Электротехническая энциклопедия Электротехническая библиотека Магазин электротехнической книги   В выпуске   Золото щелочи не товарищ Электроплита в кармане Энергия из кладовых солнца Солнечные элементы Светильники на солнечных батареях Что почитать Здравствуйте уважаемые подписчики! Сегодня мы заглянем в ближайшее будущее. Предлагаю Вам прочитать небольшой обзор открытий и изобретений настоящего, которые уже в самом ближайшем будущем должны войти в нашу жизнь, и, надеюсь, сделать ее лучше :) Ведущий рассылки: Андрей Повный Е-mail: electroby@mail.ru Панарама открытий и изобретений Золото щелочи не товарищ Для начала познакомимся с одним из изобретений американских ученых. А изобрели они элемент питания, представляющий собой комбинацию обычной батареи и конденсатора. Его перезарядка происходит практически мгновенно, а по мощности он на два порядка превосходит обычные. Главная проблема современной переносной и мобильной техники - малая емкость автономных источников питания. Несмотря на все ухищрения разработчиков, альтернативы аккумуляторам, изобретенным более века назад, так и не нашли, хотя емкости у них недостаточно и заряжаются они долго. Сегодня некоторые ученые вообще оставили попытки изобрести аккумулятор и стали искать довольно необычные альтернативы. "У аккумуляторных батарей есть свои пределы, - объясняет Тэйхас Пэлмор, профессор инженерного факультета американского университета Брауна. - На их перезарядку нужно время. Они могут быть довольно дороги. Еще важнее, что они неспособны выделять большую мощность за короткое время. С конденсаторами все обстоит наоборот. Эти устройства могут обеспечить огромную мощность, однако количество запасаемой ими энергии невелико. А что, если совместить достоинства батареи и конденсатора?". Пэлмор начал экспериментировать с новой системой для хранения электрической энергии, в основе которой - полимер полипиррол, способный проводить электрический ток. Открытие полипиррола и других проводящих ток полимеров стало важным достижением науки, отмеченным Нобелевской премией по химии 2000 года. Прототип новой конденсаторной батареи, созданный учеными, представляет собой две покрытые золотом полоски из обычного полимера. Они прикреплены к пластинам полипиррола, на которые нанесены различные вещества, изменяющие электропроводность материала. Обе пластинки затем соединялись друг с другом. Изолятором, предотвращающим короткое замыкание, служила бумажная мембрана, проложенная между ними. Для зарядки получившейся в результате аккумуляторной батареи размером с пачку сигарет нужно времени не больше, чем для зарядки конденсатора. Однако по мощности она более чем в 100 раз превосходит обычную щелочную (алкалиновую) батарейку! Существующий в настоящее время прототип обладает рядом недостатков, не позволяющих развернуть серийное производство устройств подобного типа, в частности, их емкость уменьшается с каждой новой перезарядкой. А наличие золотых пластин делает стоимость новинки просто заоблачной. Тем не менее ряд производителей элементов питания уже проявили интерес к предложенной идее. В первую очередь они рассчитывают на тех, кто меньше всего привык считать деньги, - на военных и спецслужбы, которым чудо-техника в стиле джеймса Бонда всегда нужна. Электроплита в кармане Совсем недавно были разработаны сверхпроводники, в которых ток совершенно не выделяет тепло. А вот придумать «сверхтепловики», в которых вся электрическая энергия переходит в полезное тепло, никто не догадался. Подумайте, почему ТЭНы ваших обогревателей накалены до предела, потребляют немалое количество электроэнергии, а вы ощущаете лишь слабенькие тепловые ватты в холодных квартирах? Как и куда уходит энергия? С тепловыми тайнами решили разобраться преподаватели кафедры тепловых двигателей Рязанского военного автомобильного института (РВАИ). Из физики мы знаем, что тепло передается всего тремя способами: контактным, конвективным и лучеиспусканием. Понятно, что чем больше площадь для теплового контакта, конвекции и лучей, тем больше тепла передается от нагревателя к потребителям и тем быстрее это происходит. Но площадь вольфрамовой или нихромовой проволоки ТЭНа в масштабах помещения ничтожно мала, а посредники ТЭНа в виде кварцевого песка, керамики, масла и др. наполнителей являются не столько теплопередатчиками, сколько теплоизоляторами. Поэтому на деле ТЭНы греют не столько помещение, сколько самих себя, и быстро перегорают. Другая беда металлов ТЭНа - в большом количестве свободных электронов, которые летят между узлами кристаллических решеток без соударения с ними и выделения тепла. Именно такой «туннельный эффект» приводит к лишним киловаттам электрических потерь. В этом легко убедиться, включив в розетку даже самый современный и самый экономичный обогреватель. Выводы очевидны: необходимо применять аморфные обогреватели без «туннельного эффекта», в которых весь ток электронов идет на «раскачку» броуновского теплового движения структур нагревателя, тогда «скрытые» потери снизятся до 30 процентов. Далее полученное тепло надо донести без «посредников» до потребителей, используя сильно развитые поверхности самих нагревателей. Тогда контактно-конвективные и лучевые потери снизятся в несколько раз за счет устранения обратного отражения и теплоизоляции «посредниками». По этим критериям были подобраны новые углеродно-волокнистые структуры (УВС), способные выдерживать на воздухе до 1000 градусов тепла и имеющие развитую поверхность с площадью, близкой к физическому пределу. Для справки. Пористая поверхность 1 грамма УВС составляет 2380 кв. метров. Поверхность одного грамма обычного углерода слоем в один атом равна 2600 кв. метров - это физический предел для углерода. При выборе оптимальной формы нагревателя из УВС остановились на лентах, сечение, плотность и длина которых позволяли легко выбрать нужную нам мощность при заданном напряжении источника тока: аккумулятор и генератор для автомобиля или электросеть для различных помещений. Сперва были разработаны тепловые приборы для автомобиля. Были созданы такие приборы, как дистанционный подогреватель сиденьев автомобиля - «Посад-1», осушитель обуви «Конва» и эластичное покрытие «Поэлас-1» из композитов с использованием гибких и прочных углеродных лент. При этом «Поэлас-1» был разработан так, что его можно было выпускать не только в виде ковриков под ноги водителя и пассажиров, а также для прихожих офисов и квартир, но и в качестве настенных ковров, которые, кроме того, что согревают и устраняют влажность, еще и уничтожают все вредные бактерии и очищают воздух от пыли. Для автомоек и бытовых приборов был изготовлен водонагреватель углеродный ленточно-канальный «Вулкан-1» в виде насадки на трубу с холодной водой (тут же превращаемую в горячую). Так приоткрылась тайна получения дешевого тепла. Стоит отметить высокую надежность тепловых изделий из УВС, стойкость к агрессивным средам и полную пожаробезопасность. В изделиях нет раскаленных элементов, реабилитация температур достигается не тепловыми точками, а огромными поверхностями тепла. Сколько стоят такие чудеса теплотехники? Это тоже не тайна. УВС на два порядка легче и на порядок дешевле металлов. Например, углеродная лента для теплового вентилятора мощностью 600 Вт весит не более 15 граммов и стоит не дороже 16 центов, при цене менее 4 долларов за 1 кг. Ленты УВС напряжения 24 и 12 В еще дешевле. Энергия из кладовых солнца Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана. Преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется с помощью фотоэлектрических преобразователей — ФЭП. Материалом для них служит один из самых распространенных в земной коре элементов - кремний, а "топливом" — бесплатные солнечные лучи. Как стационарные источники электричества, фотоэлектрические станции привлекательны для районов, не обеспеченных электричеством от централизованной энергосистемы. Установка солнечных модулей выгодна там, где расход энергии незначителен, а проводка электросетей требует немалых затрат. Конечно, скептики могут заявить, что солнечная энергетика в связи с ее цикличностью (день-ночь) и, особенно, сезонностью для многих районов, недостаточно надежна. И это в известной степени верно. В этом случае на помощь приходит применение ветро-фотоэнергетических систем. Максимальные значения скорости ветра наблюдаются в осенне-зимний период, когда поступление солнечной энергии уменьшается, а летом все происходит "с точностью до наоборот". Производство солнечных элементов в мире сегодня превышает 500 МВт ежегодно. Если в использовании солнечной энергии в промышленных масштабах еще много проблем, то в повседневный быт многих и многих миллионов людей гелиосистемы вошли прочно и навсегда. Фотоэлектрические станции (ФЭС) мобильного исполнения идеальны для путешествий. Имея ФЭС, вы можете стать энергетически независимым и наслаждаться комфортом всюду, где есть солнечный свет. При этом выработка электроэнергии происходит абсолютно бесшумно и безвредно для окружающей среды, чего не скажешь о применяющихся во многих местах дизель-генераторах. Фотоэлектрические станции могут быть задействованы для питания релейных радиоустановок. Фотоэлектрические модули могут обеспечить катодную защиту металлоконструкций, обеспечить работу знаков водной навигации, водоподъемных устройств, бытовой радиоаппаратуры, а также осуществить заряд аккумуляторных батарей для каких либо других целей. В качестве интересного использования можно привести пример электроизгороди, предназначенной для выпаса скота — "электропастуха". Источником энергии для генератора импульсного напряжения в электроизгороди служит солнечный модуль мощностью 3 Вт, размером 200x240 мм. Его мощности хватает на обеспечение нормальной работы изгороди, огораживающей площадь 4 га, а также для зарядки аккумулятора, позволяющего «электропастуху» работать в ночное время. Солнечные электростанции могут быть использованы не только для решения локальных задач, но и глобальных проблем энергетики. В США, например, существует несколько экспериментальных ФЭС мощностью от 0,3 МВт до 6,5 МВт, работающих на энергосистему. Центром развития солнечной энергетики в США можно считать Сакраменто. Там фотоэлектрические панели установлены на крышах домов, зоопарка, стоянок автомобилей и даже церквей. Администрация города обещает превратить регион в «Силиконовую долину гелиоиндустрии». В Европе, В Частности в Германии, действует правительственная программа, предоставляющая налоговые льготы производителям солнечных батарей, монтируемых на крышах домов. Фотоэлектрические преобразователи обладают значительными преимуществами: - не имеют движущихся частей, что значительно снижает стоимость обслуживания; - срок службы будет достигать по рядка 100 лет при незначительном сни жении эксплутационных характеристик (из-за износа герметизирующих материалов, но не самих преобразователей); - не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала; - эффективно используют как прямое, так и рассеянное (диффузное) излучение; - пригодны для создания установок практически любой мощности. Так что все человечество, а не только дачники и владельцы карманных калькуляторов, стоит на пороге важного события — смены энергетической базы. Солнечные элементы Многие из нас не подозревают, что способ получения электроэнергии из солнечного света известен около 130 лет. Явление фотоэффекта впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839 г. Это случайное открытие оставалось незамеченным вплоть до 1873 г., когда Уиллоуби Смит обнаружил подобный эффект при облучении светом селеновой пластины. И хотя его первые опыты были далеко несовершенны, они ознаменовали собой начало истории полупроводниковых солнечных элементов. В поисках новых источников энергии в лаборатории Белла был изобретен кремниевый солнечный элемент, который стал предшественником современных солнечных фотопреобразователей. Лишь в начале 50-х годов XX века солнечный элемент достиг относительно высокой степени совершенства. Использовать энергию солнечных элементов можно так же, как и энергию других источников питания, с той разницей, что солнечным элементам не страшно короткое замыкание. Каждый из них предназначен для поддержания определенной силы тока при заданном напряжении. Но в отличие от других источников тока характеристики солнечного элемента зависят от количества падающего на его поверхность света. Например, набежавшее облако может снизить выходную мощность более чем на 50%. Кроме того отклонения в технологических режимах влекут за собой разброс выходных параметров элементов одной партии. Следовательно, желание обеспечить максимальную отдачу от фотоэлектрических преобразователей приводит к необходимости сортировки элементов по выходному току. Можно привести наглядный пример: если в разрыв водопроводной трубы большого диаметра врезать участок трубы с гораздо меньшим диаметром, то в результате водоток резко сократится. Нечто аналогичное происходит и в цепочке из неоднородных по выходным параметрам солнечных элементов. Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы-изготовителя к другой и составляет около 0,6 В. Эта величина не зависит от размеров элемента. Иначе обстоит дело с током. Он зависит от интенсивности света и размера элемента, то есть площади его поверхности. Элемент размером 100x100 мм в 100 раз превосходит элемент размером 10x10 мм и, следовательно, он при той же освещенности выдаст ток в 100 раз больший. Пиковая мощность элемента соответствует напряжению около 0,47 В. Таким образом, чтобы правильно оценить качество солнечного элемента, а также для сравнения элементов между собой в одинаковых условиях, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялось 0,47 В. Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагреве элемента на  один градус свыше 25°С он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4 % / градус. В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60—70°С теряя 0,07—0,09 В каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого элементом. КПД обычного солнечного элемента в настоящее время колеблется в пределах 10—16 %. Это значит, что элемент размером 100x100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт. Стандартными условиями для паспортизации элементов во всем мире признаются следующие: - освещенность 1000 Вт/м2; температура 25°С; спектр AM 1,5 (солнечный спектр на широте 45°). Основным компонентом для построения фотоэлектрических систем являются солнечные модули. Они могут быть изготовлены с любым выходным напряжением. После того, как солнечные элементы подобраны, их необходимо спаять. Серийные элементы снабжены токосъемными сетками для припайки к ним проводников. Батареи можно составлять в любой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно соединенных элементов. Можно соединить эти цепочки параллельно, получив так называемое последовательно-параллельное соединение, но это можно делать лишь с цепочками (линейками) идентичного напряжения, учитывая, что при этом их токи суммируются. При наземном использовании они обычно используются для зарядки аккумуляторных батарей (АКБ) с номинальным напряжением 12 В. В этом случае, как правило, 36 солнечных элементов соединяются последовательно и герметизируются посредством ламинации на стекле, текстолите, алюминии. Элементы при этом находятся между двумя слоями герметизирующей пленки, без воздушного зазора. Технология вакуумной ламинации позволяет выполнить это требование. В случае воздушной прослойки между защитным стеклом и элементом, потери на отражение и поглощение достигли бы 20-30 %, тогда как в вакууме они достигают всего 12 %. Светильники на солнечных батареях Одним из наиболее перспективных направлений использования солнечных модулей являются беспроводные светильники, в которых для питания источников света (светодиода) используется панель монокристаллической силиконовой (кремниевой) солнечной батареи, соединенная с аккумуляторной Ni-Kd (никелиево-кадмиевой) батарейкой (размер обычного элемента питания типа АА). Мощность такой аккумуляторной батареи - от 600 до 900 мА, чем обеспечивается свыше 1000 циклов зарядки-разрядки и достигается освещенность от 3 до 11 люкс. Главное условие работы светильника: светильник должен устанавливаться так, чтобы свет (лучше солнечный) попадал на панели солнечных батарей. Дневная зарядка аккумуляторов обеспечивает работу светильников в условиях темного времени суток. Время свечения зависит от времени года, географической широты местности и цвета светодиода. Оно составляет от 5 часов в зимнее время до 11 часов в летнее время. Преимущества светильников на солнечных батареях: ∙ полное энергосбережение ∙ экологическая чистота ∙ простота установки (не требуется электропроводка для подключения) ∙ автоматическое включение (выключение) фонаря с наступлением темного (светлого) времени суток ∙ полная безопасность ∙ пылевлагозащищенность ∙ независимость от температурных колебаний в пределах от -25 до +40° С ∙ надежность работы ∙ длительность эксплуатации не ме нее 5 лет, гарантия — 1 год ∙ относительная дешевизна ∙ современный дизайн Область применения: освещение объектов; выделение затемненных участков местности, подсветка ступеней, дорожек, обочин дорог, гаражей, альпийских горок, ландшафтных уголков, декоративных растений, зимних садов и пр. элементов садово-паркового дизайна; аварийная сигнализация; габаритные обозначение объектов; ночная подсветка витрин, зеленых насаждений, скамеек, водоемов, беседок; рекламное освещение; подсветка входных замков и пр.   Что почитать Как обычно, рекомендую несколько хороших книг. Сегодня хочу обратить Ваше внимание на следующую литературу из "Магазина электротехнической книги": 1. "Коммерческий и технический учет электрической энергии на оптовом и розничном рынках: теория и практические рекомендации" Осика Л. К.  Книга предназначена для специалистов в области разработки и эксплуатации автоматизированных информационно-измерительных систем учета электрической энергии. Представляет интерес для персонала энергосбытовых организаций, сетевых и генерирующих компаний, а также для потребителей, функционирующих на оптовом и региональных рынках. 2. "Средства оптимизации потребления электроэнергии". Автор книги - Клевцов А.В. В этой, безусловно заслуживающей Ваше внимание, книге рассмотрены методы, технические решения, самые современные средства автоматизации, позволяющие реализовать режим работ технологического оборудования с оптимизацией электропотребления, дан анализ динамики и тенденций совершенствования электротехнического оборудования в плане достижения рационального электропотребления. Также в книге приведен справочно-информационный материал по основным техническим характеристикам средств массового электросбережения: частотно-регулируемых электроприводов, бесконтактной коммутационной аппаратуры, приборов учета и измерения расхода электроэнергии, современных изделий светотехники, систем электрообогрева, включая нагревательные провода и кабели. 3. "Энергосбережение в промышленных и коммунальных предприятиях". Учебное пособие. Небольшая, довольно дешевая, но при этом очень замечательная книжка. 4. "Приборы и средства диагностики электрооборудования и измерений в системах электроснабжения". Автор книги - Григорьев В. И. В этой книге приведены технические характеристики отечественных и зарубежных тепловизоров, пирометров и виброанализаторов, даны рекомендации по их выбору и использованию. Рассмотрены новые технические средства для измерения и контроля освещенности, качества электроэнергии, переходного сопротивления контактов, параметров изоляции, сопротивления заземления и грунта, а также испытательные установки. Приведены сведения по современным счетчикам электроэнергии и электрооборудованию, повышающему надежность и экономичность систем электроснабжения. Все эти книги Вы найдете, кликнув по ссылке: http://knigi.povny.info/b_energo.htm Кроме этого хочу еще раз порекомендовать новый справочник И. И. Алиева: "Электротехнический справочник. Том 1". В нем содержаться краткие справочные сведения по элементарной и высшей математике, сведения о системе СИ, об основах электротехники, об электротехнических проводниковых, диэлектрических, полупроводниковых материалах и изделиях из них. Заказать справочник можно здесь: http://knigi.povny.info/b_sprav.htm Все новинки электротехнической литературы за последние пару месяцев находятся здесь: http://knigi.povny.info/index_m.htm Всего хорошего! Андрей Повный, electroby@mail.ru Электротехническая библиотека - http://electrolibrary.narod.ru/ Povny.info - Образование. Личностно-профессиональное развитие   Проекты сайта:  Книги c доставкой по почте  |  Виртуальная школа он-лайн бизнеса Электротехническая доска объявлений  |  Электронный журнал "Я электрик!"  Магазин электротехнической книги Copyright © 2006 by Повный Андрей . Все права защищены. Разрешается републикация материалов рассылки  с обязательным указанием ссылки  на сайт; "Электротехническая билиотека" - http://electrolibrary.narod.ru/