Преобразователь электрической энергии: Преобразователь электрической энергии — это… Что такое Преобразователь электрической энергии?

Содержание

Преобразователь электрической энергии - это... Что такое Преобразователь электрической энергии?

Преобразователь электрической энергии — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, частоты, числа фаз, формы сигнала). Для реализации преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД.

История развития

При начале практического использования электрической энергии (1880-е) возникла проблема преобразования энергии.

Период использования Компонентная база Особенности
1880-е Мотор-генератор + Чистая синусоида
+ Высокий КПД

+ Большие мощности
- Материалоёмкость
- Сложность ремонта и обслуживания
- Шум и вибрации

1880-е
Используются в настоящее время
Трансформаторы + Большая надёжность
+ Высокий КПД
+ Большие мощности
- Большие габариты при малых частотах
- Невозможность преобразования постоянного тока
1930—1970-е
В настоящее время практически не используются
Ионные приборы - Хрупкость корпусов (стекло)
- Длительное время подготовки к работе
1960-е
Используются в настоящее время
Полупроводниковые диоды, тиристоры

и транзисторы

+ Компактность
+ Бесшумность
+ Лёгкость и гибкость управления
- Потери мощности в ключах
- Искажения и помехи в сетях

Зачастую появление новых приборов не устраняет необходимости использовать ряд приборов, прежде существовавших. Например, многие полупроводниковые приборы используют трансформаторы, но в более выгодном высокочастотном диапазоне. В результате устройство приобретает преимущества и тех, и других.
Использование п-п инверторов для управления умформерами позволяет устранить коллекторы и щётки. Это снижает потери омические и на трение. Сами инверторы тоже могут быть меньшей мощности, например, при использовании машин двойного питания, потери - меньше, а качество преобразования энергии - гораздо выше.

Функции преобразователей

  • Преобразование
  • Преобразование и регулирование
  • Преобразование и стабилизация

Классификация

По характеру преобразования

 

 

 

 

 

Преобразователи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выпрямители
≈→=

 

Инверторы
=→≈

 

Преобразователи частоты и числа фаз
≈→≈
Напряжения
=→= ≈→≈

 

 

 

Выпрямители

Выпрямитель — устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток.[1]

Инверторы

Инвертор — устройство, задача которого обратна выпрямителю, то есть преобразование энергии источника постоянного тока в энергию переменного тока.

Инверторы подразделяются на два класса: ведомые сетью (зависимые) и автономные.

Зависимые инверторы

Ведомые инверторы преобразуют энергию источника постоянного тока в переменный с отдачей её в сеть переменного тока, то есть осуществляют преобразование, обратное выпрямителю.[2]

Автономные инверторы

Автономные инверторы — устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работающие на автономную (не связанную с сетью переменного тока) нагрузку.[3]

В свою очередь автономные инверторы подразделяются на:

Преобразователи частоты
Импульсные преобразователи напряжения

По способу управления

  1. Импульсные (на постоянном токе)
  2. Фазовые (на переменном токе)

По типу схем

  • Нулевые, мостовые
  • Трансформаторные, бестрансформаторные
  • Однофазные, двухфазные, трёхфазные…

По способу управления

  • Управляемые
  • Неуправляемые

Примечания

  1. С. Ю. Забродин Глава 5 Маломощные выпрямители постоянного тока, §5.1 Общие свединия // Промышленная электроника: учебник длч вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 287. — 496 с.
  2. С. Ю. Забродин Глава 6 Ведомые сетью преобразователи средней и большой мощности, §6.1 общие сведения // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 315. — 496 с.
  3. С. Ю. Забродин Глава 8 Автономные инверторы, §8.1 Автономные инверторы и их классификация // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 438. — 496 с.

Преобразователь электрической энергии - это... Что такое Преобразователь электрической энергии?

Преобразователь электрической энергии — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, частоты, числа фаз, формы сигнала). Для реализации преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД.

История развития

При начале практического использования электрической энергии (1880-е) возникла проблема преобразования энергии.

Период использования Компонентная база Особенности
1880-е Мотор-генератор + Чистая синусоида
+ Высокий КПД

+ Большие мощности
- Материалоёмкость
- Сложность ремонта и обслуживания
- Шум и вибрации

1880-е
Используются в настоящее время
Трансформаторы + Большая надёжность
+ Высокий КПД
+ Большие мощности
- Большие габариты при малых частотах
- Невозможность преобразования постоянного тока
1930—1970-е
В настоящее время практически не используются
Ионные приборы - Хрупкость корпусов (стекло)
- Длительное время подготовки к работе
1960-е
Используются в настоящее время
Полупроводниковые диоды, тиристоры

и транзисторы

+ Компактность
+ Бесшумность
+ Лёгкость и гибкость управления
- Потери мощности в ключах
- Искажения и помехи в сетях

Зачастую появление новых приборов не устраняет необходимости использовать ряд приборов, прежде существовавших. Например, многие полупроводниковые приборы используют трансформаторы, но в более выгодном высокочастотном диапазоне. В результате устройство приобретает преимущества и тех, и других.
Использование п-п инверторов для управления умформерами позволяет устранить коллекторы и щётки. Это снижает потери омические и на трение. Сами инверторы тоже могут быть меньшей мощности, например, при использовании машин двойного питания, потери - меньше, а качество преобразования энергии - гораздо выше.

Функции преобразователей

  • Преобразование
  • Преобразование и регулирование
  • Преобразование и стабилизация

Классификация

По характеру преобразования

 

 

 

 

 

Преобразователи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выпрямители
≈→=

 

Инверторы
=→≈

 

Преобразователи частоты и числа фаз
≈→≈
Напряжения
=→= ≈→≈

 

 

 

Выпрямители

Выпрямитель — устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток.[1]

Инверторы

Инвертор — устройство, задача которого обратна выпрямителю, то есть преобразование энергии источника постоянного тока в энергию переменного тока.

Инверторы подразделяются на два класса: ведомые сетью (зависимые) и автономные.

Зависимые инверторы

Ведомые инверторы преобразуют энергию источника постоянного тока в переменный с отдачей её в сеть переменного тока, то есть осуществляют преобразование, обратное выпрямителю.[2]

Автономные инверторы

Автономные инверторы

 — устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работающие на автономную (не связанную с сетью переменного тока) нагрузку.[3]

В свою очередь автономные инверторы подразделяются на:

Преобразователи частоты
Импульсные преобразователи напряжения

По способу управления

  1. Импульсные (на постоянном токе)
  2. Фазовые (на переменном токе)

По типу схем

  • Нулевые, мостовые
  • Трансформаторные, бестрансформаторные
  • Однофазные, двухфазные, трёхфазные…

По способу управления

  • Управляемые
  • Неуправляемые

Примечания

  1. С. Ю. Забродин Глава 5 Маломощные выпрямители постоянного тока, §5.1 Общие свединия // Промышленная электроника: учебник длч вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 287. — 496 с.
  2. С. Ю. Забродин Глава 6 Ведомые сетью преобразователи средней и большой мощности, §6.1 общие сведения // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 315. — 496 с.
  3. С. Ю. Забродин Глава 8 Автономные инверторы, §8.1 Автономные инверторы и их классификация // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 438. — 496 с.

Преобразователь электрической энергии - это... Что такое Преобразователь электрической энергии?

Преобразователь электрической энергии — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, частоты, числа фаз, формы сигнала). Для реализации преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД.

История развития

При начале практического использования электрической энергии (1880-е) возникла проблема преобразования энергии.

Период использования Компонентная база Особенности
1880-е Мотор-генератор + Чистая синусоида
+ Высокий КПД

+ Большие мощности
- Материалоёмкость
- Сложность ремонта и обслуживания
- Шум и вибрации

1880-е
Используются в настоящее время
Трансформаторы + Большая надёжность
+ Высокий КПД
+ Большие мощности
- Большие габариты при малых частотах
- Невозможность преобразования постоянного тока
1930—1970-е
В настоящее время практически не используются
Ионные приборы - Хрупкость корпусов (стекло)
- Длительное время подготовки к работе
1960-е
Используются в настоящее время
Полупроводниковые диоды, тиристоры

и транзисторы

+ Компактность
+ Бесшумность
+ Лёгкость и гибкость управления
- Потери мощности в ключах
- Искажения и помехи в сетях

Зачастую появление новых приборов не устраняет необходимости использовать ряд приборов, прежде существовавших. Например, многие полупроводниковые приборы используют трансформаторы, но в более выгодном высокочастотном диапазоне. В результате устройство приобретает преимущества и тех, и других.
Использование п-п инверторов для управления умформерами позволяет устранить коллекторы и щётки. Это снижает потери омические и на трение. Сами инверторы тоже могут быть меньшей мощности, например, при использовании машин двойного питания, потери - меньше, а качество преобразования энергии - гораздо выше.

Функции преобразователей

  • Преобразование
  • Преобразование и регулирование
  • Преобразование и стабилизация

Классификация

По характеру преобразования

 

 

 

 

 

Преобразователи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выпрямители
≈→=

 

Инверторы
=→≈

 

Преобразователи частоты и числа фаз
≈→≈
Напряжения
=→= ≈→≈

 

 

 

Выпрямители

Выпрямитель — устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток.[1]

Инверторы

Инвертор — устройство, задача которого обратна выпрямителю, то есть преобразование энергии источника постоянного тока в энергию переменного тока.

Инверторы подразделяются на два класса: ведомые сетью (зависимые) и автономные.

Зависимые инверторы

Ведомые инверторы преобразуют энергию источника постоянного тока в переменный с отдачей её в сеть переменного тока, то есть осуществляют преобразование, обратное выпрямителю.[2]

Автономные инверторы

Автономные инверторы — устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работающие на автономную (не связанную с сетью переменного тока) нагрузку.[3]

В свою очередь автономные инверторы подразделяются на:

Преобразователи частоты
Импульсные преобразователи напряжения

По способу управления

  1. Импульсные (на постоянном токе)
  2. Фазовые (на переменном токе)

По типу схем

  • Нулевые, мостовые
  • Трансформаторные, бестрансформаторные
  • Однофазные, двухфазные, трёхфазные…

По способу управления

  • Управляемые
  • Неуправляемые

Примечания

  1. С. Ю. Забродин Глава 5 Маломощные выпрямители постоянного тока, §5.1 Общие свединия // Промышленная электроника: учебник длч вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 287. — 496 с.
  2. С. Ю. Забродин Глава 6 Ведомые сетью преобразователи средней и большой мощности, §6.1 общие сведения // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 315. — 496 с.
  3. С. Ю. Забродин Глава 8 Автономные инверторы, §8.1 Автономные инверторы и их классификация // Промышленная электроника: учебник для вузов. — М.: Высшая школа, 1982. — С. 438. — 496 с.

Преобразователи электроэнергии: классификация, типы

Поступающая по линиям электропередач энергия не всегда используется в чистом виде. Для выполнения специфических задач она преобразуется электротехническими устройствами, изменяющими один или несколько параметров – вид напряжения, частоту и другие.

Преобразователи электроэнергии: классификация

Эти устройства классифицируются по нескольким признакам:

  1. Виду преобразований.
  2. Типу конструкции.
  3. Управляемости.

Параметры, которые изменяются

Преобразованию подвергаются следующие параметры:

  1. Тип напряжения – из переменного в постоянное и наоборот.
  2. Амплитудные значения тока и напряжения.
  3. Частота.

Типы конструкций

Эти устройства подразделяются на электромашинные и полупроводниковые.

Электромашинные (вращательные) состоят из двух машин, одна – привод, а другая – исполнительное устройство. Например, для превращения переменного тока в постоянный используется асинхронный двигатель переменного тока (привод) и генератор постоянного (исполнитель). Их недостаток – большие габариты и масса. Кроме того, суммарный КПД технологической связки ниже, чем у одиночной электрической машины.

Полупроводниковые (статические) преобразователи, строятся на основе электротехнических схем, состоящих из полупроводниковых или ламповых элементов. Их КПД выше, размеры и масса небольшие, но качество электроэнергии на выходе невысокое.

Управляемые и неуправляемые

Если величина изменения параметра электрической энергии фиксированная, то используется неуправляемый преобразователь. Такие устройства применяются в первых каскадах блоков питания. Пример – силовой трансформатор, понижающий сетевое напряжение с 220 до 12 вольт.

Преобразователи с изменяемыми параметрами являются исполнительными устройствами в управляемых электротехнических цепях. Например, изменяя частоту питающего напряжения, регулируют частоту вращения асинхронных двигателей.

Преобразователи электроэнергии: примеры устройств

Преобразователи могут выполнять либо какую-то одну функцию, либо несколько.

Изменение типа напряжения

Те устройства, которые превращают переменный ток в постоянный называются выпрямителями. Действующие наоборот – инверторами.

Если это электромашинное устройство, то выпрямитель состоит из асинхронного двигателя переменного тока, вращающего ротор генератора постоянного. Входные и выходные линии электрического контакта не имеют.

Наиболее распространенных тип схемы статического выпрямителя – диодный мост. В нем четыре элемента (диода) с односторонней проводимостью, включенные встречно. После него обязательно ставят электролитический конденсатор, который сглаживает пульсирующее напряжение.

Существует гибридная конструкция, объединяющая электромашинный и статический выпрямители. Это автомобильный генератор, являющийся машиной переменного тока, статорные обмотки которого подключены к выпрямительному мосту с конденсатором.

Инверторные схемы применяются для запуска генератора незатухающих колебаний (мультивибратор), построенного на тиристорах или транзисторах. Они являются основой преобразователей частоты.

Изменение амплитудных значений

Это все виды трансформаторов – понижающих, повышающих, балластных.

Управляемые трансформаторы называются реостатами. Если они включаются параллельно источнику электроэнергии, то изменяют напряжение. Последовательно – ток.

Для поглощения тепла, выделяющегося при работе мощных высоковольтных сетевых трансформаторов, применяются системы жидкостного (масляного) охлаждения.

Изменение частоты

Частотные преобразователи бывают как электромашинными (вращательными), так и статическими.

Исполнительным механизмом вращательных преобразователей частоты является высокочастотный асинхронный трехфазный генератор. Его ротор вращает электромотор постоянного или переменного тока. Как и у выпрямителя вращательного типа, входные и выходные линии у него не имеют электрического контакта.

Инверторные схемы, используемые в преобразователях частоты статического типа, бывают управляемые и неуправляемые. Повышение частоты позволяет уменьшить габариты устройств. Трансформатор с рабочей частотой в 400 Гц в восемь раз меньше, чем работающий от 50 Гц. Это свойство используется для построения компактных сварочных инверторов.

Частота колебаний в инверторных схемах при необходимости легко увеличивается и уменьшается. Это дает возможность управлять асинхронными двигателями, изменяя частоту вращения или его направление.

Оцените качество статьи:

Преобразователь - электрическая энергия - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Преобразователь - электрическая энергия

Cтраница 1


Преобразователи электрической энергии с первичной стороны, куда поступает преобразуемая энергия, можно рассматривать как приемники, а со вторичной стороны, от которой преобразованная энергия отводится - как источники.  [2]

Преобразователи электрической энергии - конверторы - необходимы для питания разнообразных типов аппаратуры, имеющих различные нормы потребления как по токам, так и по напряжениям. В качестве резервных источников энергии постоянного тока используют аккумуляторные батареи. Для обеспечения бесперебойности электропитания переменным током применяют автоматизированные и неавтоматизированные установки гарантированного питания УГП, создаваемые на базе электромашинных и полупроводниковых преобразователей. Преобразователи электрической энергии снабжают устройствами коммутации, регулирования, управления и измерения, защиты и сигнализации.  [3]

Преобразователями электрической энергии в механическую являются различные вращающиеся электродвигатели.  [4]

Преобразователями электрической энергии в тепловую являются нагревательные печи для термической обработки металлов, шкафы и камеры сушильных установок, сталеплавильные печи на металлургических заводах и другие устройства, используемые в специальных отраслях промышленного производства.  [5]

Преобразователями электрической энергии постоянного тока в переменный являются электромашинные однофазные и трехфазные преобразователи. Для повышения ( понижения) напряжения переменного тока, используются трансформаторы. Для преобразования переменного тока в постоянный используются ламповые и полупроводниковые выпрямители.  [6]

К преобразователям электрической энергии в механическую относятся различные вращающиеся электродвигатели. Наиболее широко применяются асинхронные электродвигатели переменного тока, которые просты по устройству и легко управляемы. В некоторых случаях используют электродвигатели постоянного тока, главным достоинством которых является плавное регулирование скорости в больших диапазонах.  [8]

Трансформатор как преобразователь электрической энергии находит широкое применение. С помощью трансформаторов производится передача электрической энергии от электрических станций к потребителям. При этой передаче уровень напряжения должен многократно изменяться. Поэтому суммарная установленная мощность трансформаторов в современных электрических системах в 5 - 7 раз превышает установленную мощность электрических генераторов.  [10]

В качестве преобразователей электрической энергии применяются однофазные и трехфазные преобразователи, выпрямители и трансформаторы.  [11]

Электромагниты являются преобразователями электрической энергии в механическую н в подавляющем большинстве осуществляют пространственные перемещения элементов изделия, совершая при этом механическую работу.  [12]

Асинхронный двигатель является преобразователем электрической энергии в механическую.  [13]

Такие изучатели являются преобразователями электрической энергии переменного тока в акустическую. Массивный дюралюминиевый цилиндр / является колебательной системой. Он укреплен своей средней частью в корпусе 2 при помощи тонкого кольца. Если совпадают частоты тока в обмотке 5 и собственная частота продольных колебаний цилиндра /, то в кольце возникают значительные индукционные токи одинаковой частоты, оно втягивается в зазор магнита или выходит из него. Благодаря этому в цилиндре возбуждаются интенсивные продольные колебания и верхняя его поверхность излучает звуковые волны.  [14]

Тиристоры применяются в преобразователях электрической энергии.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Преобразователи электрической энергии

Современная наука объясняет существование электричества скоплениями зарядов противоположных знаков. В природе вырабатывается невероятное количество электричества. Силы трения в атмосфере создают огромные пространства из грозовых облаков. Между облаками, с поверхностью земли возникают напряжения в миллионы вольт. А несколько минут грозы с молниями эквивалентны по электрической мощности продолжительной работе большой электростанции.

Но молний может и не быть. Однако электроэнергия всё равно витает в пространстве между небом и землёй.

  • Очевидно, что напряжение это первый и основной параметр энергии электричества.

В природе существуют только медленно изменяющиеся и почти мгновенно исчезающие напряжения. Гроза постепенно набирает силу, зарядов от трения перемещающихся слоёв воздуха становится всё больше. Напряжение между облаками и поверхностью земли увеличивается.

Если движение воздушных масс в определённый момент прекратится, напряжение постепенно уменьшится. Если нет – разряд молнии моментально «обнулит» напряжение.

  • Очевидно, что электрический ток, который имеет вид молнии, является вторым параметром электрической энергии.

По мере развития науки люди научились моделировать атмосферные электрические процессы, придумав электростатическую, или как её называют иначе электрофорную машину:

Эта машина стала первым преобразователем механической энергии в электроэнергию. Однако преобразование это не удалось сделать обратимым. Хотя машина и была источником напряжения и тока, проблема состояла в том, что сделать дальнейшие преобразования электрической энергии не получалось. Но со временем наука выявила ещё одну причину возникновения электрических зарядов. Не только трение, но и магнитное поле оказалось способным создавать электричество.

Это открытие оказалось полностью определённым развитием технологий. Когда появились металлическая проволока и постоянный магнит, взаимодействие которых в природе не существует, стало возможным открытие электромагнитной индукции. При этом выяснилось, что получаемая энергия электричества напрямую связана со скоростью взаимного перемещения магнита и провода.

  • Очевидно, что частота является третьим параметром энергии электричества.

Трансформаторы

После открытия Фарадеем явления электромагнитной индукции были изобретены различные электрические машины, в том числе и преобразователи электрической энергии. Первыми из них стали трансформаторы, которые сделали возможной передачу энергии электричества по проводам на значительные расстояния. Оказалось, что переменное напряжение на концах обмотки катушки равномерно распределяется между её витками. На каждом витке получается одинаковое по величине напряжение.

Поэтому количество витков обмотки определит напряжение, которое можно использовать для питания новой электрической цепи. Выяснилось также и то, что дополнительный виток охватывающий сердечник катушки вне основной обмотки имеет на своих концах такое же напряжение, как и виток основной обмотки. Такие катушки, охватывающие общий магнитопровод, стали называть трансформаторами. Если все катушки при этом соединялись между собой в последовательную цепь, такое устройство назвали автотрансформатором.

Автотрансформатор при одинаковых параметрах преобразования электроэнергии оказывается эффективнее трансформатора, поскольку в нём существует электрическая связь между обмотками. Поэтому он может передать потребителю большую электрическую мощность. В трансформаторе между обмотками существует только электромагнитная связь.

Но эта особенность обеспечивает полную электрическую изоляцию обмоток друг от друга. По этой причине трансформаторы широко используются во всех электрических устройствах, питающихся от электрической сети для получения безопасного электропитания этих устройств. Трансформаторы позволяют изменять лишь напряжение и ток, оставляя их частоту без какого-либо изменения. В этом качестве они применяются до сих пор. А в дальних системах электроснабжения трансформаторы достигли огромных размеров. Один из таких агрегатов показан на изображении ниже:

Но после появления трансформаторов проявилась ещё одна возможность преобразования электроэнергии.

Катушки

Оказалось, что любая катушка запасает энергию в электромагнитном поле. Оно существует некоторое время после того, как по обмотке катушки перестаёт течь электроток. А на концах обмотки катушки в течение этого времени продолжает существовать напряжение. Такое явление стали называть как ЭДС самоиндукции. Выяснилось также и то, что величина ЭДС самоиндукции зависит от скорости отключения электротока в катушке.

Чем быстрее уменьшается ток, тем больше напряжение на концах обмотки. Такой преобразователь электроэнергии получил своё название по фамилии своего изобретателя и стал называться «катушкой Румкорфа», изображение которой показано ниже слева. На таком же принципе работает классическая система зажигания автомобильного бензинового двигателя.

Однако преобразовать частоту напряжения и тока длительное время можно было только при помощи вращения. Синхронный двигатель, который вращался с частотой, определяемой частотой питающего напряжения, вращал генератор. Для увеличения частоты можно было либо использовать повышающий обороты редуктор, либо увеличивать число полюсов генератора, либо и то и другое вместе. Аналогично решалась и проблема получения выпрямленного тока. Механические контакты, например, коллектора двигателя пропускали только одну половину периода тока. Эти импульсы поступали в общую электрическую цепь, и таким образом получался выпрямленный ток обоих полупериодов.

Определяющий вклад в развитие преобразования электроэнергии внесли электронные приборы. Они позволили создавать выпрямители и преобразователи частоты без подвижных частей, обеспечивая параметры электроэнергии недостижимые для устройств, созданных на механических принципах. Стало возможным создание мощных высокочастотных генераторов, именуемых инверторами. Увеличение частоты позволило в несколько раз уменьшить размеры трансформаторов.

Инверторы

Инверторы получили дальнейшее развитие с появлением мощных высоковольтных полупроводниковых приборов – транзисторов и тиристоров. С их появлением преобразование электроэнергии на высокой частоте охватило почти все устройства с источниками вторичного электропитания. Инверторные схемы стали широко применяться для электронных балластов газоразрядных ламп. При этом достигалось более высокое качество света при значительной экономии электроэнергии.

Наиболее весомым моментом в развитии преобразования электроэнергии стали инверторы и выпрямители для высоковольтных линий электропередачи. Такие схемы дальнего электроснабжения начали применяться достаточно давно с появлением ртутных вентилей – мощных специализированных электровакуумных приборов.

Затем они были вытеснены более эффективными тиристорами и транзисторами. Полупроводниковые преобразователи электроэнергии позволяют обеспечить передачу электрической мощности в 3,15 гигаватт/час на расстояние 2400 км в современной системе электроснабжения в Бразилии. За такими системами передачи электроэнергии будущее. ЛЭП работающие на постоянном токе лишены реактивного сопротивления и потерь электроэнергии, связанных с переменным напряжением и током.

В них нет и других процессов и явлений, очень мешающих совместной работе нескольких электрогенерирующих и передающих систем в единой схеме электроснабжения. Но трение и электромагнетизм не единственные процессы, которые используются для преобразования электроэнергии. Примерно в те же годы открытия явления электромагнитной индукции был обнаружен пьезоэлектрический эффект.

В результате нашлась группа минералов, а впоследствии были искусственно созданы материалы с пьезоэлектрическими свойствами. Эти свойства заключаются в преобразовании механического воздействия, приложенного к образцу пьезоэлектрического материала, в электрические импульсы. Но обратное преобразование электрических импульсов в механические деформации образца также возможно. На основе таких образцов можно изготовить трансформатор без обмоток и магнитных полей в сердечнике и вне его.

Такой трансформатор будет увеличивать приложенное напряжение во много раз при минимальных размерах и весе. Это будет просто керамическая пластина с припаянными проводками.

При этом получаемая мощность не будет большой. Но выигрыш в размерах и себестоимости по сравнению с электромагнитным трансформатором будет существенной. Такие пьезоэлектрические трансформаторы применяются в источниках вторичного электропитания. Также все современные курильщики пользуются зажигалками, в которых искра создаётся миниатюрным пьезоэлектрическим трансформатором.

Дальнейшее развитие преобразователей электроэнергии это битва за увеличение частоты напряжения и тока. Этот процесс связан с необходимостью создания новых полупроводниковых приборов и материалов. В сочинениях некоторых писателей фантастов упоминается энергетический луч, используемый вместо ЛЭП. Возможно, их пророчества таки сбудутся.

Преобразователи напряжения, инверторы, повышающие / понижающие.

Преобразователь электрической энергии — это электротехническое устройство, предназначение которого преобразовывать параметры электрической энергии (напряжения, частоты, числа фаз, формы сигнала). Для реализации преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД.

Так, например, различают автомобильные преобразователи напряжения 12 → 220 В, что означает, что они преобразовывают напряжение 12 Вольт в эффективное напряжение 220 Вольт. Такие преобразователи часто называют "инвертором", так как они преобразуют постоянный ток 12В бортовой сети автомобиля в переменный 220В. Такой преобразователь напряжения позволит использовать почти любые бытовые приборы (например фен, утюг, ноутбук, мобильный телефон и т.д.) при отсутствии сети 220В. Это сильно облегчает автомобильные путешествия и позволяет не отказываться от привычного всем комфорта, например в походных условиях.

Компактные размеры, простота использования и небольшой вес позволяют всегда иметь преобразователь напряжения под рукой.

Преобразователи напряжения защищены от короткого замыкания, перегрева и перегрузок.

    С помощью преобразователя напряжения Вы сможете питать и маломощную аппаратуру, (ноутбуки, телевизоры и т.д.), любой бытовой прибор, рассчитанный на напряжение 220 В,  в любом месте (на стоянке, на даче, в дороге). То есть автомобильный инвертор вырабатывает переменный ток, благодаря чему к нему можно подключать самые разнообразные электроприборы работающие от бытовой сети переменного тока.

Диапазон преобразователей напряжения 12 220 В очень широк: начиная от моделей (50 W) и заканчивая преобразователями напряжения на 1500 Вт.

    Для  грузовых  автомобилей  рабочее напряжение бортовой сети которых рассчитано  на 24 Вольта,  или  для аккумуляторов на  24 Вольта, мы  также предлагаем  преобразователи  напряжения,  рассчитанные  на  входное напряжение  24 Вольта.

Мощные инверторы могут питать разнообразные устройства, будь то компьютер или ноутбук, или холодильник или СВЧ-печь. К ним относятся преобразователи напряжения 450 В, преобразователи напряжения 900 В, преобразователи напряжения 1500 В.

Не гонитесь за высокой мощностью автомобильного инвертора, если Вы намерены подключать к нему только небольшие бытовые приборы.

Преобразователь напряжения купить Вы можете на сайте нашего фирменного Интернет-магазина «НПП Орион».


Преобразование электроэнергии

«Электроэнергия = световая энергия + тепловая энергия»

Обычно мы используем электроэнергию для работы. Например, просто просмотрите картинку 1, на ней изображена электрическая лампочка. Электрическая лампочка - это устройство, работающее от электрической энергии. Как мы все знаем, когда электрическая энергия подается на электрическую лампочку, она светится.

Здесь входная энергия - это электрическая энергия, а выходная энергия - это энергия света и тепловая энергия.Так происходит преобразование электроэнергии.

Электроэнергия ——-> Световая энергия + Тепловая энергия

Мы используем разные виды энергии, кроме электроэнергии. Некоторые из них упомянуты ниже,

  • Световая энергия
  • Тепловая энергия
  • Механическая энергия
  • Звуковая энергия

При каждой выполненной работе происходит преобразование энергии, то есть один вид энергии преобразуется в другой тип энергии.Таким образом, преобразование электрической энергии - это не что иное, как преобразование одной формы энергии в другую.

Преобразование электрической энергии в световую:

  • Электроэнергия обычно используется для выполнения некоторых работ
  • Повсюду ежедневно выполняются разные виды работ. При выполнении такой работы происходит преобразование электрической энергии
  • Для примера рассмотрим фонарик. Что нам нужно для работы фонарика ?? Можно ли использовать вспышку без батареек? Вы не можете !! Да, здесь батарея - это электрическая энергия, и когда вы включаете фонарик, мы получаем свет i.е. Световая энергия. Итак, произошло то, что электрическая энергия от батареи преобразуется в световую энергию в виде светящейся вспышки. И проделанная работа - это вспышка световой энергии.
  • Не только в фонариках, во всех системах освещения электрическая энергия преобразуется в электрическую. В случае электрической лампочки электрическая энергия преобразуется как в тепловую, так и в световую энергию.

Преобразование электрической энергии в тепловую:

Теперь, что приходит на ум, когда вы слышите слово «HEAT».Хммм, дай угадаю !!! Утюг или водонагреватель или фен !!!! Как бы то ни было, во всех этих вещах происходит преобразование электрической энергии, т.е. электрическая энергия преобразуется в тепловую

  • Железный ящик бесполезен, если мы не подключаем его к розетке. После включения он получает электрическую энергию и преобразует ее в тепловую. Здесь происходит преобразование электроэнергии.

Преобразование электрической энергии в механическую

Вы когда-нибудь задумывались, как работает электродвигатель ???? Ответ - с помощью электроэнергии.Работа электродвигателя заключается в преобразовании входящей электрической энергии в механическую.

Преобразование электрической энергии в тепловую:

А теперь подумайте об электрической сигнализации. Включите его, когда нет электричества. Это будет работать?? Не потому, что ему нужна электроэнергия. Электрическая сигнализация - это устройство, преобразующее электрическую энергию в звуковую.

ЗАПОМНИТЬ

Преобразование электроэнергии происходит во время работы.

Вся входящая электрическая энергия не преобразуется в другую форму энергии.Часть входящей электроэнергии тратится впустую.

Электроэнергия прочие виды

Преобразование энергии | технология | Britannica

Энергия обычно и наиболее просто определяется как эквивалент или способность выполнять работу. Само слово происходит от греческого energeia: en , «в»; эргон , «рабочий». Энергия может быть связана с материальным телом, как спиральная пружина или движущийся объект, или она может быть независимой от материи, как свет и другое электромагнитное излучение, пересекающее вакуум.Энергия в системе может быть доступна для использования только частично. Измерения энергии - это измерения работы, которые в классической механике формально определяются как произведение массы ( м ) и квадрата отношения длины ( l ) ко времени ( t ): мл 2 / т 2 . Это означает, что чем больше масса или расстояние, на которое он перемещается, или чем меньше времени требуется для перемещения массы, тем больше будет проделанная работа или больше затраченной энергии.

Развитие концепции энергии

Термин энергия не применялся как мера способности выполнять работу до довольно позднего периода развития науки механики. Действительно, развитие классической механики может осуществляться без обращения к концепции энергии. Однако идея энергии восходит к Галилею 17 века. Он признал, что, когда груз поднимается с помощью системы шкивов, прилагаемая сила, умноженная на расстояние, на которое эта сила должна быть приложена (произведение, по определению называемое работой), остается постоянной, даже если любой фактор может меняться.Концепция vis viva, или живой силы, величины, прямо пропорциональной произведению массы и квадрата скорости, была введена в 17 веке. В 19 веке термин «энергия» применялся к концепции vis viva.

Первый закон движения Исаака Ньютона признает, что сила связана с ускорением массы. Почти неизбежно, что тогда интерес представляет интегральный эффект силы, действующей на массу. Конечно, есть два вида интеграла силы, действующей на массу, которые можно определить.Один - это интеграл силы, действующей вдоль линии действия силы, или пространственный интеграл силы; другой - интеграл силы за время ее действия на массу или временной интеграл.

Оценка пространственного интеграла приводит к величине, которая теперь используется для представления изменения кинетической энергии массы в результате действия силы и составляет лишь половину от vis viva. С другой стороны, временное интегрирование приводит к оценке изменения количества движения массы в результате действия силы.Некоторое время велись споры о том, какая интеграция привела к надлежащей мере силы: немецкий философ-ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц утверждал, что пространственный интеграл является единственной истинной мерой, в то время как ранее французский философ и математик Рене Декарт защищал временную шкалу. интеграл. В конце концов, в XVIII веке физик Жан Д'Аламбер из Франции показал правомерность обоих подходов к измерению силы, действующей на массу, и что полемика велась только по номенклатуре.

Итак, сила связана с ускорением массы; кинетическая энергия или энергия, возникающая в результате движения, является результатом пространственной интеграции силы, действующей на массу; импульс - это результат интегрирования во времени силы, действующей на массу; а энергия - это мера способности выполнять работу. Можно добавить, что мощность определяется как скорость передачи энергии (к массе, когда на нее действует сила, или по линиям передачи от электрического генератора к потребителю).

Сохранение энергии (см. Ниже) было независимо признано многими учеными в первой половине XIX века. Сохранение энергии как кинетической, потенциальной и упругой энергии в замкнутой системе в предположении отсутствия трения оказалось действенным и полезным инструментом. Кроме того, при более внимательном рассмотрении обнаруживается, что трение, которое служит ограничением классической механики, выражается в выделении тепла, будь то на контактных поверхностях блока, скользящего по плоскости, или в объеме жидкости, в которой весло вращается или любое другое выражение «трение».«Тепло было определено как форма энергии Германом фон Гельмгольцем из Германии и Джеймсом Прескоттом Джоулем из Англии в 1840-х годах. Джоуль также экспериментально доказал связь между механической и тепловой энергией в это время. Поскольку возникла необходимость в более подробном описании различных процессов в природе, подход заключался в поиске рациональных теорий или моделей процессов, которые позволяют количественно измерить изменение энергии в процессе, а затем включить его и соответствующий ему энергетический баланс в систему. представляет интерес, при условии общей потребности в сохранении энергии.Этот подход работал для химической энергии в молекулах топлива и окислителя, выделяющейся при их сгорании в двигателе, для производства тепловой энергии, которая впоследствии преобразуется в механическую энергию для работы машины; он также работал над преобразованием ядерной массы в энергию в процессах ядерного синтеза и ядерного деления.

Преобразование энергии - Банк знаний

Диаграмма, показывающая, как разные формы энергии могут быть преобразованы в другую форму энергии.

Преобразование энергии: передача и преобразование

Передача энергии - это перемещение энергии из одного места в другое . Например, когда электричество проходит от сетевой розетки через зарядное устройство к батарее.

Преобразование энергии - это когда энергия переходит из одной формы в другую, - как в плотине гидроэлектростанции, которая преобразует кинетическую энергию воды в электрическую.

Хотя энергия может передаваться или преобразовываться, общее количество энергии не изменяется - это называется сохранением энергии .

Электрическая энергия передается из настенной розетки по кабелю и хранится в батарее телефона до момента использования.

Что такое передача энергии?

Передача энергии относится к перемещению энергии из одного места в другое.Подумайте об электричестве, которое течет из сетевой розетки, затем проходит через зарядное устройство и попадает в аккумулятор. Энергия передается от розетки к батарее.

Что такое преобразование энергии?

Один тип энергии может превращаться в другой тип энергии. Преобразование энергии означает изменение энергии от одного типа к другому, например от кинетической энергии к электрической энергии или от потенциальной энергии к кинетической энергии.

Какие примеры преобразования энергии?

Вот несколько способов, которыми энергия может изменяться (трансформироваться) из одного типа в другой:

Солнце преобразует ядерную энергию в тепловую и световую энергию

Наши тела преобразуют химическую энергию пищи в механическую энергию, необходимую нам для движения

Электрический вентилятор преобразует электрическую энергию в кинетическую

Lightning преобразует электрическую энергию в световую, тепловую и звуковую

Что такое энергосбережение?

Есть много различных типов энергии, включая кинетическую, потенциальную, гравитационную и электрическую.

Энергия может передаваться (перемещаться из одного места в другое), и она может изменяться (трансформироваться) из одного типа в другой, но общее количество энергии всегда сохраняется, то есть остается неизменным.

Солнце, источник солнечной энергии, передает тепловую (тепловую) и световую энергию людям, животным и растениям.

Передача энергии - это перемещение энергии из одного места в другое.

Преобразование энергии - это преобразование энергии от одного типа энергии к другому.

Энергосбережение означает, что общее количество энергии всегда остается неизменным.

Энергия никогда не может быть создана или уничтожена - она ​​может только переходить из одной формы в другую.

Когда топливо сгорает, горячий газ вырывается из ракеты из-за большого тепла и давления, создаваемых выделением химической энергии при горении.

Передача энергии - это движение энергии из одного места в другое. Преобразование энергии - это когда энергия переходит от одного типа к другому. Хотя энергия может передаваться или преобразовываться, общая энергия всегда остается неизменной.

Электроэнергия, мощность и заряд

Электрическая энергия - это способность электрической цепи производить работу, создавая действие. Это действие может принимать различные формы, такие как тепловая, электромагнитная, механическая, электрическая и т. Д. Электрическая энергия может вырабатываться как батареями, генераторами, динамо, фотоэлектрическими устройствами и т. Д., Либо храниться для будущего использования с использованием топливных элементов, батарей конденсаторы или магнитные поля и т. д.Таким образом, электрическая энергия может быть создана или сохранена.

Мы помним из школьных уроков естествознания, что « Закон сохранения энергии » гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только преобразована. Но для того, чтобы энергия выполняла какую-либо полезную работу, ее нужно преобразовать из одной формы в другую. Например, двигатель преобразует электрическую энергию в механическую или кинетическую (вращательную) энергию, а генератор преобразует кинетическую энергию обратно в электрическую для питания цепи.

То есть электрические машины преобразуют или изменяют энергию из одной формы в другую, выполняя работу. Другой пример - лампа, электрическая лампочка или светодиод (светоизлучающий диод), которые преобразуют электрическую энергию в световую энергию и тепловую (тепловую) энергию. Тогда электрическая энергия очень универсальна, поскольку ее можно легко преобразовать во многие другие формы энергии.

Для того, чтобы электрическая энергия перемещала электроны и создавала поток тока по цепи, должна выполняться работа, то есть электроны должны перемещаться на некоторое расстояние по проводу или проводнику.Проделанная работа сохраняется в потоке электронов в виде энергии. Таким образом, «Работа» - это название, которое мы даем процессу энергии.

Таким образом, мы можем сказать, что Work и Energy фактически то же самое, что и энергия может быть определена как «способность выполнять некоторую работу». Обратите внимание, что выполненная работа или переданная энергия одинаково применимы к механической или тепловой системе, как и к электрической системе. Это потому, что механическая, тепловая и электрическая энергии взаимозаменяемы.

Электрическая энергия: вольт

Как мы теперь знаем, энергия - это способность выполнять работу, при этом стандартной единицей, используемой для энергии (и работы), является джоулей . Джоуль энергии определяется как энергия, расходуемая одним ампером на один вольт за одну секунду. Электрический ток возникает в результате движения электрического заряда (электронов) по цепи, но для перемещения заряда от одного узла к другому необходима сила, создающая работу по перемещению заряда, а это: напряжение .

Мы склонны думать о напряжении (В) как о существовании между двумя разными клеммами, точками или узлами в цепи или источнике питания от батареи. Но напряжение важно, поскольку оно обеспечивает работу, необходимую для перемещения заряда из одной точки в другую, в прямом или обратном направлении. Напряжение или разность потенциалов между двумя выводами или точками определяется как значение в один вольт, когда один джоуль энергии используется для перемещения одного кулона электрического заряда между этими двумя выводами.

Другими словами, разность напряжений между двумя точками или выводами - это работа, необходимая в джоулей для перемещения одного кулонов заряда из A в B. Следовательно, напряжение можно выразить как:

Блок напряжения

Где: напряжение в вольтах, J - работа или энергия в джоулях, а C - заряд в кулонах. Таким образом, если J = 1 джоуль, C = 1 кулон, то V будет равно 1 вольт.

Электроэнергетический пример №1

Каково напряжение на клеммах аккумулятора, который расходует 135 джоулей энергии на перемещение 15 кулонов заряда по электрической цепи.

В этом примере мы видим, что каждый кулон заряда обладает энергией в 9 джоулей.

Электрическая энергия: ампер

Мы видели, что единицей электрического заряда является кулон и что поток электрического заряда вокруг цепи используется для представления потока тока. Однако, поскольку символом кулона является буква «C», его можно спутать с символом емкости, который также является буквой «C».

Чтобы избежать этой путаницы, обычно для обозначения электрического заряда используется заглавная буква «Q» или строчная буква «q», обозначающая количество.Таким образом, Q = 1 кулон заряда или Q = 1Кл. Обратите внимание, что заряд Q может быть либо положительным, + Q, либо отрицательным, -Q, то есть избытком электронов или дырок.

Поток заряда вокруг замкнутой цепи в форме электронов называется электрическим током . Однако использование выражения «поток заряда» подразумевает движение, поэтому, чтобы произвести электрический ток, заряд должен двигаться. Это затем приводит к вопросу о том, что заставляет заряд двигаться, и это делает наш старый друг Voltage сверху.

Таким образом, напряжение или разность потенциалов между двумя точками обеспечивает необходимую электрическую энергию для перемещения заряда по цепи в виде электрического тока. Следовательно, работа, выполняемая для перемещения заряда, обеспечивается разностью потенциалов, и если между двумя точками нет разности потенциалов, движение заряда отсутствует и, следовательно, не протекает ток. Фактический заряд без какого-либо потока или движения называется статическим электричеством.

Если движение заряда называется электрическим током, то мы можем правильно сказать, что ток - это скорость движения (или скорость потока) заряда, но величина заряда представляет собой ток.Если мы выберем точку в цепи, любую точку и измерим количество заряда, которое проходит через эту точку ровно за одну секунду, это даст нам силу электрического тока в Ампер , (А).

Таким образом, один ампер тока равен одному кулону заряда, который проходит через данную точку за одну единицу секунды, и чем больше заряда в секунду проходит через эту точку, тем больше будет ток. Тогда мы можем определить один ампер (А) электрического тока как равный одному кулону заряда в секунду.Итак, 1А = 1Кл / с

Ампер

Где: Q - заряд (в кулонах), а t - интервал времени (в секундах), в течение которого перемещается заряд. Другими словами, электрический ток имеет как величина (величина заряда) и указанное направление, связанное с ней.

Обратите внимание, что обычно используемым символом электрического тока является заглавная буква «I» или маленькая буква «i», обозначающие интенсивность. Это интенсивность или концентрация заряда, создающего поток электронов.Для постоянного постоянного тока обычно используется заглавная буква «I», тогда как для переменного тока, изменяющегося во времени, обычно используется строчная буква «i». Символ i (t) означает мгновенное значение тока в этот точный момент времени.

Иногда легче запомнить эту взаимосвязь с помощью изображения. Здесь три количества Q, I и t, наложенные в треугольник, представляют фактическое положение каждой величины в текущей формуле.

Ампер

Транспонирование стандартной формулы, приведенной выше, дает нам следующие комбинации одного и того же уравнения:

Электроэнергетический пример №2

1.Сколько тока проходит через цепь, если 900 кулонов заряда проходят заданную точку за 3 минуты.

2. Через резистор протекает электрический ток силой 3 А. Сколько кулонов заряда пройдет через резистор за 90 секунд.

Электрическая энергия: ватт

Электроэнергия - это произведение двух величин: Напряжение, и Ток, , и поэтому его можно определить как скорость, с которой выполняется работа при затрате энергии.Ранее мы говорили, что напряжение обеспечивает работу, необходимую в Джоулях для перемещения одного кулоновского заряда от A к B, и что ток - это скорость движения (или скорость потока) заряда. Итак, как эти два определения связаны друг с другом.

Если напряжение (В) равно Джоулям на кулоны (V = Дж / Кл), а амперы (I) равны заряду ( кулонов, ) в секунду (A = Q / t), то мы можем определить электрическую мощность (P) как являясь совокупностью этих двух величин. Это потому, что электрическая мощность также может быть равна напряжению, умноженному на амперы, то есть: P = V * I.

Ватт

Итак, мы видим, что электрическая мощность - это также скорость, с которой работа выполняется в течение одной секунды. То есть за одну секунду рассеивается один джоуль энергии. Поскольку электрическая мощность измеряется в ваттах (Вт), ее также необходимо измерять в Джоулях в секунду . Итак, мы можем правильно сказать, что: 1 ватт = 1 джоуль в секунду (Дж / с).

Электроэнергетика

1 ватт (Вт) = 1 джоуль в секунду (Дж / с)

Итак, если 1 ватт = 1 джоуль в секунду, отсюда следует, что: 1 джоуль энергии = 1 ватт за одну единицу времени, то есть: работа равна мощности, умноженной на время (V * I * t джоулей).Таким образом, электрическая энергия (проделанная работа) получается путем умножения мощности на время в секундах, в течение которого течет заряд (в форме тока). Таким образом, единицы электрической энергии зависят от единиц, используемых для электроэнергии и времени. Итак, если мы измеряем электрическую мощность в киловаттах (кВт), а время в часах (ч), то потребляемая электрическая энергия равна киловаттам * часам (Втч) или просто: киловатт-час (кВтч).

Электроэнергетический пример №3

Лампочка мощностью 100 Вт горит всего один час.Сколько джоулей электрической энергии израсходовано лампой.

Обратите внимание, что при рассмотрении джоуля как единицы электрической энергии удобнее представлять их в килоджоулях. Следовательно, ответ может быть дан как: 360 кДж.

Поскольку джоуль сам по себе является небольшой величиной, килоджоуль (кДж), тысячи джоулей, мегаджоуль (МДж), миллионы джоулей и даже гигаджоуль (ГДж), тысячи миллионов джоулей, - все это практические единицы электрической энергии.Таким образом, одна единица электроэнергии, эквивалентная одному киловатт-часу (кВтч), может быть определена как 3,6 мегаджоулей (МДж).

Аналогичным образом, поскольку ватт - это такое небольшое количество электроэнергии, киловатты (1 кВт = 1000 Вт) и мегаватты (1 МВт = 1 миллион ватт) обычно используются для определения выходной мощности электрического оборудования и приборов. Таким образом, мы можем видеть, что киловатт (или мегаватт) - это единица электроэнергии, а киловатт-час - это единица электрической энергии.

Превращение тепла в электричество | MIT News

Что, если бы вы могли использовать кондиционер не от обычного электричества, а от солнечного тепла в теплый летний день? Благодаря достижениям в термоэлектрических технологиях это устойчивое решение может однажды стать реальностью.

Термоэлектрические устройства изготавливаются из материалов, которые могут преобразовывать разницу температур в электричество, не требуя каких-либо движущихся частей - качество, которое делает термоэлектрики потенциально привлекательным источником электричества. Это явление обратимо: если электричество приложить к термоэлектрическому устройству, оно может вызвать разницу температур. Сегодня термоэлектрические устройства используются для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как питание небольших датчиков вдоль нефтепроводов, резервное питание от космических зондов и охлаждение мини-холодильников.

Но ученые надеются разработать более мощные термоэлектрические устройства, которые будут собирать тепло, производимое как побочный продукт промышленных процессов и двигателей внутреннего сгорания, и превращать это тепло в электричество. Однако эффективность термоэлектрических устройств или количество энергии, которую они могут производить, в настоящее время ограничены.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института открыли способ увеличить эту эффективность втрое, используя «топологические» материалы, которые обладают уникальными электронными свойствами.В то время как прошлые работы предполагали, что топологические материалы могут служить эффективными термоэлектрическими системами, было мало понимания того, как электроны в таких топологических материалах будут перемещаться в ответ на разницу температур, чтобы вызвать термоэлектрический эффект.

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , исследователи из Массачусетского технологического института определяют основное свойство, которое делает некоторые топологические материалы потенциально более эффективными термоэлектрическими материалами по сравнению с существующими устройствами.

«Мы обнаружили, что можем раздвинуть границы этого наноструктурированного материала таким образом, чтобы топологические материалы стали хорошим термоэлектрическим материалом, в большей степени, чем обычные полупроводники, такие как кремний», - говорит Те-Хуан Лю, постдок механического отдела Массачусетского технологического института. Инженерное дело. «В конце концов, это может быть экологически чистый способ помочь нам использовать источник тепла для выработки электричества, что уменьшит выбросы углекислого газа».

Лю - первый автор статьи PNAS , в которую входят аспиранты Цзявэй Чжоу, Чживэй Дин и Цичен Сун; Минда Ли, доцент кафедры ядерной науки и техники; бывший аспирант Болин Ляо, ныне доцент Калифорнийского университета в Санта-Барбаре; Лян Фу, доцент кафедры физики Биденхарна; и Ганг Чен, профессор Содерберга и заведующий кафедрой машиностроения.

Свободно пройденный путь

Когда термоэлектрический материал подвергается воздействию температурного градиента - например, один конец нагревается, а другой охлаждается - электроны в этом материале начинают течь от горячего конца к холодному концу , генерирующий электрический ток. Чем больше разница температур, тем больше вырабатывается электрического тока и вырабатывается больше энергии. Количество энергии, которое может быть сгенерировано, зависит от конкретных транспортных свойств электронов в данном материале.

Ученые заметили, что некоторые топологические материалы могут быть превращены в эффективные термоэлектрические устройства с помощью наноструктурирования, метода, который ученые используют для синтеза материала, моделируя его свойства в масштабе нанометров. Ученые полагают, что термоэлектрическое преимущество топологических материалов связано с пониженной теплопроводностью в их наноструктурах. Но неясно, как это повышение эффективности связано с присущими материалу топологическими свойствами.

Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, Лю и его коллеги изучили термоэлектрические характеристики теллурида олова, топологического материала, который, как известно, является хорошим термоэлектрическим материалом. Электроны в теллуриде олова также проявляют особые свойства, имитирующие класс топологических материалов, известных как материалы Дирака.

Команда стремилась понять влияние наноструктурирования на термоэлектрические характеристики теллурида олова путем моделирования того, как электроны проходят через материал.Чтобы охарактеризовать перенос электронов, ученые часто используют измерение, называемое «средним свободным пробегом», или средним расстоянием, на которое электрон с заданной энергией может свободно пройти в материале, прежде чем будет рассеян различными объектами или дефектами в этом материале.

Наноструктурированные материалы напоминают лоскутное одеяло из крошечных кристаллов, у каждого из которых есть границы, известные как границы зерен, которые отделяют один кристалл от другого. Когда электроны сталкиваются с этими границами, они имеют тенденцию различным образом рассеиваться.Электроны с большой длиной свободного пробега будут сильно рассеиваться, как пули, рикошетирующие от стенки, в то время как электроны с более короткой длиной свободного пробега пострадают гораздо меньше.

В ходе моделирования исследователи обнаружили, что электронные характеристики теллурида олова оказывают значительное влияние на их длину свободного пробега. Они построили график диапазона энергий электронов теллурида олова в зависимости от соответствующей длины свободного пробега и обнаружили, что полученный график сильно отличался от графика для большинства обычных полупроводников.В частности, для теллурида олова и, возможно, других топологических материалов, результаты показывают, что электроны с более высокой энергией имеют более короткую длину свободного пробега, в то время как электроны с более низкой энергией обычно обладают большей длиной свободного пробега.

Затем группа исследовала, как эти электронные свойства влияют на термоэлектрические характеристики теллурида олова, суммируя термоэлектрические вклады электронов с разной энергией и длиной свободного пробега. Оказывается, способность материала проводить электричество или генерировать поток электронов при градиенте температуры во многом зависит от энергии электронов.

В частности, они обнаружили, что электроны с более низкой энергией имеют тенденцию оказывать негативное влияние на генерацию разности напряжений и, следовательно, на электрический ток. Эти низкоэнергетические электроны также имеют более длинные длины свободного пробега, что означает, что они могут рассеиваться границами зерен более интенсивно, чем электроны более высоких энергий.

Уменьшение размера

Сделав еще один шаг в своем моделировании, команда поиграла с размером отдельных зерен теллурида олова, чтобы увидеть, влияет ли это на поток электронов при температурном градиенте.Они обнаружили, что, когда они уменьшили диаметр среднего зерна примерно до 10 нанометров, сближая его границы, они наблюдали повышенный вклад электронов с более высокой энергией.

То есть с меньшими размерами зерен электроны с более высокой энергией вносят гораздо больший вклад в электрическую проводимость материала, чем электроны с более низкой энергией, поскольку они имеют более короткие длины свободного пробега и с меньшей вероятностью рассеиваются по границам зерен. Это приводит к возникновению большей разницы напряжений.

Более того, исследователи обнаружили, что уменьшение среднего размера зерен теллурида олова примерно до 10 нанометров дает в три раза больше электричества, чем материал мог бы произвести с более крупными зернами.

Лю говорит, что, хотя результаты основаны на моделировании, исследователи могут достичь аналогичных характеристик, синтезируя теллурид олова и другие топологические материалы и регулируя размер их зерен с помощью техники наноструктурирования. Другие исследователи предположили, что уменьшение размера зерна материала может повысить его термоэлектрические характеристики, но Лю говорит, что они в основном предполагали, что идеальный размер будет намного больше, чем 10 нанометров.

«В ходе моделирования мы обнаружили, что можем уменьшить размер зерна топологического материала намного больше, чем предполагалось ранее, и на основе этой концепции мы можем повысить его эффективность», - говорит Лю.

Теллурид олова - лишь один из примеров многих топологических материалов, которые еще предстоит изучить. Лю говорит, что если исследователи смогут определить идеальный размер зерна для каждого из этих материалов, топологические материалы могут вскоре стать жизнеспособной и более эффективной альтернативой производству чистой энергии.

«Я считаю, что топологические материалы очень хороши для термоэлектрических материалов, и наши результаты показывают, что это очень многообещающий материал для будущих приложений», - говорит Лю.

Это исследование было частично поддержано Центром преобразования твердотельной солнечной тепловой энергии, исследовательским центром Energy Frontier Министерства энергетики США; и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA).

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *