Методы преобразования энергии

1.

1
Методы
преобразования
энергии
1

2.

СТРУКТУРА КУРСА
2
Лекции + практические занятия + БАРС
Экзамен по материалам курса.
Лектор Румянцев Михаил Юрьевич
Ассистент Планкин А.П.
Литература
1.
Веников В.А., Путятин Е.В. Введение в специальность. Учебн. Пособие
для ВУЗов. М., Высшая школа, 1978.

3.

ЭНЕРГИЯ и МОЩНОСТЬ
3
Энергия - универсальная мера движения и взаимодействия в
1 Дж = 1Н×м = 1 кг×м2/с2
природе
Е [Дж]
Мощность - характеризует скорость энергетических процессов
Р [Вт]
1 Вт = 1Дж / 1с
Энергию также измеряют: в калориях 1 кал = 4,184 Дж
в Вт×ч
1 Вт×ч = 3600Дж
Мощность часто измеряют в Лошадиных силах
1 л.с. = 746 Вт = 0,746 кВт
- кило 103 к
- мега 106 М
- гига 109 Г
- тера 1012 Т
- пета 1015 П
- экса 1018 Э
- зета 1021 З
- иота 1024 И

4.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ
4
Энергия – способность совершать работу
Способы передачи энергии
Теплота
Работа
Энергия мускулов человека
и прирученных животных
Источник энергии ???

5.

СОЛНЦА, как ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
5
Солнце – основной источник энергии и жизни на Земле.
Мощность Солнца – приблизительно 350…400 ИВт
Радиус Солнца ≈ 630 тысяч км
Площадь поверхности ≈ 5 × 1012 км2
Удельная Мощность Солнца ≈ 70…80 МВт/м2
Ежегодно Солнце излучает ≈ 3,3 ×1027 кВт ×ч
До атмосферы Земли доходит ≈ 1,5 ×1018 кВт ×ч / год
На поверхность Земли попадает ≈ 7,5 ×1017 кВт ×ч / год
или 85,5 ПВт
Радиус Земли ≈ 6,37 тысяч км
Площадь поверхности ≈ 5 × 108 км2
Удельная Мощность инсоляции ≈ 170 МВт/км2

6.

СООТНОШЕНИЕ МОЩНОСТЕЙ в ПРИРОДЕ и ТЕХНИКЕ
6
Вращение Земли вокруг оси 30 ИВт
85,6 ПВт
≈ 170 МВт/км2
Взрыв бомбы: атомной
ПВт
водородной ЭВт
Приливы-отливы (2…5)Т Вт
Вся энергетика мира 30 ТВт
Самолёты (150…200) ГВт
Ураганы (30…40) ТВт
Удельная мощность
≈ 60 кВт/км2
Ветры (25…35) ТВт
Автомобили (150…200)ТВт

7.

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ в ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ
Сжигание
Год
угля
Сжигание
природного
газа
ГЭС
АЭС
7
Сжигание
Всего в
Прочие
нефти
год
1973
38,3 %
12,1 %
20,9 % 3,3 %
24,8 %
0,6 %
2019
36,7 %
23,5 %
16,0 % 10,3 %
2,8 %
10,7 %
6 131
ТВт×ч
27 044
ТВт×ч

8.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ для ПОЛУЧЕНИЯ РАБОТЫ
Энергия ветра
8
Жернова. Энергоресурс –
мускульная сила животного
Жернова с ручным приводом

9.

ПЕРВЫЕ ПРИВОДЫ
Древняя
водоподъемная машина
Архимедов винт с ветряным
двигателем
9

10.

ВОДЯНЫЕ МЕЛЬНИЦЫ
10
Мельница с водяным
колесом
Колесо "Леди Изабелла" в деревне Лекси (остров Мэн,
Великобритания).
Водяное колесо разработано Робертом Кейсментом.
Диаметр больше 22 м, ширина 1,83 м.
Частота вращения 3 об/мин.
Построено в 1854 г. для откачки воды из свинцовых шахт.

11.

ВЕТРЯНЫЕ МЕЛЬНИЦЫ
11
Мельницы - основа производства на протяжении 1500 лет (с IV по XVIII в)

12.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ПАРА
12
«Шар Герона», Александрия, I в. н.э.
Паровая машина Ньюкомена ,
Англия, XVIII в.

13.

ПЕРВЫЕ ПАРОВЫЕ КОТЛЫ и МАШИНЫ
Машина Т. Ньюкомена , 1705 - 1763)
машина Томаса Сейвери, 1698 - 1702
13

14.

ПАРОВЫЕ КОТЛЫ ВЧЕРА и СЕГОДНЯ
Котёл П-67 800 МВт
14

15.

ПЕРВЫЕ УНИВЕРСАЛЬНЫЕ МАШИНЫ
15
Иван Иванович Ползунов
1763 г. , Россия

16.

ПАРОВАЯ МАШИНА и ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ
Джеймс Ватт
(1736-1819)
1782 г.
Англия, 1769 г.
16

17.

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. ИДЕАЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КАРНО
17
p
V
Нагреватель
Р
Холодильник
Николя Леонард
Сади Карно
(1796-1832)
p
Изотерма
A
B
Адиабата
V
V1
V2
V

18.

ЦИКЛ КАРНО
2
3
А
D
B
B
C
C
4
А
Холодильник
Нагреватель
1
18
D
p
p
А
А
1
B
4
2
C
D
3
C
V
V

19.

ТЕРМОДИНАМИКА
19
E = mc2
Антуан Лоран
Лавуазье
(1743-1794)
Михаил Васильевич
Ломоносов
(1711-1765)
Джеймс Джоуль
(1818-1889)
Альберт Эйнштейн
(1879-1955)
Уильям Томпсон (Кельвин)
(1824-1907)
Рудольф Клаузиус
(1822-1888)

20.

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
20

21.

ЭНТРОПИЯ
1
21
2
E1 = E2
S1 ˂ S2

22.

КАЧЕСТВО ЭНЕРГИИ
Нагреватель
Энтропия убывает
Теплота Q
Холодильник
Энтропия возрастает
22

23.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ
Нагреватель
Энтропия убывает
Теплота отбирается QН
Работа
Машина
Окружающая
среда
Теплота подводится QХ
Холодильник
Энтропия возрастает
23

24.

АТОМАРНОЕ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА
Демокрит
(≈ 460-370 до н.э.)
Атом
Неделимая частица
Кельвин
(1824-1907)
1904
«Пудинг с изюмом»
Эрнест Резерфорд
(1871-1937)
24
Нильс Бор
(1885-1962)
1911…………....1913
Планетарная модель

25.

ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
25
ΔU = Q - A

26.

ПРИМЕР ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИЯ
26
Масса m = 1 кг
Теплоёмкость С = 450 ДжК/кг
Энергия W = 10 Дж
1м
4,5 м/c
WК = mv2/2 → v ≈ 4,5м/c
WП = mgh → h ≈ 1м
Q = CΔT → ΔT ≈ 0,02 oC

27.

СТАЦИОНАРНОЕ СОСТОЯНИЕ и ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ
РАВНОВЕСИЕ
1
2
27

28.

ТЕМПЕРАТУРА
1
28
2

29.

НАПРАВЛЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
1
Людвиг Больцман
(1844-1906)
2
29

30.

ДЕМОН БОЛЬЦМАНА
W1 = 1
S1 = 0
30
?
W2 = 1
S2 = 0
W1 = 80
S1 = 4,34
W2 = 520
S2 = 6,26
N1 = 10 или 11
W1 = 3160
S1 = 8,06
W2 = 134940
S2 = 11,81
N2 = 69 или 70
?

31.

ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
31
Горячее тело
p
Теплота сбрасывается QС
А
B
Работа
Машина
D
C
Теплота отбирается QО
V
Холодное тело

32.

ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Горячее тело
Энтропия возрастает
Теплота сбрасывается QС
Работа
Машина
Теплота отбирается QО
Холодное тело
Энтропия убывает
32

33.

ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Горячее тело
33
Энтропия возрастает
Теплота сбрасывается QС
Работа
Машина
Теплота отбирается QО
Холодное тело
Энтропия убывает
ТХ = 0 оС = 273 К
ТГ = 20 оС = 293 К
QO = 1000 Дж
Аmin = 73 Дж

34.

ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ
220В,
50 Гц
34
ТХ = 0 оС = 273 К
ТГ = 20 оС = 293 К
А
QO = 1000 Дж
QC
Аmin = 73 Дж
QО

35.

ОБРАТИМОСТЬ ТЕПЛОВОГО НАСОСА
Кондиционер
Обогреватель
35

36.

ЦИКЛ СТИРЛИНГА
36
p
А
Роберт Стирлинг
(1790-1878)
B
D
Патент 1816 г.
C
V

37.

ЦИКЛ ОТТО
37
Николаус Отто
(1832-1891)
T
Tmax
p
D
Подвод
теплоты
Подвод
теплоты
q1
E
q1
D
C
Е
C
Tmin
AB F
q2
Отвод
теплоты
ΔS
А
q2
B
F
Отвод
теплоты
S
V

38.

ЦИКЛ ДИЗЕЛЯ
38
Рудольф Дизель
(1858-1913)
T
D
Tmax
q1
q1
p
C
E
C
Tmin
AB F
D
Е
q2
А
S
ΔS
q2
B F
V

39.

СПОСОБЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
В МЕХАНИЧЕСКУЮ
Тепловые двигатели
По способу преобразования
тепловой энергии в механическую
По виду рабочего тела
Пар
Газ
Смесь газов
Поршневые
Роторные
Движитель
Топливо
Тепло
Механическая
энергия
Генератор
Привод
машин и
агрегатов
39

40.

ТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. ЦИКЛ БРАЙТОНА
Нагреватель
40
С
Турбина
В
Компрессор
~
D Работа
А
Охладитель
T
p
С
Tmax
q1
q1
B
С
D
В
Tmin
A
q2
D
S
ΔS
А
q2
V

41.

ТУРБИНЫ
41
Густав де Лаваль
(1845-1913)
p1
c1
v
v
c0
p2
Активная турбина
c2
p2
Реактивная турбина

42.

РЕАКТИВНАЯ СИЛА
P
42
P
Fр

43.

ГАЗОТУРБИННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. ОТКРЫТЫЙ ЦИКЛ БРАЙТОНА
Камера сгорания
Топливо
С
Турбина
В
Компрессор
А
Воздух
Работа
D
Тяга
Вал отбора мощности
Коробка
приводов
Генератор
43

44.

СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ТС ДИЗЕЛЬ ИЛИ ГТД ?
Преимущества ГТД
Малые габарит и масса двигателя.
Легкость пуска в широком диапазоне температур.
Малая трудоемкость текущего обслуживания.
«Всеядность двигателя» (возможность работать на различных
жидких и газообразных топливах, включая водород).
Низкий уровень вибраций и шума*.
Низкие выбросы вредных веществ.
Больший ресурс работы.
Недостатки ГТД
Невозможность работы двигателя без
нагрузки (разнос тяговой турбины).
Повышенный износ тормозных механизмов
(невозможность осуществлять торможение
двигателем).
Меньший, чем у дизеля, КПД.
44

45.

ПРОЕКТЫ АВТОМОБИЛЕЙ С ГТД
1950 г. Проект компаний Boeing и Kenworth. Тягач с ГТД 175 л.с. Вес 91 кг
1959 г. автобус ЗИЛ-127 с ГТД
ТурбоНАМИ-53
1974 г. грузовик КрАЗ-2Э260Е
(ГТД 360 л.с.)
45

46.

ГТД на ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ
1959 г. Г1-01
ГТД 3500 л.с. (с электрической передачей).
ГТ1h 2007 г. - №1, 2013 г. - №2
ГТД 11284 л.с.
Низкий КПД (по сравнению с тепловозами),
особенно при малой нагрузке.
46

47.

ГАЗОТУРБИННЫЕ УСТАНОВКИ для ТАНКОВ
47
Параметры
Марка
танка/силовая
установка
Объем Мощность
МТО, двигателя,
м3
л.с.
Габаритная
мощность
МТО,
л.с./куб.м
Т-80У
ГТД
2,8
1250
446
М1А2 «Аbrams»
ГТД
6,8
1500
220
«Leopard-2»
Дизель
7,3
1500
205
ВСУ 17 кВт для танка M1A1 Abrams
(AlliedSignal Aerospace)

48.

РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ЦИКЛ БРАЙТОНА
48
Камера сгорания
Топливо
С
Турбина
В
~
Компрессор
А
Воздух
Работа
D

49.

Окружающая
среда
РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ЦИКЛ БРАЙТОНА
Отработанные
газы
РКТ
КС
Воздух
~
К
Работа
Т
Топливо
49

50.

ЗГТЭУ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
B
A
D
50
С
q1
p
С
B
С
С’
A’
А
А
D
q2
А’
V
С’

51.

УСТРОЙСТВО ГАЗОВЫХ ТУРБИН
Выходное устройство (сопло)
Входное
устройство
(воздухозаборник)
Вал
Компрессор
Входное
устройство
(воздухозаборник)
Турбина
Камера сгорания
Выходное устройство
(сопло)
Турбина
Холодная секция
Горячая секция
51

52.

ГЕНЕРАТОРЫ для ТУРБОАГРЕГАТОВ
52

53.

ПАРОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТУРБИНЫ
Турбина Джованни Бранка 1629 г.
53

54.

ТЕПЛОВАЯ КОНДЕНСАТОРНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ.
ЦИКЛ РЕНКИНА
54
B
Г
ПГ
Т
A
p
q1
А
B
~
С
К
ПН
С
D
q2
V
D

55.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ТЭС
55

56.

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ТЭС
56
Qэл
25%
55%
Q1
100%
2%
6%
12%
ΔQпг
ΔQтр
ΔQтг
ΔQк

57.

КОНСТРУКЦИЯ ТЭС
57

58.

СХЕМА АЭС с ДВУХКОНТУРНЫМ ВОДЯНЫМ РЕАКТОРОМ
58

59.

МИКРОТУРБИННЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ В МИРЕ
Honeywell, Capstone, Elliott/Calnetix, Ingersol Rand, Bowmen (все США),
Rolls Royse (Великобритания), Toyota, Honda (Япония)…
59

60.

МИКРОТУРБИННЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
60
Микротурбина HONDA
Энергетический цикл микротурбин Capstone (предоставлено «БПЦ Энергетические Системы»)

61.

МИКРОТУРБИННЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
Capstone
61

62.

ТГА
62

63.

63
МИКРОТУРБИНЫ в МЭИ
НИУ «МЭИ» - крупнейший в РФ
разработчик и изготовитель ЛГП
Стендовые испытания МКТЭУ
-
ТГА
повышенной эффективности
14 типоразмеров радиальных ЛГП
диаметр цапф ротора от 10 до 126 мм
масса ротора до 75 кг
9 типоразмеров осевых ЛГП
диаметр пяты до 225 мм
осевая сила до 3300 Н
частота вращения от 24 до 360 тыс. об/мин
Химическая лаборатория по
разработке покрытий для ЛГП:
•Антифрикционные
•Антипригарные
•Износостойкие
•Антикоррозионные

64.

НАЗЕМНЫЙ ТРАНСПОРТ
С ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ
НЭ
Топливо
ЭМ
ДВС
Топливо
НЭ
ДВС
ТГ
ТМ
ТД
Параллельный гибрид
ТМ
Последовательный гибрид
64

65.

ЛА С ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ
65
Параллельный гибрид
Последовательный гибрид
65

66.

ГИБРИДНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
Накопитель
электроэнергии
Топливо
ДВС
Генератор
Силовая
электроника
Тяговый эл.
двигатель
Редуктор
Дизель или ГТД ?
Микротурбина «Wrightspeed»,
184 кВт, масса 41 кг с генератором
Jaguar Land Rover
Концепт (2 МТГ Bladon
Jets – SR Drives по 70 кВт)
66

67.

МИКРОТУРБИНЫ СAPSTONE ДЛЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА
67
DesignLine
Серийное производство
(Capstone C65)
Kenworth
Грузовой автомобиль
8-15 т (Capstone C65)
Грузовой автомобиль Greenkraf
4-8 т (Capstone C30)
ЭКОбус
Опытная эксплуатация
г. Краснодар (C65)

68.

68
УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОТЫ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ
Дизель
ЭТГ
Выхлоп в атмосферу
tвыхл ≈ 120 оС
Топливо
ДВС
ηд = 0,42
Полезная
мощность
Высокоскоростной
турбогенератор
Теплообменник
на выхлопной
трубе
Горячие
выхлопные газы
tвыхл ≥ 400 оС
Низкокипящее
рабочее тело
Дополнительная
электрическая
мощность
Nдоп 5…10 кВт
ηэл = 0,12…0,2

69.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
69

70.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ. НЕМНОГО ИСТОРИИ. ОПЫТ ЭРСТЕДА
1820 г.
Ханс Кристиан Эрстед
70

71.

ОПЫТ АМПЕРА. ИНДУКЦИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
71
1820 г.
Андре Мари Ампер
I
+
+
+
FA
СИ
[B] = [Тл] = [Н/(А×м)]
СГС
[B] = [Гаусс]
1Гс= 10-4 Тл

72.

МАГНИТНЫЙ ПОТОК. ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЕ
B
N
СИ
[Вб] = [Тл×м2]
СГС
[Максвелл] 1Мкс=10-8 Вб
72

73.

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ. ПРАВИЛО ЛЕНЦА
Майкл Фарадей
1831 г.
ФВ
ФИ
I
73

74.

ЭДС ПРОВОДНИКА, ДВИЖУЩЕГОСЯ в МАГНИТНОМ ПОЛЕ
-
+
α
74

75.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
I
+
Е
RН
B
B
FЭМ
FМЕХ
_
75

76.

КПД ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА
0 < U*< 1
76

77.

РЕЖИМ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ЭМП
U = 0,5E
RН = RВН
U P
P(I)
P(I)
I = 0,5 IКЗ = 0,5 E/RВН
U(I)
E
U = E - I×RВН
0,5E
I
0
0,5IКЗ
IКЗ
77

78.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ
I
+
Е
U
B
B
FМЕХ
FЭМ
_
78

79.

КПД ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ
79

80.

РЕЖИМ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ЭД
E = 0,5U
v = 0,5vmax
I = 0,5 IКЗ = 0,5 U/RВН
80

81.

ОБРАТИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
I
I
+
+
UН
-
Е
RН
B
FЭМ
Е
U
+
81
FМЕХ
_
FМЕХ
FЭМ
_
B

82.

82
РАМКА С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
I
S
●
I
I
N
Для отрезков обмотки ad и bc угол α =0, поэтому
Для отрезков обмотки ab и cd угол α = 90o, поэтому

83.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ РАМКИ С ТОКОМ
+
+ ●
+
●
+
83

84.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ ЭМ
84

85.

КОНСТРУКЦИИ ДПТ
85

86.

ЭДС ОБМОТКИ ЯКОРЯ
86

87.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДПТ
ω
ωхх
0
M
MКЗ
87

88.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДПТ
ω
- MКЗ1
ωхх1
M
MКЗ1
- ωхх1
88

89.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
IЯ
U
RЯ
89

90.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
ДВИГАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ
ω
IЯ
U
90
RЯ
Мех.
0
M
MКЗ
Источник
электрической
энергии
Механика
Потери
в якоре

91.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ.
РЕКУПЕРАЦИЯ
ω
IЯ
U
91
RЯ
Мех.
0
M
MКЗ
Источник
электрической
энергии
Механика
Потери
в якоре

92.

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ.
ТОРМОЖЕНИЕ
ω
IЯ
U
92
RЯ
Мех.
0
M
MКЗ
Источник
электрической
энергии
Механика
Потери
в якоре

93.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЮСНОЙ ДУГИ
93
S
bп
τ
N
Bδ
bр
δ
N

94.

ОСНОВНОЕ РАСЧЁТНОЕ УРАВНЕНИЕ ЭМ
94

95.

МАШИННАЯ ПОСТОЯННАЯ
95

96.

КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭМ
96

97.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ и МАГНИТНЫЕ НАГРУЗКИ ЭМ
η
1,0
A – велико
Bδ - мало
0,8
A – мало
Bδ - велико
0,6
0,4
0,2
0
0
0,2 0,4 0,6
0,8 1,0 1,2
1,4 P/PН
97

98.

l = 60
D = 20
D = 40
ДИАМЕТР и ДЛИНА МАШИНЫ
l = 15
98

99.

ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ ЭМ
99

100.

МАШИНЫ
Машина (от латинского machina) - устройство,
осуществляющее движение с целью преобразования
энергии, материи или информации.
100

101.

АГРЕГАТЫ
Агрегат (от латинского aggrego - присоединяю) укрупненный унифицированный элемент машины,
обладающий функциональной законченностью.
101

102.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
102
Передачей называется устройство, предназначенное для
передачи в пространстве .
Механической передачей называют устройство (механизм, агрегат),
предназначенное для передачи энергии механического движения,
как правило, с преобразованием его кинематических и силовых
параметров, а иногда и самого вида движения.

103.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ
i
[P] = Вт
[M] = Н×м
[ω] = рад/с = 1/с
[ f ] = Гц
[n] = об/мин
103

104.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
104
Во сколько раз достигается выигрыш в силе, во столько
же раз будет проигрыш в расстоянии

105.

ФРИКЦИОННЫЕ ПЕРЕДАЧИ
f = 0,05...0,3
105

106.

МАТЕРИАЛЫ КАТКОВ ФРИКЦИОННЫХ ПЕРЕДАЧ
Материал катков
Сталь по стали (в масле)
Сталь по стали (всухую)
Фрикционная пластмасса по стали
Текстолит, ретинакс по стали (всухую)
Металлокерамика по стали (всухую)
Сталь по бронзе (периодическое смазывание)
106
Коэффициент
трения
0,04...0,05
0,13...0,18
0,35...0,45
0,30...0,35
0,30...0,35
0,08...0,10

107.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФРИКЦИОННЫХ ПЕРЕДАЧ
i = ω1 /ω2 = n1 /n2 = D2 /D1
107

108.

ВАРИАТОРЫ
108

109.

ЛОБОВЫЕ ВАРИАТОРЫ
109

110.

ВАРИАТОРЫ С РАЗДВИЖНЫМИ КОНУСАМИ
Д≤8
110
P до 50 кВт

111.

ТОРОВЫЕ ВАРИАТОРЫ
111

112.

РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ. КЛАССИФИКАЦИЯ (ПРОДОЛЖЕНИЕ)
112

113.

РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ. НАТЯЖЕНИЕ РЕМНЯ
113
с качающейся
плитой
с натяжным
роликом
F0
F0
с салазками

114.

РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ. НАГРУЗКА НА ПОДШИПНИКИ
F0
F0
F0
FП
F0
Fn = 2F0 sin (α/2)
Fn = (2…3) FМ
114

115.

РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ. НАТЯЖЕНИЕ РЕМНЯ ПРИ РАБОТЕ
F2
M1
FТ
n1
F1
115

116.

РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ. УПРУГОЕ СКОЛЬЖЕНИЕ
F2
α
V2
n1
F1
V1
αn1
и
αс1
116

117.

117
α
РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ СООТНОШЕНИЯ
a
α1 ≥ 150°
α1 ≥ 110°
a ≥ 1,5(d1 + d2 )
a ≥ 0,55(d1 + d2 ) + h
Lр = 2а + 0,5π(d2 + d1 ) + 0,25(d2 - d1 ) 2 /a

118.

РЕМЕННЫЕ ПЕРЕДАЧИ. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
v = 5…50 м/сек
Р до 50 кВт
η = 0,92…0,97
118

119.

ЦЕПНЫЕ ПЕРЕДАЧИ
v = 5…15 м/сек
119
Р до 120 кВт

120.

120
ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ
V до 300 м/сек
Р от долей Вт до десятков МВт
1
2
6
3
7
4
8
5
9
10

121.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ. КЛАССИФИКАЦИЯ
121

122.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ. ПРОФИЛЬ ЗУБЬЕВ
ЭВОЛЬВЕНТНОЕ ЗАЦЕПЛЕНИЕ
122

123.

ГЕОМЕТРИЯ ЗУБЦОВ. МОДУЛЬ ПЕРЕДАЧИ
123
πd = pz
m = p/π
d = mz
1,0; 1,25; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0;
4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0

124.

ЗУБЧАТЫЕ ПЕРЕДАЧИ. ПРОФИЛЬ ЗУБЬЕВ
ЗАЦЕПЛЕНИЕ НОВИКОВА
124

125.

ПЛАНЕТАРНЫЕ ПЕРЕДАЧИ
η = 0,96…0,98
i = 3…12
125

126.

МНОГОРЯДНЫЕ ПЛАНЕТАРНЫЕ ПЕРЕДАЧИ
126
η = η1×η2 = 0,92…0,96
i = i1 × i2

127.

ПЛАНЕТАРНЫЕ ПЕРЕДАЧИ в ТРАНСМИССИЯХ
127
Трансмиссия автомобиля
МАЗ-7310
ЭЛЕКТРОПРИВОД ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ
«LUCID AIR»
Мощность 670 л.с. (493 кВт) колёсный
момент 6 кНм, масса 74 кг (7 кВт/кг)

128.

ПЛАНЕТАРНЫЙ РЕДУКТОР С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ
ОПОРНОЕ ЗВЕНО — КОРОННАЯ ШЕСТЕРНЯ
128

129.

ПЛАНЕТАРНЫЙ РЕДУКТОР С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ
ОПОРНОЕ ЗВЕНО — СОЛНЕЧНАЯ ШЕСТЕРНЯ
129

130.

ПЛАНЕТАРНЫЙ РЕДУКТОР С ОДНОЙ СТЕПЕНЬЮ СВОБОДЫ
ОПОРНОЕ ЗВЕНО — ВОДИЛО
130

131.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ПЕРЕДАЧА
131

132.

ВОЛНОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ. КОНСТРУКЦИЯ
1.
2.
3.
1. Жесткое колесо
2. Гибкое колесo
3. Генератор волн
Z2 > Z1
132

133.

ВОЛНОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ. ПРИНЦИП РАБОТЫ
Z2 - Z1 = NВ = 2
133

134.

ВОЛНОВЫЕ ПЕРЕДАЧИ. ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
1
2
3
nг
i = 20…320
η = 0,96…0,98
134

135.

ЦИКЛОИДНЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
i = 3…120
η = 0,94…0,95
135

136.

ЧЕРВЯЧНЫЕ ПЕРЕДАЧИ
i = 5…100
η = 0,55…0,8
136

137.

ЧЕРВЯЧНАЯ ПЕРЕДАЧА с ГЛОБОИДНЫМ ЧЕРВЯКОМ
i = 5…100
η = 0,75…0,9
137

138.

КОНИЧЕСКИЕ ПЕРЕДАЧИ
138
Ортогональные
конические передачи
прямые зубья
спиралевидные зубья
Гипоидная передача
Не ортогональная передача

139.

ПЕРЕДАЧА «ВИНТ – ГАЙКА». ШВП
η = 0,65…0,7
V до 110 м/мин
F до 1250 кН
η = 0,90…0,95
139

140.

РЕЕЧНАЯ ПЕРЕДАЧА
140

141.

КОМБИНИРОВАННЫЕ ПЕРЕДАЧИ
141

142.

МОТОР-РЕДУКТОРЫ и ЭЛЕКТРОМЕХАНИЗМЫ
Электрические цилиндры для ЛА
142
Мотор-редуктор МРИ-35
для привода полуосей БТР
в НИР «Крымск»

143.

ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА
143
Традиционная
энергетика
73,8%
ВИЭ
26,2%
Гидро
15,2%
5,5% ВЭС
3,0% СФЭС
2,2% БИОЭ
0,4% Другие
виды ВИЭ

144.

ВЭС В МИРЕ
144

145.

УСТАНОВЛЕННЫЕ МОЩНОСТИ ВЭС в 2019 г. В ВЕДУЩИХ
СТРАНАХ МИРА
145

146.

ИСТОРИЯ
146

147.

КЛАССИФИКАЦИЯ ВЭУ ПО МОЩНОСТИ
147
1. ВЭУ малой мощности – до 50-100кВт.
1.1. ВЭУ сверхмалой мощности – до 200 Вт.
2. ВЭУ средней мощности – от (50-100) кВт до 700-800 кВт.
3. ВЭУ большой мощности – от 800 кВт до нескольких МВт.
Haliade-X 12 (GE, США)
Nу = 14 МВт, Ø 220 м

148.

ВЭУ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ
На 1.01.2020 суммарная мощность ВЭС -651,4 ГВт,
из них оффшорные -29,2 ГВт
это примерно 4,5%
148

149.

ДАННЫЕ ПО НЕКОТОРЫМ КРУПНЫМ ОФФШОРНЫМ ВЭС
149

150.

ДАННЫЕ ПО НЕКОТОРЫМ КРУПНЫМ БЕРЕГОВЫМ ВЭУ
150

151.

МАЛЫЕ ВЭС
2019 г. - 1114 МВт
- около 0,2 % от мощности всех ВЭС
- около 10 % новых ВЭС
151

152.

СОСТАВЛЯЮЩИЕ СТОИМОСТИ ВЭУ
152

153.

СИЛА ВЕТРА и ЕЁ ВЛИЯНИЕ НА ВЭУ
153

154.

ТИПОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЭУ 1,5 МВт
154

155.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЭУ
155

156.

ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВЭУ
156

157.

СРЕДНЯЯ СТОИМОСТЬ ВЭУ
157

158.

СРЕДНЕГОДОВЫЕ СКОРОСТИ ВЕТРОВ В РФ
158

159.

ВЛИЯНИЕ ПЛОТНОСТИ ВОЗДУХА НА МОЩНОСТНУЮ
ХАРАКТЕРИСТИКУ ВЭУ
159

160.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ФОРМИРОВАНИЕ ВЕТРА
Влияние лесистой местности на формирование
воздушного потока при переходе от гладкой
поверхности к шероховатой
160
Схематическое преобразование
ветрового потока над прямоугольным
препятствием на плоской местности

161.

ВЛИЯНИЕ ПРЕПЯТСТВИЙ НА ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК
161

162.

ЭФФЕКТ ЗАТЕНЕНИЯ ВЭУ В СОСТАВЕ ВЭС
162

163.

РАСЧЁТ СКОРОСТИ ВЕТРА НА ВЫСОТЕ ПО МЕТОДИКЕ
КАФЕДРЫ ГВИЭ
163

164.

ИЗМЕНЕНИЕ СКОРОСТИ ВЕТРА ЗА КОРОТКИЕ ПРОМЕЖУТКИ
164
ВРЕМЕНИ
V, м/с
t, сек

165.

СПОСОБЫ ОГРАНИЧЕНИЯ МОМЕНТА
165

166.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОВОРОТОМ ЛОПАСТИ
166

167.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ПОВОРОТОМ ЧАСТИ ЛОПАСТИ
167

168.

МОЩНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЭУ С РАЗЛИЧНЫМ ТИПОМ
168
РЕГУЛИРОВАНИЯ ВК

169.

РЕГУЛИРОВАНИЕ ВЫВОДОМ КОЛЕСА ИЗ-ПОД ВЕТРА
169

170.

СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Мощность Солнца (350…400) 1024 Вт
Солнечная постоянная e0 ≈ 1367 Вт/м2
Многолетние циклы солнечной активности
170

171.

ИЗМЕНЧИВОСТЬ ВЕЛИЧИНЫ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Вращение Земли вокруг Солнца
и смена времён года
171
Смена времени суток

172.

ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ на СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
172
Солнечное излучение
Солнечная постоянная 1367 Вт/м2
Атмосфера
Отражение облаками
Рассеивание
атмосферой
Поглощение
атмосферой
Отражение
от поверхности
Земли
Рассеянное
излучение
Прямое излучение
Земная поверхность

173.

ИЗМЕНЕНИЕ ПРЯМОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СИ
В ТЕЧЕНИЕ СУТОК
Вертикаль
ΘZ
Θel = 90о - ΘZ
ΘEl
Север
ΘА
173

174.

ПРЯМАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА
ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ЯСНЫЙ ДЕНЬ
174
Модель Meinel (1976)
https://www.pveducation.org/pvcdrom/properties-of-sunlight/calculation-of-solar-insolation

175.

УЧЕТ ДИФФУЗНОЙ И ОТРАЖЁННОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ
СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
175
Сеть актинометрических станций России
Пиргелиометр
Пиранометр

176.

СПРАВОЧНИКИ и БАЗЫ ДАННЫХ ПО КЛИМАТУ
NASA SSE
176

177.

ПРОЕКТНЫЕ ОЦЕНКИ ДОСТУПНЫХ РЕСУРСОВ СОЛНЕЧНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
РАСЧЁТ СРЕДНЕМЕСЯЧНЫХ и СРЕДНЕСУТОЧНЫХ СУММ
СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
177

178.

ИЗЛУЧЕНИЕ НА НАКЛОННЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ:
АНИЗОТРОПНЫЙ НЕБОСВОД
Плотность солнечного энергетического потока:
• за пределами атмосферы ≈ 1,37 кВт/м2
• на земной поверхности в ясный полдень ≈ 1 кВт/м2
• в среднем за год (0,15…0,25) кВт/м2
178

179.

ВАХ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА
P=U×I
U
UХХ
UТмм
179
Pmax = UТмм × IТмм
ТММ
Pmax = FF × UХХ × IКЗ
IКЗэкв = 2 IТмм
UХХэкв = 2 UТмм
IТмм IКЗ
I

180.

КПД СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА
180

181.

ТИПЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Монокристаллический кремний
Наиболее эффективная технология
КПД около 20%
Поликристаллический кремний
Как правило, более дешёвые, но обладают
и менее высоким КПД (около 16%)
Аморфный кремний
Невысокий КПД (менее 10%), но простая
и дешёвая технология производства
181

182.

СОЛНЕЧНЫЙ МОДУЛЬ
Солнечные элементы
Солнечный модуль
182

183.

СТРУКТУРА СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ
183

184.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ СОЛНЕЧНЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ В МОДУЛЕ
184

185.

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
В МОДУЛЕ
185

186.

ВАХ СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ
Последовательное
соединение
Одиночный
элемент
Параллельное
соединение
186

187.

НОМИНАЛЬНАЯ МОЩНОСТЬ СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ
187

188.

ВАХ СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ
ОСВЕЩЁННОСТИ
188

189.

ВАХ СОЛНЕЧНОГО МОДУЛЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ
ТЕМПЕРАТУРЫ
189

190.

ОТСЛЕЖИВАНИЕ ТОЧКИ МАКСИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ
СМ
Rвх
DC/DC
Rн
190

191.

ВАРИАНТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СЭС
1. Работа СЭС в составе ОЭС совместно с
традиционными ТЭС, ГЭС и АЭС
2.Работа СЭC в составе ЛоЭС совместно с
традиционными типами энергоустановок, как
правило, мощными (сотни кВт) ДЭС
3. Работа СЭС на автономного потребителя малой
мощности с или без накопителей энергии
191

192.

ТИПОВОЙ ПРОЕКТ СЕТЕВОЙ СЭС
192

193.

ВЫБОР ТИПА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ
193

194.

КОНФИГУРАЦИИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Стринговая
схема
С центральным
инвертором
Стринговаясхема с
преобразователями
постоянного тока
194
Индивидуальные
инверторы

195.

ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ
АВТОНОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В XXI ВЕКЕ
195
Рост производства электрической энергии - основа повышения
уровня материального благосостояния человечества
В.И. Вернадский
1863-1945.
Биосфера,
Ноосфера
В.Н. Сукачёв
1880-1965
Биогеоценоз
П.Л. Капица
1894-1984
Энергия и физика

196.

БИОГЕОЦЕНОЗ
196
+ 12000 м
Ø = 12712÷12756 км
- 12262 м
˂ 0,2%

197.

№
Страна
Sуд,
м2/чел
1
Монголия
500000
3
Австралия
333000
8
Канада
333000
14
Россия
125000
23
Норвегия
76900
53
США
30300
127
Франция
8333
139
Китай
7143
149
Швейцария
5319
159
Германия
4367
166
Израиль
3521
173
Бельгия
3000
174
Япония
2967
192
Сингапур
136
193
Монако
61
УДЕЛЬНАЯ ТЕРРИТОРИЯ СТРАН
МИРА
ξ = S/Nу [м2/кВт]
Удельная площадь
электростанции
197

198.

ГИДРОЭНЕРГЕТИКА
Бурейская ГЭС
Nу = 2,01 ГВт , S=640 км2
ξ = 318,4 м2/кВт
198
«Три ущелья» (КНР)
Nу = 22,5 ГВт , S=632 км2
ξ = 28,1 м2/кВт
«Силоду» (КНР) Nу = 13,9 ГВт ξ = 7,8 м2/кВт
«Водопад Черчилля» (Канада) Nу= 5,4 ГВт ξ =1300 м2/кВт

199.

АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Пало-Верде (Palo Verde, США)
Nу = 4,24 ГВт, S=16 км2
ξ = 3,77 м2/кВт
199
Балаковская АЭС
Nу = 4,0 ГВт, S=4,9 км2
ξ = 1,21 м2/кВт

200.

ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Туокетуо (Tuoketuo, КНР)
Nу = 6,6 ГВт, S=2,5 км2
ξ = 0,38 м2/кВт
200
Сургутская ГРЭС-2
Nу = 5,6 ГВт, S=0,85 км2
ξ = 0,15 м2/кВт

201.

СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
Topaz Solar Farm (США)
Nу = 550 МВт, S=25 км2
ξ = 45,5 м2/кВт
201
Стоимость строительства
2,5 млрд. долларов
(4500 $/кВт)

202.

СОЛНЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА
202
Германия (2017г.) ΣNS = 40,5 ГВт,
из них «крышные» 9,8 ГВт
S не менее 1400 км2

203.

ВЕТРЯНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
203
Haliade-X 12-MW (GE, США)
Nу = 14 МВт, Ø 220 м
ξ = 3,2 м2/кВт
SWT-7.0-154
(Siemens, ФРГ)
Nу = 7 МВт, Ø 154 м
ξ = 2,7 м2/кВт

204.

ВЕТРЯНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Haliade-X 12-MW (GE, США)
Nу = 14 МВт, 38000 м2 ξ = 2,7 м2/кВт
204

205.

ДАННЫЕ ПО НЕКОТОРЫМ КРУПНЫМ ВЕТРОПАРКАМ
205
ξ = 94…114 м2/кВт
Оффшорные ветропарки
Береговые ветропарки

206.

ВЕТРЯНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
206
ВЭС Ганьсу (КНР)
Nу = 20 ГВт
Стоимость строительства
17,5 млрд. $ (875 $/кВт)
S не менее 1800 км2
Германия (2016г.) ΣNВЭС = 44,9 ГВт
S не менее 4000 км2

207.

ВЕТРЯНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
207

208.

РЕГУЛИРОВАНИЕ УГЛА НАКЛОНА СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ
ПО ВРЕМЕНАМ ГОДА
208
НИЗКАЯ ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА ЭНЕРГИИ
АЭС
1750
МВт
(1978 г)
S = 1,5 км2
> 200 футбольных полей!!!