История развития энергетики

В 50-е годы был создан экзитрон - ртутный вентиль, в котором дуга зажигания создается только при включении вентиля, а вспомогательное катодное пятно поддерживается непрерывно вспомогательными анодами.

Первые в СССР ионные электроприводы для металлургической и металлообрабатывающей промышленности были спроектированы и внедрены Горьковским отделением института "Электропроект" и кафедрой ЭПА ГПИ в шестидесятых годах двадцатого века: электропривод блюминга 750 на заводе "Красное Сормово", электропривод стана 500 завода обработки цветных металлов (г. Киров), электроприводы главного движения мощных станков на ГАЗе и т.д. Примечательно, что на блюминге 750 ионный электропривод заменил паровую машину ! .

Ионный электропривод по сравнению с электромашинным (с системой Г - Д) является более экономичным, более быстродействующим. До ионного регулируемый электропривод представлял собой агрегат из трех (минимум!) электрических машин. К сети переменного тока подключался асинхронный (синхронный) электродвигатель, который осуществлял преобразование электрической энергии в механическую, вращая вал генератора постоянного тока. Генератор постоянного тока осуществлял обратное преобразование механической энергии в электрическую энергию постоянного тока и передавал ее электродвигателю постоянного тока. Наконец, электродвигатель постоянного тока осуществлял заключительное преобразование энергии: полученную от генератора электрическую энергию он преобразовывал в механическую энергию рабочей машины. Тройное преобразование - тройные потери электроэнергии: терялась чуть ли не половина энергии, потребленной из сети.

Ионный выпрямитель позволяет из электрической энергии переменного тока сразу получить необходимую для работы электродвигателя электрическую энергию постоянного тока. Уменьшается и мощность для управления процессом преобразования.

Но появились и новые недостатки. Постоянное по направлению и регулируемое по величине напряжение создается "вырезанием" из синусоиды переменного напряжения "кусков" соответствующей полярности и формы. В результате и постоянное напряжение является , по сути, пульсирующим, и переменное напряжение в питающей выпрямитель сети искажается. При больших мощностях это увеличивает потери в сети и создает помехи для других приемников электрической энергии. Для борьбы с этими вредными явлениями приходится принимать специальные меры. Наконец, всем известны ядовитые свойства ртути, а для нормальной работы ртутного выпрямителя толщина слоя ртути на катоде должна превышать 12 мм. (в вентиле не один килограмм ртути).

3.3.1 Полупроводники в электротехнике

Наряду с металлами проводниками первого класса (не изменяющими свою структуру при прохождении через них тока) являются элементы, получившие название полупроводников. Это кремний, германий ,селен, закись меди и т.д. Их проводимость существенно зависит от температуры, возрастая (в отличие от металлов) при нагревании. Ток в полупроводниках обуславливается движением слабосвязанных электронов и противоположным ему движением "дырок" аналогичным движению положительных зарядов.

На электропроводность полупроводников сильное влияние оказывает наличие примесей (добавка фосфора к кремнию  уменьшает его удельное сопротивление в 100 000 раз). Примесь, вызывающая появление дополнительных электронов проводимости, называется донорной. Полупроводник получает электронную проводимость или проводимость n-типа (negativ - отрицательный). Примесь, вызывающая появление дырок, назыывается акцепторной, полупроводник имеет дырочную проводимость, проводимость p-типа (positiv - положительный).

Если в чистый полупроводник (например, кремний) ввести и донорную и акцепторную примеси и распределить их таким образом, чтобы в одной половине пластины полупроводника был избыток одной примеси, а в другом конце - избыток другой, тогда между этими областями возникает тонкий переходный слой, в котором примеси компенсируют друг друга (электронно-дырочный переход или p-n переход). Если к такому элементу приложить напряжение такого знака, что на n-области будет отрицательный потенциал, а на p-области - положительный, то ток через полупроводник будет нарастать с увеличением приложенного напряжения. При внешнем напряжении обратного знака ток практически равен нулю. Контакт двух полученных полупроводников обладает односторонней проводимостью. Это полупроводниковый выпрямитель - диод. Теория электронно-дырочного перехода была разработана американцем Уильямом Брэдфордом Шокли в 1949 г.

Первые полупроводниковые выпрямители были селеновыми. С помощью последовательного соединения селеновых шайб (последовательного соединения диодов) можно было получить выпрямитель, пропускающий сравнительно большие токи (50 мА на см2) и выдерживающий обратное напряжение промышленной сети. В электроприводе селеновые выпрямители применялись для питания цепей управления, обмоток возбуждения электрических машин.

Вскоре Шокли создал полупроводниковый аналог лампового триода - трехпереходный полупроводник: транзистор. В зависимости от сочетания переходов транзисторы бывают P-N-P и N-P-N типов. Средний переход играет роль сетки, то есть с помощью транзисторов можно усиливать сигналы и управлять процессами пропускания тока через структуру (открывать и закрывать транзистор). Если продолжать аналогию с электронными и ионными приборами, то транзистор можно отнести к приборам с несамостоятельным разрядом.

Шокли и Эберс разработали двухтранзисторный прибор (внутрисвязанные n-p-n и p-n-p транзисторы). Так была получена  модель четырехслойного p-n-p-n переключателя, получившего название тиристора. Сотрудники компании "Белл телефон лабораториз" под руководством Джона Молла определили, что наиболее подходящим полупроводниковым материалом для изготовления тиристоров является кремний и изготовили первые тиристоры. Хотя на первенство в выпуске первых кремниевых управляемых вентилей (тиристоров) претендует и фирма Дженерал Электрик. Примирить их можно следующим образом. В 1956 г. компанией БТЛ созданы тиристоры для слаботочных цепей, а в 1957 г. Дженерал Электрик (Р.А.Йорк) изготавливают силовой тиристор. По "ионной" классификации тиристор является прибором с самостоятельным разрядом, то есть управляющий электрод (сетка) определяет только момент включения тиристора (пропускание тока), далее ток в структуре поддерживается внешним напряжением без помощи управляющего электрода. В СССР первые тиристоры были разработаны в 1959 г.

Так началась эпоха полупроводниковых преобразователей энергии. Полупроводниковые приборы , по сравнению с ионными, имеют малые габариты и вес, широкий температурный диапазон работы, позволяющий использовать как естественное, так и принудительное (воздушное, водяное) охлаждение; высокую механическую прочность, могут работать при любом положении в пространстве, большой срок службы при минимальном обслуживании, высокое быстродействие, и -главное- высокий КПД.

Тиристорные преобразователи повсеместно вытеснили электромашинные и ионные преобразователи в промышленном применении постоянного тока, на их основе созданы преобразователи частоты для регулирования скорости асинхронных и синхронных электродвигателей, высокочастотные установки для термической обработки металлических изделий. Тиристорные преобразователи являются основой для создания линий электропередач на постоянном токе. Мощные тиристоры и диоды обеспечивают пропускание токов в 5-10 кА при напряжениях до 10 кВ.

Транзисторам первоначально отводилась роль управления в электротехнических системах, они явились основой для информационной электроники. Но они развивались в двух противоположных направлениях: информационном и силовом. У транзистора есть очень важное для силовой электротехники свойство -  полная управляемость: можно управлять моментами его включения и выключения. У тиристора управляемость неполная - его можно включить, но нельзя выключить (он выключается только тогда, когда ток через структуру упадет до нуля). Поэтому в преобразователях постоянного тока в переменный для выключения тиристоров нужно применять специальные устройства (искусственную коммутацию). Основным препятствием при создании транзисторов на большие токи является почти пропорциональный рост управляющего тока при увеличении силового тока (лучшие транзисторы в СССР обеспечивали силовой ток в 100 А при наличии постоянного протекающего по цепи управления тока около 20 А). Это препятствие было устранено созданием нового типа транзистора на основе полевой структуры. Современный регулируемый электропривод переменного тока выполняется с использованием IGBT-транзисторов и имеет мощность в сотни кВт. Как в дальнейшем распределятся области применения силовых полупроводников покажет будущее. В электротехнике уже не раз бывало, что неперспективное, устаревшее на данный момент времени решение, в новых условиях становится самым перспективным. Пример - электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов. Сейчас они опять применяются в приводе постоянного и переменного токов.

Контрольные вопросы

1 Этапы развития термодинамики

2 Этапы становление современной электроэнергетики

3 Развитие современной электроники в электротехнике

4 Развитие применения полупроводников в электротехнике

4. Состояние и перспективы использования нетрадиционных и

возобновляемых источников энергии

4.1. Традиционные и нетрадиционные источники энергии

При существующем уровне научно-технического прогресса энергопо-

требление может быть покрыто лишь за счет использования органических топлив (уголь, нефть, газ), гидроэнергии и атомной энергии на основе тепловых нейтронов. Однако, по результатам многочисленных исследований органическое топливо к 2020 г. может удовлетворить запросы мировой энергетики только частично. Остальная часть энергопотребности может быть удовлетворена за счет других источников энергии – нетрадиционных и возобновляемых.

Возобновляемые источники энергии – это источники на основе постоянно существующих или периодически возникающих в окружающей среде потоков энергии. Возобновляемая энергия не является следствием целенаправленной деятельности человека, и это является ее отличительным признаком.

Невозобновляемые источники энергии – это природные запасы веществ и материалов, которые могут быть использованы человеком для

производства энергии. Примером могут служить ядерное топливо, уголь, нефть, газ. Энергия невозобновляемых источников в отличие от возобновляемых находится в природе в связанном состоянии и высвобождается в результате целенаправленных действий человека.

В соответствии с резолюцией № 33/148 Генеральной Ассамблеи ООН

(1978 г.) к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относят-

ся: солнечная, ветровая, геотермальная, энергия морских волн, приливов и океана, энергия биомассы, древесины, древесного угля, торфа, тяглового скота, сланцев, битуминозных песчаников и гидроэнергия больших и малых дотоков. Классификация НВИЭ представлена в табл. 4.1.

Таблица 1.1

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Начиная с 90-х годов по инициативе ЮНЕСКО при поддержке госу-

дарств-членов ООН и заинтересованных организаций, проводятся мероприятия по продвижению идеи широкого использования возобновляемых источников.

4.2. Запасы и динамика потребления энергоресурсов, политика    России в области нетрадиционных и возобновляемых источников

энергии

Потенциальные возможности нетрадиционных и возобновляемых источников энергии составляют, млрд. т.у.т в год: (Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций, 2004г.).

- энергии Солнца – 2300;

- энергии ветра – 26,7;

- энергии биомассы – 10;

- тепла Земли – 40000;

- энергии малых рек – 360;

- энергии морей и океанов – 30;

- энергии вторичных низкопотенциальных источников тепла – 530.

Разведанные запасы местных месторождений угля, нефти и газа в Рос-

сии составляют 8,7 млрд. т.у.т., торфа – 10 млрд. т.у.т.

По имеющимся оценкам, технический потенциал ВИЭ в России со-

ставляет порядка 4,6 млрд. т у.т. в год, что превышает современный уровень энергопотребления России, составляющий около 1,2 млрд. т.у.т. в год. Экономический потенциал НВИЭ определен в 270 млн. т у.т. в год, что составляет около 25% от годового внутрироссийского потребления. В настоящее время экономический потенциал ВИЭ существенно увеличился в связи с подорожанием традиционного топлива и удешевлением оборудования возобновляемой энергетики за прошедшие годы.

Доля возобновляемой энергетики в производстве электроэнергии со-

ставила в 2002 г. около 0,5% от общего производства или 4,2 млрд. кВт·ч, а

объем замещения органического топлива – около 1% от общего потребления первичной энергии или около 10 млн. т.у.т. в год.

Положительным фактором для развития НВИЭ в России является на-

чавшееся создание законодательной базы. Так, Законом «Об энергосбереже-

нии» в 1996 г. установлена правовая основа применения электрогенерирую-

щих установок на НВИЭ, состоящая в праве независимых производителей

этой электроэнергии на подсоединение к сетям энергоснабжающих органи-

заций. Государственной Думой и Советом Федерации принят Закон «О госу-

дарственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии». Этот правовой акт устанавливает минимально допустимые в современных условиях экономические и организационные основы развития. Ведется разработка федеральной программы по использованию НВИЭ. Предполагается развивать производственные мощности оборудования нетрадиционной энергетики, на что будет выделено 1,315 млрд. рублей: