технологии Pure Lead Technology (PLT). К ним относятся батареи следующих типов:

CYCLON;

MONOBLOC;

GENESIS;

SBS.

Основа технологии PLT -- увеличение коэффициента использования элементов конструкции и активных масс электродов. Обычная конструкция аккумулятора обеспечивает их высокую надежность за счет избыточности активной массы электродов, электролита и токоведущих элементов. В них избыток реагентов и электролита составляет 75...85% от теоретически необходимых [5].

Чистые свинцовые решетки пластин впервые были применены корпорацией Gates в 1973 г. (теперь Inc Hawker Energy Products.). Основной особенностью технологии является чистота материалов и использование более тонких пластин из чистого свинца без снижения ресурса аккумулятора. Пластины изготавливаются штамповкой с последующим прокатыванием. При прокатывании происходит уплотнение свинца, закрытие пор и, как следствие, высокая коррозионная стойкость решеток пластин.

В сравнении с аккумуляторами других производителей впечатляет температурный диапазон работы (см. табл. t025).

Первоначально были разработаны аккумуляторы типа SBS, которые появились в начале 1980 года. Они использовались в авиации и аппаратуре связи. В 1989 году начали выпускаться батареи серий Cyclon Monobloc и Genesis.

Пластины в этих аккумуляторах изготовлены из сплава олова и свинца.

SBS -- батареи для широкого применения перекрывающие диапазон емкостей от 7 до 350 Ач. Высокая плотность энергии достигнута применением тонких намазных пластин, ионообменных сепараторов и сорбированного электролита. Отличительной особенностью SBS батарей является возможность быстрого перезаряда, т.к. 99% газов рекомбинирует при заряде.

Они терпимы к глубокому разряду и могут работать в циклическом и буферном режимах. Особенность конструкции позволяет использовать аккумуляторы в широком диапазоне температур. Верхний предел поднимается до 60oС при использовании дополнительного стального кожуха.

Конструкция аккумуляторов Cyclon и Monobloc аналогична аккумуляторам Планте (рис. p042). Их отличительной особенностью является спиральное расположение намазных пластин. Они устойчиво работают в циклическом режиме. Monobloc содержит в одном корпусе несколько банок, откуда и произошло название аккумулятора. Конструкция Genesis -- также моноблочная. Технические характеристики аккумуляторов Genesis приведены в табл. П1 приложения.

Батареи от Chloride Industrial Batteries в широком ассортименте используются:

в аппаратуре связи;

в авиации;

в вычислительной технике;

в транспортных средствах;

в медицинском оборудовании;

в автономных возобновляемых источниках энергии.

Аккумуляторы Cyclon и Monobloc перекрывают диапазон малых емкостей и предназначены, в основном, для маломощных переносных устройств. Они хорошо работают в циклическом режиме и неприхотливы.

Аккумуляторы Cyclon кроме цилиндрического исполнения могут изготавливаться в заданных формах и габаритах для малогабаритной аппаратуры под заказ. Эффективность рекомбинации газов в них составляет 99,7%. Рабочее положение произвольное. Клапан избыточного давления предохраняет батарею от взрыва и срабатывает при давлении 50 МПа.

2.5. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Топливные элементы осуществляют прямое превращение энергии топлива в электричество минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного "холодного" горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

Биохимики установили, что биологический водородно-кислородный топливный элемент "вмонтирован" в каждую живую клетку [9].

Источником водорода в организме служит пища -- жиры, белки и углеводы. В желудке, кишечнике, клетках она в конечноладывается до мономеров, которые, в свою очередь, после ряда химических превращений дают водород, присоединенный к молекуле-носителю.

Кислород из воздуха попадает в кровь через легкие, соединяется с гемоглобином и разносится по всем тканям. Процесс соединения водорода с кислородом составляет основу биоэнергетики организма. Здесь, в мягких условиях (комнатная температура, нормальное давление, водная среда), химическая энергия с высоким КПД преобразуется в тепловую, механическую (движение мышц), электричество (электрический скат), свет (насекомые излучающие свет).

Человек в который раз повторил созданное природой устройство получения энергии. В то же время этот факт говорит о перспективности направления. Все процессы в природе очень рациональны, поэтому шаги по реальному использованию ТЭ вселяют надежду на энергетическое будущее.

Открытие в 1838 году водородно-кислородного топливного элемента принадлежит английскому ученому У. Грову. Исследуя разложение воды на водород и кислород он обнаружил побочный эффект -- электролизер вырабатывал электрический ток.

Что горит в топливном элементе?

Ископаемое топливо (уголь, газ и нефть) состоит в основном из углерода. При сжигании атомы топлива теряют электроны, а атомы кислорода воздуха приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения -- молекулы углекислого газа. Этот процесс идет энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это приводит к повышению их температуры. Они начинают испускать свет -- появляется пламя.

Химическая реакция сжигания углерода имеет вид:

C + O2 = CO2 + тепло.

В процессе горения химическая энергия переходит в тепловую энергию благодаря обмену электронами между атомами топлива и окислителя. Этот обмен происходит хаотически.

Горение -- обмен электронов между атомами, а электрический ток -- направленное движение электронов. Если в процессе химической реакции заставить электроны совершать работу, то температура процесса горения будет понижаться. В ТЭ электроны отбираются у реагирующих веществ на одном электроде, отдают свою энергию в виде электрического тока и присоединяются к реагирующим веществам на другом.

Основа любого ХИТ -- два электрода соединенные электролитом. ТЭ состоит из анода, катода и электролита (см. рис. p087) [10]. На аноде окисляется, т.е. отдает электроны, восстановитель (топливо CO или H2), свободные электроны с анода поступают во внешнюю цепь, а положительные ионы удерживаются на границе анод-электролит (CO+, H+). С другого конца цепи электроны подходят к катоду, на котором идет реакция восстановления (присоединение электронов окислителем O2--). Затем ионы окислителя переносятся электролитом к катоду.

В ТЭ вместе сведены вместе три фазы физико-химической системы:

газ (топливо, окислитель);

электролит (проводник ионов);

металлический электрод (проводник электронов).

В ТЭ происходит преобразование энергии окислительно-восстановительной реакции в электрическую, причем, процессы окисления и восстановления пространственно разделены электролитом. Электроды и электролит в реакции не участвуют, но в реальных конструкциях со временем загрязняются примесями топлива. Электрохимическое горение может идти при невысоких температурах и практически без потерь. На рис. p087 показана ситуация в которой в ТЭ поступает смесь газов (CO и H2), т.е. в нем можно сжигать газообразное топливо (см. гл. 1). Таким образом, ТЭ оказывается "всеядным".

Усложняет использование ТЭ то, что для них топливо необходимо "готовить". Для ТЭ получают водород путем конверсии органического топлива или газификации угля. Поэтому структурная схема электростанции на ТЭ, показанная на рис. p088, кроме батарей ТЭ, преобразователя постоянного тока в переменный (см гл. 3.6) и вспомогательного оборудования включает блок получения водорода.

Два направления развития ТЭ

Существуют две сферы применения ТЭ: автономная и большая энергетика.

Для автономного использования основными являются удельные характеристики и удобство эксплуатации. Стоимость вырабатываемой энергии не является основным показателем.

Для большой энергетики решающим фактором является экономичность. Кроме того, установки должны быть долговечными, не содержать дорогих материалов и использовать природное топливо при минимальных затратах на подготовку.

Наибольшие выгоды сулит использование ТЭ в автомобиле. Здесь, как нигде, скажется компактность ТЭ. При непосредственном получении электроэнергии из топлива экономия последнего составит порядка 50%.

Впервые идея использования ТЭ в большой энергетике была сформулирована немецким ученым В. Освальдом в 1894 году. Позднее получила развитие идея создания эффективных источников автономной энергии на основе топливного элемента.

После этого предпринимались неоднократные попытки использовать уголь в качестве активного вещества в ТЭ. В 30-е годы немецкий исследователь Э. Бауэр создал лабораторный прототип ТЭ с твердым электролитом для прямого анодного окисления угля. В это же время исследовались кислородно-водородные ТЭ.

В 1958 году в Англии Ф. Бэкон создал первую кислородно-водородную установку мощностью 5 кВт. Но она была громоздкой из-за использования высокого давления газов (2...4 МПа).

С 1955 года в США К. Кордеш разрабатывал низкотемпературные кислородно-водородные ТЭ. В них использовались угольные электроды с платиновыми катализаторами. В Германии Э. Юст работал над созданием неплатиновых катализаторов.

После 1960 года были созданы демонстрационные и рекламные образцы. Первое практическое применение ТЭ нашли на космических кораблях "Аполлон". Они были основными энергоустановками для питания бортовой аппаратуры и обеспечивали космонавтов водой и теплом.

Основными областями использования автономных установок с ТЭ были военные и военно-морские применения. В конце 60-х годов объем исследований по ТЭ сократился, а после 80-х вновь возрос применительно к большой энергетике.

Фирмой VARTA разработаны ТЭ с использованием двухсторонних газодифузионных электродов. Электроды такого типа называют "Янус". Фирма Siemens разработала электроды с удельной мощностью до 90 Вт/кг. В США работы по кислородно-водородным элементам проводит United Technology Corp.

В большой энергетике очень перспективно применение ТЭ для крупномасштабного накопления энергии, например, получение водорода (см. гл. 1). Возобновляемые источники энергии (солнце и ветер) отличаются рассредоточеностью (см гл. 4). Их серьезное использование, без которого в будущем не обойтись, немыслимо без емких аккумуляторов, запасающих энергию в той или иной форме.

Проблема накопления актуальна уже сегодня: суточные и недельные колебания нагрузки энергосистем заметно снижают их эффективность и требуют так называемых маневренных мощностей. Один из вариантов электрохимического накопителя энергии -топливный элемент в сочетании с электролизерами и газгольдерами (газгольдер [газ + англ. holder держатель] -- хранилище для больших количеств газа).

Первое поколение ТЭ

Наибольшего технологического совершенства достигли среднетемпературные ТЭ первого поколения, работающие при температуре 200...230oС на жидком топливе, природном газе либо на техническом водороде (технический водород -- продукт конверсии органического топлива, содержащий незначительные примеси окиси углерода). Электролитом в них служит фосфорная кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу. Электроды выполнены из углерода, а катализатором является платина (платина используется в количествах порядка нескольких граммов на киловатт мощности).

Одна таких электростанций введена в строй в штате Калифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батарей массой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чуть более 2 м и высотой около 5 м. Продумана процедура замены батареи с помощью рамной конструкции движущейся по рельсам.

Две электростанции на ТЭ США поставили в Японию. Первая из них была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационные показатели станции соответствовали расчетным. Она работала с нагрузкой от 25 до 80% от номинальной. КПД достигал 30...37% -это близко к современным крупным ТЭС. Время ее пуска из холодного состояния -- от 4 ч до 10 мин., а продолжительность изменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15 с.

Сейчас в разных районах США испытываются небольшие теплофикационные установки мощностью по 40 кВт с коэффициентом использования топлива около 80%. Они могут нагревать воду до 130oС и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, на пунктах связи и т.д. Около сотни установок уже проработали в общей сложности сотни тысяч часов. Экологическая чистота электростанций на ТЭ позволяет размещать их непосредственно в городах.

Первая топливная электростанция в Нью-Йорке, мощностью 4,5 МВт, заняла территорию в 1,3 га. Теперь для новых станций с мощностью в два с половиной раза большей нужна площадка размером 30x60 м. Строятся несколько демонстрационных электростанций мощностью по 11 МВт. Поражают сроки строительства (7 месяцев) и площадь (30х60 м), занимаемая электростанцией. Расчетный срок службы новых электростанций -30 лет.

Второе и третье поколение ТЭ

Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными топливными элементами второго поколения. Они работают при температурах 650...700oС. Их аноды делают из спеченных частиц никеля и хрома, катоды -- из спеченного и окисленного алюминия, а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия. Повышенная температура помогает решить две крупные электрохимические проблемы:

снизить "отравляемость" катализатора окисью углерода;

повысить эффективность процесса восстановления окислителя на катоде.

Еще эффективнее будут высокотемпературные топливные элементы третьего поколения с электролитом из твердых оксидов (в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура -- до 1000oС. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к 50%. Здесь в качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого угля со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что сбросовое тепло высокотемпературных установок можно использовать для производства пара, приводящего в движение турбины электрогенераторов.

Фирма Vestingaus занимается топливными элементами на твердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки мощностью 25...200 кВт, в которых можно использовать газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям экспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт. Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные элементы мощностью 50 кВт работающие на метаноле с фосфорной кислотой в качестве электролита.

В создание ТЭ включается все больше фирм во всем мире. Американская United Technology и японская Toshiba образовали корпорацию International Fuel Cells. В Европе топливными элементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциум Elenko, западногерманская фирма Siemens, итальянская Fiat, английская Jonson Metju.

Глава 3

СИСТЕМЫ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Наиболее универсальный вид энергии -- электричество. Оно вырабатывается на электростанциях и распределяется между потребителями посредством электрических сетей коммунальными службами. Массовому потребителю безразлично каким током питаются бытовые приборы до тех пор, пока не мигают или не перегорают лампы освещения, телевизор или другие электроприборы.

Повышение грозовой активности, отмеченное в настоящее время, приводит к серьезным последствиям. Попадание молнии в линию электропередач или трансформаторную подстанцию сопровождается электромагнитными импульсами огромной мощности. Они распространяются по всем линиям, включая телефонные и повреждают подключенные устройства.

В сложившихся условиях потребителю самому следует принимать дополнительные меры по защите своего оборудования. Представленный анализ типичных нарушений в сетях электропитания и ряда устройств для защиты оборудования позволяет сделать оптимальный выбор.

Наиболее распространенным устройством нуждающимся в защите является персональный компьютер. Анализ сбоев и неисправностей проведенный IBM показал, что он подвергается более чем 120-ти нежелательным воздействиям в месяц. Это происходит не взирая на то, что современные источники питания обеспечены быстродействующей защитой.

По причине нарушений питающего напряжения в США средние потери рабочего времени составляют 9%. Кроме тривиальной потери данных и периодического "зависания" некачественная электроэнергия отрицательно влияет на работу накопителей информации. Те же проблемы характерны и для таких устройств как факсы, копировальные аппараты и пр.

Кроме оргтехники любое оборудование, простой которого приведет к материальным издержкам, а тем более к угрозе человеческой жизни, должно быть защищено.

Потери времени, вызванные неработоспособностью электронных устройств, обусловлены причинами соотношение которых отражает рис. p014. Среди них нарушения связанные с несоответствием параметров электроэнергии составляют почти половину. Следует отметить, что нарушение электропитания наносит ущерб соизмеримый со стихийными бедствиями.

При неисправностях в сети система защиты отключает потребителей на непродолжительное время (несколько секунд), а затем включает снова. Так возникают "провалы" напряжения. Характерной особенностью настоящего времени является смещение процентного соотношения в сторону полных или кратковременных пропаданий напряжения и мощных импульсных помех в сетях.

Броски напряжения, возникающие при аварийных переключениях и отключениях, вызывают перегрузки электрических приборов многократно превосходящие допустимые. Отключение недопустимо для производств с непрерывным циклом и в первую очередь там, где это сопряжено с угрозой для жизни людей.

Несоответствие параметров электроэнергии приводит к сбоям и преждевременному выходу из строя электронной техники. Наиболее совершенные источники питания электронных устройств работают в интервале напряжений питающей сети от 100 до 275 В при изменении частоты питающего напряжения от 45 до 60 Гц. Однако, при крайних значениях указанного диапазона они перегружены и не могут устойчиво работать продолжительное время.

Традиционно потребители обращают внимание на основные параметры, приводимые изготовителями электрических приборов -потребляемую мощность, величину и частоту питающего напряжения. Несоответствие качества электроэнергии для потребителя незаметно до тех пор, пока прибор не капризничает или не выходит из строя.

Для единичных нагрузок решением тривиальных проблем электроснабжения, связанных с пониженным напряжением, бросками и импульсными помехами, может стать установка стабилизатора напряжения или источника бесперебойного питания (ИБП).

Для распределенных нагрузок общей мощностью до нескольких киловатт удовлетворительным может считаться использование распределенных ИБП с группированием расположенных рядом нагрузок. При больших мощностях использование распределенных ИБП экономически нецелесообразно.

Системы бесперебойного электропитания -- устройства, основной задачей которых является удержание параметров питающего напряжения большой группы оборудования в заданных пределах при отклонениях параметров напряжения электрической сети и, как следствие, защита электронных приборов по цепи питания.

Параметрами, заслуживающими отдельного рассмотрения, являются частота и форма питающего напряжения. Снижение частоты приводит к потерям при передаче электроэнергии (понижение частоты в сети на 0,1% приводит к потере 10% мощности). Отклонение формы напряжения от синусоидальной также вызывает потери.

Мы становимся свидетелями снижения частоты до критической нижней отметки, ниже которой ситуация в сетях становится катастрофической. Процессы отключения при таких авариях становятся неуправляемыми, т.к. отключаются большие группы потребителей и неизвестно на каком из них рассеется огромная энергия запасенная в сети.

Потери возникают как по вине коммунальных служб, так и по вине потребителей. Уменьшить потери и, соответственно, издержки потребителю позволяет применение отдельных ИБП или систем гарантированного электропитания.

3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИСТОчНИКОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ

Исследования AT&T Bell Labs показали, что типичными для сетей являются следующие нарушения:

снижение (провалы) напряжения;

отключение напряжения;

броски напряжения и импульсные помехи;

шумовые помехи.

Наиболее распространенным нарушением является снижение напряжения на величину более 10%. Такие нарушения составляют 87% (см. рис. p015). В индустриальных зонах кратковременное понижение напряжения может быть вызвано включением мощных потребителей. Так пусковые токи асинхронных двигателей в 7...8 раз превосходят номинальные.

Здания старой постройки рассчитывалась на ограниченное потребление электроэнергии. С учетом старения сети в них не соответствуют энерговооруженности современного жилища или офиса. Это приводит к хроническому снижению напряжения в дневное и вечернее время.

Броски напряжения и импульсные помехи -- явление не частое. Они возникают во время работы коммутационной аппаратуры или в моменты атмосферных разрядов. Броски напряжения и импульсные помехи обычно имеют неповторяющийся характер. Возникающие импульсы большой мощности приводят к серьезному повреждению электронных устройств.

Шумовые помехи с большими уровнями -- явление редкое. Они могут быть периодическими и хроническими. Источником шума с широким спектром излучения является электрическая дуга. Периодические шумовые помехи возникают во время сварочных работ. Хронические -- при работе городского электротранспорта.

Практика показывает, что характерными признаками необходимости дополнительных мер защиты оборудования являются:

ограниченная мощность ввода и старая разводка в зданиях старой постройки;

расположение здания недалеко от строительных площадок и маршрутов электротранспорта;

наличие в зданиях мощного индустриального оборудования;

расположение оборудования в сельских районах удаленных от местных подстанций;

расположение оборудования в зоне с повышенной грозовой активностью.

Наиболее простым средством защиты электроприборов потребителя является комбинированное устройство, содержащее фильтр и устройство защиты от перенапряжения в сети. Следует отметить, что фильтр -- устройство симметричное, он подавляет помехи поступающие как из сети, так и от потребителя. Фильтр предназначен для подавления бросков напряжения ограниченной мощности и шумов общего вида.

Степень защиты нагрузки определяется временем срабатывания, диапазоном подавляемых частот, степенью подавления и максимальной энергией подавляемого выброса.

Стабилизаторы напряжения выдерживают в задаваемых пределах только амплитудные значения напряжения. Их следует использовать в тех случаях, когда применение источников бесперебойного питания экономически нецелесообразно. Стабилизатор увеличивает срок службы Ваших приборов и делает их более экономичными.

Название инверторов определяется их функциональным назначением -- способностью преобразовывать постоянный ток в переменный. Их используют как мобильные источники сетевого напряжения в автономных условиях, а в стационарных -- в качестве узлов резервных источников электропитания.

Логическим дополнением электрических сетей являются системы бесперебойного электропитания. Они содержат: фильтры, стабилизаторы, инверторы, аккумуляторные батареи, устройства коммутации и пр.

Устройство, называемое источником бесперебойного электропитания (UPS -- Uninterruptible Power Systems (Supplies)) может обеспечивать электроэнергией целое здание или домашний компьютер. Поэтому их разделяют на источники малой (до единиц киловатт), средней (от единиц до десятков киловатт) и большой мощности (до нескольких мегаватт).

ИБП подключается к сети переменного тока обычного качества и выполняет две функции:

улучшения качества электрического питания;

резервного источника питания.

Больше всего мифов о наилучших принципах работы ИБП распространено продавцами и дистрибьютерами. Нормативные документы, в частности, европейские стандарты EN50091-1 и EN50091-2 не дают определений принципов работы ИБП. Нормируются основные параметры, при соблюдении которых прибор будет соответствовать выбранному стандарту.

Следовательно, определение и классификация принципов работы ИБП предложенная фирмой-изготовителем или дистрибьютером вряд ли может служить критерием выбора того или иного устройства.

Все выпускаемые в мире ИБП по архитектуре построения можно разделить на два класса:

Off-Line (Standby) -- резервные источники;

On-Line (Double conversion) -- источники с двойным преобразованием.

3.1.1. РЕЗЕРВНЫЕ ИБП (OFF-LINE)

Принцип построения резервных Off-Line систем основан на том, что нагрузка изначально подключена к сети (рис. p016). В случае отключения или отклонения параметров сетевого напряжения от заданных, нагрузка переключается и запитывается от инвертора использующего энергию аккумуляторных батарей. Время старта инвертора и переключения нагрузки обычно не превышает 4-х миллисекунд.

Самый большой недостаток Off-Line источников -непосредственное подключение нагрузки к сети. При этом помехи беспрепятственно попадают в нагрузку. Мощность таких источников находиться в пределах от 250 до 2000 BA.

Резервные источники Off-Line получили широкое распространение на нашем рынке благодаря низкой стоимости, простоте эксплуатации, наличию удобного и несложного программного интерфейса и маркетинговой политике известной APC (American Power Conversion).

Интерактивные источники (Line-Interactive)

Разновидностью Off-Line ИБП являются так называемые интерактивные источники бесперебойного питания. Они получили широкое распространение. Отличительными признаками этих моделей (рис. p017) являются:

фильтры;

стабилизатор напряжения;

входной переключатель;

автотрансформатор.

В них усовершенствован инвертор и более развит процессор управления. Инвертор вместо ступенчатого формирует напряжение синусоидальной формы. Наиболее совершенные модели позволяют корректировать амплитуду и форму выходного напряжения.

Дополнительно может устанавливаться разделительный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку нагрузки от сети. Функция переключения обмоток автотрансформатора позволила расширить диапазон входного напряжения ИБП до 165...275 В (функция переключения -- повышение пониженного напряжения (+40В) и понижение повышенного (-40В) переключением обмоток автотрансформатора).

Интерактивные источники могут иметь два режима -стандартный (Off-Line) и режим переключения. В них может применяться реверсивный инвертор (рис. p018), работающий в "горячем" резерве, т.е. работающий в нормальном режиме на заряд батарей, а в аварийном -- на разряд.

Все эти нововведения увеличивают стоимость ИБП, но суть его остается та же -- в нормальном режиме ваша нагрузка подключена к сети.

Обобщенные характеристики Off-Line и Line-Interactive источников представлены в табл. t004. В заключение отметим достоинства и недостатки Off-Line источников.

Достоинства:

простота исполнения;

малый вес и габариты;

низкая стоимость;

низкие эксплуатационные расходы;

высокий КПД.

Недостатки:

инвертор не рассчитан на длительную работу;

псевдосинусоидальный выход (кроме Line-Interactive);

фиксированное, малое "окно" по входному напряжению;

неустойчивая работа в нестабильных сетях;

как правило, отсутствие возможности существенно увеличить время автономной работы за счет дополнительных батарей;

отсутствие возможности улучшения параметров входного напряжения (кроме Line-Interactive);

не работают в условиях ухода частоты сетевого напряжения и от дизель-генератора;

не рассчитаны на работу с большими мощностями;

отличное от нуля время переключения на батареи в случае аварии сети;

слабые возможности по управлению мощностью и нагрузкой.

При выборе ИБП отличительным признаком Off-Line режима является равенство допусков на входную и выходную частоты питающего напряжения. Если допуск по частоте на входе ИБП такой же, как и на выходе -- нагрузка подключена непосредственно к сети.

3.1.2. ИБП С ДВОЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ (ON-LINE)

On-Line системы -- это системы генерирующие собственное, стабильное по амплитуде и частоте, синусоидальное напряжение. Они работают по принципу двойного преобразования напряжения: переменное -- постоянное -- переменное (рис. p019).

Входное напряжение от сети переменного тока подается на выпрямитель, где оно преобразуется в напряжение постоянного тока. Это напряжение питает инвертор, а часть энергии используется для заряда батарей. Постоянно работающий инвертор генерирует стабильное напряжение, параметры которого никак не связаны с параметрами входного.

ИБП архитектуры On-Line позволяет:

исключить амплитудные и частотные искажения;

работать в слабых и нестабильных сетях;

эффективно подавлять импульсные помехи.

При пропадании входного напряжения происходит переход на питание инвертора от батарей с нулевым временем переключения без скачка амплитуды и фазы выходного напряжения. Таким образом, On-Line ИБП представляет собой станцию эталонного синусоидального напряжения.

Выходная форма напряжения формируется самим источником и никоим образом не связана с формой напряжения в сети общего назначения. Благодаря минимум двойному преобразованию обеспечивается высокая изоляция выходного напряжения от влияния внешней сети и наоборот, что существенно для защиты информации от несанкционированного доступа со стороны сети общего назначения.

Наиболее совершенные On-Line ИБП выполняют до четырех преобразований:

переменное сетевое напряжение -- в постоянное;

постоянное -- в постоянное напряжение промежуточной шины;

напряжения батарей в напряжение промежуточной шины;

напряжения промежуточной шины -- в выходное переменное напряжение.

ИБП такого типа снабжены входными и выходными фильтрами, разделительными трансформаторами. Они допускают широкий диапазон изменения входного напряжения без отбора мощности батарей. Более того, снижением мощности нагрузки можно понизить минимальный уровень напряжения перехода на питание от батарей (до 120 В), что существенно для успешной работы в сети с хронически пониженным напряжением.

Современные On-Line системы способны работать в качестве преобразователей частоты для питания оборудования не соответствующего отечественным стандартам, например, 60 Гц.

Для нормирования степени защиты электронных устройств разработаны тесты, которые моделируют сетевые процессы и позволяют измерить степень защиты нагрузки. Тестирование может осуществляться по спецификации Института Инженеров-электриков IEEE-587. Каждой категории защиты соответствуют определенные условия теста (см. табл. t003).

3.2. ИБП CHLORIDE POWER ELECTRONICS

Ни одна сеть не обладает иммунитетом к проблемам, связанным с питанием. Если сеть не защищена от таких опасностей, как шум линии, отключение питания, скачки и падения напряжения -- вы рискуете столкнуться с потерями информации, производительности и оборудования.

Этот риск сам по себе достаточен для того, чтобы убедить любого руководителя в необходимости защиты электропитания. Никогда не забывайте старую истину: "Предупреждение лучше лечения". Это относится не только к здоровью, но и к состоянию сети.

В ИБП Chloride Power Electronics две архитектуры объединены так называемым интеллектуальным ключом. Выбор одного из описанных выше режимов работы ИБП означает отказ от преимуществ другого. С этим связано появление гибридных моделей, способных работать в нескольких режимах. Цифровой режим Line-Interactive обеспечивает высокую надежность при максимально низких эксплуатационных затратах. Режим двойного преобразования -- наивысшую степень защиты и показатели качества электроэнергии.

ИБП Chloride Power Electronics осуществляют:

автоматический контроль за рабочими характеристиками;

управление инверторами на высокой частоте;

программное управление нагрузками;

выдачу сообщения о корректирующих действиях при восстановлении оптимальных условий работы.

Общие сведения об ИБП Chloride Power Electronics представлены в табл. t005.

Модель Synthesis

ИБП Synthesis (рис. p021), структурная схема которого представлена на рис. p046, включает:

входной преобразователь 1;

батарею аккумуляторов 2;

инвертор 3;

преобразователь 4;

переключатели S1...S5;

предохранители F1...F3.

ИБП имеет два входа. Управление может осуществляться программно и в ручном режиме. В автоматическом режиме схема управления изменяет структуру в соответствии с парами нагрузки. Нагрузка может питаться через: основной вход -- преобразователи 1, 3 или батарея -- преобразователь 3; дополнительный вход -преобразователь 4 (переменного тока в переменный).

Ручной сервисный переключатель S1 и синхронные тиристорные S2...S5 позволяют изменять архитектуру источника без перерывов питания. Входной преобразователь выполняет функции выпрямителя и зарядного устройства.

При отключении питания по одному из входов источник питает нагрузку от батарей. Наличие двух входных линий позволяет использовать ИБП Synthesis совместно с автономными источниками без доработок.

Например, дизель-генератор с автоматическим запуском (см. гл. 4.1) может подключаться к основному входу. При отключении сетевого напряжения по дополнительному входу, источник будет питать нагрузку на время запуска и выхода на режим генератора. После появления устойчивого напряжения от генератора на основном входе источник переключит нагрузку на генератор. Система двойного преобразования надежно защищает нагрузку от девиации частоты -- основного недостатка дизель-генераторных установок.

Технические характеристики ИБП Synthesis представлены в табл. t006. Здесь представлены однофазные и трехфазные ИБП от 6 до 20 кВА. Отличительной особенностью моделей Synthesis является высокий коэффициент мощности на входе.

Аккумуляторная батарея, как сердце каждого ИБП -ответственный элемент. Герметизированные батареи, которыми оборудован Synthesis, не нуждаются в обслуживании, но требуют бережного отношения (см. гл.2). Использование автоматического управления зарядными характеристиками позволяет максимально увеличить срок службы батареи (до 30%). Автоматика осуществляет:

температурно-компенсированный заряд батареи;

автоматическое тестирование батареи;

контроль циклов заряда-разряда;

регулирование напряжения окончания заряда в зависимости от длительности разряда;

расчет времени автономной работы в зависимости от реальных условий.

Наращивание мощности может осуществляться двумя путями:

параллельным подключением дополнительных ИБП;

модернизацией имеющегося ИБП (см. стр. 106).

Модель EDP-90

Отличительной особенностью ИБП серии EDP-90 является широкий диапазон мощностей и возможность подключения нелинейной нагрузки. Это возможно благодаря использованию дополнительных фильтров. Тщательная фильтрация напряжения позволяет нормировать характеристики напряжения до 19 гармоники. В результате гарантируется коэффициент мощности до 0,9 при работе с нелинейной нагрузкой.

ИБП серии EDP-90 устойчиво работают с дизель-генераторами. Этому способствует как эффективная фильтрация, так и структурные особенности источников.

Структурная схема ИБП EDP-90 представлена на рис. p044. Она включает:

входной преобразователь 1;

батарею аккумуляторов 2;

инвертор 3;

синхронный переключатель 4;

переключатели S1...S4;

предохранители F1...F3.

В отличие от структуры Synthesis (рис. p046) EDP-90 содержит статический трехвходовой ключ. Он позволяет синхронно переключать структуру ИБП при подключенной нагрузке большой мощности без фазовых скачков. При больших мощностях такие скачки наиболее опасны.

Степень защиты нагрузки

Если условия подачи электроэнергии нестабильны, например, если оборудование подвергается постоянным отключениям (десятки раз в год) или сеть выполнена более 10 лет назад -- в такой ситуации следует продумать повышение степени защиты (количество и тип защищаемых компонентов сети), а также выбор модели развертываемых ИБП. Высокий уровень защиты также необходим в случае, когда повседневная жизнь организации в значительной степени зависит от работы сети.

Каждый ИБП должен обеспечивать необходимый уровень защиты питания. Уровень защиты конкретного оборудования зависит от качества энергоснабжения и возможных затрат, которые компания понесет в случае снижения производительности или выхода из строя дорогостоящего оборудования. Повышение надежности систем бесперебойного питания обеспечивают:

параллельное резервирование устройств;

диспетчерская система технического контроля и обслуживания.

Важным аспектом, который необходимо учитывать при установке ИБП, является выбор производителя, предоставляющего техническую поддержку отвечающую вашим потребностям.

Необходимо изначально получить ответ на вопрос какие затраты повлечет модернизация программного обеспечения и какие типы поддержки доступны?

Интеллектуальные ИБП

ИБП -- весьма важные компоненты любой сети; но мало установить ИБП, необходим еще и контроль над правильностью их работы. Если ИБП больше десятка, то необходим эффективный способ их контроля и управления. Администраторы сетей должны постоянно проверять заряд батарей, а также контролировать температуру и качество проводки.

Управление электропитанием является составной частью системы защиты питания. Chloride Power Electronics предоставляет вместе со своими системами управляющее программное обеспечение. Программно управляемые источники бесперебойного питания называются интеллектуальными. Подобные устройства могут регистрировать события, непрерывно контролировать качество энергоснабжения, сообщать о состоянии батарей и выполнять другую диагностику.

Программное обеспечение ИБП способно строить полезные диаграммы характеристик описывающих качество электропитания, в частности, частоты и уровня напряжения. Используя программы управления ИБП, необходимые характеристики можно отображать или сохранять в базе данных для анализа. Возможность контроля напряжения удобна для предотвращения и диагностирования сбоев в сети. Например, повышенное напряжение распознается и корректируется до того, как оно "сожжет" оборудование.

Повышение надежности ИПБ

Повышение надежности систем электропитания достигается параллельным включением источников (рис. p045). Для обеспечения повышенной надежности система строится по схеме N+1. В случае выхода из строя одного из источников он блокируется, а система продолжает работать. Chloride Power Electronics предлагает две конфигурации параллельных систем:

централизованные (с выходным устройством СОС -- Common Output Cubicle);

распределенные.

Достоинство первой конфигурации -- простота обслуживания и управления. Недостаток -- увеличение стоимости за счет СОС.

Достоинства второй конфигурации -- простота инсталляции и цена. Недостаток -- сложность обслуживания и ремонта.

Удаленный контроль и управление

ИБП Chloride Power Electronics кроме традиционных атрибутов включает современную систему теледиагностики LIFE. Она позволяет обслуживать ИБП из центра технического обслуживания ежедневно в автоматическом режиме. Такой сервис позволяет не тратить время на обслуживание. ИБП передает по модему всю информацию о своем рабочем состоянии в центр технического обслуживания в установленное время и, конечно же, в любой момент, если произошло отклонение заданных параметров от нормы.

Такая связь позволяет персоналу центра непрерывно наблюдать за работой источников. Анализируя функционирование ИБП и параметры сети специалисты центра в случае неисправности сразу прибудут для устранения неполадок без дополнительного приглашения.

Украинская фирма "Селком" предлагает индивидуальное проектирование, поставку, установку, монтаж и обслуживание систем бесперебойного электропитания (см. стр. 106).

3.3. ИБП AMERICAN POWER CONVERSION

По данным журнала "Line Magazine" около 50% мирового объема продаж ИБП малой и средней мощности принадлежит American Power Conversion (APC).

По мнению авторизованных дистрибьютеров APC в Украине наибольшее распространение, к настоящему времени, получили ИБП Back-UPS.

Приборы этой серии перекрывают диапазон мощностей от 250 до 1250 ВА, что соответствует полезной мощности от 170 до 900 Вт. Основное отличие от других серий -- форма выходного напряжения (рис. p030 а).

На рис. p031 показана структурная схема ИБП этой серии. Источник работает в двух режимах. Выбор режима "Standby" или "Батарея" регламентирует приоритет одной из двух цепей питания. В режиме "Standby" нагрузка подключена через ограничитель напряжения и фильтр непосредственно к сети.

Самой распространенной проблемой сетей питания для компьютеров является пониженное напряжение. Безусловным достоинством блоков моделей Back-UPS является малое время переключения -- 2...4 мс включая время распознавания.

Во всех моделях серии Back-UPS переключение нагрузки на работу от батарей происходит при снижении сетевого напряжения ниже 196 B +5%, а у моделей Back-UPS 900 и 1250 и при превышении 264 B +5% [11].

Следует отметить другую проблему зачастую превосходящую предыдущую -- броски напряжения в сети. Источники предотвращают повреждение и увеличивают срок службы компьютеров. Справедливости ради, отметим, что тем самым они укорачивают свой срок службы. Зарегистрированы случаи превышения сетевого напряжения выше 300 В. В таких случаях ИБП, не имеющий защиты от перенапряжения по входу, защищая компьютер выходит из строя.

3.3.1. ВТОРОЕ И ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ ИБП APC

Представители второго поколения ИБП APC -- Smart-UPS. Маломощные модели этой серии выполнены в виде подставки под монитор (AP 250i и AP 400i см. табл. t014).

В отличие от Back-UPS модели Smart-UPS вырабатывают трапецеидальное, ступенчатое или синусоидальное напряжение и имеют промежуточные режимы работы. Например, приборы серии Smart-UPS XL работают следующим образом:

при напряжении сети в интервале 253...282 В прибор переходит в режим ограничения напряжения (Trim);

при напряжении сети в интервале 176...196 В прибор переходит в режим повышения напряжения (Boost);

при напряжении ниже 173 В или выше 282 В переключается на батарею аккумуляторов (см. табл. t014).

Smart-UPS 2000 состоит из двух блоков. В одном находятся батареи, а в другом -- электроника. Он допускает подключение до 10 дополнительных батарей.

ИБП серий Back-UPS Pro и Matrix-UPS

Маломощные модели BP280I, BP420I и BP650I при работе от батарей на выходе генерируют сигнал трапецеидальной формы. Модели BP1000I и BP1400I -- сигнал ступенчатой формы (рис. p030 б).

ИБП Back и Smart второго поколения не имеют отключения нейтрали. Модели третьего поколения (рис. p036) разрывают оба сетевых провода. Это повышает электробезопасность источников третьего поколения.

Matrix-UPS состоит из трех блоков:

управления;

трансформаторов;

аккумуляторов.

Блочное исполнение позволяет оперативно наращивать количество батарей и, таким образом, увеличивать время автономной работы до 3-х часов.

Структурная схема Matrix-UPS представлена на рис. p035. Коррекция напряжения без перехода на батареи осуществляется переключением обмоток трансформатора.

Matrix-UPS построен по гибридной схеме Line-Interactive. Входная обмотка трансформатора W1 осуществляет гальваническую развязку нагрузки с сетью. Выходное напряжение ИБП корректируется переключением вторичных обмоток трансформатора Т1. Переключатель S2 обеспечивает коэффициент трансформации Т1 равным 1 (bypass).

Летом этого года APC объявила о выпуске новых ИБП Symmetra Power Array мощностью 6...20 кВА. Они разработаны для защиты нескольких серверов и важных деловых приложений.

3.3.2. ВЫБОР ИБП

Все электрические устройства потребляют энергию. В документации изготовители приводят полную или активную потребляемую устройством мощность.

Полная мощность представляет собой геометрическую сумму активной и реактивной мощности. Она определяет максимальную электрическую нагрузку оборудования. Значение полной мощности в цепи переменного тока определяется произведением эффективных значений тока и напряжения. Она измеряется в вольтамперах (см. табл. t013) [12].

Активная мощность характеризует полезную электрическую мощность. При комплексной нагрузке в цепи переменного тока только активная составляющая является полезно используемой. Активная мощность измеряется в ваттах (см. табл. t013).

Реактивная мощность не оказывает непосредственного воздействия на нагрузку. Она обусловлена возникновением поля при наличии в цепи индуктивности или емкости. Отличие формы тока или напряжения от синусоидальной вызывает возникновение мощности искажений как составляющей реактивной мощности. Такие искажения присутствуют и при использовании ИБП с несинусоидальной формой выходного напряжения.

Коэффициент мощности характеризует ту часть полной мощности, которая обусловлена активной составляющей и является полезной. Коэффициент мощности -- отношение активной составляющей мощности устройства к полной мощности.

При синусоидальной форме напряжения и тока за коэффициент мощности принимают значение косинуса угла сдвига фаз между фазным током и напряжением.

С экономической точки зрения потребителем энергии с помощью компенсирующих схем должны приниматься меры к тому, чтобы в электрических сетях между генератором и нагрузкой имело место как можно меньшее колебание реактивной мощности, т.е. коэффициент мощности должен иметь как можно более близкое к 1 значение (не следует путать коэффициент мощности с коэффициентом полезного действия, который определяется как отношение входной мощности к выходной).

Преимущественно все устройства обладают реактивностью. Большинство нагрузок имеет индуктивный характер (см. табл. t023). Коэффициент мощности узлов компьютеров, находится в пределах 0,6...0,8. Повышение коэффициента мощности приводит к экономии электроэнергии. Этого можно достичь используя ИБП. Во многих случаях увеличение коэффициента входной мощности, кроме снижения потребления электроэнергии, предотвращает также повышение тарифов на электроэнергию, которые взимаются за коэффициент мощности ниже 0,9.

Соотношение между активной мощностью нагрузки и полной мощностью ИБП должен составлять приблизительно 0,7.

Например, для компьютера мощностью 170 Вт выбирают ИБП мощностью 170 Вт/0,7 = 250 ВА.

Выбирая ИБП или стабилизатор необходимо использовать в расчетах максимальное значение мощности нагрузки. Для надежной продолжительной работы ИБП значение мощности должно быть выше расчетного значения на 20...50%.

Время работы от батареи определяет период, в течение которого ИБП обеспечивает электропитание (при определенной величине нагрузки) защищаемого устройства. В общем случае время работы батареи следует принять равным, по крайней мере, пятнадцати минутам. Иначе гарантировать работу компонентов сети в течение периода времени превышающего обычную продолжительность отключения питания весьма проблематично. Если этого недостаточно, выберите ИБП с возможностью наращивания емкости батарей и рассмотрите возможность приобретения резервного генератора (см. гл. 4.1).

Все ИБП оснащены герметизированными (см. гл. 2), не требующими ухода, кислотными аккумуляторами. Изготовители указывают сок службы аккумулятора 3...6 лет в составе ИБП.

Как показывает практика, срок службы батарей редко достигает нижней границы, что обусловлено нестабильностью сетевого напряжения в сетях. Поэтому целесообразно приобретать ИБП в авторизованных центрах APC, которые выполняя гарантийные обязательства фирмы-изготовителя производят безвозмездную замену аккумуляторных батарей вышедших из строя во время гарантийного срока эксплуатации. Один из авторизованных представителей APC -- фирма "Епос" (см. стр. 106).

3.3.3. СОЕДИНЕНИЕ ПРИБОРОВ

Правильность подключения приборов определяется схемой используемой сети и правильно выполненными заземлением и занулением. Подавляющее большинство сетей -- сети с заземленной нейтралью.

Различают заземление защитное и рабочее. Защитным заземлением называется заземление части электроприбора с целью обеспечения электробезопасности. Рабочим заземлением называется заземление какой-либо точки токоведущих частей электроприбора необходимое для обеспечения его работы.

Единственным назначением защитного заземления является защита человека от поражения электрическим током. Поэтому ни в коем случае нельзя заземлять приборы на трубы водоснабжения, отопления и другие, не предназначенные для этого, предметы. Этим Вы подвергаете опасности себя и других людей, например, обслуживающих системы водоснабжения. В дополнение можно добавить, что ничего кроме вреда такое "заземление" не принесет.

Занулением называется преднамеренное соединение частей электроприбора, нормально не находящихся под напряжением, с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока или с глухозаземленным выводом источника однофазного тока или с глухозаземленной средней точкой источника в сетях постоянного тока. Назначение зануления -вызвать срабатывание защиты с целью предотвращения выхода прибора из строя.

Большая часть приборов, которые питаются через ИБП, например, компьютеры, оргтехника и пр. подключаются по трехпроводной схеме. При этом используются штатные соединители, представленные в табл. t022. Выбор соединителя осуществляется исходя из максимально допустимой мощности подключаемых приборов.

Использование специальных соединителей позволяет исключить непреднамеренное подключение бытовых приборов, например, пылесоса или кипятильника в сеть источника бесперебойного питания. Такое включение может вывести ИБП из строя.

Кроме того, неправильное подключение приборов, связанных между собой через интерфейс, при подключении к разным фазам электросети или неправильно выполненном заземлении приведет к повреждению обоих приборов. Применение специальных соединителей также исключает непреднамеренное ошибочное подключение приборов.

Если несколько устройств связаны между собой линией данных (см. рис. p047), то устойчивость обмена в большой степени определяется правильно выполненными соединениями.

Основным условием является следующее: все заземляющие проводники, идущие от устройств, должны соединяться в одной точке. Если это условие не выполняется в сети возникает шум.

Различают шумы общего вида и межсистемные шумы. Шумы общего вида возникают во всех активных устройствах и, в основном, хорошо подавляются источниками питания.

Одна из причин возникновения межсистемных шумов -протекание уравнивающих токов. Они вызваны неравенством потенциалов соединяемых точек. Уравнивающие токи протекают по общему проводу линии данных, например, интерфейсов соединенных между собой устройств заземленных на различные контуры, при неравных потенциалах точек заземления или неправильном подключении заземляющего провода.

3.3.4. ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ ИБП

При нестабильности в сетях из-за близко расположенных строек, трамвайных линий, ИБП постоянно переходит на работу от батарей не успевая заряжать аккумуляторы. В таких случаях не только уменьшается срок службы аккумуляторов, но и выходят из строя коммутирующие элементы.

Вышедший из строя ИБП нецелесообразно пытаться отремонтировать самостоятельно. Отсутствие технической документации, комплектующих и стенда для контроля сведут ваши усилия на нет.

После ремонта на стенде контроля осуществляется регулировка формы, частоты и амплитуды выходного сигнала; уровни заряда батарей и переключения нагрузки. Приборы проверяются тестами нагрузки и короткого замыкания, на время удержания и т.д.

Так проверяют ИБП в авторизованных центрах APC (см. стр. 106).

Если Вам необходима консультация или Ваши устройства нуждаются в квалифицированной технической поддержке, рекомендуем обратиться в сервисный центр фирмы "Епос" (эпос [греч. epos -- слово, повествование], один из трех родов художественной литературы, особенностями которого являются: развернутое повествование, завершенность событий, развитие характеров).

Фирма "Епос" была создана более четырех лет назад с целью выполнения работ и оказания услуг в области сложной электронной техники. Исходя из этого и было выбрано название фирмы -Електронiка ПОСлуги.

Наилучшим тестом для любого аппаратного комплекса является результат выполненной на нем работы. Такой результат -- книга, которую Вы держите в руках. Книга сделана на технике от "Епоса".

3.4. ИБП BEST POWER

Best Power -- американская производственная компания, входящая в индустриальную группу General Signal, является известным производителем источников бесперебойного питания. В июне 1995 года Best Power объединилась с рядом отделений Sola Electric. В Украине Best Power представляет фирма Бест Пауер Украина (см. стр. 106).

Прежде чем купить ИБП следует составить план адекватной защиты сети на случай перебоев с энергоснабжением. Если такого плана нет, то тянуть с этим вопросом не стоит. План должен определять требования по защите компонентов сети.

Составив подобный план оцените состояние электрической сети. Учитывая влияние перебоев в сети на оборудование, решите какие компоненты больше всего нуждаются в защите. Лишь имея основательное представление о сети вы сможете выбрать устройство отвечающее вашим потребностям.

Используйте общие характеристики ИБП Best Power, которые приведены в табл. t015. Далее, наряду с описанием особенностей моделей, будут приведены конкретные рекомендации по использованию ИБП для часто используемых приложений.

Best Power предлагает для энергозащиты оборудования однофазные и трехфазные системы бесперебойного питания способные работать практически с любой нагрузкой (кресс-фактор (кресс-фактор -- коэффициент формы) от 2,7 до 3,5).

Учитывая спрос и традиционные симпатии потребителей, Best Power выпускает источники всех известных архитектур. Патентночистые технические решения позволили компании создать ИБП с техническими характеристиками удовлетворяющими требованиям питания телекоммуникационных систем, медицинского оборудования, компьютеров и другой электронной техники.

Наиболее общей характеристикой нагрузки является потребляемая мощность (см. гл. 3.3.2). Следует оценить диапазон изменения напряжения сети, при котором источник переключается на батареи (строки "Уровень" и "Режим" в табл. t015).

В случае отключения энергоснабжения все ИБП обеспечивают питание от батарей в течение указанного в табл. t015 периода времени. Убедитесь в том, что ИБП надлежащим образом корректируют характеристики напряжения переменного тока в случае питания от электросети.

Если имеет место шум линий -- выбранный ИБП должен содержать фильтр, если напряжение подвержено спадам -- ИБП должен обеспечивать регулировку напряжения. Для всех моделей в табл. t015 указаны допуски выходного напряжения.

В любом случае обязательна встроенная защита от выбросов напряжения. Даже если выбросы, происходящие по вине коммунальной службы, в вашей практике редкость, позаботиться о защите от них стоит, поскольку для выхода из строя оборудования может быть достаточно одного (пусть даже случайного) выброса.

Обобщение опыта фирмы Бест Пауер Украина позволяет рекомендовать конкретные модели источников для часто используемых приложений.

3.4.1. НЕТРАДИЦИОННЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИБП

ИБП серии Patriot применяются в качестве автономных источников сетевого напряжения в тех случаях, когда нагрузка не критична к форме питающего напряжения. Благодаря хорошим удельным показателям и "холодному старту" модели Patriot используются для настройки тюнеров спутникового телевидения, спутниковых антенн и пр.

Модели Best 510 хорошо зарекомендовали себя в работе с мини-АТС и охранными системами. Они надежно работают с оборудованием критичным к форме питающего напряжения, но допускающим небольшое время переключения (2мс).

Источники Fortress и Best 610 применяются для обеспечения питания радиостанций, телевизионного и медицинского оборудования и потребителей, для которых недопустимы перерывы в электропитании при переходе на батареи.

При больших мощностях и продолжительных перерывах централизованной подачи электроэнергии экономически целесообразно использование ИБП совместно с дизель-генераторами (см. гл. 4).

На все изделия фирма Бест Пауер Украина (см. стр. 106) предоставляет гарантию два года и обеспечивает замену неисправного гарантийного оборудования в течение четырех часов со склада. Все модели ИБП Best Power имеют интерфейсный порт для связи с компьютером. В поставку входит программное обеспечение для контроля и управления в среде DOS, Windows 3.xx, Windows95, NT, OS/2, UNIX, Novell NetWare.

3.4.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИБП ДЛЯ ОРГТЕХНИКИ

Приборы чувствительные к электронным помехам, но не требующие бесперебойного питания, могут запитываться через стабилизаторы напряжения Citadel. В качестве регулирующего элемента в них применен феррорезонансный трансформатор. Аналогичный трансформатор применен в ИБП Ferrups. Фильтр стабилизатора обеспечивает ослабление импульсных помех в 250 раз. Технические характеристики стабилизаторов Citadel приведены в табл. t028, t029.

В стабилизаторах Citadel возможна корректировка входного коэффициента мощности. Они отвечают европейским стандартам по электробезопасности. Нагрузка, подключенная через стабилизатор, гальванически развязана от сети.

ИБП Patriot рекомендованы к использованию для офисных приложений.

Серия Patriot -- Off Line источники имеющие время переключения 2...4 мс. Они обеспечивают защиту от бросков напряжения и помех в сети. На индикаторе передней панели отображаются параметры состояния сети и батареи. Кроме того, ИБП предупреждает звуковыми сигналами о предусмотренных аварийных режимах. Они совместимы с компьютерами с корректировкой коэффициента мощности. Модели мощностью 420 ВА и более имеют коммуникационный порт, что позволяет контролировать работу источника используя программное обеспечение.

ИБП Best-510 рекомендованы к использованию для группы пользователей 5...8 компьютеров.

Модель Best-510 -- Line-Interactive со стабилизацией выходного напряжения. Для работы при пониженном напряжении сети используется режим повышения напряжения (boost). Расширенное программное обеспечение дает полную информацию о параметрах напряжения сети и ИБП.

ИБП Fortress рекомендованы к использованию для серверов и групп пользователей.

В моделях Fortress микропроцессор непрерывно анализирует форму синусоиды, и при ее отклонении более чем на 10% вырабатывает корректирующие сигналы. Дискретное регулирование выходного напряжения обеспечивает широкий диапазон входного напряжения, при котором не расходуется энергия батареи аккумуляторов. Напряжение стабилизируется в пределах задаваемых пользователем вручную или через интерфейс. В модели Fortress программируется 15 параметров входного и выходного напряжения источника.

ИБП Best-610 рекомендованы к использованию для нагрузок критичных к параметрам сетевого напряжения.

ИБП Best-610 -- относятся к классическим источникам структуры On-Line с двойным преобразованием. В них отсутствует перерыв в питании нагрузки при пропадании сетевого напряжения.

Несомненным преимуществом Best-610 является низкий коэффициент нелинейных искажений (до 3%), гальваническая развязка и встроенный электронный bypass. Существует возможность использования встраиваемого SNMP-адаптера.

ИБП Unity/1 рекомендованы к использованию для работы группы пользователей до 60 компьютеров.

ИБП Unity/1 -- Line-Interactive ИБП с параллельным преобразованием энергии. Позволяет компенсировать реактивную мощность нагрузки (коэффициент мощности 1) и корректировать частоту выходного напряжения, что особенно важно при работе от автономных источников энергии, таких как дизель-генератор.

Fortress и Unity/1 -- источники корректирующие форму синусоиды. При сбое сети, на выходе нет фазовых скачков или искажений, что обеспечивается нулевым временем перехода на батареи. В момент отключения напряжения сети Fortress использует энергию магнитного поля трансформатора, а Unity/1 -энергию накопленную в батарее конденсаторов.

Ferrups рекомендован к применению для защиты серверов и мощных рабочих станций.

Ferrups -- наиболее надежный (наработка на отказ -- 19 лет) источник бесперебойного питания обеспечивающий эффективную защиту от помех. Он имеет увеличенный диапазон входных напряжений при работе от сети. На выходе ИБП включен коммутируемый трансформатор. Заряд батареи расходуется при падении входного напряжения на 38% ниже номинального.

Для энергозащиты отделов, этажей и зданий Best Power предлагает мощные трехфазные системы бесперебойного питания способные работать с любой нагрузкой (до 3 МВА) в течение заданного потребителем времени.

Обычно программы управления ИБП выполняются на рабочих станциях подсоединенных к компьютерной сети и используют собственные протоколы для взаимодействия с ИБП. Такая схема работает только с продуктами одного производителя. Однако, если в сети установлены приборы от различных производителей -управлять ими следует посредством протокола SNMP.

Группа инженерной поддержки Internet (IETF) разработала проект стандарта, определяющего структуру информационной базы (MIB), для источников бесперебойного питания управляемых посредством протокола SNMP.

Примером производителя ИБП, предлагающего в настоящее время интерфейсы SNMP, служит Best Power. Адаптер SNMP позволяет осуществлять удаленный контроль и управление источником переменного тока по протоколу TCP/IP (рис. p048).

3.5. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА ФИРМЫ BENNING

Более 30% вырабатываемой электроэнергии (рис. p022) потребляется в преобразованном виде -- постоянного или переменного тока с частотой, отличной от промышленной. Наблюдается тенденция роста использования преобразованной электроэнергии во многих областях техники, где до сих пор применялся исключительно трехфазный ток промышленной частоты.

Силовые полупроводниковые устройства служат для преобразования:

переменного тока в постоянный;

постоянного тока в переменный;

переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты;

низкого постоянного напряжения в высокое постоянное напряжение.

Благодаря высокой частоте преобразования обеспечивается КПД порядка 90...95%, нормируемые статические и динамические характеристики. Основными характеристиками преобразовательных устройств являются:

коэффициент полезного действия;

коэффициент мощности;

массогабаритные характеристики.

Фирма Benning является ведущим европейским производителем систем гарантированного электропитания. Основана в 1938 году Тео Беннингом старшим. Многолетний опыт работы, инновационные конструкторские решения, новейшие технологии позволяют уверенно занимать лидирующие позиции на европейском рынке, в Азии и на Ближнем Востоке.

На предприятиях фирмы трудится около 800 человек обеспечивая годовой оборот в 600 миллионов немецких марок. Области применения продукции фирмы -- системы электропитания для аппаратуры связи, индустрии и электрических станций.

Benning производит зарядные устройства для широкой номенклатуры батарей, системы бесперебойного электропитания, измерительные приборы. Предприятие по праву является производством с высоким уровнем культуры. Подтверждение тому сертификация продукции по системе ISO 9002 и ISO 9003.

В Украине продукцию репрезентует представительство фирмы Benning (см. стр. 106). Аппаратура Benning успешно эксплуатируется на предприятиях связи, электрических станциях (в т.ч. атомных), магистральных линиях связи. Системы электропитания обеспечивают бесперебойное электроснабжение.

Преобразовательные устройства Benning обладают высокими регулировочными характеристиками и энергетическими показателями, имеют малые габариты и массу, просты и надежны в эксплуатации, обеспечивают бесконтактную коммутацию токов в силовых цепях, а также регулирование тока и напряжения. Благодаря указанным преимуществам они получают широкое применение в следующих отраслях:

радиоэлектронная аппаратура и автоматика;

электросварка;

цветная металлургия;

химическая промышленность;

электроприводы;

гальванотехника;

электрохимическая обработка металлов.

Появление новых полупроводниковых преобразователей во многом определяется успехами в развитии силовых полупроводниковых приборов. Такие приборы при незначительных внутренних потерях могут управлять большими мощностями подводимыми к нагрузке, что открывает широкие перспективы для их применения в тех областях техники, где требуется высокоэффективное регулирование режимов работы потребителя.

В преобразовательной технике находят применение:

выпрямители, преобразующие одно- или трехфазный переменный ток в постоянный;

инверторы, преобразующие постоянный ток в одно- или трехфазный ток неизменной или регулируемой частоты;

преобразователи постоянного напряжения;

электронные стабилизаторы постоянного и переменного напряжения, преобразующие постоянное или переменное напряжение одного уровня в постоянное или переменное напряжение другого уровня -- неизменного или изменяющегося;

преобразователи числа фаз, преобразующие одно- или трехфазный ток заданной частоты в трех- или однофазный ток той же частоты.

Преобразователи частоты применяются в электроприводах переменного тока, в электротермии, для питания светотехнических приборов, в радиоэлектронной аппаратуре.

Преобразователи постоянного и переменного напряжений применяются для стабилизации и регулирования напряжения приборных комплексов, в быстродействующих позиционных и тахометрических следящих системах, электрохимии, подъемно-транспортных устройствах, тяговых электроприводах горнодобывающей промышленности, для заряда аккумуляторов электромобилей, городского электротранспорта.

Полупроводниковые преобразовательные устройства находят также широкое применение в качестве коммутационной аппаратуры и статических регуляторов реактивной мощности.

Широкое развитие получили автономные системы электропитания сравнительно небольшой мощности. Их развитие идет, в основном, в направлении создания миниатюрных источников с высокими массогабаритными (удельными) характеристиками. В таких устройствах предусматривается максимальное совмещение функций в отдельных блоках системы, что сокращает количество функциональных блоков и элементов.

Системы электропитания строятся на базе полупроводниковых преобразовательных устройств. Они оснащаются как устройствами сигнализации и контроля основных функций, так и системой дистанционного контроля и сигнализации.

Наличие дистанционного контроля и сигнализации позволяет следить за состоянием системы и осуществлять управление через модем. Это избавляет потребителей от необходимости содержать штат по обслуживанию системы электропитания, а обратиться к профессионалам, которые имеют опыт предоставления таких услуг (см. стр. 106).

Системы электропитания фирмы Benning имеют модульную конструкцию и исполняются в настенных и напольных конструкциях. Модульное исполнение позволяет реализовывать различные варианты конфигурации систем электропитания используя резервирование, чем достигается высокая степень надежности устройств. При монтаже систем резервного электропитания в комбинированных модулях устанавливаются и аккумуляторные батареи.

3.5.1. ВЫПРЯМИТЕЛИ

Выпрямители используются как самостоятельно функционирующие устройства, так и в качестве составных элементов систем электропитания.

Выпрямители, использующие принцип импульсного преобразования, обладают хорошими массогабаритными показателями. В силу своих достоинств импульсные выпрямители с бестрансформаторным входом нашли наиболее широкое применение в диапазоне малых и средних мощностей.

Предлагаемый ряд типоразмеров выпрямительных модулей PDT 800...PDD 3000 (рис. p024) позволяет монтировать установки электропитания с естественным охлаждением и токами нагрузки от десяти до нескольких сотен ампер. Использование принудительной вентиляции позволяет увеличить мощность блока вдвое. Технические характеристики выпрямителей представлены в табл. t007.

Использование импульсных выпрямителей совместно с герметизированными, не требующими ухода, аккумуляторными батареями позволяет реализовывать системы бесперебойного электропитания которые находят широкое применение для питания аппаратуры связи и не требуют обслуживания в течение многих лет эксплуатации. В подтверждение сказанного можно привести тот факт, что представители фирмы Benning были приглашены для ремонта аппаратуры, которая проработала в метрополитене без обслуживания 30 лет.

Подключение выпрямительных устройств в стандартных 19"дюймовых шкафах осуществляется при помощи разъемов. Все модули имеют внутреннюю защиту от повышенного напряжения на входе, перегрева и перенапряжения на выходе. Отображение всех важных эксплуатационных и аварийных параметров позволяет упростить и оптимизировать работу обслуживающего персонала.

Данные выпрямители применяются также для обеспечения питанием в системах наблюдения и сигнализации. В области малых мощностей они находят применение для заряда стартерных батарей дизельных двигателей и газовых турбин.

3.5.2. ТИРИСТОРНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Тиристорные выпрямители (рис. p059) охватывают средний и верхний диапазоны мощностей. Именно при высоких выходных напряжениях и больших токах тиристор -- наиболее удачный полупроводник в электротехнике. Управление осуществляется комбинированным транзисторно-тиристорным силовым элементом. Как правило, в выпрямителях применяются мостовые коммутируемые схемы выпрямления.

Тиристорные выпрямители применяются как для непосредственного питания потребителей, так и, одновременно, для подзаряда аккумуляторных батарей в устройствах бесперебойного электропитания. Обеспечение оптимального режима эксплуатации батарей выполняют автоматические устройства, которые осуществляют переключение из режима заряда в режим содержащего заряда, и позволяют избежать газовыделения аккумуляторной батареей и защитить их от глубокого разряда (см. гл. 2).

Для отображения основных функциональных и аварийных параметров предусмотрены устройства контроля и сигнализации которые обеспечивают передачу сообщений на центральный диспетчерский пульт. Такая связь позволяет персоналу центра обслуживания непрерывно наблюдать за работой выпрямителей и регистрировать параметры:

сети переменного тока;

выходного напряжения;

выпрямителя;

батарей.

Электропитание осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В либо 380+15% В и частотой 50+5% Гц. Нестабильность выходного напряжения при изменении параметров сети в указанных пределах не хуже 1% от номинального значения. Нестабильность выходного тока 2%. Пульсации выходного напряжения в диапазоне 0...100% нагрузки не превышают 5%. КПД не хуже 80%. Напряжение помех соответствует VDE 0875 класса "G".

Одна из основных областей применения тиристорных выпрямителей большой мощности -- резервное электропитание электрических станций.

3.5.3. ИНВЕРТОРЫ

Инверторы используются для работы в качестве узлов резервных источников электропитания переменного напряжения 220 В и 380 В, 50 Гц и являются составной частью систем бесперебойного электропитания. Они применяются для питания потребителей переменного тока от первичного источника в виде аккумуляторной батареи или источников электроэнергии, вырабатывающих постоянный ток, в системах передачи электроэнергии постоянного тока. Кроме того, инверторы являются составной частью преобразователей частоты со звеном постоянного тока.

Различают инверторы применяемые для резервного питания аппаратуры малой и средней мощности, работающие от номинального постоянного напряжения 24 В, 48 В и 60 В, мощностью до 2,5 кВА (табл. t010) и инверторы большой мощности, применяемые в промышленности, на электрических станциях, работающие от постоянного напряжения 110 В и 220 В, мощностью до 160 кВА.

В инверторах используются новейшие электронные компоненты наряду с высокочастотным преобразованием, что, в конечном счете, позволяет получить компактную конструкцию, малую массу и высокий коэффициент полезного действия. Наличие специальных схемных решений делает возможной параллельную работу инверторов. При этом могут быть реализованы установки (рис. p025) с уровнем резервирования N+1. Помимо этого, параллельное включение позволяет увеличить суммарную мощность. Таким образом, возможно дооснащение оборудования при необходимости увеличения мощности.

Для повышения надежности работы системы в целом совместно с инвертором применяется электронное переключающее устройство (EUE). EUE позволяет в случае неисправности инвертора подключить нагрузку непосредственно к сети (приоритет инвертора) или переключить питание нагрузки от сети на инвертор (приоритет сети) в случае отключения напряжения.

Инвертор фирмы Benning обеспечивает выходное напряжение 230+5% В, частотой 50+0,1% Гц при изменении напряжения на входе от -15 до +20%. Коэффициент нелинейных искажений на выходе -менее 3% при линейной нагрузке. Уровень радиопомех соответствует европейским нормам EN55022. Кроме того, приборы этого типоразмерного ряда отличаются нормируемой динамикой. При изменении нагрузки от 10% до 100% и обратно в течение примерно 1 мс происходит установление скачков напряжения.

3.5.4. СТАБИЛИЗАТОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Для питания нагрузок, чувствительных к изменениям входного напряжения, применяют стабилизаторы. Как правило, необходимость применения стабилизаторов возникает в системах электропитания с батареями. Напряжение аккумуляторной батареи при разряде изменяется в значительных пределах. Колебания напряжения для многих потребителей являются недопустимыми.

Преобразователи, позволяющие осуществлять широтно-импульсное регулирование на нагрузке, называют широтно-импульсными преобразователями.

Применение широтно-импульсных преобразователей для регулирования и стабилизации напряжения различных потребителей объясняется следующими преимуществами:

высокий КПД;

высокая надежность;

малая чувствительность к изменениям температуры;

малые габариты и масса;

постоянная готовность к работе.

Стабилизаторы напряжения построенные по принципу импульсного преобразования обладают высокими техническими характеристиками и обеспечивают стабильность выходного напряжения +1% при отклонении входного напряжения в диапазоне от -20% до +30%. Номинальное выходное напряжение стабилизаторов, применяемых в связи, 24 В, 48 В и 60 В при токе до 50 А.

Схемное решение позволяет включать параллельно неограниченное количество стабилизаторов работающих на общую нагрузку. Пульсации выходного напряжения составляют менее 2%, КПД не хуже 88% (см. табл. t008). Уровень электромагнитных излучений соответствует европейским нормам EN 55022 класс А.

Применение стабилизаторов напряжения позволяет достичь следующих преимуществ. Напряжение на нагрузке не зависит от напряжения батареи. Полное использование батареи в течение периода от полностью заряженного до разряженного состояния. Благодаря режиму ограничения тока обеспечивается защита от короткого замыкания.

Модульный принцип построения позволяет размещать стабилизаторы в шкафах унифицированного исполнения совместно с другой преобразовательной аппаратурой.

Все устройства контроля и управления фирмы Benning проектируются как самозащищенные, обеспечивая тем самым бесперебойность питания нагрузки. Контроль важных эксплуатационных и аварийных параметров, таких как: перегрузка, неисправность, синхронизация сети, параллельный режим -осуществляется индикацией на передней панели. Существует возможность дистанционной передачи сообщений на центральный диспетчерский пункт.

3.5.5. УПРАВЛЕНИЕ УСТРОЙСТВАМИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Трудно переоценить значение надежности устройств гарантированного электропитания от которых зависит во многом работоспособность средств связи, компьютерных сетей, средств аварийного электроснабжения. Они используются в операционных, на атомных станциях и т.д. Для обеспечения высокой надежности применяются устройства электропитания использующие резервирование устройств автоматики и защиты. В этих случаях немаловажную роль играет обслуживающий персонал, необходимый для сервисной поддержки устройства электропитания (поддержания устройства электропитания в работоспособном состоянии). Сервисное обслуживание может осуществляться и дистанционно.

Для дистанционного наблюдения за работоспособностью средств электропитания, применяемых в телекоммуникационной технике, служат системы управления и наблюдения размещаемые на централизованных диспетчерских пунктах. Система управления и наблюдения через телефонную сеть позволяет контролировать состояние устройств электропитания и управлять ими в эксплуатационных и аварийных режимах. Этим обеспечивается оптимальное использование обслуживающего персонала. Пример такой системы -- MCU-2000 фирмы Benning (рис. p055).

Структура MCU-2000

MCU-2000 позволяет осуществлять управление устройством электропитания и контроль его состояния через телефонную сеть. Информация через модем передается к центральному пульту управления. На центральном пульте данные обрабатываются, регистрируются и предоставляются оператору.

MCU-2000 разработана по иерархическому принципу (Master Slave). Управление системой электропитания осуществляется:

в автоматическом режиме;

оператором через местный пульт управления;

оператором через диспетчерский пульт управления по телефонной сети.

Высокая степень надежности системы электропитания достигается тем, что при параллельной работе любой выпрямитель может автоматически взять на себя функции ведущего.

MCU-2000 интегрируется в систему электропитания и включает следующие устройства (рис. p033):

устройство управления и отображения;

плату процессора;

встраиваемые в оборудование сателитные карты;

измерительные карты (для контролируемых устройств);

релейные карты (для управляемых устройств);

модем.

Сателитные карты, измерительные карты, релейные карты и плата процессора связаны через интерфейс RS485. Через него передаются команды управления и значения измеряемых величин (напряжение U, ток I и температура батарей аккумуляторов toC).

Процессорный блок, в состав которого входят измерительные и релейная карты, по сути, является интерфейсом между пользователем и системой электропитания для местного и дистанционного опроса. Он осуществляет преобразование команд стандарта RS485 в RS232.

Устройство отображения и управления располагается, как правило, на передней панели шкафа электропитания и служит для местного управления работой системы электропитания. Для отображения параметров системы электропитания используется жидкокристаллический индикатор. Возможно подключение компьютера через штатный разъем (RS232) для установки параметров системы электропитания (программное обеспечение поставляется).

MCU-2000 обеспечивает дистанционный контроль и установку таких параметров системы электропитания, как: напряжение питания, суммарный ток устройства, ток любого отдельно взятого выпрямителя, ток заряда аккумуляторной батареи, температуру батареи. (Конфигурация системы MCU-2000 согласовывается с потребителем).

Возможно проведение с центрального диспетчерского пункта регистрации основных параметров системы электропитания, контрольного разряда батареи и пр.

При появлении сбоев в работе устройства электропитания: пропадании сетевого напряжения, разряде аккумуляторной батареи и других аварийных ситуациях -- система MCU-2000 автоматически связывается с центральным диспетчерским пунктом и выдает протокол сообщений.

Для ограничения доступа некомпетентного персонала используется многоуровневая система паролей, позволяющая оградить систему от неквалифицированных действий и саботажа. Число электропитающих устройств контролируемых с одного диспетчерского пункта не ограничено.

Для более детального ознакомления с системой MCU-2000 рекомендуем обратиться в представительство фирмы Benning в Украине (см. стр. 106).

3.6. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА ФИРМЫ VOIGT & HAEFFNER

Преобразовательная техника фирмы Voigt & Haeffner представлена следующим рядом изделий:

E60, D60 и E400 -- импульсные выпрямители с регулированием в первичной цепи;

E110 и E220 -- преобразователи переменного тока в постоянный, мощностью до 2 кВт;

STS и tbGR -- универсальные выпрямители;

G60/48E230 -- инверторы, мощностью до 3 кВА;

E230 -- синхронный коммутатор мощностью до 3 кВА;

SVS -- многофункциональное контрольно-измерительное устройство (МКУ).

Выпрямители, инверторы, синхронный коммутатор и многофункциональное контрольно-измерительное устройство позволяют создавать комплексные системы электропитания (рис. p051) для средств связи, автоматики железных дорог и электростанций, телекоммуникационных сетей и промышленности. Управление как отдельными модулями, так и всей системой может осуществляться дистанционно посредством телеметрической системы управления.

Импульсные выпрямители Voigt & Haeffner, используются для заряда аккумуляторов (выходная характеристика IU по DIN 41772/73), обеспечивающих бесперебойное питание нагрузки постоянным током.

Преобразователи переменного тока в постоянный (рис. p052) выполняют функции аналогичные импульсным выпрямителям. Отличительной особенностью является частотный диапазон входных напряжений (16...60 Гц), что позволяет в автономных условиях или аварийных ситуациях заряжать аккумуляторные батареи от дизель-генератора. Выходное напряжение 24 В, выходная характеристика IU по DIN 41772/73, ток до 500 А.

Универсальные выпрямительные блоки предназначены для мобильного применения устройств электропитания.

Изделия Voigt & Haeffner соответствуют следующим международным стандартам по электросовместимости и электробезопасности:

степень защиты -- класс F по DIN 0040;

электромагнитная совместимость -- класс B по VDE 0878;

электробезопасность -- IP 20 по DIN/VDE 0470 ч. 1.

Системы электропитания монтируются в 19"шкафах имеющих несколько модификаций. Они обеспечивают следующий ряд напряжений постоянного тока: 24, 48, 60, 110, 220 и 400 В.

При ограниченной площади используются шкафы настенного исполнения. Все модули Voigt & Haeffner имеют внутреннюю защиту от повышенного напряжения на входе, перегрева и перенапряжения на выходе.

Источники постоянного тока монтируются в настенных и напольных шкафах. Для аккумуляторных батарей и распределительных устройств предлагаются отдельные специальные модификации. Выбор типоразмера конструкции определяется мощностью источника и емкостью аккумуляторных батарей.

В шкафах монтируются щиты с установленными выпрямительными блоками, блок управления и контроля, фидеры постоянного тока и аккумуляторные батареи. Подключение устройств осуществляется при помощи разъемов.

Импульсные выпрямители с регулированием в первичной цепи могут быть включены параллельно и обеспечивают напряжение от 12 до 400 В постоянного тока. Такие выпрямители используются при получении:

высоких выпрямленных напряжений;

больших выпрямленных токов нагрузки при низком выпрямленном напряжении;

больших мощностей.

Так как регулирование происходит на входе выпрямителя перед трансформатором, импульсные выпрямители с регулированием в первичной цепи допускают бесконтактное отключение трансформатора от сети. Каждый выпрямитель имеет отдельную защиту от перегрузок и коротких замыканий выхода. Технические характеристики выпрямителей представлены в табл. t039.

Инверторы Voigt & Haeffner развивают мощность 2,5 кВт и выпускаются для работы с входным напряжением 48 и 60 В + 20%. При этом они обеспечивают выходное напряжение 230 В + 1...5% частотой 50 Гц + 1%. Максимальная нестабильность выходного напряжения + 5% нормируется при изменении нагрузки 0...100...10%.

МКУ контролирует работу выпрямителей, устройств защиты и заряд аккумуляторов. Устройство контроля имеет аналоговые и цифровые входы и выходы, оборудовано жидкокристаллическим дисплеем, который индицирует параметры блоков, сети переменного тока и аккумуляторных батарей.

Глава 4

АВТОНОМНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Бесперебойное обеспечение энергией предполагает наличие автономного источника. Выбор типа источника определяется его назначением, потребляемой мощностью, наличием или отсутствием сети электроснабжения, географическим положением потребителя и допустимыми затратами.

По сей день универсальным автономным источником, безусловно, является дизель-генератор. Он находит широкое применение благодаря высокой надежности. Кроме того, он обеспечивает не только электроэнергией, но и теплом.

Большинство источников энергии так или иначе загрязняют или изменяют природные условия. Лишь солнце и ветер -- два поставщика энергии, правда, достаточно капризные, не вносят практически никаких нарушений. Использование солнечной энергии позволяет расширить энергетические ресурсы и сэкономить значительное количество топлива от экватора до широты 60o. Возобновляемые источники энергии -- ветрогенераторы и гелиостанции делают первые реальные шаги в энергетике.

Гелиоэнергетика (гелио... [гр. helios солнце] -- первая составная часть сложных слов, означающая: относящийся к солнцу или солнечным лучам) развивается быстрыми темпами в самых разных направлениях. Гелиоэнергетические программы приняты более чем в 70 странах -- от северной Скандинавии до выжженных пустынь Африки. Устройства, использующие энергию солнца разработаны для отопления и вентиляции зданий, опреснения воды, производства электроэнергии. Такие устройства используются в различных технологических процессах. Появились транспортные средства с "солнечным приводом": моторные лодки и яхты, солнцелеты и дирижабли с солнечными панелями. Солнцемобили, вчера сравниваемые с забавным автоаттракционом, сегодня пересекают страны и континенты со скоростью, почти не уступающей обычному автомобилю.

Ветер стал первым природным источником использованным человеком для своего блага. Первыми изобретениями в области энергетики были парус и ветродвигатель. Парус позволил человеку открыть мир. За 200 лет до нашей эры ветряные мельницы работали в Персии, а еще раньше их использовали в Китае. Спустя несколько тысячелетий пришло время пара и электричества. С обострением энергетических кризисов интерес к ветроустановкам периодически возрастал, а теория ветродвигателей развивалась параллельно с теорией авиации.

Солнце и ветер представляют собой неиссякаемые экологически чистые источники энергии. Обострение сырьевых и экологических проблем стимулирует коммерческое использование нетрадиционных источников энергии. Проектируются, строятся и эксплуатируются экспериментальные и промышленные энергоустановки. Стоимость вырабатываемой ими энергии определяется затратами на изготовление, установку и обслуживание.

4.1. ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ ФИРМЫ ABZ AGGREGATE-BAUGMBH

Все выдающиеся изобретения человечества окружены легендами. Одна из них гласит, что первая модель дизеля (Дизель Рудольф, немецкий изобретатель. В 1892 году запатентовал, а в 1897 году построил двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия) проработав всего минуту взорвалась и все присутствующие при испытании сняли шляпы. Так это было или нет, но сегодня дизель-генераторы -- это традиционные источники энергии, а двигатель названный в честь своего изобретателя неустанно трудится на протяжении вот уже ста лет.

Дизель-генераторные установки находят широкое применение в промышленности, строительстве, сельском и коммунальном хозяйствах. Они работают на предприятиях, в аэро-, морских и речных портах, в энергоблоках больниц, фермерских хозяйств, в системах аварийного энергоснабжения, на объектах оборонного комплекса -- везде, где необходима электроэнергия, а сеть или удалена или работает с перебоями.

Дизель-генераторные установки -- источники электрической и тепловой энергии. Их основную часть составляют объединенные в агрегат двигатель и генератор, установленные на стальной раме (рис. p026). Синхронный генератор трехфазного тока приводится в движение дизельным двигателем. Двигатель и генератор соединяются через муфту или напрямую фланцем. В первом случае используется двухопорный генератор, т.е. генератор имеющий два опорных подшипника, во втором -- одноопорный с одним опорным подшипником. Между рамой, опорными поверхностями двигателя и генератора устанавливаются резино-металлические амортизаторы, что снижает вибрации передаваемые на фундамент агрегата.

В состав дизель-генераторной установки входит следующее оборудование:

топливная система;

система выхлопа;

система шумоподавления;

контрольно-измерительные приборы и автоматика (КИПиА);

системы теплообмена (если установка предназначена и для производства тепла).

Фирма ABZ Aggregate-Bau GmbH -- известный производитель дизель-генераторных установок. Агрегаты ABZ успешно работают во многих странах мира. Гибкость в работе, квалифицированная работа сотрудников фирмы ABZ с заказчиками и проектировщиками -- это важнейший аспект работы в этой области.

Прежде чем изготовить агрегат, нужно очень точно определить и посоветовать заказчику -- как выбрать состав установки и где ее лучше разместить на месте эксплуатации. В зависимости от режима эксплуатации выбирается соответствующая схема КИПиА и комплектация топливной системы.

На практике выделяются два основных режима эксплуатации дизель-генераторной установки:

длительный;

резервный (в случае перебоев в сети).

Фирма ABZ Aggregate-Bau GmbH производит и поставляет через своего представителя в Украине фирму "Селком" дизель-генераторы в диапазоне мощностей от 2 до 2500 кВА.

"Селком" производит монтаж, пусконаладку и сервисное обслуживание дизель-генераторных установок. Основные технические характеристики агрегатов представлены в табл. t012.

В агрегатах, в качестве приводных, используются дизельные или газовые двигатели следующих фирм: Deutz, MAN, Daimler-Benz, MTU, Cummins, Perkins/Dorman, Scania, Volvo, Iveco и синхронные генераторы трехфазного тока фирм: Leroy Somer, Месс Alte, A.v.Kaick, Newage-Stamford, Siemens.

Гарантированный срок службы агрегатов до капитального ремонта составляет 20 000 моточасов, что соответствует сроку эксплуатации 15...20 лет.

Малый расход топлива (около 1 литра на 4 кВтч) достигается благодаря использованию двигателей с турбонаддувом. Воздух в таких двигателях, прежде чем попасть в камеру сгорания, сжимается в турбокомпрессоре. Его турбина приводится в движение выхлопными газами. После сжатия он (воздух) охлаждается воздухом или водой и поступает в камеру сгорания двигателя. По уровню выбросов агрегаты ABZ удовлетворяют действующим в Германии нормам TA-Luft (см. табл. t012).

Важным техническим показателем в работе дизель-генераторных установок является уровень шума. В агрегатах ABZ, благодаря комплексному шумоподавлению, уровень шума составляет не более 75 dB, а при усиленном шумоподавлении -- не более 65 dB.

4.1.1. ВЫБОР СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ АГРЕГАТОМ

В соответствии с режимом работы дизель-генераторной установки выбирается способ управления -- ручной или автоматический. Для длительного режима эксплуатации предпочтительнее ручной режим управления. При этом следует контролировать следующие параметры:

давление масла двигателя;

число оборотов генератора;

уровень и температуру охлаждающей жидкости;

напряжение в сети.

Важным элементом дизель-генераторной установки является блок управления. Все элементы автоматики собраны в настенном или напольном шкафу. От агрегата к шкафу ведут кабели управления и силовые кабели. При ручном режиме исполнение шкафа управления и силовой части достаточно простое.

Для автоматического режима резервного энергоснабжения требуется более сложная схема управления и больший набор элементов автоматики. Они обеспечивают автоматический режим работы агрегата в резервном режиме работы.

Когда в сети есть напряжение -- агрегат не работает. При пропадании напряжения подается управляющий сигнал на запуск агрегата и через 1...3 с он достигает номинального числа оборотов -- 1500 об/мин. Через 15 секунд нагрузка автоматически переключается на генератор, который замещает сеть.

Когда напряжение в сети восстанавливается, происходит автоматическое переключение нагрузки с генератора на сеть с задержкой, которую можно задать. Обратное переключение может осуществляться с кратковременной, синхронно с сетью, параллельной работой генератора. При этом не происходит прерывания питания потребителей.

После восстановления напряжения в сети агрегат около 3 минут продолжает работу на холостом ходу для охлаждения двигателя, а затем останавливается. После остановки он сразу готов к запуску.

Топливная система установки включает:

расходный топливный бак;

бак резерва топлива;

запорную арматуру;

системы трубопроводов;

насосный блок;

контрольно-измерительные приборы.

Расходный топливный бак может быть интегрирован в раму дизель-генератора. Для агрегатов, работающих в режиме резервного автоматического энергоснабжения, интегрированный расходный бак не используется, так как в любой момент уровень топлива в нем должен быть выше уровня точки входа топлива в топливный насос дизельного двигателя. В этом случае используется отдельно расположенный топливный бак. В нем уровень топлива поддерживается за счет подкачки топлива насосным блоком состоящим из ручного и электрического насосов и устройства автоматизированного контроля уровня. Так обеспечивается надежный топливный резерв на случай аварийного автоматического запуска агрегата.

Силовая часть генератора и сети нагрузки комплектуется автоматами защиты или трехполюсными переключателями-автоматами с ручным или электрическим приводом.

4.1.2. СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ДИЗЕЛЬ-АГРЕГАТОВ

При работе дизеля часть энергии (до 40%) безвозвратно теряется в виде рассеиваемого тепла. Агрегаты фирмы ABZ могут быть оснащены устройствами регенерации. В этом случае между двигателем и радиатором, на общей раме, устанавливается теплообменник (см. рис. p027). В нем охлаждающая двигатель жидкость, прежде чем охладиться в радиаторе, передает тепло воде, например, для отопления здания.

Кроме нагрева в первом теплообменнике, вода системы отопления может дополнительно подогреваться во втором выхлопными газами агрегата.

Таким образом, кроме электроэнергии агрегаты вырабатывают большое количество вторичного тепла. Оно может использоваться для технологических нужд производства. Так в деревообрабатывающей промышленности его используют в сушильных камерах, в сельском хозяйстве -- для обогрева теплиц и ферм.

На рисунках рис. 4.1...рис. 4.4 представлены различные варианты исполнения дизельных агрегатов фирмы ABZ.

Агрегат тип ON-700/50 работает в аэропорту г. Франкфурт-на-Майне и в случае отсутствия напряжения в сети питает электроэнергией установку заправки самолетов топливом.

Дизельный агрегат (рис. p026) мощностью 700 кВА, в шумоизолированном 9-метровом контейнере:

тип ON-700/50;

двигатель MTU серии 396;

генератор Leroy Somer.

Агрегат в исполнении блочной минитеплоэлектростанции (рис. p027). Тепловой шкаф показан со снятой передней стенкой. Данный агрегат работает на деревообрабатывающем комбинате под Санкт-Петербургом.

Агрегат резервного энергоснабжения (рис. p028), для Центра Люфтганзы в Пекине (Китай), мощностью 1000 кВА:

тип CS-1000/50;

двигатель Cummins серии КТА-50;

генератор Leroy Somer.

Передвижной агрегат легкой конструкции (рис. p029), мощностью 60 кВА транспортируемый легковым автомобилем:

тип АТ-60/50;

двигатель Iveco;

генератор Leroy Somer.

Агрегат показан в закрытом положении и с поднятым кожухом.

Автономный насос с дизельным приводом мощностью 319 кВт:

тип RG-319/PP/1800;

двигатель MAN;

насос Sulzer Weise.

4.2. ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРЫ КОНЦЕРНА SDMO

Концерн SDMO (Франция) входит в группу компаний Group Meunier. Он образован в 1969 году и к настоящему времени включает три крупных подразделения ES, MS, AS и шесть заводов. На заводах концерна выпускаются дизели мощностью от 1 до 5000 кВА.

Отделение ES работает с двумя заводами, где выпускает агрегаты мощностью от 1 до 100 кВА.

Отделение MS выпускает дизель-генераторы мощностью от 100 до 2000 кВА. Здесь проектируются и изготавливаются дизель-электростанции. Они могут располагаться в стационарных сооружениях или контейнерах.

Отделение AS выпускает нестандартные агрегаты. Оно проектирует и изготавливает специализированные системы для военных приложений, средств связи, морских судов.

В агрегатах SDMO используются двигатели следующих производителей: Cummins, Volvo, Perkins, Lister, Petter, для которых характерны надежность и экономичность.

Дизель-генераторы SDMO выпускаются в трех исполнениях для установки в помещении или под открытым небом:

Compact -- на виброизолирующей раме (рис. p056);

Silent -- в шумопоглощающем контейнере;

Super Silent -- в двойном шумопоглощающем контейнере.

Контейнеры Silent и Super Silent могут устанавливаться на колесное шасси.

Важным техническим показателем дизель-генераторных установок является уровень шума. В агрегатах SDMO, благодаря комплексному шумоподавлению, уровень шума составляет не более 85 dB, а при усиленном шумоподавлении -- не более 75 dB. Шумопоглощающая оболочка для контейнеров имеет слоеную структуру с чередующимися слоями металл-полиуретан-металл.

Фирма производит и поставляет дизель-генераторы в диапазоне мощностей от 1 до 5000 кВА. Типы генераторных установок концерна SDMO представлены в табл. t030. Гарантированный срок службы агрегатов 4 000 моточасов или 12 месяцев эксплуатации.

Запуск и управление дизелями осуществляется в ручном или автоматическом режимах. Для этого устанавливается одна из следующих систем управления (рис. p057).

MICS Nano -- система контроля и управления дизель-генератором для ручного способа управления (рис. p057 а).

MICS Pico -- система контроля параметров работы и управления дизель-генератором в автоматическом режиме (рис. p057 б).

MICS Process -- микропроцессорная система контроля и управления всеми функциями дизель-генератора (старт, выход на режим, остановка, управление системой охлаждения и т.д.). На цифровом дисплее отображаются параметры работы агрегата в режиме реального времени (рис. p057 в).

MICS Commander -- система управления функциями энергосистемы, состоящей из нескольких агрегатов. Она строится на базе интегрированных модулей MICS Process и осуществляет синхронизацию параллельно работающих дизель-генераторов. Максимальное количество параллельно работающих агрегатов -- 12.

MICS Process обрабатывает до 100 признаков неполадок, включая 60 установленных изготовителем и 30 программируемых пользователем, регистрирует дату и время признаков отклонений параметров работы узлов дизель-генераторов в режиме реального времени.

Программирование режимов работы позволяет MICS Commander использовать минимально необходимое количество агрегатов для питания потребителей. Запуск, синхронизация, включение и выключение осуществляется в автоматическом режиме.

Для дистанционного управления энергосистемой используется телекоммуникационный модуль. Он позволяет осуществлять удаленный контроль и управление через интерфейс RS422 и регулировать 32 параметра энергосистемы.

Кроме широкой номенклатуры дизель-генераторов концерн SDMO выпускает автономные агрегаты для освещения, сварочных работ (рис. p058) и электрогенераторы с нестандартным выходным напряжением. Для автономного освещения большой площади выпускается передвижной агрегат оборудованный шестиметровой мачтой с натриевой лампой мощностью 1,5 кВт.

Мощность сварочных автономных агрегатов концерна SDMO -3,7 кВт. Три типа исполнения -- на раме, на тележке и на автомобильном прицепе удовлетворяют любым требованиям. Технические характеристики сварочных автономных агрегатов приведены в табл. t031.

4.3. СОЛНЕчНАЯ ЭНЕРГИЯ

Первые попытки использования солнечной энергии на коммерческой основе относятся к 80-м годам нашего столетия. Крупнейших успехов в этой области добилась фирма Loose Industries (США). Ею в декабре 1989 года введена в эксплуатацию солнечно-газовая станция мощностью 80 МВт.

Здесь же, в Калифорнии, в 1994 году введено еще 480 МВт электрической мощности, причем, стоимость 1 кВтч энергии -7...8 центов. Это ниже, чем на традиционных станциях. В ночные часы и зимой энергию дает, в основном, газ, а летом в дневные часы -- солнце.

Электростанция в Калифорнии продемонстрировала, что газ и солнце, как основные источники энергии ближайшего будущего, способны эффективно дополнять друг друга. Поэтому не случаен вывод, что в качестве партнера солнечной энергии должны выступать различные виды жидкого или газообразного топлива. Наиболее вероятной "кандидатурой" является водород. Его получение с использованием солнечной энергии, например, путем электролиза воды может быть достаточно дешевым, а сам газ, обладающий высокой теплотворной способностью, легко транспортировать и длительно хранить.

Отсюда вывод: наиболее экономичная возможность использования солнечной энергии, которая просматривается сегодня -- направлять ее для получения вторичных видов энергии в солнечных районах земного шара. Полученное жидкое или газообразное топливо можно будет перекачивать по трубопроводам или перевозить танкерами в другие районы.

Быстрое развитие гелиоэнергетики стало возможным благодаря снижению стоимости фотоэлектрических преобразователей в расчете на 1 Вт установленной мощности с 1000 долларов в 1970 году до 3...5 долларов в 1997 году и повышению их КПД с 5 до 18%. Уменьшение стоимости солнечного ватта до 50 центов позволит гелиоустановкам конкурировать с другими автономными источниками энергии, например, с дизельэлектростанциями.

4.3.1. ГЕЛИОУСТАНОВКИ НА ШИРОТЕ 60o

Одним из лидеров практического использования энергии Солнца стала Швейцария. Здесь построено примерно 2600 гелиоустановок на кремниевых фотопреобразователях мощностью от 1 до 1000 кВт и солнечных коллекторных устройств для получения тепловой энергии. Программа, получившая наименование "Солар-91" и осуществляемая под лозунгом "За энергонезависимую Швейцарию!", вносит заметный вклад в решение экологических проблем и энергетическую независимость страны импортирующей сегодня более 70 процентов энергии.

Программа "Солар-91" осуществляется практически без поддержки государственного бюджета, в основном, за счет добровольных усилий и средств отдельных граждан, предпринимателей и муниципалитетов. К 2000-му году она предусматривает довести количество гелиоустановок до 3000.

Гелиоустановку на кремниевых фотопреобразователях, чаще всего мощностью 2...3 кВт, монтируют на крышах и фасадах зданий. Она занимает примерно 20...30 квадратных метров. Такая установка вырабатывает в год в среднем 2000 кВтч электроэнергии, что достаточно для обеспечения бытовых нужд среднего швейцарского дома и зарядки бортовых аккумуляторов электромобиля. Дневной избыток энергии в летнюю пору направляют в электрическую сеть общего пользования. Зимой же, особенно в ночные часы, энергия может быть бесплатно возвращена владельцу гелиоустановки.

Крупные фирмы монтируют на крышах производственных корпусов гелиостанции мощностью до 300 кВт. Одна такая станция может покрыть потребности предприятия в энергии на 50...70%.

В районах альпийского высокогорья, где нерентабельно прокладывать линии электропередач, строятся автономные гелиоустановки с аккумуляторами.

Опыт эксплуатации свидетельствует, что Солнце уже в состоянии обеспечить энергопотребности, по меньшей мере, всех жилых зданий в стране. Гелиоустановки, располагаясь на крышах и стенах зданий, на шумозащитных ограждениях автодорог, на транспортных и промышленных сооружениях не требуют для размещения дорогостоящей сельскохозяйственной или городской территории.

Автономная солнечная установка у поселка Гримзель дает электроэнергию для круглосуточного освещения автодорожного тоннеля. Вблизи города Шур солнечные панели, смонтированные на 700-метровом участке шумозащитного ограждения, ежегодно дают 100 кВт электроэнергии. Солнечные панели мощностью 320 кВт, установленные по заказу фирмы Biral на крыше ее производственного корпуса в Мюнзингене, почти полностью покрывают технологические потребности предприятия в тепле и электроэнергии.

Современная концепция использования солнечной энергии наиболее полно выражена при строительстве корпусов завода оконного стекла в Арисдорфе, где солнечным панелям общей мощностью 50 кВт еще при проектировании была отведена дополнительная роль элементов перекрытия и оформления фасада.

КПД кремниевых фотопреобразователей при сильном нагреве заметно снижается и, поэтому, под солнечными панелями проложены вентиляционные трубопроводы для прокачки наружного воздуха. Нагретый воздух работает как теплоноситель коллекторных устройств. Темно-синие, искрящиеся на солнце фотопреобразователи на южном и западном фасадах административного корпуса, отдавая в сеть 9 кВт электроэнергии, выполняют роль декоративной облицовки [13].

4.3.2. ГЕЛИОМОБИЛЬ СЕГОДНЯ

Один из крупных разделов программы "Солар-91" -- развитие транспортных средств использующих солнечную энергию, так как автотранспорт "съедает" четверть энергетических ресурсов необходимых стране. Ежегодно в Швейцарии проводится международное ралли солнцемобилей "Тур де сол". Трасса ралли, протяженностью 644 километра, проложена по дорогам северо-западной Швейцарии и Австрии. Гонки состоят из 6 однодневных этапов, длина каждого -- от 80 до 150 километров.

Швейцарские граждане возлагают большие надежды на децентрализованное производство электрической и тепловой энергии собственными гелиоустановками. Это отвечает независимому и самостоятельному швейцарскому характеру, чувству цивилизованного собственника, не жалеющего средств ради чистоты горного воздуха, воды и земли. Наличие персональных гелиостанций стимулирует развитие в стране электроники и электротехники, приборостроения, технологии новых материалов и других наукоемких отраслей.

В июне 1985 года Урс Мунтвайлер, 27-летний инженер из Берна, провел по дорогам Европы первое многодневное ралли легких электромобилей, оборудованных фотопреобразователями и использующих для движения солнечную энергию. В нем участвовало несколько швейцарских самодельщиков, восседавших в "поставленных на колеса ящиках из-под мыла" с прикрученными к ним сверху солнечными панелями. Во всем мире тогда едва ли можно было насчитать с десяток гелиомобилей.

Прошло четыре года. "Тур де сол" превратился в неофициальный чемпионат мира. В пятом "солнечном ралли", состоявшемся в 1989 году, участвовало свыше 100 представителей из ФРГ, Франции, Англии, Австрии, США и других стран. Тем не менее, больше половины гелиомобилей принадлежало по-прежнему швейцарским первопроходцам.

В течение последующих пяти лет появилось понятие серийный гелиомобиль. Гелиомобиль считается серийным, если фирма-изготовитель продала не менее 10-ти образцов и они имеют сертификат, разрешающий движение по дорогам общего пользования.

4.3.3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Существуют и другие направления в освоении солнечной энергии. Это, прежде всего, использование фотосинтезирующей способности растений. Уже созданы и успешно работают, правда пока в лабораторных условиях, фотобиохимические системы, где энергия кванта света используется для переноса электронов. Они являются прообразом эффективных преобразователей будущего, использующих принципы естественного фотосинтеза.

Решая вопросы "экономичности" солнечной энергетики, нельзя впадать в распространенное заблуждеие: сравнивать дорогостоящую, но очень молодую технологию преобразования энергии Солнца в электричество с помощью фотоэлементов, с дешевой, но "грязной" технологией использования нефти и газа. Экономичность этого нового вида энергетических ресурсов должна сравниваться с теми видами энергии, которые будут в тех же масштабах использоваться в будущем.

Расчеты показывают, что стоимость широкого производства синтетического жидкого топлива с помощью солнечной энергии будет равняться 60 долларам за баррель (баррель [англ. barrel букв. бочка] -- мера объема жидких и сыпучих веществ. Английский барель равен 163,65 л; винный барель в США -- 119,24 л; нефтяной -- 19 л). Для сравнения отметим, что сегодня стоимость барреля нефти из района Персидского залива составляет 35 долларов.

Интенсивность солнечного света на уровне моря составляет 1...3 кВт на квадратный метр. КПД лучших солнечных батарей составляет 12...18 процентов. С учетом КПД преобразование энергии солнечных лучей с помощью фотопреобразователей позволяет получить с одного квадратного метра не более 1/2 кВт мощности.

Опыт использования солнечной энергии в умеренных широтах показывает, что энергию солнца выгоднее непосредственно аккумулировать и использовать в виде тепла. Разработаны проектные предложения для Аляски и севера Канады. Природно-климатические условия этих регионов сопоставимы с условиями средней полосы нашей страны.

Существует два основных направления в развитии солнечной энергетики: решение глобального вопроса снабжения энергией и создание солнечных преобразователей, рассчитанных на выполнение конкретных локальных задач. Эти преобразователи, в свою очередь, также делятся на две группы; высокотемпературные и низкотемпературные [10].

В преобразователях первого типа солнечные лучи концентрируются на небольшом участке, температура которого поднимется до 3000oС. Такие установки уже существуют. Они используются, например, для плавки металлов (см. рис. p096).

Самая многочисленная часть солнечных преобразователей работает при гораздо меньших температурах -- порядка 100...200oС. С их помощью подогревают воду, обессоливают ее, поднимают из колодцев. В солнечных кухнях готовят пищу. Сконцентрированным солнечным теплом сушат овощи, фрукты и даже замораживают продукты. Энергию солнца можно аккумулировать днем для обогрева домов и теплиц в ночное время.

Солнечные установки практически не требуют эксплуатационных расходов, не нуждаются в ремонте и требуют затрат лишь на их сооружение и поддержание в чистоте. Работать они могут бесконечно.

4.3.4. КОНЦЕНТРАТОРЫ СОЛНЕЧНОГО СВЕТА

С детства многие помнят что с помощью собирательной линзы от солнечного света можно зажечь бумагу. В промышленных установках линзы не используются: они тяжелы, дороги и трудны в изготовлении.

Сфокусировать солнечные лучи можно и с помощью вогнутого зеркала. Оно является основной частью гелиоконцентратора, прибора, в котором параллельные солнечные лучи собираются с помощью вогнутого зеркала. Если в фокус зеркала поместить трубу с водой, то она нагреется. Таков принцип действия солнечных преобразователей прямого действия.

Наиболее эффективно их можно использовать в южных широтах, но и в средней полосе они находят применение. Зеркала в установках используются либо традиционные -- стеклянные, либо из полированного алюминия.

Наиболее эффективные концентраторы солнечного излучения (рис. p091) имеют форму:

цилиндрического параболоида (а);

параболоида вращения (б);

плоско-линейной линзы Френеля (в).

Фирма Loose Industries на солнечно-газовой электростанции в Калифорнии использует систему параболо-цилиндрических длинных отражателей в виде желоба. В его фокусе проходит труба с теплоносителем -- дифенилом, нагреваемым до 350oС. Желоб поворачивается для слежения за солнцем только вокруг одной оси (а не двух, как плоские гелиостаты). Это позволило упростить систему слежения за солнцем.

Солнечная энергия может непосредственно преобразовываться в механическую. Для этого используется двигатель Стирлинга. Если в фокусе параболического зеркала диаметром 1,5 м установить динамический преобразователь, работающий по циклу Стирлинга, получаемой мощности (1 кВт) достаточно, чтобы поднимать с глубины 20 метров 2 м3 воды в час.

В реальных гелиосистемах плоско-линейная линза Френеля используется редко из-за ее высокой стоимости.

Водонагреватель

Водонагреватель предназначен для снабжения горячей водой, в основном, индивидуальных хозяйств. Устройство состоит из короба со змеевиком, бака холодной воды, бака-аккумулятора и труб. Короб стационарно устанавливается под углом 30...50o с ориентацией на южную сторону. Холодная, более тяжелая, вода постоянно поступает в нижнюю часть короба, там она нагревается и, вытесненная холодной водой, поступает в бак-аккумулятор. Она может быть использована для отопления, для душа либо для других бытовых нужд.

Дневная производительность на широте 50o примерно равна 2 квтч с квадратного метра. Температура воды в баке-аккумуляторе достигает 60...70o. КПД установки -- 40%.

Тепловые концентраторы

Каждый, кто хоть раз бывал в теплицах, знает, как резко отличаются условия внутри нее от окружающих: Температура в ней выше (механизм парникового эффекта см. стр. 6). Солнечные лучи почти беспрепятственно проходят сквозь прозрачное покрытие и нагревают почву, растения, стены, конструкцию крыши. В обратном направлении тепло рассеивается мало из-за повышенной концентрации углекислого газа. По сходному принципу работают и тепловые концентраторы.

Это -- деревянные, металлические, или пластиковые короба, с одной стороны закрытые одинарным или двойным стеклом. Внутрь короба для максимального поглощения солнечных лучей вставляют волнистый металлический лист, окрашенный в черный цвет. В коробе нагревается воздух или вода, которые периодически или постоянно отбираются оттуда с помощью вентилятора или насоса.

4.3.5. ЖИЛОЙ ДОМ С СОЛНЕЧНЫМ ОТОПЛЕНИЕМ

Среднее за год значение суммарной солнечной радиации на широте 55o, поступающей в сутки на 20 м2 горизонтальной поверхности, составляет 50...60 кВтч. Это соответствует затратам энергии на отопление дома площадью 60 м2.

Для условий эксплуатации сезонно обитаемого жилища средней полосы наиболее подходящей является воздушная система теплоснабжения. Воздух нагревается в солнечном коллекторе и по воздуховодам подается в помещение. Удобства применения воздушного теплоносителя по сравнению с жидкостным очевидны:

нет опасности, что система замерзнет;

нет необходимости в трубах и кранах;

простота и дешевизна.

Недостаток -- невысокая теплоемкость воздуха.

Конструктивно коллектор представляет собой ряд застекленных вертикальных коробов, внутренняя поверхность которых зачернена матовой краской, не дающей запаха при нагреве. Ширина короба около 60 см.

В части расположения солнечного коллектора на доме предпочтение отдается вертикальному варианту. Он много проще в строительстве и дальнейшем обслуживании. По сравнению с наклонным коллектором (например, занимающим часть крыши), не требуется уплотнения от воды, отпадает проблема снеговой нагрузки, с вертикальных стекол легко смыть пыль.

Плоский коллектор, помимо прямой солнечной радиации, воспринимает рассеянную и отраженную радиацию: в пасмурную погоду, при легкой облачности, словом, в тех условиях, какие мы реально имеем в средней полосе.

Плоский коллектор не создает высокопотенциальной теплоты, как концентрирующий коллектор, но для конвекционного отопления этого и не требуется, здесь достаточно иметь низкопотенциальную теплоту. Солнечный коллектор располагается на фасаде, ориентированном на юг (допустимо отклонение до 30o на восток или на запад) [9].

Неравномерность солнечной радиации в течение дня, а также желание обогревать дом ночью и в пасмурный день диктует необходимость устройства теплового аккумулятора. Днем он накапливает тепловую энергию, а ночью отдает. Для работы с воздушным коллектором наиболее рациональным считается гравийно-галечный аккумулятор. Он дешев, прост в строительстве. Гравийную засыпку можно разместить в теплоизолированной заглубленной цокольной части дома. Теплый воздух нагнетается в аккумулятор с помощью вентилятора.

Для дома, площадью 60 м2, объем аккумулятора составляет от 3 до 6 м3. Разброс определяется качеством исполнения элементов гелиосистемы, теплоизоляцией, а также режимом солнечной радиации в конкретной местности.

Система солнечного теплоснабжения дома работает в четырех режимах (рис. p095 а...г):

отопление и аккумулирование тепловой энергии (а);

отопление от аккумулятора (б);

аккумулирование тепловой энергии (в);

отопление от коллектора (г).

В холодные солнечные дни нагретый в коллекторе воздух поднимается и через отверстия у потолка поступает в помещения. Циркуляция воздуха идет за счет естественной конвекции. В ясные теплые дни горячий воздух забирается из верхней зоны коллектора и с помощью вентилятора прокачивается через гравий, заряжая тепловой аккумулятор. Для ночного отопления и на случай пасмурной погоды воздух из помещения прогоняется через аккумулятор и возвращается в комнаты подогретый.

В средней полосе гелиосистема лишь частично обеспечивает потребности отопления. Опыт эксплуатации показывает, что сезонная экономия топлива за счет использования солнечной энергии достигает 60%.

4.4. ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

Первой лопастной машиной, использовавшей энергию ветра, был парус. Парус и ветродвигатель кроме одного источника энергии объединяет один и тот же используемый принцип. Исследования Ю. С. Крючкова показали, что парус можно представить в виде ветродвигателя с бесконечным диаметром колеса. Парус является наиболее совершенной лопастной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, которая непосредственно использует энергию ветра для движения.

Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели (двигатели карусельного типа см. рис. p068), возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках. В США уже построены и эксплуатируются коммерческие установки. Проекты наполовину финансируются из государственного бюджета. Вторую половину инвестируют будущие потребители экологически чистой энергии.

Еще в 1714 году француз Дю Квит предложил использовать ветродвигатель в качестве движителя для перемещения по воде.

Пятилопастное ветроколесо, установленное на треноге, должно было приводить в движение гребные колеса. Идея так и осталась на бумаге, хотя понятно, что ветер произвольного направления может двигать судно в любом направлении [14].

Первые разработки теории ветродвигателя относятся к 1918 г. В. Залевский заинтересовался ветряками и авиацией одновременно. Он начал создавать полную теорию ветряной мельницы и вывел несколько теоретических положений, которым должна отвечать ветроустановка.

В начале ХХ века интерес к воздушным винтам и ветроколесам не был обособлен от общих тенденций времени -- использовать ветер, где это только возможно. Первоначально наибольшее распространение ветроустановки получили в сельском хозяйстве. Воздушный винт использовали для привода судовых механизмов. На всемирно известном "Фраме" ("Фрам" [фр. frum вперед] -исследовательское судно Ф. Нансена, исследователя Арктики) он вращал динамомашину. На парусниках ветряки приводили в движение насосы и якорные механизмы.

В России к началу нынешнего века вращалось около 2500 тысяч ветряков общей мощностью миллион киловатт. После 1917 года мельницы остались без хозяев и постепенно разрушились. Правда, делались попытки использовать энергию ветра уже на научной и государственной основе. В 1931 году вблизи Ялты была построена крупнейшая по тем временам ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, а позднее разработан проект агрегата на 5000 кВт. Но реализовать его не удалось, так как Институт ветроэнергетики, занимавшийся этой проблемой, был закрыт [14].

Сложившаяся ситуация отнюдь не обусловливалась местным головотяпством. Такова была общемировая тенденция. В США к 1940 году построили ветроагрегат мощностью в 1250 кВт. К концу войны одна из его лопастей получила повреждение. Ее даже не стали ремонтировать -- экономисты подсчитали, что выгодней использовать обычную дизельную электростанцию. Дальнейшие исследования этой установки прекратились, а ее создатель и владелец П. Путнэм изложил свой горестный опыт в прекрасной книге "Энергия ветра", которая не потеряла до сих пор своей актуальности.

Неудавшиеся попытки использовать энергию ветра в крупномасштабной энергетике сороковых годов не были случайны. Нефть оставалась сравнительно дешевой, резко снизились удельные капитальные вложения на крупных тепловых электростанциях, освоение гидроэнергии, как тогда казалось, гарантирует и низкие цены и удовлетворительную экологическую чистоту.

Существенным недостатком энергии ветра является ее изменчивость во времени, но его можно скомпенсировать за счет расположения ветроагрегатов. Если в условиях полной автономии объединить несколько десятков крупных ветроагрегатов, то средняя их мощность будет постоянной. При наличии других источников энергии ветрогенератор может дополнять существующие. И, наконец, от ветродвигателя можно непосредственно получать механическую энергию.

4.4.1. ВЕТЕР

Ветер дует везде -- на суше и на море. Человек не сразу понял, что перемещение воздушных масс связано с неравномерным изменением температуры и вращением земли, но это не помешало нашим предкам использовать ветер для мореплавания.

Глобальные ветры

К глобальным ветрам относятся пассаты и западный ветер.

Пассаты образуются в результате нагрева экваториальной части земли. Нагретый воздух поднимается вверх, увлекая за собой воздушные массы с севера и юга. Вращение земли отклоняет потоки воздуха. В результате устанавливаются дующие круглый год с постоянной силой северо-восточный пассат в северном полушарии и юго-восточный -- в южном. Пассаты дуют в приэкваториальной области, заключенной между 25 и 30o северной и южной широтами соответственно. В северном полушарии пассаты охватывают 11% поверхности океанов, а в южной -- 20%. Сила пассатного ветра обычно составляет 2...3 балла.

Западный ветер дует круглый год с запада на восток в полосе от 40 до 60o южной широты вдоль кромки дрейфующих льдов Антарктиды. Это самый сильный постоянный ветер. Его сила достигает 8...10 баллов и редко бывает менее 5 баллов.

В глубине материка нет постоянного направления ветра. Так как разные участки суши в разное время года нагреваются по-разному можно говорить только о преимущественном сезонном направлении ветра. Кроме того, на разной высоте ветер ведет себя по-разному, а для высот до 50 метров характерны рыскающие потоки.

Потенциал атмосферы можно вычислить зная ее массу и скорость рассеяния энергии. Для приземного слоя толщиной в 500 метров энергия ветра, превращающаяся в тепло, составляет примерно 82 триллиона киловатт-часов в год. Конечно, всю ее использовать невозможно, в частности, по той причине, что часто поставленные ветряки будут затенять друг друга. В то же время отобранная у ветра энергия, в конечном счете, вновь превратится в тепло.

Среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой высоте превышают 7 м/с. Если выйти на высоту в 100 метров, используя подходящую естественную возвышенность, то везде можно ставить эффективный ветроагрегат.

На рис. p085 показаны области энергии среднегодовых потоков ветра Европейской части стран СНГ [15]. Если взять только нижний 100-метровый слой и поставить установку на 100 квадратных километров, то при установленной мощности около двух миллиардов киловатт можно выработать за год 5 триллионов киловатт-часов, что в 2 раза больше гидроэнергетического потенциала стран СНГ.

Местные ветры

Первыми для плавания использовались местные ветры. К ним относятся бризы (бриз [фр. brise] -- свежий ветер). Бризы -это легкие ветры, окаймляющие берега материков и больших островов, вызываемые суточным колебанием температуры. Их периодичность обусловлена различием температуры суши и моря днем и ночью. Днем суша нагревается быстрее и сильнее, чем море.

Теплый воздух поднимается над береговой полосой, а на его место устремляется прохладный воздух с моря -- морской бриз. Ночью берег охлаждается быстрее и сильнее, чем море, поэтому теплый воздух поднимается над морем, а его замещает холодный воздух с суши -- береговой бриз.

Вторыми, постоянно дующими ветрами, являются муссоны (муссон [арабск. мавсим] -- время года). Эти ветры дуют в Индийском океане и связаны с сезонным изменением температуры материка и океана. Летом солнечные лучи сильнее нагревают сушу и ветер дует с моря на сушу. Зимой муссон дует с суши на море. Вращение земли вызывает появление сил Кориолиса, которые отклоняют муссоны вправо. Поэтому летом дуют юго-западные муссоны, а зимой -- северовосточные. Муссоны достигают большой силы и вызывают в Индийском океане соответствующие местным ветрам поверхностные течения.

4.4.2. УПРЯЖЬ ДЛЯ ВЕТРА

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.

Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией.

Традиционная компоновка ветряков -- с горизонтальной осью вращения (рис. p084) -- неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей.

Кроме того, концы лопастей крупной установки двигаясь с большой скоростью создают шум. Однако главное препятствие на пути использовании энергии ветра все же экономическая -мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге себестоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью оказывать реальную конкуренцию традиционным источникам энергии.

По прогнозам фирмы Боинг (США) на текущее столетие -длина лопастей крыльчатых ветродвигателей не превысит 60 метров, что позволит создать ветроагрегаты традиционной компоновки мощностью 7 МВт. Сегодня самые крупные из них -вдвое "слабее". В большой ветроэнергетике только при массовом строительстве можно рассчитывать на то, что цена киловатт-часа снизится до десяти центов.

Маломощные агрегаты могут вырабатывать энергию примерно втрое более дорогую. Для сравнения отметим, что серийно выпускавшийся в 1991 году НПО "Ветроэн" крыльчатый ветродвигатель, имел размах лопастей 6 метров и мощность 4 кВт. Его киловатт-час обходился в 8...10 копеек.

Типы ветродвигателей

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рис. p066. Они делятся на две группы:

ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2...5);

ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Крыльчатые

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения.

Коэффициент использования энергии ветра (см. рис. p067) у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных [14]. В то же время, у карусельных -- намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.

Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Карусельные

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование -- использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (мультипликатор [лат. multiplicator умножающий] -- повышающий редуктор) не эффективно из-за низкого КПД последних.

Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем "откуда дует ветер", что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные

Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.

В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см. рис. p066 (6)). Самолет, прежде чем "опереться" на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию -- раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.

Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14...16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров.

У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми -- взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем (см. гл. 3.5) можно просуммировать выходную мощность вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.

Неожиданные проявления и применения

Реально работающие ветроагрегаты обнаружили ряд отрицательных явлений. Например, распространение ветрогенераторов может затруднить прием телепередач и создавать мощные звуковые колебания.

Появление экспериментального ветродвигателя на Оркнейских островах (Англия) в 1986 году вызвало многочисленные жалобы от телезрителей ближайших населенных пунктов [16]. В итоге около ветростанции был построен телевизионный ретранслятор.

Лопасти крыльчатой ветряной турбины были выполнены из стеклопластика, который не отражает и не поглощает радиоволны. Помехи создавал стальной каркас лопастей и имеющиеся на них металлические полоски, предназначенные для отвода ударов молний. Они отражали и рассеивали ультракоротковолновый сигнал. Отраженный сигнал смешивался с прямым, идущим от передатчика, и создавал на экранах помехи.

Построенная в 1980 году в городке Бун (США) ветроэлектростанция, дающая 2 тысячи киловатт, действовала безотказно, но вызывала нарекания жителей городка. Во время работы ветряка в окнах дребезжали стекла и звенела посуда на полках [17]. Было установлено, что шестидесятиметровый винт при определенной скорости вращения издавал инфразвук. Он не ощущается человеческим ухом, но вызывает низкочастотные колебания предметов и небезопасен для человека. После доработки лопастей от инфразвуковых колебаний удалось избавиться.

Ветродвигатели могут не только вырабатывать энергию. Способность привлекать внимание вращением без расходования энергии используется для рекламы. Наиболее простой -однолопастный карусельный ветродвигатель представляет собой прямоугольную пластинку с отогнутыми краями (рис. p092). Закрепленный на стене он начинает вращаться даже при незначительном ветре.

На большой площади крыльев карусельный трех-четырех лопастный ветродвигатель может вращать рекламные плакаты и небольшой генератор. Запасенная в аккумуляторе электроэнергия может освещать крылья с рекламой в ночное время, а в безветренную погоду и вращать их.

Список литературы

1. Наука и жизнь, No1, 1991 г.

М.: Правда.

2. Техника молодежи, No5, 1990 г.

3. Феликс Р. Патури

Зодчие ХХI века

М.: ПРОГРЕСС, 1979. 345 с.

4. Наука и жизнь, No10, 1986 г.

М.: Правда.

5. Багоцкий В.С., Скундин А.М.

Химические источники тока

М.: Энергоиздат, 1981. 360 с.

6. Коровин Н.В.

Новые химические источники тока

М.: Энергия, 1978. 194 с.

7. Д-р Дитрих Берндт

Конструкторский уровень и технические границы применения герметичных батарей

А/О ВАРТА Беттери Научно-исследовательский центр

8. Лаврус В.С.

Батарейки и аккумуляторы

К.: Наука и техника, 1995. 48 с.

9. Наука и жизнь, No5...7, 1981 г.

М.: Правда.

10. Мурыгин И.В.

Электродные процессы в твердых электролитах

М.: Наука, 1991. 351 с.

11. The Power Protection Handbook

American Power Conversion

12. Шульц Ю.

Электроизмерительная техника 1000 понятий для практиков

М.: Энергоиздат, 1989. 288 с.

13. Наука и жизнь, No11, 1991 г.

М.: Правда.

14. Ю. С. Крючков, И. Е. Перестюк

Крылья Океана

Л.: Судостроение, 1983. 256 с.

15. В. Брюхань.

Ветроэнергетический потенциал свободной атмосферы над СССР

Метрология и гидрология. No6, 1989 г.

16. New scientist No1536, 1986 г.

17. Daily Telegraf, 25.09.1986 г.