Источники тока

Источники тока (далее И) устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую. По виду преобразуемой энергии И условно можно разделить на и физические. Сведения о первых И (гальванических элементах и аккумуляторах) относятся к 19 в. (например, батарея Вольта, элемент Лекланше). Однако вплоть до 40-х гг. 20 в. в мире было разработано и реализовано в конструкциях не более 5 типов гальванических пар. С середины 40-х гг. вследствие развития радиоэлектроники и широкого использования автономных И создано еще около 25 типов гальванических пар. Теоретически в И может быть реализована свободная энергия реакции практически любого окислителя и восстановителя, а следовательно, возможна реализация несколько тысяч гальванических пар. Принципы работы большинства физических И были известны уже в 19 в. В дальнейшем вследствие быстрого развития и совершенствования турбогенераторы и гидрогенераторы стали основными промышленными источниками электроэнергии. Физические И, основанные на других принципах, получили промышленное развитие лишь в 50-60-х гг. 20 в., что обусловлено возросшими и достаточно специфическими требованиями современной техники. В 60-х гг. технически развитые страны уже имели промышленные образцы термогенераторов, термоэмиссионных генераторов (СССР, ФРГ, США), батарей ( США, СССР).

Технический прогресс, проникновение электротехники и электроники на транспорт, в быт, медицину и т. д. стимулировали разработку автономных источников электропитания, среди которых И в количественном отношении заняли видное место, став продукцией массового потребления. Переносные осветительные приборы, и радиоприемники, телевизоры и переносная медицинская аппаратура, средства ж.-д. транспорта, автомобили, тракторы, самолеты, искусственные спутники, космические корабли, средства связи и многое другое оснащены малогабаритными И

Теория И предусматривает исследование всех стадий процесса генерирования электрического тока на основе современных представлений о физике твердого тела, жидкости и газа, о процессах переноса зарядов и электрохимических реакциях. Теория И изучает также вопросы оптимизации, включающие как выбор исходных параметров, обеспечивающих оптимальные выходные характеристики И, так и разработку методов прогнозирования характеристик будущих И К важнейшим характеристикам И относятся: кпд, энергоемкость (или удельная энергоемкость), мощность (или удельная мощность, отнесенная к единице массы, объема и т. д.), срок службы, качество генерируемой электроэнергии (частота, напряжение, способность к перегрузкам, стоимость, надежность).

источниками тока принято называть устройства, вырабатывающие электрический ток за счет энергии окислительно-восстановительных реакций реагентов. В соответствии с эксплуатационной схемой и способностью отдавать энергию в электрическую сеть И подразделяются на первичные, вторичные и резервные, а также электрохимические генераторы. Первичные И (гальванические элементы и батареи) допускают, как правило, однократное использование энергии реагентов. Отдельные конструкции гальванических элементов и батарей разрешают кратковременное повторное использование энергии реагентов после электрической подзарядки. Положительный (катод) и отрицательный (анод) электроды, разделенные электролитом в жидком или пастообразном состоянии или же пористой мембраной-сепаратором с поглощенным в ней электролитом, электрически связаны (гальваническая связь) в течение всего срока службы И

Вторичные И (отдельные аккумуляторы и аккумуляторные батареи) допускают многократное (сотни и тысячи заряд-разрядных циклов) использование энергии составляющих реагентов. Электроды и электролит весь срок службы аккумуляторов находятся в электрическом контакте друг с другом. Для увеличения ресурса аккумуляторов в некоторых специфических условиях эксплуатации разработаны способы сухозаряженного хранения аккумуляторов. Такие аккумуляторы перед включением предварительно заливают электролитом.

Резервные И допускают только однократное использование энергии реагентов. В отличие от гальванических элементов и аккумуляторов, в резервных И. т. электролит при хранении никогда гальванически не связан с электродами. Он хранится в жидком состоянии (в стеклянных, пластмассовых или металлических ампулах) либо в твердом (но неэлектропроводном) состоянии в межэлектродных зазорах. При подготовке к работе резервных И ампулы разрушают сжатым воздухом, взрывом, а твердого электролита расплавляют с помощью электрического или пиротехнического разогрева. Резервные И применяют для питания электрической аппаратуры, которая долгое время может (вынуждена) находиться в резервном (неработающем) состоянии. Срок хранения современных резервных И превышает 10-15 лет.

Электрохимические генераторы (топливные элементы) представляют собой разновидность И Электрохимические генераторы способны длительное время непрерывно генерировать электрический ток в результате преобразования энергии реагентов (газообразных или жидких), поступающих в генератор извне.

К 1970 в США и СССР были созданы промышленные образцы электрохимических генераторов. Ведутся интенсивные работы по созданию электрохимических генераторов для космических объектов, электромобилей, стационарных установок и т. д. Разрабатываются разновидности электрохимических генераторов (высоко-, средне- и низкотемпературные, на газообразных, жидких и твердых реагентах и т. д.), из которых наиболее перспективны генераторы, непосредственно преобразующие энергию природного топлива в электрическую. (Подробнее о И см. в ст. Химические источники тока.)

Физическими источниками тока называют устройства, преобразующие тепловую, механическую, электромагнитную энергию, а также энергию радиационного излучения и ядерного распада в электрическую. В соответствии с наиболее часто употребляемой классификацией к физическим И относят: электромашинные генераторы, термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи, МГД-генераторы, а также генераторы, преобразующие энергию солнечного излучения и распада.

Электромашинные генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую, - наиболее распространенный вид источников электрической энергии, основа современной энергетики. Они могут быть классифицированы по мощности (от долей вт до сотен Мвт), по назначению и особенностям эксплуатации (стационарные, транспортные, резервные и т. д.), по роду первичного двигателя (дизель-генераторы, турбо- и гидрогенераторы), по рабочему телу (пар, вода, газ) и т. д. Благодаря длительному периоду теоретического, конструктивного и технологического совершенствования характеристики этого типа И достигли значений, близких к предельным (см. Генератор электромашинный).

Работа термоэлектрического генератора (ТЭГ) основана на использовании Зеебека эффекта. Рабочим материалом в ТЭГ служат различные полупроводниковые соединения и т. п. (как правило, твердые растворы). Кпд ТЭГ от 3 до 15% в диапазоне температур от 100 до 1000°. Исследования ТЭГ ведутся в СССР, США, и др. Области возможного применения ТЭГ: автономные источники питания (на транспорте, в технике связи, медицине), антикоррозионная защита (на магистральных трубопроводах) и др. (см. Термоэлектрический генератор).

Принцип работы термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) основан на использовании термоэмиссионного эффекта (испускание электронов поверхностью нагретого металла). Термоэмиссионный поток электронов зависит главным образом от температуры и свойств поверхности материала. Кпд отдельных лабораторных образцов ТЭП достигает 30%, а действующих энергетических установок 15% (при электрической мощности, снимаемой с единицы поверхности катода, - 30 вт/см²). Наиболее перспективно применение ТЭП в качестве автономных источников электроэнергии большой мощности (до 100 квт). Работы по ТЭП ведутся в СССР, США, ФРГ, и др. (см. Термоэмиссионный преобразователь энергии).

Принцип действия И, преобразующих энергию солнечного излучения, основан на использовании внутреннего фотоэффекта (см. Фотоэлектрические явления). Фотоэлектрический генератор (солнечная батарея) представляет собой совокупность вентильных фотоэлементов, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Практически прямое преобразование энергии солнечного излучения стало возможно лишь после создания в 1953 высокоэффективного фотоэлемента из монокристаллического Лучшие образцы фотоэлементов имеют кпд около 15%; срок службы их практически неограничен. Солнечные батареи применяются главным образом в космической технике, где они занимают доминирующее положение как источники энергии на искусственных спутниках Земли, орбитальных станциях и космических кораблях, а также для снабжения электроэнергией удаленных от линии электропередачи районов с большим числом солнечных дней в году, например в Туркменской ССР, Индии, Пакистане (см. Гелиотехника).

И, преобразующие энергию распада ( батареи), используют кинетическую энергию электронов, образующихся при b-распаде. Эти И находились к 1971 в стадии разработки, и их практическое использование требует решения многих конструкторских и технологических задач. Кпд батарей невысок (до 1%), а область применения может быть определена лишь после накопления достаточного опыта их использования.

Лит. см. при статьях с описанием конкретных типов источников тока.

Н. С. Лидоренко.

	Copyright © 1999-2023 Oval.ru, All Rights Reserved.