КПД бензиновых и дизельных электрогенераторов. Кпд электрогенератора
КПД бензиновых и дизельных электрогенераторов
энергетическое и силовое оборудование (495) 620-49-39 многоканальный тел./факс [email protected]
Каталог оборудования
Услуги компании
Главная >
Полезно знать >
Невысокая стоимость, компактные размеры и малая шумность от работающей установки делают бензиновое оборудование популярными. Однако часто потребители задают вопрос: так ли выгодна покупка данного аппарата? Выбор зависит от целей создания автономного электроснабжения. Если для резервного источника энергии, то оптимально подойдет бензиновый генератор. Для постоянного обеспечения электротоком рационально приобретать дизельгенерирующую электроустановку.
Отличия генераторов
 | Главным отличием агрегатов является коэффициент полезного действия. Данный показатель характеризует бензиновые генераторы не с лучшей стороны: их КПД в среднем составляет 0,18%-0,24%. Производители этого оборудования постоянно ломают голову над повышением коэффициента полезного действия. В последнее время удалось совершить качественный скачок при переходе в компоновке двигателя на верхние клапаны. Система OHV значительно уменьшает площадь камеры сгорания, что снижает и сам нагрев ДВС. Наряду с этим достигнуто увеличение степени сжатия до 7-9 единиц, что сократило потребление топлива. Но это предел увеличения КПД. |  Дизельный генератор | Существует теория, что прорыв можно совершить, отказавшись от использования карбюратора и заменив его на систему впрыска с использованием электронного управления. Но сегодня стоимость даже самой простой из них равна цене всего двигателя, вследствие чего установка сделает аппарат очень дорогим и его приобретение станет экономически невыгодным. Более перспективным направлением в плане высокого коэффициента полезного действия считаются дизельные электрогенерирующие установки, КПД которых варьируется в диапазоне от 0,70% до 0,80%. Чтобы рассмотреть более подробно, в чем же заключается выгода таких показателей, возьмем конкретный пример. |
Согласно паспортным данным, дизельный и бензиновый генераторы, номинальная мощность которых составляет 2 кВт, расходуют 280г/кВт*ч и 395г/кВт*ч соответственно. То есть, ДГУ потребляет топлива в 1.4 раза! При минимальной нагрузке расход увеличивается на 10%, что повышает выгоду до 1,87 раза.
Copyright 2007-2018 © Энергоэкспо
www.energoexpo.ru
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ | Энциклопедия Кругосвет
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ, один из самых важных видов энергии. Электроэнергия в своей конечной форме может передаваться на большие расстояния потребителю. См. также ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ.
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
Производство и распределение электроэнергии.
На районной (т.е. приближенной к источникам энергоресурсов) электростанции электроэнергия вырабатывается чаще всего электромашинными генераторами переменного тока. Для уменьшения потерь при ее передаче и распределении напряжение, снимаемое на выходные электрогенератора, повышается трансформаторной подстанцией. Затем электроэнергия передается по высоковольтным линиям электропередачи (ЛЭП) на большие расстояния, которые могут измеряться сотнями километров. К ЛЭП подключен ряд распределительных подстанций, отводящих электроэнергию к местным центрам электропотребления. Поскольку далее электроэнергия передается по улицам и населенным районам, на подстанциях напряжение для безопасности еще раз понижается трансформаторами. К понижающим трансформаторам подстанций подключены линии магистральной сети. В удобных точках этой сети устанавливаются пункты ответвления для распределительной сети электропотребителей.
Электростанции.
Электростанции разных типов, расположенные в разных местах, могут быть объединены высоковольтными ЛЭП в энергосистему. В этом случае постоянную (базовую) нагрузку, потребляемую на всем протяжении суток, берут на себя атомные электростанции (АЭС), высокоэффективные паротурбинные тепловые электростанции и электроцентрали (ТЭС и ТЭЦ), а также гидроэлектростанции (ГЭС). В часы повышенной нагрузки к общей сети ЛЭП энергосистемы дополнительно подключаются гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), газотурбинные установки (ГТУ) и менее эффективные ТЭС, работающие на ископаемом топливе.
Электроснабжение от энергосистем имеет существенные преимущества перед снабжением от изолированных электростанций: улучшается надежность энергоснабжения, лучше используются энергоресурсы района, снижается себестоимость электроэнергии за счет наиболее экономичного распределения нагрузки между электростанциями, уменьшается требуемая резервная мощность и т.д.
Коэффициент нагрузки.
Потребительская нагрузка изменяется в зависимости от времени суток, месяца года, погоды и климата, географического расположения и экономических факторов.
Максимального (пикового) уровня нагрузка может достигать на протяжении всего лишь нескольких часов в году, но мощность электростанции или энергосистемы должна быть рассчитана и на пиковую нагрузку. Кроме того, избыток, или резерв, мощности необходим для того, чтобы можно было отключать отдельные энергоблоки для технического обслуживания и ремонта. Резервная мощность должна составлять около 25% полной установленной мощности.
Эффективность использования электростанции и энергосистемы можно характеризовать процентным отношением электроэнергии (в киловатт-часах), фактически выработанной за год, к максимально возможной годовой производительности (в тех же единицах). Коэффициент нагрузки не может быть равен 100%, так как неизбежны простои энергоблоков для планового технического обслуживания и ремонта в случае аварийного выхода из строя.
КПД электростанции.
Термический КПД электростанции, работающей на угле, можно приближенно характеризовать массой угля в килограммах, которая сжигается для получения одного киловатт-часа электроэнергии. Этот показатель (удельный расход топлива) неуклонно снижался от 15,4 кг/кВтЧч в 1920-х до 3,95 кг/кВтЧч в начале 1960-х, но к 1990-м годам постепенно повысился до 4,6 кг/кВтЧч. Повышение в значительной мере объясняется введением пылезолоуловителей и газоочистителей, съедающих до 10% выходной мощности электростанции, а также переходом на экологически более чистый уголь (с низким содержанием серы), на который многие электростанции не были рассчитаны.
В процентном выражении термический КПД современной ТЭС не превышает 36%, в основном из-за потерь тепла, уносимого отходящими газами – продуктами горения.
У АЭС, работающих при более низких температурах и давлениях, несколько меньший полный КПД – около 32%.
Газотурбинные установки с котлом-утилизатором (парогенератором, использующим тепло выхлопных газов) и дополнительной паровой турбиной могут иметь КПД более 40%.
Термический КПД паротурбинной электростанции тем больше, чем выше рабочие температуры и давления пара. Если в начале 20 в. эти параметры составляли 1,37 МПа и 260° C, то в настоящее время обычны давления свыше 34 МПа и температуры свыше 590° C (АЭС работают при более низких температурах и давлениях, чем самые крупные ТЭС, поскольку нормативами ограничивается максимально допустимая температура активной зоны реактора).
На современных паротурбинных электростанциях пар, частично отработавший в турбине, отбирается в ее промежуточной точке для повторного нагревания (промежуточного перегрева) до исходной температуры, причем могут быть предусмотрены две или более ступеней промперегрева. Пар из других точек турбины отводится для предварительного нагрева питательной воды, подводимой к парогенератору. Такие меры намного повышают термический КПД.
Экономика электроэнергетики.
В таблице представлены ориентировочные данные о потреблении электроэнергии на душу населения в некоторых странах мира.
| ГОДОВОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ДУШУ НАСЕЛЕНИЯ(кВт·ч, начало 1990-х годов) | |||
| Норвегия | 22485 | Бразилия | 1246 |
| Канада | 14896 | Мексика | 1095 |
| Швеция | 13829 | Турция | 620 |
| США | 10280 | Либерия | 535 |
| ФРГ | 6300 | Египет | 528 |
| Бельгия | 5306 | Китай | 344 |
| Россия | 5072 | Индия | 202 |
| Япония | 5067 | Заир | 133 |
| Франция | 4971 | Индонезия | 96 |
| Болгария | 4910 | Судан | 50 |
| Италия | 3428 | Бангладеш | 39 |
| Польша | 3327 | Чад | 14 |
ПАРОТУРБИННЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Основную долю электроэнергии, производимой во всем мире, вырабатывают паротурбинные электростанции, работающие на угле, мазуте или природном газе.
Парогенераторы.
Парогенератор паротурбинной электростанции, работающей на ископаемом топливе, представляет собой котельный агрегат с топкой, в которой сжигается топливо, испарительными поверхностями, в трубах которых вода превращается в пар, пароперегревателем, повышающим температуру пара перед подачей в турбину до значений, достигающих 600° C, промежуточными (вторичными) пароперегревателями для повторного перегрева пара, частично отработавшего в турбине, экономайзером, в котором входная питательная вода нагревается отходящим топочным газом, и воздухоподогревателем, в котором топочный газ отдает свое остаточное тепло воздуху, подводимому к топке.
Для подачи в топку воздуха, необходимого для горения, применяются вентиляторы, создающие в ней искусственную, или принудительную, тягу. В одних парогенераторах тяга создается вытяжными вентиляторами (дымососами), в других – приточными (напорными), а чаще всего и теми и другими, что обеспечивает т.н. уравновешенную тягу с нейтральным давлением в топке.
При сгорании топлива негорючие компоненты, содержание которых может достигать 12–15% полного объема битуминозного и 20–50% бурого угля, оседают на подовине топочной камеры в виде шлака или сухой золы. Остальное проходит через топку в виде пыли, от которой полагается очищать отходящие газы, прежде чем выпускать их в атмосферу. Пылезолоочистка осуществляется циклонами и электрофильтрами, в которых частицы пыли заряжаются и осаждаются на коллекторных проволоках или пластинах, имеющих заряд противоположного знака.
Нормативами для новых электростанций ограничивается выброс в атмосферу не только твердых частиц, но и диоксида серы. Поэтому непосредственно перед дымовой трубой в газоходах предусматриваются химические скрубберы, часто устанавливаемые после электрофильтров. В скрубберах (мокрых или сухих) с помощью различных химических процессов из отходящих газов удаляют серу.
Из-за высокой требуемой степени пылезолоочистки в настоящее время применяют еще и тканевые рукавные фильтры с встряхиванием и обратной продувкой, содержащие сотни больших тканевых рукавов – фильтровальных элементов.
Электрогенераторы.
Электромашинный генератор приводится во вращение т.н. первичным двигателем, например турбиной. Вращающийся вал первичного двигателя связан соединительной муфтой с валом электрогенератора, который обычно несет на себе магнитные полюса и обмотки возбуждения. Магнитное поле тока, создаваемого в обмотке возбуждения небольшим вспомогательным генератором или полупроводниковым устройством (возбудителем), пересекает проводники обмотки статора (неподвижной станины генератора), благодаря чему в этой обмотке наводится переменный ток, который снимается с выходных зажимов генератора. Большие трехфазные генераторы вырабатывают три отдельных, но согласованных между собой тока в трех отдельных системах проводников, напряжение на которых достигает 25 кВ. Проводники присоединены к трехфазному повышающему трансформатору, с выхода которого электроэнергия передается по трехфазным же высоковольтным ЛЭП в центры потребления.
Мощные современные турбогенераторы имеют замкнутую систему вентиляции с водородом в качестве охлаждающего газа. Водород не только отводит тепло, но и уменьшает аэродинамические потери. Рабочее давление водорода составляет от 0,1 до 0,2 МПа. Для более интенсивного охлаждения генератора водород может также подаваться под давлением в полые проводники статора. В некоторых моделях генераторов обмотки статора охлаждаются водой. См. также ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ.
В целях повышения эффективности охлаждения и уменьшения размеров генератора ведутся исследования возможности создания генератора, охлаждаемого жидким гелием. См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.
Паровые турбины.
Пар от пароперегревателей парогенератора, поступивший в турбину, проходит через систему профилированных входных сопел (сопловой аппарат). При этом давление и температура пара понижаются, а скорость сильно увеличивается. Высокоскоростные струи пара ударяются о венец из рабочих лопаток (с аэродинамическим профилем), закрепленных на роторе турбины, и энергия пара преобразуется в энергию вращения ротора.
Пар проходит через последовательность направляющих и рабочих лопаточных решеток, пока его давление не понизится примерно до 2/3 атмосферного, а температура – до уровня (32–38° C), минимально необходимого для предотвращения конденсации пара.
На выходе турбины пар обтекает пучки труб конденсатора, по которым прокачивается холодная вода, и, отдавая тепло воде, конденсируется, благодаря чему здесь поддерживается небольшой вакуум. Конденсат, скапливающийся в нижней части конденсатора, откачивается насосами и, пройдя через ряд нагревательных теплообменников, возвращается в парогенератор, чтобы снова начать цикл. Пар для этих нагревательных теплообменников отбирается из разных точек парового тракта турбины со все более высокой температурой соответственно повышению температуры возвратного потока конденсата.
Поскольку для конденсатора требуются большие количества воды, крупные ТЭС целесообразно строить рядом с большими водоемами. Если запасы воды ограничены, то строятся градирни. В градирне вода, использованная для конденсации пара в конденсаторе, закачивается на вершину башни, откуда стекает по многочисленным перегородкам, распределяясь тонким слоем по поверхности большой площади. Входящий в башню воздух поднимается за счет естественной тяги или принудительной тяги, создаваемой мощными вентиляторами. Движение воздуха ускоряет испарение воды, которая за счет испарения охлаждается. При этом 1–3% охлаждающей воды теряется, уходя в виде парового облака в атмосферу. Охлажденная вода подается снова в конденсатор, и цикл повторяется. Градирни применяют и в тех случаях, когда вода забирается из водоема, – чтобы не сбрасывать отработанную теплую воду в естественный водный бассейн.
Мощность самых крупных паровых турбин достигает 1600 МВт. Ступени высокого, промежуточного и низкого давления могут быть выполнены на одном роторе, и тогда турбина называется одновальной. Но крупные турбины часто выпускаются в двухвальном исполнении: ступени промежуточного и низкого давления монтируются на роторе, отдельном от ступени высокого давления. Максимальная температура пара перед турбиной зависит от типа сталей, применяемых для паропроводов и пароперегревателей, и, как правило, составляет 540–565° C, но может достигать и 650° C. См. также ТУРБИНА.
Регулирование и управление.
Прежде всего необходимо точно поддерживать стандартную частоту вырабатываемого переменного тока. Частота тока зависит от частоты вращения вала турбины и генератора, а поэтому необходимо в полном соответствии с изменениями внешней нагрузки регулировать поток (расход) пара на входе в турбину. Это осуществляется при помощи очень точных регуляторов с компьютерным управлением, воздействующих на входные регулирующие клапаны турбины. Микропроцессорные контроллеры координируют работу разных блоков и подсистем электростанции. Компьютеры, находящиеся в центральной диспетчерской, автоматически осуществляют пуск и останов паровых котлов и турбин, обрабатывая данные, поступающие более чем из 1000 разных точек электростанции. Автоматизированные системы управления (АСУ) следят за синхронностью работы всех электростанций энергосистемы и регулируют частоту и напряжение.
ДРУГИЕ ВИДЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Гидроэлектростанции.
Около 23% электроэнергии во всем мире вырабатывают ГЭС. Они преобразуют кинетическую энергию падающей воды в механическую энергию вращения турбины, а турбина приводит во вращение электромашинный генератор тока. Самый крупный в мире гидроэнергоблок установлен в Итайпу на р. Парана, там, где она разделяет Парагвай и Бразилию. Его мощность равна 750 МВт. Всего на ГЭС в Итайпу установлено 18 таких блоков.
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) оборудуются агрегатами (гидравлическими и электрическими машинами), которые по своей конструкции способны работать как в турбинном, так и в насосном режиме. В часы малых нагрузок ГАЭС, потребляя электроэнергию, перекачивает воду из низового водоема в верховой, а в часы повышенных нагрузок в энергосистеме использует запасенную воду для выработки пиковой энергии. Время пуска и смены режимов составляет несколько минут. См. также ГИДРОЭНЕРГЕТИКА.
Газотурбинные установки.
ГТУ довольно широко применяются на малых электростанциях, принадлежащих муниципалитетам или промышленным предприятиям, а также в качестве «пиковых» (резервных) блоков – на крупных электростанциях. В камерах сгорания ГТУ сжигается мазут или природный газ, и высокотемпературный газ высокого давления воздействует на рабочие колеса турбины примерно так же, как и пар в паровой турбине. Вращающийся ротор газовой турбины приводит во вращение электрогенератор, а также воздушный компрессор, который подводит к камере сгорания воздух, необходимый для горения. Примерно 2/3 энергии поглощается компрессором; горячие выхлопные газы после турбины выводятся в дымовую трубу. По этой причине КПД газотурбинных установок не очень высок, но зато малы и капитальные затраты в сравнении с паровыми турбинами той же мощности. Если ГТУ используется на протяжении лишь нескольких часов в году в периоды пиковой нагрузки, то высокие эксплуатационные расходы компенсируются низкими капитальными, так что применение ГТУ для обеспечения до 10% полной выходной мощности электростанции оказывается экономически целесообразным.
В комбинированных парогазотурбинных энергетических установках (ПГУ) высокотемпературные выхлопные газы газовой турбины направляются не в дымовую трубу, а в котел-утилизатор, который вырабатывает пар для паровой турбины. КПД такой установки выше, чем у лучшей паровой турбины, взятой отдельно (около 36%).
Электростанции с ДВС.
На электростанциях, принадлежащих муниципалитетам и промышленным предприятиям, для привода электрогенераторов часто применяются дизельные и бензиновые двигатели внутреннего сгорания. См. также ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ.
У двигателей внутреннего сгорания низкий КПД, что связано со спецификой их термодинамического цикла, но этот недостаток компенсируется низкими капитальными расходами. Мощность самых больших дизелей составляет около 5 МВт. Их преимуществом являются малые размеры, позволяющие с удобством располагать их рядом с электропотребляющей системой в хозяйстве муниципалитета или на заводе. Они не требуют больших количеств воды, так как не приходится конденсировать выхлопные газы; достаточно охлаждать цилиндры и смазочное масло. На установках с большим числом дизелей или бензиновых двигателей их выхлопные газы собираются в коллектор и направляются на парогенератор, что существенно повышает общий КПД.
Атомные электростанции.
На АЭС электроэнергия вырабатывается так же, как и на обычных ТЭС, сжигающих ископаемое топливо, – посредством электромашинных генераторов, приводимых во вращение паровыми турбинами. Но пар здесь получается за счет деления изотопов урана или плутония в ходе управляемой цепной реакции, протекающей в ядерном реакторе. Теплоноситель, циркулирующий через охлаждающий тракт активной зоны реактора, отводит выделяющуюся теплоту реакции и непосредственно либо через теплообменники используется для получения пара, который подается на турбины.
Капитальные расходы на строительство АЭС крайне велики по сравнению с расходами на электростанции, сжигающие ископаемое топливо, той же мощности: в США в среднем около 3000 долл./кВт, тогда как для ТЭС на угле – 600 долл./кВт. Но АЭС потребляет очень малые количества ядерного топлива, а это может оказаться весьма существенным для стран, которым иначе пришлось бы импортировать обычное топливо. См. также ТЕПЛООБМЕННИК; ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ; АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА; СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И ДВИЖИТЕЛИ.
Солнечные, ветровые, геотермальные электростанции.
Солнечная энергия преобразуется непосредственно в электроэнергию полупроводниковыми фотоэлектрическими генераторами тока, но капитальные затраты на эти преобразователи и их установку таковы, что стоимость установленной мощности оказывается в несколько раз выше, чем на ТЭС. Существует ряд крупных действующих гелиоэлектростанций; самая крупная из них, мощностью 1 МВт, находится в Лос-Анджелесе (шт. Калифорния). Коэффициент преобразования составляет 12–15%. Солнечную радиацию можно также использовать для выработки электроэнергии, концентрируя солнечные лучи при помощи большой системы зеркал, управляемой компьютером, на парогенераторе, установленном в ее центре на башне. Опытная установка такого рода мощностью 10 МВт была построена в шт. Нью-Мексико. Гелиоэлектростанции в США вырабатывают около 6,5 млн. кВтЧч в год.
Создатели ветровых электростанций мощностью 4 МВт, построенных в США, встретились с многочисленными трудностями из-за их сложности и больших размеров. В штате Калифорния был построен ряд «ветровых полей» с сотнями малых ветровых турбин, включенных в местную энергосистему. Ветровые электростанции окупаются только при условии, что скорость ветра больше 19 км/ч, а ветры дуют более или менее постоянно. К сожалению, они очень шумны и поэтому не могут располагаться вблизи населенных пунктов. См. также ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ.
Геотермальная электроэнергетика рассматривается в статье ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ.
ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Электроэнергия, вырабатываемая генератором, отводится к повышающему трансформатору по массивным жестким медным или алюминиевым проводникам, называемым шинами. Шина каждой из трех фаз (см. выше) изолируется в отдельной металлической оболочке, которая иногда заполняется изолирующим элегазом (гексафторидом серы).
Трансформаторы повышают напряжение до значений, необходимых для эффективной передачи электроэнергии на большие расстояния. См. также ТРАНСФОРМАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ.
Генераторы, трансформаторы и шины соединены между собой через отключающие аппараты высокого напряжения – ручные и автоматические выключатели, позволяющие изолировать оборудование для ремонта или замены и защищающие его от токов короткого замыкания. Защита от токов короткого замыкания обеспечивается автоматическими выключателями. В масляных выключателях дуга, возникающая при размыкании контактов, гасится в масле. В воздушных выключателях дуга выдувается сжатым воздухом или применяется «магнитное дутье». В новейших выключателях для гашения дуги используются изолирующие свойства элегаза.
Для ограничения силы токов короткого замыкания, которые могут возникать при авариях на ЛЭП, применяются электрические реакторы. Реактор представляет собой катушку индуктивности с несколькими витками массивного проводника, включаемую последовательно между источником тока и нагрузкой. Он понижает силу тока до уровня, допустимого для автоматического выключателя.
С экономической точки зрения, наиболее целесообразным, на первый взгляд, представляется открытое расположение большей части высоковольтных шин и высоковольтного оборудования электростанции. Тем не менее все чаще применяется оборудование в металлических кожухах с элегазовой изоляцией. Такое оборудование необычайно компактно и занимает в 20 раз меньше места, нежели эквивалентное открытое. Это преимущество весьма существенно в тех случаях, когда велика стоимость земельного участка или когда требуется нарастить мощность существующего закрытого распредустройства. Кроме того, более надежная защита желательна там, где оборудование может быть повреждено из-за сильной загрязненности воздуха.
Для передачи электроэнергии на расстояние используются воздушные и кабельные линии электропередачи, которые вместе с электрическими подстанциями образуют электросети. Неизолированные провода воздушных ЛЭП подвешиваются с помощью изоляторов на опорах. Подземные кабельные ЛЭП широко применяются при сооружении электросетей на территории городов и промышленных предприятий. Номинальное напряжение воздушных ЛЭП – от 1 до 750 кВ, кабельных – от 0,4 до 500 кВ.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
На трансформаторных подстанциях напряжение последовательно понижается до уровня, необходимого для распределения по центрам электропотребления и в конце концов по отдельным потребителям. Высоковольтные ЛЭП через автоматические выключатели присоединяются к сборной шине распределительной подстанции. Здесь напряжение понижается до значений, установленных для магистральной сети, разводящей электроэнергию по улицам и дорогам. Напряжение магистральной сети может составлять от 4 до 46 кВ.
На трансформаторных подстанциях магистральной сети энергия ответвляется в распределительную сеть. Сетевое напряжение для бытовых и коммерческих потребителей составляет от 120 до 240 В. Крупные промышленные потребители могут получать электроэнергию с напряжением до 600 В, а также с более высоким напряжением – по отдельной линии от подстанции. Распределительная (воздушная или кабельная) сеть может быть организована по звездной, кольцевой или комбинированной схеме в зависимости от плотности нагрузки и других факторов. Сети ЛЭП соседних электроэнергетических компаний общего пользования объединяются в единую сеть.
www.krugosvet.ru
КПД электростанций
Электростанции с высоким КПД дороги в процессе создания, зато производимая ими электроэнергия обходится дешевле.
Наиболее высокий КПД (92-95%) - достоинство гидроэлектростанций. На них генерируется 14% мировой электромощности. Однако, этот тип станций наиболее требователен к месту возведения и, как показала практика, весьма чувствителен к соблюдению правил эксплуатации. Пример событий на Саяно-Шушенской ГЭС показал, к каким трагическим последствиям может привести пренебрежение правилами эксплуатации в стремлении снизить эксплуатационные издержки.
Высоким КПД (80%) обладают АЭС. Их доля в мировом производстве электроэнергии составляет 22%. Но АЭС требуют повышенного внимания к проблеме безопасности, как на стадии проектирования, так и при строительстве, и во время эксплуатации. Малейшие отступления от строгих регламентов обеспечения безопасности для АЭС, чревато фатальными последствиями для всего человечества. Пример тому авария на АЭС в Чернобыле и японское землетрясение марта две тысячи одиннадцатого года, приведшее к аварии на АЭС, расположенной на острове Хонсю, в городе Окума, префектуры Фукусима.
Кроме непосредственной опасности в случае аварии, использование АЭС сопровождается проблемами безопасности, связанными с утилизацией или захоронением отработанного ядерного топлива.
КПД тепловых электростанций не превышает 34%, на них вырабатывается до шестидесяти процентов мировой электроэнергии. Кроме электроэнергии на тепловых электростанциях производится тепловая энергия, которая в виде горячего пара или горячей воды может передаваться потребителям на расстояние в 20-25 километров. Такие станции называют ТЭЦ (Тепло Электро Централь).
ТЕС и ТЕЦ не дороги в строительстве, но, если не принимать специальных мер, не совсем благополучны в плане воздействия на окружающую среду. Неблагоприятное воздействие на окружающую среду в большой мере определяется тем, какое топливо применяется в тепловых агрегатах. Наиболее вредны продукты сгорания угля и тяжёлых нефтепродуктов, природный газ менее агрессивен. Заметим, применяемое топливо определяет конструктивные особенности тепловых установок.
ТЭС являются основными источниками электроэнергии на территории России, США и большинства стран Европы. Однако, есть исключения, например, в Норвегии электроэнергия вырабатывается в основном на ГЭС, а во Франции 70% электроэнергии генерируется на атомных станциях.
elektrogenerator.net
Подбор винта к генератору с учётом его мощности и КПД
В этой статье я буду говорить о том как рассчитать мощность генератора и подобрать винт с учётом КПД генератора.
Многие вообще не учитывают КПД генератора, и получается так что винт не тянет генератор, особенно на малом ветре. Собственно по этому часто при мощности винта к примеру в 200-300 вт мы получаем всего половину его мощности на заряд аккумулятора, а если поставить винт слабее то он не тянет, упирается и не хочет развивать обороты.
Для расчёта мощности ветрогенератора понадобятся точные данные по мощности и оборотам самих винтов, и данные по мощности и оборотам генератора.
И так: чтобы подобрать винт под генератор нужно сначало узнать мощность генератора. Как это сделать? Можно покрутить генератор зажав в токарный станок, подключить аккумулятор с измерительными приборами, и записывать мощность генератора на разных оборотах, а потом по этой мощности и оборотам подбирать винт.
Но вы не учтёте КПД генератора, и если не сделаете большой запас по мощности винта то может так оказаться что винт не сможет нормально тянуть генератор. В итоге вы будете недополучать много энергии, и потом придётся делать новый винт.
Можно конечно сразу ставить винт с большим запасом по мощности, но получится что винт будет недогружен, и генератор он не может крутить быстрее, хотя мощности очень много, но винт не может дать больше оборотов. Из-за этого могут возникнуть проблемы при сильном ветре, недогруженный винт может пойти вразнос, и при запредельных для него оборотах винт может развалится.
Вообще не у каждого есть возможность снять данные по мощности генератора на станке. Но это даже хорошо, ведь рассчитать мощность генератора при работе на аккумулятор совсем не сложно. Для расчёта всего лишь нужно знать какое напряжение выдаёт генератор, и сопротивление одной из фаз генератора.
Напряжение можно даже примерно узнать если покрутить генератор держа в руках секундомер. Тоесть крутить его со скоростью один оборот в секунду, и мерить напряжение мультиметром. В результате получится напряжение генератора при 60 об/м. Ошибка в 1-2 вольта тут не так страшна, просто подбирайте винт с небольшим запасом по мощности на какие то просчёты и неточности измерений.
С напряжением думаю понятно, его достаточно измерить при 60 об/м, или при любых других оборотах. Напряжение имеет линейную зависимость, и его легко узнать при любых оборотах. Например если у вас получилось 10 вольт при 60 об/м, значит при 300 об/м будет 50 вольт, а при 600об/м будет 100 вольт.
И для расчёта мощности генератора нужно знать сопротивление фазы. Его можно измерить мультиметром, но во избежании погрешности измерений, а мультиметры, особенно дешёвые не очень точно измеряют именно Омы, и могут ошибаться на целый Ом, лучше вычислить длину провода в фазе и умножить на сопротивление одного метра этого провода.
Таблицу сопротивлений медного провода можно найти на сайте - Таблица сопротивлений медного провода различных диаметров
К примеру катушки моего аксиального генератора намотаны проводом диаметром 1.05 мм, метр такого провода имеет сопротивлением 0.0224 Ом. В катушках по 75 витков, средняя длина витка в катушке около 14 см, соответственно получается 10.5 метров провода в катушке, и так как у меня в фазе четыре катушки, то в фазе длина провода 42 метра. И умножив 42 метра на 0.0224 Ом я получаю сопротивление фазы 0,95 Ом.
Но при расчёче нужно учитывать полное сопротивление включая провода от ветрогенератора до аккумулятора, и прочие потери. У меня получается с учётом потерь сопротивление фазы около 1.1 Ом.
И так, наконец перехожу к сути расчёта, а суть в том что зная напряжение холостого хода генератора при определённых оборотах можно вычислить ток заряда аккумулятора, и мощность заряда. Для этого от напряжения холостого хода генератора нужно вычесть падение напряжения при работе на АКБ. К примеру если у вас при 200 об/м напряжение холостого хода 21 вольт, то при работе на АКБ 12 вольт напряжение просядет, то есть опустится до напряжения аккумулятора, к примеру до 13 вольт.
Значит 21 вольт минус 13 вольт будет равно 8 вольт. Вот эти 8 вольт нужно поделить на сопротивление генератора. К примеру сопротивление у вашего генератора 3 ома, значит 8 разделить на 3 и получится 2.66 ампер на заряд аккумулятора. А мощность вычисляется путем умножения ампер на вольт, то есть 2.66 ампер умножить на 13 вольт, и получится 34.6 ватта.
Если генератор соеденён звездой то сопротивление нужно брать равным сопротивлению двух фаз. А если соединение треугольником то нужно брать в расчёт сопротивление одной фазы. Также если фазы соединены параллельно.
Чтобы было более наглядно давайте вычислим мощность моего генератора. Я знаю что напряжение моего генератора при 60 об/м 8 вольт, соединение фаз звезда. А сопротивление фазы как я уже говорил выше 1.1 Ом, значит при соединении звездой сопротивление будет 2.2 Ома, тоесть сопротивление удваивается.
При примерно 90-100 об/м начнётся зарядка 12В АКБ, при 100 об/м напряжение будет 13.3 вольта. Так как напряжение растёт линейно то при 180 об/м напряжение будет 24 вольта. Отнимаю падение напряжения на аккумулятор, и получается 24 минус 13 вольт равно 11, разделить на 2.2 Ома равно 5 Ампер. Тоесть ток заряда аккумулятора при 180 об/м будет 5 ампер, а мощность, 5 умножим на 13 равно 65 ватт.
Если вы сейчас не поняли смысл то лучше прочитайте ещё раз с начала так как далее будет ещё сложнее. А смысл в том что ток заряда аккумулятора исчисляется путем деления падения напряжения на сопротивление генератора.
Получилось при 180 об/м 5А тока заряда и мощность 65 ватт, но при подборе винта нужно знать насколько генератор нагрузит сам винт. Ведь генератор имеет свой КПД и отдавая мощность 65 ватт в аккумулятор сам генератор потребляет больше механической мощности.
Чтобы узнать КПД генератора и полную потребляемую им мощность нужно напряжение падения, то есть то напряжение которое просело при работе на АКБ умножить на ток заряда аккумулятора. На моём генераторе напряжение падения составило 11 вольт, значи 11 умножим на 5 ампер и получится 55 ватт. Далее прибавим эти 55 ватт к 65 ватт и получится полная мощность 120 вт. Именно эту мощность должен развивать винт при 180 об/м чтобы потянуть генератор. КПД генератора в данном случае 54%.
Таким образом рассчитывается мощность при других оборотах. Я обычно при расчёте делаю шаг в 60 об/м, то есть вычисляю мощность при 120, 180, 240, 300, и так далее. Ниже я вычислил мощность моего генератора при работе на 12В акб. Получилась вот такая картина
>
Как видно КПД генератора при работе на 12В АКБ очень плохой. Попробуем к нему подобрать винт из ПВХ трубы и посмотрим что получится. В видео я показал как подбираю винт к генератору в эксельке по расчёту трубных лопастей.
Получается что к нему подойдёт винт из ПВХ трубы диаметром 2.6 метра, и по мощности при 11 м/с будет 23А тока заряда и 300 ватт мощности. А при 5 м/с мощность 60 ватт. Если поставить профильный винт то мощность будет выше так как прибавятся обороты. При ветре 13-15 м/с с этого генератора можно получить и 40 ампер тока заряда и мощность до 600 ватт.
Но из-за низкого КПД скорее всего генератор долго не проработает и сгорит статор от перегрева. Вообще сгоревший статор это не редкость так как делают генераторы стремясь получить высокое напряжение, чтобы зарядка началась как можно раньше. Но так получается высокое сопротивление обмоток, и статор перегревается при высоких оборотах из-за низкого КПД.
Но для наглядности я пересчитал мощность генератора при соединении фаз звездой на 24 вольта, и вот что получилось.
>
Как видно КПД стал лучше вдвойне, а это значит что можно ставить винт меньшего диаметра и получать больше мощности с генератора за счёт увеличения оборотов. Давайте снова посмотрим на то какой винт подойдёт генератору, смотрите в видео. В итоге к нему подошол винт виаметром 2.2м.
Но у меня система на 12 вольт, поэтому я соединил фазы параллельно, это тоже самое что и треугольник, но треугольник у меня работает плохо, поэтому фазы выпрямлены через диодные мосты и запараллелил. Я рассчитал мощность и вот что получилось. Напряжение фазы у меня при 60 об/м 4 вольта, точнее 4.2 вольта, но я округлю.
>
Как видно из картинки при параллельном соединении фаз КПД генератора значительно лучше при работе на 12В АКБ, чем при соединении звездой. Можно уменьшать диаметр винта и получать больше мощности что я и сделал. Самый первый винт для этого генератора я делал диаметром 2.6м, но как вы уже поняли из-за низкой мощности ветрогенератора в целом, я уменьшил диаметр винта, и соединил фазы параллельно чтобы не перематывать.
Сейчас у меня на ветрогенераторе стоит профильный деревянный винт, в последних видео на ютуб канале можно увидеть как я делал этот винт и что в итоге получилось по мощности.
e-veterok.ru
Генератор для ветрогенератора данные для изготовления
>
Почему же я округлил сопротивление до 0.5 Ом, ну потому что провод от ветряка до АКБ тоже имеет сопротивление, также и диодный мост. В реальности сопротивление может оказаться гораздо выше, особенно если будет от ветряка идти 20 метров провода сечением 2.5кв.
При 60об/м одна фаза будет давать 3 вольта, данные примерные и этот параметр может быть как немного меньше, так и чуть больше. Это зависит от воздушного зазора между магнитами, их намагниченности и пр. Но эта цифра как правило очень близка к тому что получится в реале. В общем при соединении звездой получится 5 вольт при 60об/м. Ниже приведена таблица мощности и КПД этого генератора при работе на 12-ти вольтовый аккумулятор.| 60 | 5 | - | - |
| 120 | 10 | - | - |
| 180 | 15 | 2А 28вт | 93.3% 30вт |
| 240 | 20 | 12А 168вт | 70% 240вт |
| 300 | 25 | 22А 308вт | 56% 550вт |
| 360 | 30 | 32А 448вт | 46.6% 960вт |
| 420 | 35 | 42А 588вт | 40% 1470вт |
| 480 | 40 | 52А 728вт | 35% 2080вт |
| 540 | 45 | 62А 868вт | 31.1% 2790вт |
| 600 | 50 | 72А 1008вт | 28% 3600вт |
Обратите внимание на последнюю колонку КПД%/ нагрузка на винт Вт. В ней указан КПД генератора, и полная нагрузка с которой генератор нагружает винт на данных оборотах. Именно с учётом этой нагрузки нужно подбирать винт, а не просто по выдаваемой мощности генератора.
Для этого генератора я подобрал винт из ПВХ трубы 315мм, диаметр винта 2.4м трёхлопастной Этот винт наиболее хорошо подойдёт к этому генератору.
Ниже скриншот с данными для изготовления лопастей этого винта. По расчёту и изготовлению винтов из ПВХ труб посмотрите в этом разделе Расчет и изготовление лопастей
>
В данром варианте конечно хотелось бы чтобы начало заряда было с 3м/с, а желательно ещё раньше. Но тут или хорошая мощность при средних ветрах или начало заряда. Можно конечно намотать больше витков в катушки уменьшив сечение провода. К примеру по 50 витков проводом диаметром 1.32мм, начало заряда будет при меньших оборотах. Но тогда придётся ставить более мощный винт диаметром до 2.8м, который будет менее оборотистый, и в итоге при ветре от 8м/с и выше по мощности будет меньше чем в таком варианте с винтом 2.4м.
Лопасти я привёл в пример из ПВХ трубы так как это самый простой и доступный материал подходящий для изготовления лопастей. Вы можете купить готовые профильные стеклопластиковые лопасти, или сделать их самостоятельно. С такими лопастями будет заметно лучше, а диаметр трёхлопастного винта такой же 2.4м.
Мощность генератора и его напряжение могут значительно отличаться от приведённых в таблице. Магниты могут оказаться не N52 ,а меньшей намагниченности, китайцы так часто обманывают. Новый провод тоже может оказаться с высоким сопротивлением так как это не чистая медь а сплав непонятно из чего. Также воздушный зазор между дисков под статор тоже влияет на мощность. Чем ближе магниты между дисков друг к другу тем лучше, но часто кривые диски не дают сделать минимальные зазоры, плюс нужно оставлять зазоры на температурную деформацию. По этому лучше не менее 2мм делать зазоры между статором и магнитами.
В аксиальных генераторах статор это слабое звено, при больших мощностях катушки статора перегреваются так как нет нормального охлаждения. В итоге перегрев и замыкание, а далее сильные вибрации вплоть до разрывания статора и заклинивания вылетевшими с дисков магнитами. В общем лучше не гнаться за большой мощностью и делать защиту от сильного начи начинающую работать от 10м/с. В принципе 500-600вт это вполне достаточно при сильном ветре с такого генератора, не нужно брать больше так как ток и так около 40А будет.
e-veterok.ru
Повышаем КПД генератора
Подавляющее большинство электрических генераторов, используемых как в быту, так и в промышленных целях, работают за счёт энергии двигателя внутреннего сгорания, в качестве топлива в котором используются бензин, дизельное топливо или газ. С момента изобретения двигателя внутреннего сгорания прошло уже полторы сотни лет, но превращение сгорающего топлива в энергию по-прежнему остаётся самым эффективным способом её получения. Но на фоне всех достоинств ДВС выделяется главный его недостаток – низкий КПД и высокие потери энергии.
В среднем при использовании двигателя внутреннего сгорания на выходе можно получить лишь 20% энергии, тогда как её потери, соответственно, составляют до 80%. В эти 80% входят следующие потери:
· Потери топлива. Поршневые двигатели (как бензиновые, так и дизельные) сжигают лишь 75% всего топлива, а оставшиеся 25% в виде паров топлива вместе с продуктами его сгорания выходят через выхлопную трубу. В двухтактных двигателях топливная эффективность ещё ниже.
· Потери тепла. Современные двигатели внутреннего сгорания используют порядка 35-40% вырабатываемого тепла, а остальные 60-65% выбрасываются в окружающую среду через выхлопные газы и систему охлаждения.
· Потери механической мощности. До 10% мощности двигателя уходит на трение движущихся частей и на привод вспомогательных механизмов. Для электрогенераторов этот показатель ещё выше.
Таким образом, КПД самого эффективного двигателя внутреннего сгорания не превышает 30%. Чтобы добиться от дизельного или бензинового двигателя максимальной эффективности, необходимо воздействовать на все три типа потерь. Самостоятельно повысить КПД генератора достаточно сложно, но в руках профессионала ваш двигатель может обрести небывалую эффективность, которая достигается следующими способами:
· Внедрение дожигателя. Этот способ направлен на повышение топливной эффективности. Дожигатель преобразует неиспользованные пары топлива и продукты неполного его сгорания в топливно-воздушную смесь и отправляет её на повторное сгорание. Таким образом, удаётся добиться почти полного сгорания топлива и на 10-15% повысить общий КПД двигателя.
· Возврат части тепловых потерь.
· Использование тепла высокотемпературных продуктов сгорания для обогрева прилегающей территории или нагрева пара в парогазовой электростанции. Это не повышает КПД двигателя напрямую, но позволяет уменьшить расход энергии на работу сопутствующих устройств.
· Введение системы впрыска с регулируемой подачей воды позволяет сократить расход топлива.
· Снизить механические потери двигателя поможет использование менее вязкого смазочного материала.
Комплексное применение способов повышения эффективности двигателя может увеличить его КПД на 30-35%, то есть, в два раза и даже больше.
genmaster.ru
Экспериментальные исследования электро-механических характеристик системы двигатель-генератор с возбуждением от постоянных магнитов
Целью исследований является изучение энергетической эффективности применения современных неодимовых магнитов во вращающихся преобразователях постоянного и переменного тока существующей конструкции для получения свободной энергии. В агрегате, состоящем из двигателя постоянного тока и генератора переменного тока, в качестве приводного двигателя был использован двигатель с ферритовыми постоянными магнитами и внешним охлаждением мощностью 2,5 лс, рассчитанный на напряжение до 130 Вольт, ток до 18,3 Ампер и скорость вращения до 6750 об/мин.
В качестве генератора был использован трехфазный генератор компании TKM Electric Corp. Серии 244-1, модель 5К40028 на 400 Гц, мощность до 5 кВатт при 1714 оборотах в минуту и ток 13,8 Ампер. В роторе генератора были применены неодимовые постоянные магниты. Между двигателем и генератором использовалась клино-ременная механическая передача с передаточным отношением 1/6. Вид испытательного стенда приведен на фото №1.
В качестве измерительных приборов напряжения и тока использовались цифровые мультиметры типа DT9205A. Обороты двигателя измерялись инфракрасным цифровым тахометром типа DT – 2234C. Показания приборов снимались для шести значений оборотов вала генератора — 100, 200, 400, 600, 800 и 1000 об/мин. Все значения оборотов, напряжений и токов заносились в таблицы, по которым затем определялись расчетным путем значения мощностей и коэффициентов КПД и КПЭ. Под КПЭ следует понимать коэффициент преобразования, повышения в генераторе механической энергии, прикладываемой к его валу, в электрическую на его выходе. Сила магнитного поля неодимовых постоянных магнитов способна создавать в генераторе не только дополнительную электрическую энергию и повышать КПД всей системы, но и создавать избыточную энергию, превышающую энергию прикладываемую к валу генератора в несколько раз, что и характеризуется коэффициентом КПЭ. Все измерения проводились на постоянном токе, трехфазное напряжение генератора выпрямлялось и фильтровалось. В качестве нагрузок генератора использовались осветительные лампы накаливания мощностью — 7, 15, 25, 60, 75, 150 и 250 Ватт, а также бытовой масляный обогреватель. В системе двигатель-генератор, на данном испытательном стенде, можно выделить три последовательно соединенные части: элекродвигатель, трансмиссию и сам генератор. Сответственно мы можем говорить о потерях энергии в этих трех частях. Для расчетов и оценке КПЭ такой системы нам необходимо знать электрическую мощность, прикладываемую к валу генератора, эквивалентную механической, и его выходную мощность. Мы не можем пренебрегать потерями энергии во всех частях системы. Что касается КПД всей такой системы, то он будет нас интересовать меньше. Рассматривать КПД такой системы, просто как отношение выходной мощности генератора к входной двигателя, будет некорректно из-за суммирования потерь в этих трех частях и получении избыточной мощности в генераторах на постоянных магнитах, поэтому говорить о таком КПД не стоит. Можно говорить только о КПД каждой из частей или о внутреннем КПД, но это непринципиально в данном исследовании.
Электрическая мощность, прикладываемая к валу генератора в такой системе, может быть рассчитана как разность между мощностью, потребляемой двигателем при нагрузке генератора и мощностью потребляемой двигателем на холостом ходу генератора. Источник питания будет при этом покрывать и собственные потери в двигателе, и механические потери в трансмиссии, и потери в генераторе. Поэтому, если пренебречь не столь значительными неэлектрическими потерями в генераторе на его холостом ходу, и из мощности, потребляемой двигателем под нагрузкой генератора, вычесть мощность холостого хода этого двигателя, то мы и получим электрическую мощность на валу генератора. Все электрические измерения проводились на шести скоростях вала генератора — 100, 200, 400, 600, 800 и 1000 об/мин, и сведены в таблицы 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 приложения. По числовым данным этих замеров были построены графические зависимости напряжения генератора, КПЭ и внутреннего КПД от тока нагрузки генератора, представленные на рисунках №1 и №2. Под внутренним КПД системы будем понимать отношение мощности, потребляемой двигателем на холостом ходу генератора, к мощности, потребляемой им под нагрузкой генератора при данных оборотах. Однако, в таком подходе определения этого КПД возникают тудности. В режиме холостого хода, для точного расчета КПД, нам нужно не учитывать потери энергии до вала двигателя, то есть неэлектрические(механические) потери в генераторе, а в режиме нагрузки надо не учитывать электрические потери в генераторе и трехфазном выпрямителе. Если механические потери в генераторе можно, при данной скорости, считать постоянной величиной, не зависящей от величины нагрузки, то электрические будут уже непостоянны и зависеть от тока нагрузки генератора. До вала генератора, при его загрузке,механические и электрические потери будут складываться и снижать КПД системы больше. Поэтому надо ожидать большого снижения КПД при больших нагрузках. Однако, при очень малых нагрузках генератора, электрическими потерями в нем можно также пренебречь. Поскольку нам не известны ни механические, ни электрические потери в генераторе, то будем пользоваться результатами измерений и расчетов без учета потерь в генераторе вообще. На рисунке № 1 приведены кривые внутреннего КПД системы для 800 и 1000 оборотов в минуту, они близки друг к другу и имеют спадающий характер. По сравнению с внешними характеристиками генератора на том же рисунке они имеют более резкий спадающий характер, что приводит к снижению КПД при максимальных нагрузках до 0,35(35%). Что же касается КПЭ, то он снижается более медленно и практически не зависит от оборотов двигателя. Его кривые идут параллельно кривым внешних характеристик, минимальное значение равно 0,77(77%) при максимальной нагрузке, а по мере её снижения возрастает до 0,96, 0,98(96,98%), приближается к единице, что говорит о поступлении энергии от генератора, доводящем, при совсем малых нагрузках, КПЭ до 0,99(99%). То есть энергия магнитного поля постоянных магнитов подпитывает систему, доводя КПД генератора почти до 100%. Без постоянных магнитов, ни теоретически, ни практически получить такой высокий КПД в генераторах невозможно. Поэтому не следует в таких генераторах путать КПЭ с КПД, внутри обычного генератора энергия только теряется, а при возбуждении от постоянных магнитов она воспроизводится с избытком, покрывает и его внутренние потери, и потери в системе, и может совершать полезную работу в нагрузке. С целью исследования возможности получения значений КПЭ больших единицы были проведены испытания генератора при пагрузках менее 25 Вт и двух значений частоты вращения — 800 и 1000 об/мин. Результаты этих испытаний сведены в таблицу №4, а графики представлены на рисунке №2.
Малые нагрузки сказываются как на внешних характеристиках генератора, так и на его КПД, внешние характеристики становятся более жесткими, и выходное напряжение генератора практически не зависит от тока нагрузки. Как при 800 об/мин, так и при 1000 об/мин, КПД близок к единице, а КПЭ возрастает от единицы, почти до четырех, и такое возрастание более резкое и нелинейное при 800 об/мин. Такое поведение системы можно объяснить различными скоростями изменения мощностей потреблямых двигателем и доходящих до вала генератора, и мощностей отдавемых генератором в процессе изменения его нагрузки. Для этого при 800 оборотах в минуту рассчитывались, во всем диапазоне мощностей нагрузок генератора, приращения мощностей как двигателя, так и генератора, которые сведены в таблицу №5. На основании этих приращений, характеризующих скорости изменения мощностей, были построены графики этих приращений как для двигателя, так и для генератора, представленные на рис.№3. Оказалось, что эти нелинейные кривые пересекают друг друга. При малых нагрузках скорость изменения мощности генератора превышает скорость изменения мощности двигателя. В этих пределах КПЭ больше единицы. При больших нагрузках скорость изменения мощности двигателя превышает скорость изменения мощности генератора, в этих пределах КПЭ меньше единицы. Такая разница в скоростях изменения мощностей видимо объясняется разными зависимостями их мощностей от параметров. Так, мощность на валу двигателя линейно зависит от вращающего момента и частоты вращения, а выходная мощность генератора зависит от квадрата его выходного напряжения, о чем и свидетельствуют нелинейные графики на рис. №3. Квадратурная зависимость приращения мощности генератора придает квадратурный характер и линейному приращению мощности двигателя. Поэтому даже в системе с боьшими внутренними потерями и мягкой внешней характеристикой генератора можно получить высокий КПЭ при малых нагрузках, что свидетельствует о получении значительной электрической энергии из магнитного поля постоянных неодимовых магнитов.
На примере данной системы двигатель-генератор с серийными генератором и двигателем можно расчетным путем оценить энергетическую эффективность влияния вносимых изменений в их электрические и механические параметры, что интересно при создании специальных конструкций таких электрических мащин. Поскольку все три части системы соединены последовательно и по разному влияют на систему в целом, то такую энергетическую оценку следует производить отдельно для каждой части. Причем не только с точки зрения потерь энергии, но с учетом её производства в генераторе. Самые большие потери энергии происходят в трансмиссии при передаче механической энергии от вала двигателя к валу генератора. Эти потери можно просчитать по данным холостого хода системы. В режиме холостого хода генератора при 800 об/мин и соединении валов двигателя и генератора с клиноременной передачей, двигатель потребляет от источника питания мощность в 253,12 Вт, а при снятом ремне этой передачи, когда вращается только один двигатель, он потребляет 62.4 Вт. Без учета сравнительно малых механических потерь в генераторе , потери в клиноременной передаче составляют 190,72 Вт. Оценить влияние потерь в двигателе, которые обусловлены в основном электрическими потерями, в двигателе постоянного тока можно по величине его активного сопротивленя якорной цепи (возбуждение от постоянных магнитов). Данный двигатель имеет активное сопротивление этой цепи, равное 1,8 Ом. С целью выяснения влияния потерь в этой цепи на КПЭ и КПД системы, снизим это сопротивление до 1 Ома. В таблице №6 приведены данные расчетов этих величин при 800 об/мин, как для малых, так и для больших нагрузок генератора. На рис.№4 построены кривые зависимостей КПЭ и КПД для всего диапазона нагрузок. Рассмотрение этих кривых показывает, что существенное повышение КПЭ с 3,92 до 7,23 при сопротивлении в 1 Ом происходит только при самой малой нагрузке в 7 Вт, а при больших нагрузках рост КПЭ незначителен. При нагрузках 25 Вт и более КПЭ лежит ниже единицы и практически не зависит от активного сопротивления якорной цепи двигателя. Следует ожидать существенного влияния на КПЭ и КПД характера нагрузочной характеристики самого генератора, как источника внутренней энергии в системе. Настораживает мягкость внешней характеристики данного генератора, изображенной на рис.№1. При 1000 об/мин и токе 4,25 Ампер напряжение генератора падает с 137 Вольт до 106,8 Вольт, то есть снижается на 30,2 Вольта (Табл №3). И это при номинальном токе генератора в 13,8 Ампера, когда следует ожидать еще больших падений напряжения. Внешняя характеристика генератора оказадась не только мягкой, но и существенно нелинейной, особенно при малых токах нагрузки. Так, при нагрузках менее 25Вт напряжение падает с 112 до 104,7 Вольт со скоростью 14,6 B/А, а при больших нагрузках от 25 до 250Вт напряжение падает с 104,7 до 86,8 Вольт со скоростью 5,42 В/А. Ппри малых токах нагрузки напряжение оказывается значительно выше, возрастает с уменьшением нагрузки, и это, из-за более высокого напряжения, объясняет преобладание электрической мощности генератора над мощностью двигателя (механической на его валу) — Рис.№3, что и выражается в повышениях КПЭ до 3,92. Рассчетно оценим влияние на КПЭ и КПД более жесткой внешней характеристики генератора в данной системе, когда напряжение во всем диапазоне нагрузок не будет так падать, а будет выше на 30 — 33,3 % и, соответственно, будет выше и выходная мощность генератора. Расчеты будем вести для 800 об/мин при постоянстве мощности на валу генератора и во всем диапазоне нагрузок от 7 до 250 Ватт. Результаты этих сравнительных повышений жесткости внешней характеристики генератора приведены в таблице №7, а поведение при этом кривых КПЭ и КПД изображено на рис. №5. Внутренний КПД системы остается близким к единице и мало изменяется, а вот КПЭ во всем диапазоне нагрузок, а не только при малых нагрузках, становится большим единицы, хотя при малых нагрузках по прежнему наблюдается его резкое повышение до 5,23. Таким образом мы можем уже говорить о возможности самовращения генератора электродвигателем, питаемым избыточной энергией генератора. По новым значениям мощности генератора и КПЭ была рассчитана и мощность такого приводного двигателя, приведенная также в таблице №7, и мощность на его валу с учетом его КПД=80%. Полезная мощность в нагрузке генератора, как разность между его выходной электрической мощностью и механической на его валу (эквивалентной электрической на валу приводного двигателя) при этом лежит в пределах 6,21 — 67,93 Ватт. Однако опасно, при самовращении данного генератора, превышать мощность нагрузки в 250 Ватт, когда КПЭ очень близок к единице, что приведет к остановке двигателя. Холостой ход системы менее опасен, поскольку полезная мощность, с уменьшением нагрузки, падает, и наступает баланс этой малой полезной мощности, с мощностью механических потерь в системе. Двигатель не пойдет вразнос, но будет продолжать вращаться, покрывая потери энергии в системе.
Теперь рассмотрим нашу систему в целом, как с точки зрения закона сохранения энергии, так и с точки зрения закона её получения в генераторах на постоянных магнитах. Следует отметить, что закон сохранения энергии говорит только об одном источнике энергии, одном потребителе и потерях энергии между ними, поэтому он применим в нашем случае от источника питания двигателя до вала генератора, и от генератора, как источника питания, до его нагрузки. В этих двух частях системы участвуют две электрические машины — двигатель и генератор, в них обеих имеются потери энергии, и если они одинаковы и составляют около 20% от их мощности, то они одинаково уменьшают как мощность на валу генератора, так и его выходную мощность, и влиять на КПЭ не могут. Но в части нашей системы, до вала генератора, имеется существенный источник потерь, это клино-ременная передача. Потери в ней можно уменьшить или вообще устранить, но в любом случае, поскольку система состоит из последовательно соединенных элементов, эти потери можно без нарушения закона сохранения энергии перемещать внутри всей системы. От источника питания двигателя до нагрузки генератора. Тогда будем считать потери энергии в трансмиссии полезными и приплюсуем их к выходной мощности генератора. Тогда при нагрузке 250Вт выходная мощность генератора увеличится, согласна Табл.№3 при 800об/мин, с 174,82Вт до 365,54Вт, а КПЭ станет равным 1,77, а при нагрузке в 25Вт выходная мощность увеличится с 15,7Вт до 206,42Вт, а КПЭ станет равным 12,5. В системе двигатель — генератор выходная мощность генератора, без режима самовращения, расходуется в первую очередь на покрытие потерь в системе, а затем расходуется полезным образом в нагрузке. В режиме же самовращения часть избыточной выходной мощности генератора поступает на приводной электродвигатель. Полезная мощность в нагрузке уменьшается. Согласно таблице №3, при нагрузке в 250 Вт, необходимая для самовращения мощность на валу генератора равна 206,29 Вт, полезная мощность будет 158,84 Вт. Это очень малая полезная мощность для генератора в 5КВт, но она все же существует, и позволяет говорить о возможности самовращения генератора с одновременным питанием и двигателя и нагрузки. При нагрузке более 250Вт, КПЭ станет равным единице, генератор перестанет выдавать избыточную мощность для самовращения и остановится, однако сможет работать как обычный генератор с обмоткой возбуждения, но с повышенным КПД, при питании двигателя от внешнего источника питания.
Мягкость внешней характеристики генератора, сильная зависимость КПЭ от тока нагрузки, и малая выходная мощность генератора, говорят о низкой эффективности получения электрической энергии, в данном генераторе, из сильного магнитного поля неодимовых магнитов. Классическая конструкция генератора не позволяет получить в нем высокую энергетическую эффективность преобразования механической энергии в электрическую. Для повышения такой эффективности и получения высоких КПЭ при больших нагрузках генератора, следует увеличивать в нем потокосцепление между магнитными полями магнитов и обмоток, снижать в магнитной цепи магнитные сопротивления, а в электрической цепи активные и реактивные сопротивления. Во всей системе преобразования следует уменьшать механические потери как в трансмиссии, так и в электрических машинах, то есть создавать специальные электрические машины.
Игорь Васильевич Сурант
Igor V. Surant
Что только не придумает человечество, для своего удобства, а попросту говоря для лени матушки? Теперь и двери за собой закрывать совсем не обязательно, за Вас это сделают дверные доводчики. Дверные доводчики GEZE с доставкой в любой регион Украины Вы найдете на сайте компании ПластМаркет, именно этим и занимающейся.
zaryad.com
