Основные понятия. 
Электропреобразовательные устройства радиоэлектронных средств

Первичные источники

юбое предприятае связи, любые радиотехнические системы с точки.

/*• зрения обеспечения электрической энергией могут быть представлены в виде рис. 1.1.

Рис. 1.1. Струшура обеспечения электроэнергией.

На этом рисунке обозначено: ПИП — первичный источник питания (преобразует неэлектрические вилы энергии в электрическую); ВИП — вторичный источник питания (преобразует эгскгрическую энергию к вату, удобному для потребителя нагрузки) и собственно нагрузка радиоэлектронная аппаратура (РЭА).

Рассмотрим коротко типы первичных источников. К ним обычно относят:

• 1) химические источники;
• 2) солнечные батареи;
• 3) топливные элементы;
• 4) термогснераторы;
• 5) атомные батареи;
• 6) электрические малины (постоянного и переменного тока).

Химические источники (ХИТ — химические источники тока).

Это сухие гальванические элементы, кислотные и щелочные аккумуляторы. Наибольшее распространение получили кислотные аккумуляторные батареи (АБ) [4]. Типовые зарядно-разрялные характеристики одного кислотного элемента показаны на рис. 1.2.

В процессе разряда напряжение быстро уменьшается до 2 В, а затем медленно спадает до 1,8 В. Разряд ниже 1,8 В па один элемент нежелателен, так как в нем начинаются необратимые процессы. Номинальным считается напряжение U= 2 В.

Рис. 1.2. Зарядно-разрядные характеристики кислотного элемента.

При заряде кислотного аккумулятора его напряжение быстро растет от 2,1 до 2,15 В, а затем медленно — до 2,4 В, т. е. восстановление активной массы аккумулятора закончено и начинается бурное выделение кислорода и водорода, заряд окончен. Для герметичных аккумуляторов это недопустимо, поэтому их помещают в специальный прочный корпус «панцирь», выдерживающий высокое давление, добавляют газопоглотители и строго соблюдают режим заряда. Номинальная емкость аккумулятора количество электричества, которое может отдать аккумулятор при 10-часовом режиме разряда (Сю), неизменных токе и температуре.

Солнечные батареи. Их работа основана на вентильном фотоэффекте в полупроводниках ((|ютоЭДС на />-//-переходе). Под действием света электроны переходят на белее высокий энергетический уровень, поддерживая ток во внешней цепи (рис. 1.3).

Максимальная чувствительность кремниевого (Si) фотоэлемента находится на границе инфракрасного (ИК) излучения (X «0,75 мкм). Селеновые (Se) фотоэлементы лучше согласуются по длине волны с солнечным светом и охватывают видимую часть спектра (0,4 мкм — фиолетовый цвет; 0,55 мкм — зеленый; 0,65 мкм — красный), что нс всегда удобно. Поэтому используют кремний, который значительно шире распространен на Земле. Известно, что энергетическая освещенность Земли в Солнечной системе составляет на экваторе примерно 1 кВт/м². В средних широтах летом — около 300 Вт/м², зимой — примерно 80 Вт/м». Извлечь эту энергию можно при помощи кремниевых фотоэлементов с коэффициентом полезного действия 12… 15% (теоретический КПД ровен 22,5%, у, а рс спид-га л лиевых фотоэлементов теоретический КПД — 33,3%). Дтя получения 5 В, 40 мА требуется около 12−15 фотоэлементов и о больших мощностях для промышленности речи пока не идет. Фотоэлементы используют на космических летательных аппаратах с поверхностью солнечных батарей в сопш квадратных метров, а также дтя зарядки АБ в местах, удаленных от населенных пут остов [6, 17].

Рис. 1.3. Спектральные характеристики.

В настоящее время солнечная энергия является экзотической, и ее практическое использование дело отдалешюго будущего. Стоимость солнечных элементов составляет 2,5…3 догш/Вт, а стоимость электроэнергии 0,25… 0,5 долл/кВт • ч. При использовании солнечных батарей возникает проблема суточного и сезонного накопления энергии, которая решается с помощью АБ.

Топливные элементы (ТЭ). Преобразуют энергию химического топлива в электрическую энергию без реакции горения. Действие этих элементов основано на электрохимическом окислении углеводородного топлива (водород пропан, метан, керосин) в среде окислителя. Другими словами, ТЭ представляют собой «неистощимые батарейки», к которым непрерывно подводятся топливо и окислитель (воздух).

Различают следующие основные Т1шы топливных элементов [34].

• ? Фоа]юрнокислые. Их КПД состааляст около 40%, а при совместном использовашш электричества и попутного тепла — около 80%. Рабочая температура находится в пределах 180…230 °С. Эти ТЭ требуют некоторого времени для выхода на рабочий режим при холодном старте, но отличаются простой конструкцией и высокой стабильностью. На базе этих элементов созданы энергоустановки мощностью согни киловатт.
• ? Твердополимерные. Они отличаются компактностью, высокой надежностью и экологической чистотой. КПД составляет примерно 45%, рабочая температура — около 80 °C. В качестве топлива используется водород с катализаторами из платины и ее сплавов. Поэтому стоимость энергии относительно высокая. Тем не менее их уникальные качества создают хорошую перспективу для широкого применения.
• ? ТЭ на расплавленном карбонате. Этот тип относится к высокотемпературным устройствам. Рабочая температура примерно 600…700 °С. В качестве топлива используется природный газ. КПД достигает 55%. В связи с большим количеством выделяемого тепла успешно применяются для создания стационарных источников электрической и тепловой энергии.
• ? Твердооксидные. Здесь вместо жидкого электролита применяется твердый керамический материал, что позволяет достигать высоких рабочих температур 900… 1000 °C. КПД — около 50%, они могут работать на различных видах углеводородного топлива и используются в промышленных установках большой мощности.

ТЭ имеют разную рабочую температуру и у каждого — своя область применения.

Поскольку напряжение и ток единичного топливного элемента невелики (0,6…0,75 В при плотности тока до 500 мА/см), для получения заданных характеристик топливные элементы соединяют в батареи. Дтя постоянного получения электроэнергии следует в батарею непрерывно подводить окислитель итопливо.

Топливные элементы отличают высокая надежность (нет подвижных частей, как в двигателе внутреннего сгорания) и термостабильность, а удельная энергия вдвое выше, чем у аккумуляторных батарей. По этой причине в современных электромобилях используются именно топливные элементы.

Термогенераторы. Их работа основана на термоэлектрическом эффекте — нагреве контакта двух проводников или полупроводников, что приводит к появлению на их свободных (холодных) концах некоторой ЭДС, называемой тсрмоЭДС. Величина этой термоЭДС е = а (/, -/₂), где (/j -t₂) — разность температур холодного и горячего концов термопары; а — коэффициент тсрмоЭДС, зависящий от материала термопары. Термоэлементы соединяют последовательно в батареи (рис. 1.4).

ю Видно, что величины термоЭДС довольно малы, а создать большую разность температур для металлов проблематично из-за их высокой теплопроводности, поэтому чаще используют полупроводники с ЭДС' около 1 мВ/°С. Современные термогенераторы выпускают на напряжение до 120 В и ток до 500 А при общем КПД 10… 12%.

Рис. /.^/.Термобатарея:

а — общая схема термобатареи: б — величина термоЭДС некоторых термопар:

/ - платина и медь; 2 — платина и железо; 3 — меть и железо Атомные батареи. Пршпцш построения таких батарей известен из курса общем фишки. Одним из электродов является радиоакпшный изотоп, вторым электродом служит металлическая оболочка. Под действием излучения на электродах создастся разность потенциалов в несколько киловольт при токе единицы миллиампер. Срок службы таких элементов — несколько лет. В настоящее время созданы низковольтные атомные батареи, работающие по пршпцшу фотоэлементов, причем их излучение нс превышает уровня общего фона.

Электрические машины. Преобразуют механическую энергию движения (поступательного или вращательного) в электрическую и наоборот. Выпускаются на большой диапазон токов и напряжений. Электрические машины подразделяются на машины постоянного тока и машины переменного тока. При одинаковой мощности машины переменного тока имеют в 1,5… 2 раза лучшие массообъемные показатели, чем машины постоянного тока. Поэтому 98% электроэнергии в мире вырабатывается машинами переменного тока. Их недостатками считается присутствие акустических шумов, а наличие подвижных частей определяет надежность системы электроснабжения. Но инерционность электрических машин делает невозможными кратковременные провазы напряжения сети, что положительно сказывается па качестве электроснабжения.

В зависимости от того, чем вращают генератор переменного тока, различают:

• а) гидрогенераторы (привод от валяной турбины гидроэлектросташцш). Ого тихоходные генераторы большой мощности при скорости вращения до 1500 об/мин;
• б) турбогенераторы (привод от паровой турбины тепловой электростанции). Это скоростные генераторы с числом оборотов в минуту до 3000 и более;
• в) дизель-генераторы (привод от двигателя внутреннего сгорания бензинового или дизельного). Правильнее было бы называть двигатель-генераторная установка (ДГУ), но исторически называют «дизелем». Дизельные двигатели более неприхотливы, надежны и широко используются в резервных источниках электропитания па предприятиях связи, в радиопередающих и телевизионных центрах и для электроснабжения небольших населенных пунктов;
• г) газогенераторы. Эго двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном топливе, которое по сравнению с другими сгорает при малом количестве воздуха без дыма и копоти. Его легко транспортировать па любые расстояния. Природный газ получают на газовых месторождениях, а попутный газ — на нефтепромыслах;
• д) ветрогенераторы. Ветер — неиссякаемый источник энергии. Однако надежность такого электроснабжения зависит от силы ветра, и поэтому оно пригодно нс во всех географических зонах. Ветрогенераторы выпускаются промышленностью мощностью от 200 Вт до 1000 кВт при необходимой скорости ветра от 6 до 14 м/с [21], но они создают акустические шумы, влияние которых на флору и фауну далеко не однозначно. В нашей стране широкого применения пока нс нашли, хотя считаются перспективными;
• е) биогене}хтю1>ы. Генераторы, приводимые в действие мускульной силой человека. На первых полярных станпдях «Северный полюс» зарядка аккумуляторных батарей дтя радиостанции проводилась «велотренажером», нагрузкой которою был автомобильный генератор постоянного тока. Если одна лошадиная сила равна примерно 730 Вт электрической мощности, то тренированный человек может вырабатывать примерно 50 Вт в течение 10… 15 мин (езда в гору на велосипеде!). Затем нужен отдых. Отсюда можно сделать вывод, что производство электрической энергии является далеко не легкой задачей.