Для обеспечения электричеством отдельных домов, предприя­тий, больниц и правительственных учреждений могут применяться автономные электрогенераторы небольших и средних размеров. Некоторые электрогенераторы подходят даже для туристов. Для тех, кто живет в удаленных районах, автономный электрогенератор может быть главным, если не единственным источником электри­чества.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

На рисунке 10.6 представлена упрощенная схема типичного ав­тономного электрогенератора. Показанный на диаграмме аппарат вырабатывает обычный для портативных американских генераторов переменный ток напряжением в 117 вольт для небольших бытовых приборов — ламп, радио и т. п. Мощная бытовая техника — элек­трические кухонные плиты или стиральные машины, — которая в США потребляет переменный ток напряжением в 234 вольта, запи­тывается от более мощных генераторов.

Топливный бак

 

Подача

топлива

45%

X н”

Рис. 10.6. Упрощенная схема малого и среднего автономного электрогенератора

Мощность двигателя таких генераторов варьируется от несколь­ких лошадиных сил (сравнимо с электромотором газонокосилки) до нескольких сотен лошадиных сил (сравнимо с двигателями грузови­ков, тракторов и строительной техники). В большинстве небольших генераторов в качестве горючего используется бензин, а в более мощ­ных — дизельное топливо, пропан или метан.

В генераторе переменного тока подсоединенный к валу двигателя внутреннего сгорания соленоид (катушка провода) вращается вну­три пары мощных магнитов. Если к соленоиду подведена нагрузка, между его концевыми зажимами возникает переменный ток, так как провода обмотки постоянно пересекают линии магнитной индукции, генерируемые магнитами, сначала в одну сторону, потом в другую. В других моделях неподвижным остается соленоид, а магниты вра­щаются вокруг него. Сила переменного тока, вырабатываемого гене­ратором, зависит от мощности магнитов, количества витков в обмот­ке соленоида и скорости вращения. Частота тока зависит только от скорости вращения. В США она составляет 3600 оборотов в минуту (3600 об/м), или 60 оборотов в секунду (60 об/с), поэтому выход­ная частота составляет 60 циклов (колебаний) в секунду, или 60 Гц. При работе разных двигателей скорость вращения остается постоян­ной — ее контролируют автоматические регуляторы.

Когда к выходу генератора подключается нагрузка, вращать вал ге­нератора становится механически тяжелее, чем когда он работает вхо­лостую. Чем больше электрическая нагрузка, требуемая от генератора, тем больше должно быть механическое усилие, необходимое для того, чтобы приводить его в движение, что повышает потребление топли­ва. Электрическая энергия, создаваемая генератором, всегда меньше, чем механическая работа, затраченная на ее выработку. В основном энергия теряется на нагрев деталей генератора. КПД (коэффициент полезного действия), т. е. эффективность работы генератора, — это выраженное в процентах отношение выходной электрической мощно­сти генератора к механической мощности привода. Обе эти величины измеряются в одних и тех же единицах (ваттах или киловаттах). Ни один генератор не может иметь 100%-ного КПД, но лучшие модели по­казывают достаточно близкие к этой величине результаты.

Типичный бензиновый генератор производит электрический ток мощностью от 1 до 5 киловатт (кВт). Простейшие модели генераторов могут вызывать сбои в работе чувствительной электроники, но ка­чественно сконструированные модели (даже небольшие бензиновые генераторы) — если их поддерживать в рабочем состоянии — вполне способны бесперебойно обеспечивать электроэнергией компьютеры и другие сложные устройства. Дизельные, пропановые или метано­вые генераторы средней мощности могут вырабатывать несколько десятков киловатт и обеспечивать электричеством целые дома или предприятия. Крупные учреждения обычно используют несколько генераторов. Если их поддерживать в надлежащем состоянии, они способны работать с любым оборудованием, даже с самыми сложны­ми и чувствительными медицинскими приборами.

Автономный аварийный генератор можно использовать только в том случае, когда вся проводка в здании полностью изолирована от всех электроприборов при помощи двухполюсных изолирующих выключателей на два направления, иначе возможно возникновение так называемого обратного тока, опасного для коммунальных ра­ботников и электротехники. В США оснащение помещений двухпо­люсными изолирующими выключателями требуется Государствен­ным электрическим стандартом (правил безопасности при уста­новке и работе с электрооборудованием).

ПРЕИМУЩЕСТВА АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ

• При правильном обслуживании и использовании автономный электрогенератор предотвращает едва ли не все неудобства, связанные с отключением электроснабжения.

• В чрезвычайных обстоятельствах — в госпиталях,'например — резервный автономный электрогенератор может спасти жизнь.

• Должным образом установленный, эксплуатируемый и обслу­живаемый автономный генератор обеспечивает электроэнергию в любой момент, когда она требуется, и настолько долго, на­сколько это необходимо. Обособленные альтернативные источ­ники энергии, такие как фотоэлектрические (солнечные) или ветровые генераторы, на это, как правило, не способны.

• Хорошо сконструированные генераторы, поддерживающиеся в рабочем состоянии, износостойки, надежны и достаточно эф­фективны.

• Автономные генераторы легко адаптируются к разным видам топлива. Так, дизель генераторы, работающие на горючем, про­изводимом из нефти, можно адаптировать под применение био­дизельного топлива. Генераторы, работающие на метане, могут использовать как метан, полученный в результате биологиче­ских процессов, так и более привычный метан, производимый путем переработки природного газа или угля.

НЕДОСТАТКИ АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ

• Выхлоп автономных электрогенераторов содержит такие же вредные выбросы, которые образуются при топке печей и кот­лов или при работе автомобильных двигателей.

• Автономные электрогенераторы могут быть опасными. Необ­ходимо строго соблюдать все инструкции и правила техники безопасности при работе с электричеством.

• Автономный генератор требует постоянного снабжения топли­вом. В случае, если он работает на бензине, дизельном топливе или пропане, необходимо оборудовать соответствующее храни­лище на месте.

• Работающие на метане автономные генераторы без бесперебой­ного обеспечения горючим прекращают функционирование. Обеспечение же может прерываться в результате природных возмущений, например землетрясений. Поставщики газа обыч­но в таких случаях отключают его подачу для предотвращения взрывов, происходящих при прорыве газопровода.

Задача 10.4

Я бы хотел построить энергетически независимое «убежище», скажем, где-то в пустыне Северной Невады. Там зимой холодно, но солнечно, постоянный ветер, который тоже может служить на­дежным источником электроэнергии. Я бы также хотел установить резервный автономный генератор в дополнение к солнечной и ве­тряной независимым системам выработки электроэнергии. Эта идея осуществима?

Решение 10.4

Если у вас в распоряжении есть все эти три источника энергии, вам не придется беспокоиться об отключениях энергоснабжения. Удостоверьтесь, что вам достаточно топлива для автономного генера­тора на случай затяжной облачной и безветренной погоды. Помните, что подобные комплексные системы, обеспечивающие независимость от коммунальных служб, обойдутся вам в кругленькую сумму. То­пливо и обслуживание таких систем повлекут дополнительные рас­ходы. Необходимо также точно определить масштаб каждого элемен­та всей системы для того, чтобы она в любое время могла обеспечить вам требуемое количество электроэнергии. Если разные элементы системы имеют общую проводку, вам понадобится помощь опытного инженера, иначе конфликты между элементами системы (например,

так называемый круговой огонь, или кольцевое искрение, т. е. па­дение напряжения) могут создать проблемы. Такое падение напря­жения, способное повредить как отдельные элементы системы, так и подключенное к ней электрооборудование, возникает, когда волны от двух или более источников переменного тока не синхронизирова­ны друг с другом по фазе (не идут идеальным каскадом).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Отвечая на эти вопросы, вы можете пользоваться текстом книги. Восемь правильных ответов — хороший результат. Ответы помеще­ны в конце книги.

1. Метан можно получить из:

(а) диоксида углерода;

(б) бензина;

(в) угля;

(г) окислов азота.

2. Если скорость вращения вала, соединенного с соленоидом элек­трогенератора, изменится, что из перечисленного ниже прои­зойдет?

(а) изменится частота переменного тока;

(б) снизится сопротивление нагрузки;

(в) уменьшится потребляемая нагрузкой мощность;

(г) все вышеперечисленное.

3. Что из перечисленного ниже является (если является) преиму­ществом «угольного поезда» перед сверхдальними высоковольт­ными линиями передачи при снабжении конечных потребителей электричеством, вырабатываемым на угольных электростан­циях?

(а) «угольные поезда» дешевле в эксплуатации, чем строитель­ство и обслуживание сверхдальних высоковольтных ЛЭП;

(б) «угольные поезда» не создают никаких серьезных проблем, в отличие от ЛЭП, выбрасывающих в атмосферу опасное загряз­нение — окислы серы и азота, а также угарный газ (СО);

(в) «угольные поезда» требуют меньше горючего на километр доставки электроэнергии, чем сверхдальние ЛЭП;

(г) у «угольных поездов» нет никаких преимуществ перед сверх­дальними ЛЭП.

4. Кольцевое искрение и обратный ток между двумя источниками переменного тока можно предотвратить:

(а) подключив проводку к одному полюсу каждого источника тока;

(б) используя трехфазный провод с заземлением для каждого источника тока;

(в) изолировав проводку от каждого источника тока;

(г) не пользуясь двумя источниками тока одновременно.

5. Современные паротурбинные теплоэлектростанции, работающие на угле, можно переоборудовать для использования другого го­рючего. Какого?

(а) метана;

(б) оксида углерода;

(в) окислов азота;

(г) сернистого газа (двуокиси серы).

6. На электростанции смешанного цикла крутящий момент (сила, заставляющая вращаться), приводящий в движение генераторы, подается непосредственно от:

(а) газовых и паровых турбин;

(б) повышающих трансформаторов;

(в) водяных котлов;

(г) горения нефти или метана.

7. Если поднять напряжение в линии электропередачи в 50 раз при сохранении нагрузки и сопротивления, сила тока в линии со­ставит:

(а) ту же величину (не изменится);

(б) возрастет в 50 раз;

(в) уменьшится в 50 раз;

(г) ни одно из перечисленных выше значений.

8. Если поднять напряжение в линии электропередачи в 50 раз при сохранении нагрузки, потери электроснабжения составят:

(а) ту же величину (не изменятся);

(б) возрастут в 50 раз;

(в) уменьшатся в 50 раз;

(г) ни одно из перечисленных выше значений.

9. Угрозу для здоровья, возникающую из-за ЛЭП, можно умень­шить:

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА без тайн

(а) максимизировав частоту переменного тока в линии;

(б) минимизировав силу тока в линии;

(в) максимизировав потребляемую нагрузку;

(г) минимизировав сопротивление нагрузки.

10. Компонентом турбинной теплоэлектростанции, работающей нефти, НЕ является:

(а) трансформатор;

(б) компрессор;

(в) газовая турбина;

(г) пульверизатор.