больших количеств газа).
Первое поколение ТЭ
Наибольшего технологического совершенства достигли
среднетемпературные ТЭ первого поколения, работающие при
температуре 200...230oС на жидком топливе, природном газе либо
на техническом водороде (технический водород -- продукт
конверсии органического топлива, содержащий незначительные
примеси окиси углерода). Электролитом в них служит фосфорная
кислота, которая заполняет пористую углеродную матрицу.
Электроды выполнены из углерода, а катализатором является
платина (платина используется в количествах порядка нескольких
граммов на киловатт мощности).
Одна таких электростанций введена в строй в штате
Калифорния 1991 году. Она состоит из восемнадцати батарей
массой по 18 т каждая и размещается в корпусе диаметром чуть
более 2 м и высотой около 5 м. Продумана процедура замены
батареи с помощью рамной конструкции движущейся по рельсам.
Две электростанции на ТЭ США поставили в Японию. Первая из
них была пущена еще в начале 1983 года. Эксплуатационные
показатели станции соответствовали расчетным. Она работала с
нагрузкой от 25 до 80% от номинальной. КПД достигал 30...37% --
это близко к современным крупным ТЭС. Время ее пуска из
холодного состояния -- от 4 ч до 10 мин., а продолжительность
изменения мощности от нулевой до полной составляет всего 15 с.
Сейчас в разных районах США испытываются небольшие
теплофикационные установки мощностью по 40 кВт с коэффициентом
использования топлива около 80%. Они могут нагревать воду до
130oС и размещаются в прачечных, спортивных комплексах, на
пунктах связи и т.д. Около сотни установок уже проработали в
общей сложности сотни тысяч часов. Экологическая чистота
электростанций на ТЭ позволяет размещать их непосредственно в
городах.
Первая топливная электростанция в Нью-Йорке, мощностью 4,5
МВт, заняла территорию в 1,3 га. Теперь для новых станций с
мощностью в два с половиной раза большей нужна площадка
размером 30x60 м. Строятся несколько демонстрационных
электростанций мощностью по 11 МВт. Поражают сроки
строительства (7 месяцев) и площадь (30х60 м), занимаемая
электростанцией. Расчетный срок службы новых электростанций --
30 лет.
Второе и третье поколение ТЭ
Лучшими характеристиками обладают уже проектирующиеся
модульные установки мощностью 5 МВт со среднетемпературными
топливными элементами второго поколения. Они работают при
температурах 650...700oС. Их аноды делают из спеченных частиц
никеля и хрома, катоды -- из спеченного и окисленного алюминия,
а электролитом служит расплав смеси карбонатов лития и калия.
Повышенная температура помогает решить две крупные
электрохимические проблемы:
снизить "отравляемость" катализатора окисью углерода;
повысить эффективность процесса восстановления окислителя
на катоде.
Еще эффективнее будут высокотемпературные топливные
элементы третьего поколения с электролитом из твердых оксидов
(в основном двуокиси циркония). Их рабочая температура -- до
1000oС. КПД энергоустановок с такими ТЭ близок к 50%. Здесь в
качестве топлива пригодны и продукты газификации твердого угля
со значительным содержанием окиси углерода. Не менее важно, что
сбросовое тепло высокотемпературных установок можно
использовать для производства пара, приводящего в движение
турбины электрогенераторов.
Фирма Vestingaus занимается топливными элементами на
твердых оксидах с 1958 года. Она разрабатывает энергоустановки
мощностью 25...200 кВт, в которых можно использовать
газообразное топливо из угля. Готовятся к испытаниям
экспериментальные установки мощностью в несколько мегаватт.
Другая американская фирма Engelgurd проектирует топливные
элементы мощностью 50 кВт работающие на метаноле с фосфорной
кислотой в качестве электролита.
В создание ТЭ включается все больше фирм во всем мире.
Американская United Technology и японская Toshiba образовали
корпорацию International Fuel Cells. В Европе топливными
элементами занимаются бельгийско-нидерландский консорциум
Elenko, западногерманская фирма Siemens, итальянская Fiat,
английская Jonson Metju.
Глава 3
СИСТЕМЫ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
Наиболее универсальный вид энергии -- электричество. Оно
вырабатывается на электростанциях и распределяется между
потребителями посредством электрических сетей коммунальными
службами. Массовому потребителю безразлично каким током
питаются бытовые приборы до тех пор, пока не мигают или не
перегорают лампы освещения, телевизор или другие
электроприборы.
Повышение грозовой активности, отмеченное в настоящее
время, приводит к серьезным последствиям. Попадание молнии в
линию электропередач или трансформаторную подстанцию
сопровождается электромагнитными импульсами огромной мощности.
Они распространяются по всем линиям, включая телефонные и
повреждают подключенные устройства.
В сложившихся условиях потребителю самому следует
принимать дополнительные меры по защите своего оборудования.
Представленный анализ типичных нарушений в сетях электропитания
и ряда устройств для защиты оборудования позволяет сделать
оптимальный выбор.
Наиболее распространенным устройством нуждающимся в защите
является персональный компьютер. Анализ сбоев и неисправностей
проведенный IBM показал, что он подвергается более чем 120-ти
нежелательным воздействиям в месяц. Это происходит не взирая на
то, что современные источники питания обеспечены
быстродействующей защитой.
По причине нарушений питающего напряжения в США средние
потери рабочего времени составляют 9%. Кроме тривиальной потери
данных и периодического "зависания" некачественная
электроэнергия отрицательно влияет на работу накопителей
информации. Те же проблемы характерны и для таких устройств как
факсы, копировальные аппараты и пр.
Кроме оргтехники любое оборудование, простой которого
приведет к материальным издержкам, а тем более к угрозе
человеческой жизни, должно быть защищено.
Потери времени, вызванные неработоспособностью электронных
устройств, обусловлены причинами соотношение которых отражает
рис. p014. Среди них нарушения связанные с несоответствием
параметров электроэнергии составляют почти половину. Следует
отметить, что нарушение электропитания наносит ущерб
соизмеримый со стихийными бедствиями.
При неисправностях в сети система защиты отключает
потребителей на непродолжительное время (несколько секунд), а
затем включает снова. Так возникают "провалы" напряжения.
Характерной особенностью настоящего времени является смещение
процентного соотношения в сторону полных или кратковременных
пропаданий напряжения и мощных импульсных помех в сетях.
Броски напряжения, возникающие при аварийных переключениях
и отключениях, вызывают перегрузки электрических приборов
многократно превосходящие допустимые. Отключение недопустимо
для производств с непрерывным циклом и в первую очередь там,
где это сопряжено с угрозой для жизни людей.
Несоответствие параметров электроэнергии приводит к сбоям
и преждевременному выходу из строя электронной техники.
Наиболее совершенные источники питания электронных устройств
работают в интервале напряжений питающей сети от 100 до 275 В
при изменении частоты питающего напряжения от 45 до 60 Гц.
Однако, при крайних значениях указанного диапазона они
перегружены и не могут устойчиво работать продолжительное
время.
Традиционно потребители обращают внимание на основные
параметры, приводимые изготовителями электрических приборов --
потребляемую мощность, величину и частоту питающего напряжения.
Несоответствие качества электроэнергии для потребителя
незаметно до тех пор, пока прибор не капризничает или не
выходит из строя.
Для единичных нагрузок решением тривиальных проблем
электроснабжения, связанных с пониженным напряжением, бросками
и импульсными помехами, может стать установка стабилизатора
напряжения или источника бесперебойного питания (ИБП).
Для распределенных нагрузок общей мощностью до нескольких
киловатт удовлетворительным может считаться использование
распределенных ИБП с группированием расположенных рядом
нагрузок. При больших мощностях использование распределенных
ИБП экономически нецелесообразно.
Системы бесперебойного электропитания -- устройства,
основной задачей которых является удержание параметров
питающего напряжения большой группы оборудования в заданных
пределах при отклонениях параметров напряжения электрической
сети и, как следствие, защита электронных приборов по цепи
питания.
Параметрами, заслуживающими отдельного рассмотрения,
являются частота и форма питающего напряжения. Снижение частоты
приводит к потерям при передаче электроэнергии (понижение
частоты в сети на 0,1% приводит к потере 10% мощности).
Отклонение формы напряжения от синусоидальной также вызывает
потери.
Мы становимся свидетелями снижения частоты до критической
нижней отметки, ниже которой ситуация в сетях становится
катастрофической. Процессы отключения при таких авариях
становятся неуправляемыми, т.к. отключаются большие группы
потребителей и неизвестно на каком из них рассеется огромная
энергия запасенная в сети.
Потери возникают как по вине коммунальных служб, так и по
вине потребителей. Уменьшить потери и, соответственно, издержки
потребителю позволяет применение отдельных ИБП или систем
гарантированного электропитания.
3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИСТОчНИКОВ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ
Исследования AT&T Bell Labs показали, что типичными для
сетей являются следующие нарушения:
снижение (провалы) напряжения;
отключение напряжения;
броски напряжения и импульсные помехи;
шумовые помехи.
Наиболее распространенным нарушением является снижение
напряжения на величину более 10%. Такие нарушения составляют
87% (см. рис. p015). В индустриальных зонах кратковременное
понижение напряжения может быть вызвано включением мощных
потребителей. Так пусковые токи асинхронных двигателей в 7...8
раз превосходят номинальные.
Здания старой постройки рассчитывалась на ограниченное
потребление электроэнергии. С учетом старения сети в них не
соответствуют энерговооруженности современного жилища или
офиса. Это приводит к хроническому снижению напряжения в
дневное и вечернее время.
Броски напряжения и импульсные помехи -- явление не
частое. Они возникают во время работы коммутационной аппаратуры
или в моменты атмосферных разрядов. Броски напряжения и
импульсные помехи обычно имеют неповторяющийся характер.
Возникающие импульсы большой мощности приводят к серьезному
повреждению электронных устройств.
Шумовые помехи с большими уровнями -- явление редкое. Они
могут быть периодическими и хроническими. Источником шума с
широким спектром излучения является электрическая дуга.
Периодические шумовые помехи возникают во время сварочных
работ. Хронические -- при работе городского электротранспорта.
Практика показывает, что характерными признаками
необходимости дополнительных мер защиты оборудования являются:
ограниченная мощность ввода и старая разводка в зданиях
старой постройки;
расположение здания недалеко от строительных площадок и
