Энергию какого вида может запасать емкость

Электронная протонная. Основы электротехники и электроники тестовые вопросы

токам в контурах
Как задаются направления контурных токов?

произвольно
Продолжите фразу. В методе контурных токов переходят от …

источников тока к источникам ЭДС
Чем определяется размер матрицы сопротивлений в методе контурных токов?

количеством главных контуров в электрической цепи
Продолжите фразу. В методе контурных токов матрица сопротивлений …

квадратная и симметричная

Чем определяется размер матрицы-столбца контурных ЭДС в методе контурных токов?

числом главных контуров в электрической цепи верно

Схема электрической цепи № 1

Укажите число главных контуров для электрической цепи № 1. верно
Укажите число строк и число столбцов в матрице сопротивлений для электрической цепи № 1. верно

верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равно взаимное контурное сопротивление первого и второго контура?

−R2 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равно контурное сопротивление второго контура?

R3+R4+R2 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равна контурная ЭДС первого контура?

E1 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равна контурная ЭДС второго контура?

0 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равен ток через сопротивление R1 ?

I11 верно
Пусть для электрической цепи № 1 контурный ток I11 протекает через ветви с сопротивлениями иR1иR2 по часовой стрелке (первый контур), а контурный ток I22 протекает через ветви с сопротивлениями иR2, R3иR4 также по часовой стрелке (второй контур). Чему равен ток через сопротивление R2 ?

I11−I22 верно
Продолжите фразу. В методе узловых напряжений переходят от напряжений в ветвях к …

напряжениям в узлах верно
Как выбирается узел с нулевым потенциалом в методе узловых напряжений?

произвольно верно
Продолжите фразу. В методе узловых напряжений переходят от …

источников ЭДС к источникам тока верно
Чем определяется размер матрицы проводимостей в методе узловых напряжений?

количеством узлов в электрической цепи минус один верно
Продолжите фразу. В методе узловых напряжений матрица проводимостей …

квадратная и симметричная верно
Чем определяется размер матрицы-столбца узловых токов в методе узловых напряжений?

числом узлов в электрической цепи минус один верно

Схема электрической цепи № 2

Являются ли электрические цепи №1 и №2 эквивалентными?

являются при условии, что J1=E1/R1 и J5=E5/R5 верно
Укажите число невырожденных узлов для электрической цепи № 2. верно
Укажите число строк и число столбцов в матрице проводимостей для электрической цепи № 2. верно

верно
В электрической цепи № 2 все сопротивления равны 1 кОм , а токи источников равны 100 мА. Определите ЭДС эквивалентного источника напряжения относительно ветви с сопротивлением R3 . Результат запишите в В. верно
В электрической цепи № 2 все сопротивления равны 1 кОм, а токи источников равны 100 мА. Определите внутреннее сопротивление эквивалентного источника напряжения относительно ветви с сопротивлением R3 . Результат запишите в кОм. верно
В электрической цепи № 1 все сопротивления равны 1 кОм, а напряжения источников ЭДС равны 100 В. По принципу наложения определите величину тока в ветви с сопротивлением R3, вызываемого

источником ЭДС E1 . Результат запишите в мА. верно
В электрической цепи № 1 все сопротивления равны 1 кОм, а напряжения источников ЭДС равны 100 В. По принципу наложения определите величину тока в ветви с сопротивлением R3, вызываемого источником ЭДС E2 . Результат запишите в мА. верно

В электрической цепи №2 все сопротивления равны 1 кОм, а токи источников равны 100 мА. По методу узловых напряжений составьте матрицу проводимостей для (1) и (2) узлов начиная с (1) узла. Результат запишите в мСм.

В электрической цепи № 2 все сопротивления равны 1 кОм, а токи источников равны 100 мА. По методу узловых напряжений составьте матрицу узловых токов для (1) и (2) узлов начиная с (1) узла. Результат запишите в мА.

В электрической цепи № 2 все сопротивления равны 1 кОм, а токи источников равны 100 мА. По методу узловых напряжений определите напряжения для (1) и (2) узлов начиная с (1) узла. Примите напряжение (0) узла равным нулю. Результат запишите в В.

Энергию какого вида может запасать емкость

Существуют различные типы энергии, которые можно хранить в емкости для дальнейшего использования. Энергия — это способность системы совершать работу или передавать тепло. Емкость представляет собой устройство для накопления энергии и ее последующего использования.

Одним из наиболее распространенных типов энергии, которую можно хранить в емкости, является электрическая энергия. Электрическая энергия получается из преобразования других источников энергии, таких как ветер, солнце или химические реакции. Она может быть хранена в батареях или аккумуляторах и использоваться позже для питания электрических устройств. Электрическая энергия считается одной из наиболее универсальных форм энергии, так как может быть преобразована в другие виды энергии.

Кинетическая энергия также может быть хранена в емкости. Кинетическая энергия — это энергия движения. Она может быть сохранена в механических системах, таких как пружины или колеса инерции. Кинетическая энергия может быть использована для приведения в действие механизмов, как, например, в автомобилях или велосипедах. Это позволяет использовать энергию, накопленную в емкости, в момент, когда она будет нужна.

Также существуют другие типы энергии, которые могут быть хранены в емкости. Например, потенциальная энергия — это энергия, связанная с положением объекта в поле силы, такого как гравитационное или электромагнитное поле. Потенциальная энергия может быть сохранена в различных устройствах, таких как гидравлические системы или конденсаторы. Такие емкости позволяют использовать энергию, когда она наиболее необходима.

В общем, различные типы энергии, которые можно хранить в емкости, предоставляют возможность эффективного использования энергии и удовлетворения различных потребностей. Это играет важную роль в различных отраслях, таких как электроэнергетика, транспорт и промышленность, и помогает сократить негативное воздействие на окружающую среду и снизить потребление источников энергии.

Солнечная энергия: возобновляемый ресурс для хранения

Солнечная энергия является одним из самых доступных и экологически чистых источников энергии на планете. Она генерируется путем преобразования солнечного света и тепла в электрическую энергию. Солнечная энергия широко используется для питания различных устройств, включая солнечные батареи, которые позволяют накапливать и хранить эту энергию для последующего использования.

Солнечные батареи, или фотоэлектрические элементы, состоят из сверхтонкого слоя полупроводникового материала, такого как кремний. Когда солнечный свет попадает на поверхность батареи, световые кванты, называемые фотонами, начинают сбивать электроны с их нейтральных позиций в полупроводнике. Это создает электрический ток, который можно собрать и использовать для питания устройств или для зарядки аккумуляторов.

Солнечные батареи могут быть использованы для хранения солнечной энергии в аккумуляторах. Например, в солнечных системах на домах или коммерческих зданиях солнечные панели обычно заряжают батареи, которые позволяют хранить энергию на ночь или в периоды недостатка солнечного света. Таким образом, солнечная энергия становится доступной на протяжении всего дня и ночи.

Солнечная энергия также может быть хранена в виде тепла. Солнечные тепловые коллекторы используются для сбора теплой воды или для отопления помещений. Тепло может быть сохранено в теплоизолированном резервуаре или использовано сразу же.

Существуют различные способы хранения солнечной энергии, включая использование солнечных батарей, теплоаккумуляторов или систем, основанных на химических реакциях, таких как электролиз воды. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки, и выбор подходящего метода зависит от конкретных потребностей и возможностей.

Приобретение и хранение солнечной энергии

Солнечная энергия — это энергия, получаемая от Солнца. Солнечная энергия считается одним из самых чистых и экологически безопасных источников энергии. Она может быть получена и хранена различными способами.

Солнечная энергия может быть преобразована в электрическую с помощью фотоэлектрических систем. Фотоэлектрические системы состоят из солнечных панелей, или фотоэлементов, которые преобразуют солнечные лучи в электрический ток. Этот ток может быть использован непосредственно или храниться в аккумуляторах для последующего использования в домашнем или коммерческом хозяйстве.

Солнечные батареи — это устройства, которые используются для хранения солнечной энергии. Они состоят из ряда аккумуляторов, которые могут запасать энергию, полученную от солнечных панелей в дневное время. Ранее использовались гелий-свинцовые аккумуляторы, но в настоящее время в основном используются литий-ионные аккумуляторы, которые обладают большей емкостью и более длительным сроком службы.

Солнечные батареи могут быть использованы для подачи электроэнергии во время отсутствия солнечного излучения, например, в ночное время или во время пасмурной погоды. Они также могут быть использованы для резервного питания или для питания отдаленных мест, где нет доступа к электричеству.

Солнечная энергия и ее хранение имеют большой потенциал для экологически чистого источника энергии. Они не производят выбросов парниковых газов и не загрязняют окружающую среду. Вместе с тем, развитие и использование солнечной энергии все еще ограничено высокой стоимостью установки и хранения, а также зависимостью от наличия солнечного излучения.

Ветровая энергия: перспективный источник для аккумуляции

Ветровая энергия является одним из наиболее активно развивающихся источников альтернативной энергетики. Принцип работы ветрогенераторов основан на преобразовании энергии ветра в электрическую энергию, которую можно использовать для питания различных устройств и систем.

Одним из самых привлекательных свойств ветровой энергии является ее возможность аккумулирования. Это означает, что электроэнергия, полученная от ветряной установки, может быть сохранена и использована в будущем, когда потребность в энергии возрастает, а ветряная установка не производит достаточно электроэнергии из-за недостаточного ветра.

Для хранения ветровой энергии используются различные источники, такие как батареи, водородные накопители, сжатый воздух и пружинные механизмы. Однако наиболее эффективным и перспективным способом является использование аккумуляторных батарей.

Аккумуляторные батареи имеют высокую энергетическую плотность и способны хранить большое количество энергии на длительный период времени. Они можно использовать как для небольших устройств на домашнем уровне, так и для крупных энергоемких систем, например, для обеспечения электричеством отдаленных районов или островов.

Кроме того, хранение ветровой энергии в аккумуляторных батареях позволяет использовать эту энергию в тех случаях, когда ветряная установка не может работать, например, из-за отсутствия ветра или в период низкой активности ветра.

Ветровая энергия и ее возможность аккумуляции имеют огромный потенциал для устойчивого развития и сокращения зависимости от традиционных источников энергии. Она не только является экологически чистым источником энергии, но и может быть использована эффективно и эффективно храниться для будущего использования.

Процесс конвертации и сохранения ветровой энергии

Ветровая энергия — это вид энергии, получаемый при использовании силы ветра для приведения в движение турбин и производства электричества. Для эффективного использования ветровой энергии необходимо выполнить несколько этапов: от конвертации энергии ветра в механическую энергию до сохранения и ее дальнейшего использования.

Этапы конвертации и обработки ветровой энергии:

1. Сбор ветровой энергии: для сбора ветровой энергии используются ветроустановки, состоящие из вертикальных или горизонтальных ветрогенераторов. Ветрогенераторы оборудованы лопастями, которые вращаются под воздействием ветра, превращая его кинетическую энергию в механическую энергию вращения.
2. Преобразование механической энергии вращения в электрическую энергию: ветрогенераторы содержат генераторы, которые используют вращение для создания переменного электрического тока. Электрический ток проходит через трансформаторы, чтобы преобразовать его в сетевой стандарт.
3. Управление и распределение энергии: полученная электрическая энергия проходит через систему управления, которая контролирует ее передачу и распределение. Данная система обеспечивает стабильное соединение с электрической сетью и поддерживает стабильный уровень энергопотребления.
4. Хранение и сохранение ветровой энергии: энергия, произведенная от ветрогенераторов, может быть непосредственно передана в электрическую сеть для использования в режиме реального времени, или же может быть сохранена в батареях или других энергетических системах для последующего использования.

Хранение ветровой энергии имеет ряд преимуществ, таких как возможность использования энергии в периоды, когда ветра недостаточно для обеспечения потребности или же в периоды пикового спроса на электричество. Также, хранение энергии позволяет улучшить надежность энергосистемы и снизить затраты на энергию.

Преимущества и недостатки хранения ветровой энергии:

• Возможность использования энергии в периоды слабого ветра
• Снижение зависимости от колебаний погоды
• Повышение надежности энергосистемы

• Высокие затраты на системы хранения
• Ограниченная емкость хранилищ энергии
• Потери энергии при хранении и обратном преобразовании

Гидроэнергия: стабильный и эффективный вариант для сохранения

Гидроэнергия является одним из старейших и самых эффективных способов хранения энергии. Она основывается на использовании потенциала водной энергии, которая преобразуется в механическую и затем в электрическую энергию.

Основным преимуществом гидроэнергетических систем является их стабильность и надежность. Вода, как ресурс, всегда доступна и не подвержена колебаниям цен на другие виды энергии. Кроме того, гидроэнергетические системы могут работать независимо от времени суток или погодных условий.

Важным преимуществом гидроэнергии является ее высокая эффективность. Энергия, полученная из гидровозможностей, может быть сохранена в специальных емкостях и использована для привода различных механизмов или, после преобразования в электрическую энергию, для обеспечения электросетей.

Существуют различные типы гидроэнергетических систем, включая гидроаккумулирование, гидротурбины и приливные электростанции. Гидроаккумулирование позволяет сохранять энергию, помещая ее в водохранилища, а затем использовать в нужный момент. Гидротурбины используют потенциал потоков воды, чтобы преобразовать их энергию в электрическую. Приливные электростанции используют приливы для генерации электроэнергии.

Эффективность и стабильность гидроэнергетических систем делают их привлекательными для использования в различных отраслях: от производства электроэнергии до промышленности и сельского хозяйства. Более того, гидроэнергия является экологически чистым источником энергии, поскольку не выделяет углекислый газ или другие вредные выбросы.

В целом, гидроэнергия является стабильным и эффективным вариантом для хранения энергии. Она имеет большой потенциал в различных отраслях и способна обеспечить устойчивую энергетическую базу.

Вопрос-ответ

Какие существуют типы энергии, которые можно хранить в емкости?

В емкости можно хранить различные типы энергии, такие как электрическая, химическая, механическая и тепловая.

Можно ли хранить электрическую энергию в емкости?

Да, электрическая энергия может быть хранена в различных типах емкостей, таких как аккумуляторы, конденсаторы и суперконденсаторы.

Как работает хранение электрической энергии в аккумуляторах?

Аккумуляторы хранят электрическую энергию в химической форме. Когда аккумулятор заряжается, электрическая энергия превращается в химическую энергию, которая может быть использована позднее для обеспечения электрического тока.

Как можно хранить механическую энергию в емкостях?

Механическая энергия может быть хранена в емкостях, таких как пружины или системы с грузами и блоками. Когда энергия подается на такую систему, она накапливается и может быть использована позднее в виде кинетической энергии или потенциальной энергии.

В каких емкостях можно хранить тепловую энергию?

Тепловая энергия может быть хранена в различных емкостях, таких как изоляционные контейнеры или системы с фазовыми переходами, например, аккумуляторы тепла или теплосклады.

Какая емкость может хранить больше энергии: химическая или механическая?

Больше энергии обычно может быть хранено в химической емкости, такой как аккумулятор, по сравнению с механической емкостью. Это связано с тем, что химическая энергия имеет большую плотность, чем механическая.

Энергия, запасенная в конденсаторе: основные понятия и приложения

Эта формула показывает, что энергия, запасенная в конденсаторе, прямо пропорциональна его емкости и квадрату приложенного напряжения. Это означает, что при увеличении емкости конденсатора или приложенного напряжения запасенная энергия увеличится.

Применение энергии, запасенной в конденсаторе

Энергия, запасенная в конденсаторе, имеет различные применения в электронике. Некоторые из них включают в себя:

• Источники энергии: Конденсаторы используются в схемах хранения энергии, например, в аккумуляторах для записи.

Каково применение конденсатора

Энергия, запасенная в конденсаторе: основные понятия и приложения Конденсаторы, также известные как конденсаторы, являются фундаментальными компонентами электроники. Эти устройства способны хранить энергию в виде электрического заряда. В этой статье мы рассмотрим основы конденсаторов и различные применения, в которых они используются. Конденсатор состоит из двух проводящих пластин, разделенных диэлектрическим материалом. Когда к конденсатору прикладывается разность потенциалов, между пластинами создается электрическое поле, позволяющее накапливать на них заряд. Количество заряда, хранящегося в конденсаторе, определяется его емкостью, измеряемой в фарадах (Ф). Одним из наиболее распространенных применений конденсаторов являются силовые цепи. Эти компоненты используются для фильтрации помех и колебаний напряжения в системах электроснабжения. Развязывающие конденсаторы размещаются параллельно источнику питания для сглаживания колебаний напряжения и обеспечения более стабильного питания электронных компонентов. Другое важное применение конденсаторов — в схемах синхронизации и генерации. В этих случаях конденсаторы используются для управления частотой и временем возникновения событий. Например, в электронных часах конденсаторы используются в сочетании с резисторами для определения частоты колебаний кристалла кварца, что позволяет точно измерять время. Конденсаторы также используются в цепях связи и развязки сигналов. В этих случаях они используются для передачи или блокировки электрических сигналов между различными этапами цепи. Например, в усилителе звука конденсаторы используются для передачи аудиосигнала от одного каскада к другому, обеспечивая эффективную передачу сигнала без влияния на постоянный ток. Кроме того, конденсаторы используются в схемах хранения энергии. В таких приложениях, как цифровые камеры и мобильные телефоны, конденсаторы используются для временного накопления энергии и быстрого ее высвобождения при необходимости, например, при срабатывании вспышки камеры или при телефонном звонке.

Энергию какого вида может запасать емкость

Одним из эффективных способов снижения расхода электрической энергии в является применение накопителей энергии. В общем виде накопитель энергии представляет собой устройство, позволяющее запасать в нем энергию какого-либо вида, полученную в процессе торможения подвижного состава, хранить её и отдавать существенную долю этой энергии тяговому приводу во время пуска. Отличительной особенностью накопителя является то, что количество запасаемой в нём энергии, как правило, недостаточно для обеспечения движения транспортного средства в течение длительного промежутка времени. Поэтому он не является автономным источником энергии, а только дополняет основной, способствуя тем самым снижению потребления энергии.

Использование накопителей на электрическом транспорте является эффективной мерой по снижению энергозатрат на движение, поскольку накопление энергии, получаемой, например, в процессе электрического торможения, можно обеспечить практически всегда.

Таблица 8.2. Основные характеристики источников тока

Энергетическая мощность Втч/кг

Срок службы (циклов заря-да/разряда)

Цинк-воздушные топливные батареи

Примечание: Значения мощностей приведены для индуктивно-активной нагрузки при номинальном коэффициенте мощности coscp = 0,8.

Виды накопителей энергии

Известно достаточно большое количество накопителей энергии, различающихся, как по виду запасаемой энергии, так и по конструктивному исполнению. К ним относятся: гидроаккумулирующие (ГА), ёмкостные, воздухо-аккумулирующие (ВА), газотурбинные, электрохимические (ЭХ), электро-механические (ЭМ), механические, сверхпроводящие, индуктивные и т. д. Каждый тип накопителей энергии имеет свои характерные энергетические показатели, режимы работы, особенности конструктивного и схемотехнического исполнения, определяющие рациональные области их применения [13-14].

Таблица 8.3. Распределённые типы аккумуляторов

ЭДС заряж. аккумулятора, В

Сред, напряж. при разряде, В

Напряж. буферного режима, В

Напряжение начала заряда, В

Напряжение конца заряда, В

Внутреннее сопротивление, Ом

Коэф, отдачи по ёмкости Г|_с

Удельная ёмкость, А- ч/кг

Продолжение табл. 8.3

Удельная энергия, Втч/кг

Время нормального заряда, ч

Время нормального разряда, ч

Ток нормального заряда, А

Ток нормального разряда,А

Саморазряд за месяц при t =20°С, %

• 3^1;
• (40-60 для герметичн.)

Критериями для обоснования целесообразности использования того или иного типа накопителя, например, на подвижном составе электрического транспорта являются следующие (таблица 8.3):

• -удельная энергоёмкость, измеряемая в Втч/кг или Дж/кг и определяющая массогабаритные показатели данного накопителя;
• -удельная стоимость накопительного устройства (удельные капиталовложения);
• -долговечность, измеряемая общим числом циклов «заряд-разряд» или сроком службы;
• — диапазон температур, в котором сохраняется работоспособность накопителя;
• — простота и доступность технического обслуживания;
• — время заряда накопителя (выбор производится исходя из времени торможения ЭПС);
• — время и величина потерь при хранении энергии;

• — время реверса;
• — скорость и глубина разряда (глубина разряда позволяет снизить величину массогабаритных показателей и величину «мёртвого объёма»);
• — безопасность работы;
• — КПД накопительного устройства.

Электрохимическими накопителями называются химические источники тока, предназначенные для многократного использования их активных веществ, регенерируемых путём заряда. К этому типу накопителей можно отнести химические аккумуляторные батареи (АБ) и электрохимические генераторы (ЭХГ).

Основными электрическими параметрами аккумуляторов являются: номинальные напряжение и ёмкость, токи разряда и заряда. Кроме того, аккумуляторы характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), внутренним сопротивлением, величиной и скоростью разряда, а также удельными энергетическими показателями.

К достоинствам электрохимических накопителей можно отнести: возможность длительного хранения энергии до 10 4 ч, высокий КПД отсутствие механических перемещений, бесшумность работы.

Современная техника в зависимости от назначения располагает целым рядом АБ, это — свинцовые, медно-литиевые, железо-никелевые (ЖН), никелькадмиевые (НК), серебряно-цинковые (СЦ), серно-натриевые и другие типы аккумуляторов.

Наиболее распространёнными являются свинцовые аккумуляторы, экономичнее которых до сих пор ничего не изобретено. Широкое распространение они получили благодаря высокой надёжности и невысокой цене.

Konwten ио цмкпов

Рисунок 8.16. Изменение величины ёмкости аккумулятора в зависимости от количества циклов и глубины разряда

Долговечность аккумулятора оценивают сроком службы или количеством циклов. Она зависит от конструкции аккумулятора; ресурса, заложенного в электрохимическую систему; условий ввода в эксплуатацию; условий эксплуатации. При этом, чем меньшая глубина разряда АБ, тем большее количество циклов он прослужит (рисунок 8.16).

Считается, что аккумулятор отработал свой срок службы, если доступная ёмкость падает до 80% от указанной первоначальной ёмкости. В этом случае 30% глубина разряда соответствует максимальному циклическому сроку службы аккумулятора.

Серьёзной проблемой при внедрении АБ является влияние изменения температуры внешней среды на его ёмкость. С ростом температуры увеличивается скорость коррозионных процессов, что сокращает срок службы аккумуляторных батарей. Повышение температуры аккумулятора на 10°С удваивает скорость коррозионных процессов и вдвое сокращает срок службы. На рисунке 8.17 показана зависимость ёмкости от температуры.

Рисунок 8.17. Зависимость ёмкости аккумулятора от температуры

Предельная ёмкость аккумуляторных батарей достигается при нормальной температуре (20°С), малых скоростях разряда и низких напряжениях отсечки (напряжением отсечки называется минимальное напряжение, при котором аккумулятор способен отдавать полезную энергию).

Какие бывают накопители энергии: виды, преимущества, типы батарей

Природа подарила человеку разнообразные источники энергии: солнце, ветер, реки и другие. Недостатком этих генераторов бесплатной энергии является отсутствие стабильности. Поэтому в периоды избытка энергии ее запасают в накопителях и расходуют в периоды временного спада. Накопители энергии характеризуют следующие параметры:

• объем запасаемой энергии;
• скорость ее накопления и отдачи;
• удельная плотность;
• сроки хранения энергии;
• надежность;
• стоимость изготовления и обслуживания и другие.

Методов систематизации накопителей множество. Одним из самых удобных является классификация по типу энергии, используемой в накопителе, и по способу ее накопления и отдачи. Накопители энергии подразделяются на следующие основные виды:

Чтобы раз и навсегда решить проблему разрядившегося телефона, достаточно просто купить внешний.

• механические;
• тепловые;
• электрические;
• химические.

Накопление потенциальной энергии

Суть этих устройств незамысловата. При подъеме груза происходит накопление потенциальной энергии, при опускании она совершает полезную работу. Особенности конструкции зависят от вида груза. Это может быть твердое тело, жидкость или сыпучее вещество. Как правило, конструкции устройств этого типа предельно просты, отсюда высокая надежность и длительный срок службы. Время хранения запасенной энергии зависит от долговечности материалов и может достигать тысячелетий. К сожалению, такие устройства обладают низкой удельной энергоемкостью.

Механические накопители кинетической энергии

В этих устройствах энергия хранится в движении какого-либо тела. Обычно это колебательное или поступательное движение.

Кинетическая энергия в колебательных системах сосредоточена в возвратно-поступательном движении тела. Энергия подается и расходуется порциями, в такт с движением тела. Механизм достаточно сложный и капризный в настройке. Широко используется в механических часах. Количество запасаемой энергии обычно невелико и годится только для работы самого устройства.

Что такое «зеленая энергия»? Возможно ли сделать генератор свободной.

Накопители, использующие энергию гироскопа

Запас кинетической энергии сосредоточен во вращающемся маховике. Удельная энергия маховика значительно превосходит энергию аналогичного статического груза. Имеется возможность в короткий промежуток времени производить прием или отдачу значительной мощности. Время хранения энергии невелико, и для большинства конструкций ограничено несколькими часами. Современные технологии позволяют довести время хранения энергии до нескольких месяцев. Маховики очень чувствительны к сотрясениям. Энергия устройства находится в прямой зависимости от скорости его вращения. Поэтому в процессе накопления и отдачи энергии происходит изменение скорости вращения маховика. А для нагрузки, как правило, требуется постоянная, невысокая скорость вращения.

Более перспективными устройствами являются супермаховики. Их изготавливают из стальной ленты, синтетического волокна или проволоки. Конструкция может быть плотной или иметь пустое пространство. При наличии свободного места витки ленты перемещаются к периферии вращения, момент инерции маховика изменяется, часть энергии запасается в подвергшейся деформации пружине. В таких устройствах скорость вращения более стабильна, чем в цельнотелых конструкциях, а их энергоемкость гораздо выше. Кроме того, они более безопасны.

Нормальную работу современных складских помещений практически.

Современные супермаховики изготовляют из кевларового волокна. Они вращаются в вакуумной камере на магнитном подвесе. Способны сохранять энергию несколько месяцев.

Механические накопители, использующие силы упругости

Этот тип устройств способен запасать огромную удельную энергию. Из механических накопителей он обладает наибольшей энергоемкостью для устройств с габаритами в несколько сантиметров. Большие маховики с очень высокой скоростью вращения имеют гораздо большую энергоемкость, но они очень уязвимы от внешних факторов и имеют меньшее время хранения энергии.

Механические накопители, использующие энергию пружины

Способны обеспечить самую большую механическую мощность из всех классов накопителей энергии. Она ограничена лишь пределом прочности пружины. Энергия в сжатой пружине может храниться несколько десятилетий. Однако из-за постоянной деформации в металле накапливается усталость, и емкость пружины снижается. В то же время высококачественные стальные пружины при соблюдении условий эксплуатации могут работать сотни лет без ощутимой потери емкости.

Функции пружины могут выполнять любые упругие элементы. Резиновые жгуты, например, в десятки раз превосходят стальные изделия по запасаемой энергии на единицу массы. Но срок службы резины из-за химического старения составляет всего несколько лет.

Механические накопители, использующие энергию сжатых газов

В этом типе устройств накопление энергии происходит за счет сжатия газа. При наличии избытка энергии газ при помощи компрессора закачивается под давлением в баллон. По мере необходимости сжатый газ используется для вращения турбины или электрогенератора. При небольших мощностях вместо турбины целесообразно использовать поршневой мотор. Газ в емкости под давлением в сотни атмосфер обладает высокой удельной плотностью энергии в течение нескольких лет, а при наличии качественной арматуры — и десятки лет.

Накопление тепловой энергии

Большая часть территории нашей страны расположена в северных районах, поэтому значительная часть энергии вынужденно расходуется для обогрева. В связи с этим приходится регулярно решать проблему сохранения тепла в накопителе и извлечении его оттуда при необходимости.

В большинстве случаев не удается достичь высокой плотности запасаемой тепловой энергии и сколько-нибудь значительных сроков ее сохранения. Существующие эффективные устройства в силу ряда своих особенностей и высокой цены не подходят для широкого применения.

Накопление за счет теплоемкости

Это один из самых древних способов. В его основе лежит принцип накопления тепловой энергии при нагревании вещества и отдачи тепла при его охлаждении. Конструкция таких накопителей чрезвычайно проста. Им может быть кусок любого твердого вещества либо закрытая емкость с жидким теплоносителем. Накопители тепловой энергии имеют очень большой срок службы, практически неограниченное количество циклов накопления и отдачи энергии. Но время хранения не превышает нескольких суток.

Аккумулирование электрической энергии

Электрическая энергия — это самая удобная ее форма в современном мире. Именно поэтому электрические накопители получили широкое распространение и наибольшее развитие. К сожалению, удельная емкость дешевых аппаратов невелика, а приборы с большой удельной емкостью слишком дороги и недолговечны. Накопители электрической энергии — это конденсаторы, ионисторы, аккумуляторы.

Конденсаторы

Это самый массовый вид накопителей энергии. Конденсаторы способны работать при температуре от -50 до +150 градусов. Количество циклов накопления-отдачи энергии – десятки миллиардов в секунду. Соединяя несколько конденсаторов параллельно, можно легко получить емкость необходимой величины. Кроме того, существуют переменные конденсаторы.Изменение емкости таких конденсаторов может производиться механическим или электрическим способом либо воздействием температуры. Чаще всего переменные конденсаторы можно встретить в колебательных контурах.

Конденсаторы делятся на два класса – полярные и неполярные. Срок службы полярных (электролитических) меньше, чем неполярных, они больше зависят от внешних условий, но в то же время обладают большей удельной емкостью.

Как накопители энергии конденсаторы — не очень удачные приборы. Они имеют малую емкость и незначительную удельную плотность запасаемой энергии, а время ее хранения исчисляется секундами, минутами, редко часами. Конденсаторы нашли применение в основном в электронике и силовой электротехнике.

Расчет конденсатора, как правило, не вызывает затруднений. Вся необходимая информация по разным типам конденсаторов представлена в технических справочниках.

Ионисторы

Эти приборы занимают промежуточное место между полярными конденсаторами и аккумуляторами. Иногда их называют «суперконденсаторами». Соответственно, они имеют огромное количество этапов заряда-разряда, емкость больше, чем у конденсаторов, но немного меньше, чем у небольших аккумуляторов. Время хранения энергии – до нескольких недель. Ионисторы очень чувствительны к температуре.

Силовые аккумуляторы

Электрохимические аккумуляторы используются, если требуется запасать достаточно много энергии. Лучше всего для этой цели подходят свинцово-кислотные приборы. Их изобрели около 150 лет назад. И с тех пор в устройство аккумулятора не внесли ничего принципиально нового. Появилось много специализированных моделей, значительно возросло качество комплектующих изделий, повысилась надежность аккумуляторной батареи. Примечательно, что устройство аккумулятора, созданного разными производителями, для разных целей отличается лишь в незначительных деталях.

Электрохимические аккумуляторы подразделяются на тяговые и стартовые. Тяговые используются в электротранспорте, источниках бесперебойного питания, электроинструментах. Для таких аккумуляторов характерны длительный равномерный разряд и большая его глубина. Стартовые аккумуляторы могут выдать большой ток в короткий промежуток времени, но глубокий разряд для них недопустим.

Электрохимические аккумуляторы имеют ограниченное количество циклов заряда-разряда, в среднем от 250 до 2000. Даже при отсутствии эксплуатации через несколько лет они выходят из строя. Электрохимические аккумуляторы чувствительны к температуре, требуют длительного времени заряда и строгого соблюдения правил эксплуатации.

Прибор необходимо периодически подзаряжать. Заряд аккумулятора, установленного на транспортное средство, производится в движении от генератора. В зимнее время этого недостаточно, холодная батарея плохо принимает заряд, а потребление электроэнергии на запуск двигателя возрастает. Поэтому необходимо дополнительно проводить заряд аккумулятора в теплом помещении специальным зарядным устройством. Одним из существенных недостатков свинцово-кислотных приборов является их большой вес.

Аккумуляторы для маломощных устройств

Если требуются мобильные устройства с малым весом, то выбирают следующие типы аккумуляторов: никель-кадмиевые, литий-ионные, металл-гибридные, полимер-ионные. У них выше удельная емкость, но и цена много больше. Их применяют в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах, видеокамерах и других малогабаритных устройствах. Разные типы аккумуляторов отличаются своими параметрами: количеством циклов зарядки, сроком хранения, емкостью, размером и т. п.

Литий-ионные аккумуляторы большой мощности применяют в электромобилях и гибридных машинах. Они имеют небольшой вес, большую удельную емкость и высокую надежность. В то же время литий-ионные аккумуляторы очень пожароопасны. Возгорание может произойти от короткого замыкания, механической деформации или разрушения корпуса, нарушений режимов заряда или разряда аккумулятора. Потушить пожар довольно трудно из-за высокой активности лития.

Аккумуляторы являются основой многих приборов. Например, накопитель энергии для телефона – это компактный внешний аккумулятор, помещенный в прочный, влагозащищенный корпус. Он позволяет зарядить или запитать сотовый телефон. Мощные мобильные накопители энергии способны заряжать любые цифровые аппараты, даже ноутбуки. В таких устройствах устанавливают, как правило, литий-ионные аккумуляторы большой емкости. Накопители энергии для доматакже необходятся без аккумуляторных батарей. Но это гораздо более сложные устройства. Кроме аккумулятора в их состав входят зарядное устройство, система управления, инвертор. Аппараты могут работать как от стационарной сети, так и от других источников. Выходная мощность в среднем составляет 5 кВт.

Накопители химической энергии

Различают «топливные» и «безтопливные» типы накопителей. Для них требуются специальные технологии и нередко громоздкое высокотехнологичное оборудование. Используемые процессы позволяют получать энергию в разных видах. Термохимические реакции могут проходить как при низкой, так и при высокой температуре. Компоненты для высокотемпературных реакций вводят только тогда, когда необходимо получить энергию. До этого их хранят отдельно, в разных местах. Компоненты для низкотемпературных реакций обычно находятся в одной емкости.

Накопление энергии наработкой топлива

Этот способ включает два совершенно независимых этапа: накопление энергии («зарядка») и ее использование («разрядка»). Традиционное топливо, как правило, обладает большой удельной емкостью энергии, возможностью продолжительного хранения, удобством использования. Но жизнь не стоит на месте. Внедрение новых технологий предъявляет повышенные требования к топливу. Задача решается путем улучшения существующих и создания новых, высокоэнергетических видов топлива.

Широкому внедрению новых образцов препятствует недостаточная отработанность технологических процессов, большая пожаро- и взрывоопасность в работе, необходимость высококвалифицированного персонала, высокая стоимость технологии.

Безтопливное химическое накопление энергии

В этом виде накопителей энергия запасается за счет преобразования одних химических веществ в другие. Например, гашеная известь при нагреве переходит в негашеное состояние. При «разрядке» запасенная энергия выделяется в виде тепла и газа. Именно так происходит при гашении извести водой. Для того чтобы реакция началась, обычно достаточно соединить компоненты. В сущности, это вид термохимической реакции, только протекает она при температуре в сотни и тысячи градусов. Поэтому используемое оборудование гораздо сложнее и дороже.

Автономные источники энергии

Одним из эффективных способов снижения расхода электрической энергии в тяговых электроприводах является применение накопителей. В общем виде накопитель энергии представляет собой устройство, позволяющее запасать в нем энергию какого-либо вида, полученную в процессе торможения подвижного состава, хранить её и отдавать существенную долю этой энергии тяговому приводу во время пуска. Отличительной особенностью накопителя является то, что количество запасаемой в нём энергии, как правило, недостаточно для обеспечения движения транспортного средства в течение длительного промежутка времени. Поэтому он не является автономным источником энергии, а только дополняет основной, способствуя тем самым снижению потребления энергии.

Использование накопителей на электрическом транспорте является эффективной мерой по снижению энергозатрат на движение, поскольку накопление энергии, получаемой в процессе электрического торможения, можно обеспечить практически всегда.

В настоящее время известно достаточно большое количество накопителей энергии, различающихся, как по виду запасаемой энергии, так и по конструктивному исполнению. К ним относятся: гидроаккумулирующие (ГА), ёмкостные, воздухо-аккумулирующие (ВА), газотурбинные, электрохимические (ЭХ), электромеханические (ЭМ), механические, сверхпроводящие, индуктивные и т.д. Каждый тип накопителей энергии имеет свои характерные энергетические показатели, режимы работы, особенности конструктивного и схемотехнического исполнения, определяющие рациональные области их применения (см. главу 1).

Критериями для обоснования целесообразности использования того или иного типа накопителя на подвижном составе электрического транспорта являются следующие:

• — удельная энергоёмкость, измеряемая в Вт ч/кг или Дж/кг и определяющая массогабаритные показатели данного накопителя;
• -удельная стоимость накопительного устройства (удельные капиталовложения);
• — долговечность, измеряемая общим числом циклов «заряд-разряд» или сроком службы;
• -диапазон температур, в котором сохраняется работоспособность накопителя;
• — простота и доступность технического обслуживания;
• — время заряда накопителя (выбор производится исходя из времени торможения ЭПС);
• — время и величина потерь при хранении энергии;
• — время реверса;
• -скорость и глубина разряда (глубина разряда позволяет снизить величину массогабаритных показателей и величину «мертвого объема»);
• — безопасность работы;
• — КПД накопительного устройства.

Таблица 3.1- Основные параметры аккумуляторов

ЭДС заряж. аккумулятора, В

Сред, напряж. при разряде, В

Напряж. буферного режима, В

Напряжение начала заряда, В

Напряжение конца заряда, В

Внутреннее сопротивление, Ом

Коэф, отдачи по емкости т|_с

Удельная емкость, Ач/кг

Удельная энергия, Втч/кг

Время нормального заряда, ч

Время нормального разряда, ч

Ток нормального заряда, А

Ток нормального разряда, А

Срок службы, циклы

Саморазряд за месяц при t =20°С,%

Относительная стоимость 1Вт ч энергии

• 3^1;
• (40-60 для гер-метичн.)

их активных веществ, регенерируемых путем заряда. К этому типу накопителей можно отнести химические аккумуляторные батареи (АБ) и электрохимические генераторы (ЭХГ).

Основными электрическими параметрами аккумуляторов являются: номинальные напряжение и ёмкость, токи разряда и заряда. Кроме того, аккумуляторы характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), внутренним сопротивлением, величиной и скоростью разряда, а также удельными энергетическими показателями (см. главу 1).

К достоинствам электрохимических накопителей можно отнести: возможность длительного хранения энергии до 10 4 ч, высокий КПД, отсутствие механических перемещений, бесшумность работы.

Современная техника в зависимости от назначения располагает целым рядом АБ, это — свинцовые, медно-литиевые, железоникелевые (ЖН), никель-кадмиевые (НК), серебряно-цинковые (СЦ), серно-натриевые и другие типы аккумуляторов.

Наиболее распространенными являются свинцовые аккумуляторы, экономичнее которых до сих пор ничего не изобретено. Широкое распространение они получили благодаря высокой надёжности и невысокой цене.

Долговечность аккумулятора оценивают сроком службы или количеством циклов. Она зависит от конструкции аккумулятора; ресурса, заложенного в электрохимическую систему; условий ввода в эксплуатацию; условий эксплуатации. При этом, чем меньшая глубина разряда АБ, тем большее количество циклов он прослужит (рисунок 3.51).

Рисунок 3.51 — Изменение величины ёмкости аккумулятора в зависимости от количества циклов и глубины разряда

Считается, что аккумулятор отработал свой срок службы, если доступная ёмкость падает до 80 % от указанной первоначальной ёмкости. В этом случае 30 % глубина разряда соответствует максимальному циклическому сроку службы аккумулятора.

Серьёзной проблемой при внедрении АБ является влияние изменения температуры внешней среды на его ёмкость. С ростом температуры увеличивается скорость коррозионных процессов, что сокращает срок службы аккумуляторных батарей. Повышение температуры аккумулятора на 10 °C удваивает скорость коррозионных процессов и вдвое сокращает срок службы. На рисунке 3.52 показана зависимость ёмкости от температуры.

Предельная ёмкость аккумуляторных батарей достигается при нормальной температуре (20 °C), малых скоростях разряда и низких напряжениях отсечки (напряжением отсечки называется минимальное напряжение, при котором аккумулятор способен отдавать полезную энергию).

Рисунок 3.52 — Зависимость ёмкости аккумулятора от температуры

Механический накопитель — самый древний вид накопителя. Археологические раскопки показывают, что человечество начало использовать маховики ещё в IV тысячелетии до н.э. Механические накопители (МН) различных конструкций позволяют непосредственно запасать и использовать кинетическую и потенциальную разновидности механической энергии.

Степень эффективности маховика зависит от его конструктивных размеров и массы, частоты и диапазона изменения (эффективного регулирования) вращения. Обычно допускается снижение скорости вращения вдвое, при этом объём отдаваемой энергии составляет 75 % от всей запасённой энергии.

Второе рождение МН получили с изобретением супермаховиков (СМ) — аккумуляторов энергии. Супермаховики изготовливают из сверхпрочных ните- и лентовидных материалов путём навивки. Они обладают высокой удельной энергией, которая на порядок больше значений этого параметра для лучших монолитных маховиков. При этом разрыв их от случайной причины, в отличие от обычных маховиков, практически безопасен.

По величине удельной накопленной энергии, приходящейся на единицу массы или объёма аккумулирующего элемента, сроку службы, а также по времени заряда динамические инерционные МН существенно превосходят ЭХН. Кроме того, у МН заряд проходит более полно, чем у аккумуляторных батарей и удельная стоимость накапливаемой энергии ниже по сравнению с другими видами накопителей.

Достоинством кинетических аккумуляторов (КА) является возможность накопления значительного количества энергии в небольшой массе при высоких скоростях вращения. Высокая удельная энергия аккумулирования (до 10 7 Дж/кг) ограниченна прочностными свойствами (характеристиками) материала. На периферии маховика возникают слишком большие для традиционных материалов центробежные силы, поэтому его изготавливают из композитов с армирующим углеродным волокном. Так, например, кварцевые волокна, полученные в 70-х годах прошлого столетия, обладающие прочностью на разрыв 37 ГПа, обеспечивают удельную энергоёмкость свыше 5 МДж/кг или 1,4 кВт ч/кг. Материалы, изготовленные из углерода со структурой алмаза, способны обеспечивать плотность энергии от 2,4 до 4,2 кВт ч/кг, а в 1996 году были получены полимерные материалы, превосходящие по прочности и жаростойкости алмазы.

На рисунке 3.53 представлена схема городского электробуса с

Рисунок 3.53 — Схема городского электробуса с механическим

В состав тягового привода электробуса входят:! — источник тока; 2 — электродвигатель; 3 — механизм реверса; 4 — коробка отбора мощности; 5 — планетарный дисковый вариатор; 6, 7 — карданные передачи; 8 — главная передача; 9 — коническая зубчатая передача; 10 — супермаховичный накопитель.

Известны локомотивы с электропередачей, содержащие аккумулятор энергии в виде вращающегося маховика, связанного с преобразователем энергии в виде обратимой электрической машины. Однако такие локомотивы вследствие влияния гироскопического эффекта, а также прецессий маховика на неровностях и кривых пути, проявляют склонность к уменьшению сцепления колес с путевой структурой, неустойчивость и даже возможность схода поезда с рельсового полотна.

При вышеперечисленных достоинствах МН обладают рядом недостатков:

— наличие компенсационных потерь некоторой части накопленной энергии в режимах хранения и разряда;

• — сложность реализации плавного регулирования силы тяги в соответствии с условиями движения;
• — превышение массы кожуха в МН над массой маховика, по условиям безопасности работы, что приводит к значительному увеличению общей массы НЭ;
• — наличие опасности механического разрыва накопителя при выходе его из строя, поскольку допустимые скорости вращения достигают (10 4 —10 5 ) об/мин;
• — нестабильность размеров накопителя, возможно частичное изменение диаметра на скоростях свыше (5-7) тыс. об/мин, которое не будет компенсированно после его остановки;
• — использование энергоёмкости маховика, как правило, на одну треть из соображений прочности и безопасности, что приводит к значительному снижению его энергоемкости, поскольку частота вращения связана с величиной накапливаемой энергии квадратичной зависимостью;
• — высокая стоимость высокопрочных материалов;
• — возможность появления гироскопического эффекта при движении на высоких скоростях ЭПС, особенно сильно проявляющего себя в момент изменения направления движения транспортного средства в пространстве.

К недостаткам этого вида накопителя также можно отнести дополнительные аэродинамические потери и потери в подшипниковых узлах, возникающие в связи с высокой скоростью вращения МНЭ. Снижение данного вида потерь требует создания вакуумного кожуха в сочетании с подшипниками, имеющими сверхмалый коэффициент трения, что ведет к дополнительному удорожанию системы.

Для изготовления супермаховика реально работающей машины необходимо сложное и дорогое оборудование.

Однако наибольшая сложность осуществления рекуперативного торможения в системе с маховиком заключается в создании надёжного и эффективного привода, работающего во всем диапазоне скоростей с высоким КПД. Для этого необходимо поддерживать регулирование привода таким образом, чтобы суммарная кинетическая энергия ТС и маховика поддерживались на постоянном уровне.

Емкостные накопители (ЕН) запасают энергию электрического поля в виде заряда на обкладках. В процессе заряда напряжение на конденсаторе с ёмкостью С возрастает от нуля до значения U_max с накоплением энергии W, равной величине

W=CU 2 H. (321)

К достоинствам данного вида накопителя энергии можно отнести:

• — простоту в техническом обслуживании;
• — надёжность в работе;
• — высокую эффективность передачи накопленной энергии в нагрузку;
• — возможность изменения в широких пределах параметров импульса;
• — работа в широком диапазоне температур;
• — длительный эксплуатационный срок.

Существенное ограничение применения ЕН на электрическом транспорте обусловлено тем, что накопителем электрической энергии может быть конденсатор, обладающий ёмкостью не менее десятков или даже сотен фарад. Реализовать конденсатор подобной ёмкости, используя обычные технологии изготовления конденсаторов с использованием металлических обкладок, разделенных лентой диэлектрика, невозможно. Электролитические оксидные конденсаторы на основе алюминия и титана, в которых тонкий оксидный слой является диэлектриком, обладают неприемлемыми габаритами, хотя и находят ограниченное применение в качестве накопителей малой ёмкости.

Наиболее пригодными для накопления большого количества электрической энергии, являются молекулярные конденсаторы, электрическая удельная емкость которых в (300 — 2000) раз выше ёмкости традиционных конденсаторов. Использование ёмкостных накопителей становится целесообразным в связи с разработкой, как за рубежом, так и в России, конденсаторов с двойным электрическим слоем (КДЭС) или электрохимических конденсаторов (ЭХК). Сегодня ЭХК — новый, динамично разрабатываемый тип источников тока, занимает промежуточное положение между аккумуляторами и традиционными конденсаторами.

Функционально КДЭС представляют собой класс устройств для накопления / отдачи энергии, в которых используются электролиты и электроды различного вида. При этом в отличие от аккумуляторных батарей, в которых энергия накапливается в форме внутренней энергии вещества активной массы электродов, электрохимические конденсаторы используют накопление заряда на поверхности раздела сред: электрод (электронный проводник) — электролит (ионный проводник).

Величину отдаваемой ЭХК энергии при различной мощности разряда характеризует график Рагони, представленный на рисунке 3.54.

Запасённая удельная энергия, представленная на графике Рагони, рассчитывается по формуле, применяемой для любых типов конденсаторов

Еу_ДМЯКс~Си 2 2т, (3.28)

где Е_уд — удельная энергия на единицу массы, Дж/кг; С — ёмкость

Удельная мощность. Вт/кг

Рисунок 3.54 — Позиционирование различных видов накопителей в зависимости от их удельных характеристик по графику Рагони

Максимальная (пиковая) удельная мощность КДЭС определяется соотношением

^Ma_Kc=f/ 2 /4m/ 2 /г (см. рисунок 3.55), ёмкость угольного электрода массой 1 г может составлять (100-500) Ф.

Рисунок 3.55 — Упрощённая эквивалентная схема конденсатора с двойным электрическим слоем

В соответствии со схемой: Q — конденсатор отрицательного электрода; /?_жв — электрическое сопротивление электролита и материалов проводников; СЗ- конденсатор положительного электрода

Отличительная особенность КДЭС заключается в его способности к хранению в статическом равновесии противоположных по знаку электрических зарядов на молекулярных расстояниях.

Скорость отдачи энергии КДЭС мало зависит от температуры конденсатора и остается теоретически неизменной в диапазоне от (-100) до (+160) °C. Это объясняется тем, что накопление электроэнергии в КДЭС не связано с протеканием в нём химических реакций, требующих определённого временного интервала для их протекания.

Конкретный состав электролита принципиальной роли не играет. В частности, он может быть как кислотным или щелочным, так и солевым (нейтральным), или с электролитом в виде твердого раствора. Принципиальное значение имеет лишь концентрация ионов. Ионы скапливаются на поверхности электродов, образуя так называемый двойной электрический слой, если приложенный потенциал не превышает энергию гидратации ионов, как правило, несколько вольт. В случае дальнейшего увеличения напряжения начинается электролиз, поэтому рабочее напряжение ограничено потенциалом гидратации ионов.

Конструктивно КДЭС представляет собой систему (рисунок 3.56), состоящую из двух электродов, помещённых в электролит, где двойной электрический слой на поверхности каждого электрода является отдельным конденсатором, соединёнными между собой последовательно через проводник с ионной проводимостью (электролит) и разделенные сепаратором — слоем ионопроводящего, но не проводящего электроны материала.

В 2003 году были спроектированы улучшенные КДЭС, названные конденсаторами на нанозатворах или наноуглеродными конденсаторами. Плотность энергии в них составила (50-75) Вт ч/кг, что десятикратно превышает показатели существующих КДЭС.

Индуктивности и емкости

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Мнения читателей

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

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Похожие публикации:

1. Как включить автоматические переносы в ворде 2016
2. Как отключить примечание в ворде 2010
3. Как отключить режим только для чтения в ворде
4. Ярославский вокзал за сколько подают поезд