Источники тока

ИСТОЧНИКИ ТОКА, устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую энергию. По виду преобразуемой энергии источники тока условно разделяют на химические и физические. Первые сведения о химических источниках тока (гальванических элементах и аккумуляторах) относятся к 19 веку (например, вольтов столб, 1800; элемент Даниеля - Якоби, 1836; свинцовый аккумулятор, 1859). До 1940-х годов в мире разработано и реализовано на практике лишь несколько типов гальванических элементов и аккумуляторов; в дальнейшем в связи с развитием радиоэлектроники и широким использованием автономных источников электропитания их производство непрерывно расширялось. Переносные осветительные приборы, магнитофоны и радиоприёмники, телевизоры и переносная медицинская аппаратура, транспортные средства, летательные и космические аппараты и многое другое оснащены малогабаритными источниками тока. Первый электромашинный генератор постоянного тока создан Б. С. Якоби в 1842 году. С 1920-х годов в качестве промышленных источников электроэнергии стали применяться турбогенераторы и гидрогенераторы. Физические источники тока, основанные на других принципах (термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи, солнечные батареи и т. д.), разработаны и получили развитие во 2-й половине 20 века, что обусловлено возросшими требованиями современной техники.

К важнейшим характеристикам источников тока относятся: кпд, энергоёмкость (или удельная энергоёмкость), мощность (или удельная мощность, отнесённая к единице массы, объёма), срок службы, качество генерируемой электроэнергии (частота, напряжение, способность к перегрузкам, стоимость, надёжность).

Химические источники тока вырабатывают электрический ток за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций. В соответствии с эксплуатационной схемой и способностью отдавать энергию в электрическую сеть химические источники тока подразделяются на первичные, вторичные и топливные элементы; отдельную группу составляют резервные источники тока. Первичные источники тока (гальванические элементы и батареи) предполагают, как правило, однократное использование энергии химических реагентов, после израсходования которых (после разряда) становятся неработоспособными. В таких источниках тока положительные и отрицательные электроды, разделённые электролитом, электрически связаны (гальваническая связь) в течение всего срока службы источника тока. Вторичные источники тока (электрические аккумуляторы и аккумуляторные батареи) допускают многократное использование энергии составляющих химических реагентов; после разряда их можно вновь зарядить, создавая ток от внешнего источника в обратном направлении. Электроды и электролит весь срок службы аккумуляторов находятся в электрическом контакте друг с другом. Для увеличения ресурса аккумуляторов разработаны способы сухозаряженного хранения аккумуляторов; такие аккумуляторы перед включением предварительно заливают электролитом. Топливные элементы (электрохимические генераторы) способны длительное время непрерывно генерировать электрический ток благодаря постоянному подводу к электродам новых порций реагентов извне и отводу продуктов реакции. Наиболее перспективны генераторы, непосредственно преобразующие энергию природного топлива в электрическую.

Резервные источники тока допускают только однократное использование энергии химических реагентов, но, в отличие от гальванических элементов, реагенты и электролит в них приводятся в соприкосновение (активируются) непосредственно перед началом разряда. Электролит в таких источниках тока хранится в отдельном сосуде и заливается непосредственно перед включением нагрузки или находится в твёрдом состоянии, а перед включением нагрузки расплавляется. Резервные источники тока применяются главным образом для питания электрической аппаратуры, которая длительное время находится в резервном (неработающем) состоянии; срок хранения составляет до 15 лет и более. Смотри также Химические источники тока.

Физические источники тока преобразуют тепловую, механическую, электромагнитную энергию, а также энергию радиационного излучения и ядерного распада в электрическую. В соответствии с наиболее часто употребляемой классификацией к физическим источникам тока относят: электромашинные и термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи, магнитогидродинамические (МГД) генераторы, а также генераторы, преобразующие энергию солнечного излучения и атомного распада.

Электромашинные генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую, - наиболее распространённый вид источников электрической энергии, основа современной энергетики. Они могут быть классифицированы по мощности (от долей Вт до единиц ГВт), по назначению и особенностям эксплуатации (стационарные, транспортные, резервные и др.), по роду первичного двигателя (например, турбо- и гидрогенераторы), по рабочему телу (пар, вода, газ) и т.д. Благодаря длительному периоду конструктивного и технологического совершенствования характеристики этого типа источников тока достигли значений, близких к предельным.

Термоэлектрический генератор (ТЭГ) служит для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую; действие основано на использовании Зеебека эффекта. Наиболее эффективны ТЭГ на основе ПП термоэлементов; их мощность составляет до нескольких сотен кВт, кпд до 20%. К основным преимуществам ТЭГ по сравнению с электромашинными преобразователями относятся отсутствие движущихся частей, высокая надёжность, большой срок службы (до 25 лет), способность работать в широком интервале температур; к недостаткам - низкий кпд и сравнительно высокая стоимость. Области применения ТЭГ - автономные источники питания (на транспорте, в технике связи, космической технике), антикоррозионная защита (на магистральных трубопроводах) и др.

Работа термоэмиссионного преобразователя энергии (ТЭП) основана на явлении испускания электронов поверхностью нагретого металла (смотри Термоэлектронная эмиссия). Сила тока в ТЭП ограничена силой тока эмиссии катода; кпд существенно зависит от температуры нагрева электродов и достигает 30% (при температуре катода свыше 3000 К), удельная электрическая мощность (в расчёте на 1 см² поверхности катода) не превышает десятков Вт. ТЭП не получили промышленного применения (главным образом из-за низких экономических показателей); наиболее перспективно их использование в малогабаритных электрических устройствах небольшой мощности.

С 1990-х годов всё большее распространение получают фотоэлектрические генераторы, непосредственно преобразующие энергию солнечной радиации в электрическую (смотри Солнечная батарея); действие основано на использовании внутреннего фотоэффекта. Электрический ток в них возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементе при попадании на него светового излучения. Наиболее эффективны солнечные батареи, работающие на кремниевой основе; их мощность до 10 кВт, кпд 10-20%; срок службы практически не ограничен. Такие источники тока применяются главным образом на КА, автоматических метеостанциях, а также для снабжения электроэнергией удалённых от линии электропередачи районов с большим числом солнечных дней в году.

Магнитогидродинамический генератор преобразует энергию электропроводящей среды (например, низкотемпературной плазмы), движущейся в магнитном поле, в электрическую энергию. Кпд таких источников тока составляет до 40% при мощности около 500 МВт в одном агрегате. Для промышленной энергетики наиболее перспективно создание плазменных МГД-генераторов, использующих природное органическое топливо (газ, уголь). К началу 2000-х годов в России, США, Японии и других странах разработаны и находятся в опытно-промышленной эксплуатации ряд МГД-установок электрической мощностью до нескольких десятков МВт.

Ядерная батарея преобразует энергию, выделяющуюся при распаде ядер радиоактивных элементов, в электрическую. Мощность ядерных батарей обычно не превышает нескольких сотен Вт, напряжение до 20 кВ, срок службы до 25 лет. Область возможного применения - источники электроэнергии, например, на КА, в измерительных приборах, в медицинской электронной аппаратуре.

Лит. смотри при статьях с описанием конкретных типов источников тока.