Конструкції і пристрої отримання енергії

Главная » Каталог статей » Статьи на украинском » Альтернативні джерела енергії » Конструкції і пристрої отримання енергії

fireball

Конструкція перетворювача термальної енергії океану

За своєю конструкцією система замкнутого циклу дуже проста. Насоси здійснюють циркуляцію робочої рідини (рідкий пропан, фреон або аміак) через складові частини електростанції – компресори, труби і т.п. Спочатку робоча рідина потрапляє в камеру кипіння. Тут, нагріваючись від теплої океанської води, вона перетворюється на газ. Газ спрямовується в турбогенератор, обертає його і виробляє електричний струм. Проте відпрацьований газ не віддаляється з установки. Після проходження через турбогенератор він поступає в конденсатор, де конденсується і зріджується. Потім, вже знову в рідкому стані, робоча рідина знов накачується в камеру кипіння, і цикл повторюється. Він закінчується тільки тоді, коли електростанція припиняє свою діяльність через ремонтні або періодичні профілактичні роботи.

Енергетичні ферми в океані

Бурі водорості вже давно відомі як корисні рослини. Вони використовувалися для приготування прованського масла і були інгредієнтами у виробництві пластмас, фарб, картону зубної пасти і живильної суміші для тварин. Не так давно бурі водорості сталі привертати вчених-океанологів як джерело отримання Метану. «Ми можемо розсаджувати бурі водорості на океанських енергетичних фермах, культивувати їх, збирати урожай і перетворювати запасену в них енергію на Метан.

Як відомо бурі водорості ростуть на мілководді. Для імітації дна довелося побудувати великий пліт, занурити на глибину 12 метрів, покрити його мережею поліпропіленових тросів і прикріпити довгими канатами до дна океану, що знаходиться значно глибше.

Для вирощування на енергетичній фермі був вибраний вид бурих водоростей — Macrocystis pyriefa (Макроцистіс грушовидний). Це найбільший за розмірами вид бурих водоростей, які виростають в океані до висоти, якої на суші досягають лише гігантські секвої.

Як тільки молода рослина закріпиться на дні, воно починає рости вгору, до світла. Коли вона досягає поверхні води, її коричневі гілки рядками стеляться по залитій сонцем поверхні моря. В цих-то гілках і відбувається перетворення сонячної енергії в хімічну в процесі фотосинтезу.

Установка для перетворення енергії хвиль і вітру

Конструкція даної установки складається з двох частин: резервуару і похилої площини. Коли похила площина розміщується в морі, хвилі, набігаючи на неї, перекочуються і потрапляють в резервуар.

Не дивлячись на простоту конструкції установка генерує значну кількість електроенергії. Навіть в ті дні, коли висота хвиль досягає двох метрів, а швидкість вітру 25 км/год, установка може виробляти 1.5 МВт.

Хвиле-вітряні перетворювачі можуть бути також змонтовані на сталевих каркасах, що знаходяться на причалі як хвилеломи-електровиробники.

Обчислення показують, що п’ятнадцять таких каркасів, кожний по 100 метрів завдовжки, зможуть забезпечувати електрикою населений пункт з двадцятитисячним населенням. При цьому потік енергії буде постійним, оскільки похилі площини автоматично підстроюватимуться під висоту хвиль, а каркаси хвилеломів повертатися, орієнтуючись по напряму вітру і хвиль. Фахівці розраховують створити працюючу енергосистему такого комбінованого типу. Технологія її проста, недорога і цілком реальна. Необхідні капіталовкладення невеликі, хвилі і вітри безкоштовні.

Пристрій сонячної теплової електростанції

Геліостати (дзеркальні модулі) відстежують положення Сонця і відображають його проміння на колектор сонячного випромінювання. Останній встановлюється у верхній частині башти і є системою теплообмінників з протікаючим через них теплоносієм (водою або рідиною з низькою температурою кипіння). За допомогою геліостатів сонячне випромінювання фокусується на колектор і нагріває теплоносій. Подальша передача теплової енергії від колектора до електрогенератора відбувається за схемою, яка використовується на звичайній ТЕС. Цей метод «збирання» сонячного випромінювання, тобто підвищення інтенсивності в сотні раз, технічно найбільш перспективний.

Перетворювач енергії хвиль (випрямляч Рассела)

Ця установка регулює рух води так, що вона поступає на турбіну тільки з одного боку. Декілька резервуарів закріплено на якорях у відкритому морі, при цьому деякі з них знаходяться над, а деякі – під поверхнею води. Між верхніми і нижніми резервуарами розташований турбогенератор. Хвилі наганяють воду у верхні резервуари. Звідти вона (через неповоротні клапани ) стікає вниз, приводить в рух турбогенератор, проводячи тим самим електрику і виливається назовні [151-153].

Спектротрансформатор – перетворювач довжин хвиль

Спосіб трансформації довжин світлових хвиль, який оснований на акумулюванні, перетворенні та отриманні теплової енергії, як об’єкт трансформації є хвилі всього спектра випромінювання, які потрапляють на поглинальну поверхню та акумулюють, далі розповсюджують в робоче середовище, де генерують хвилі з новою частотою, відмінною від попередніх, потім хвилі зі зміненою частотою потрапляють у підсилювач, там їх підсилюють і направляють у об’єднувач, де об’єднують світлове випромінювання в результаті чого отримують трансформоване випромінювання з потрібною довжиною періоду хвилі на виході.

Така резонансна взаємодія і дає можливість зміни частотного діапазону сонячного спектра у бажаному напрямку.

На рисунку 7.1 зображено схему послідовності операцій способу трансформації довжин світлових хвиль.

clip_image002

Рисунок 7.1 — Послідовність операцій способу трансформації довжин світлових хвиль

Спосіб трансформації довжин світлових хвиль розділяють на 9 етапів: 1етап – розповсюдження космічних променів; 2 етап – поглинання космічних променів; 3 етап – перехід поглинутих променів для подальшої обробки; 4 етап – перетворення довжин хвиль; 5 етап – розповсюдження перетворених хвиль; 6 етап – підсилення інтенсивності випромінювання; 7 етап – розповсюдження підсиленого випромінювання; 8 етап – об’єднання підсиленого випромінювання; 9 етап — вихід трансформованих світлових хвиль.

Спосіб трансформації довжин світлових хвиль відбувається таким чином: вхідні космічні промені потрапляють на поглинальну поверхню, з якої поглинуті промені переходять в робоче середовище, де генерують хвилі з новою частотою, відмінною від попередніх, потім розповсюджують на підсилювач, де підсилюють інтенсивність перетворених хвиль, після цього підсилені хвилі переходять в об’єднувач, там об’єднують трансформоване випромінювання, в результаті виходять трансформовані світлові хвилі з потрібною довжиною періоду хвилі на виході.

Спосіб трансформації довжин хвиль базується на використанні резонансної оптичної накачки парів лужних металів, які є ефективним робочим середовищем частотного перетворювача космічного випромінювання в будь-який інший діапазон, в якому за рахунок інформаційно-енергечного перетворення досягається можливість створення уніфікованої спектральної трансформації всіх хвиль космічного випромінювання в будь-який потрібний діапазон.

Як відомо із квантової теорії випромінювання воднеподібних атомів та атомів лужних металів, процес переходу середовища в інверсний стан називається накачуванням підсилювального середовища. Цей процес можна розглянути на прикладі роботи напівпровідникового лазерного діода, який пов’язаний з трьома основними процесами, обумовленими переходами носіїв: поглинанням, спонтанною емісією і стимулюючим випромінюванням.

Розглянемо два енергетичних рівні Е1 і Е2, один з яких Е1 характеризує основний (стаціонарний), а інший Е2 — збуджений стан атома, (рис. 7.2).

Будь-який перехід носіїв між цими рівнями супроводжується випусканням або поглинанням кванта з частотою v12, визначуваною із співвідношення:

hv12 = Е2 — Е1

де h — стала Планка.

При звичайних температурах більшість атомів знаходиться в основному стані. Ця ситуація порушується в результаті дії на систему кванта з енергією, рівною hv12. Атом в стані E1 поглинає квант і переходить в збуджений стан Е2. Це і складає процес поглинання випромінювання.

clip_image004

Рисунок 7.2 — Діаграма рівнів способу уніфікованої трансформації довжин хвиль, що пояснює процеси поглинання, спонтанного і вимушеного випромінювання

Збуджений стан є нестабільним, і через короткий проміжок часу без будь-якої зовнішньої дії атом переходить в основний стан, випускаючи квант з енергією hv12. Цей процес називається спонтанною емісією. Час життя, пов’язаний із спонтанною емісією (тобто, середній час збудженого стану) може змінюватися в широкому діапазоні від 10-9 до 10-3 с, залежно від параметрів напівпровідника. Спонтанне випромінювання використовується в світлодіодах.

Зіткнення кванта, який має енергію hv12, з атомом, що знаходиться у збудженому стані, стимулює миттєвий перехід атома в основний стан з випуском кванта з енергією hv12 і фазою, що відповідає фазі падаючого випромінювання. Цей процес називається стимульованим випромінюванням і використовується в лазерних діодах.

Якщо, наприклад, розглянути детальніше процеси вимушеного випромінювання, то бачимо, що атом, який знаходиться в електромагнітному полі на збудженому енергетичному рівні, може з деякою вірогідністю перейти під дією поля в низький стан. Електромагнітне поле як би „звалює” атом із збудженого рівня вниз, на основний або менш збуджений рівень. Такий перехід супроводжується вимушеним (індукованим, стимульованим) випромінюванням речовини, викликаною дією на нього електромагнітної хвилі.

Явище вимушеного випромінювання з погляду хвильової оптики означає, що при проходженні електромагнітної хвилі крізь речовину її інтенсивність збільшується, тобто відбувається негативне поглинання світла (негативна абсорбція світла). При цьому зберігаються незмінними частота хвилі, напрям її розповсюдження і поляризація.

З квантової точки зору когерентність вимушеного випромінювання означає, що новий фотон, який з’явився в результаті акту вимушеного випромінювання, нічим не відрізняється від фотона, що викликав його появу. Новий фотон, який з’явився в результаті індукованого випромінювання, посилює світло, що проходить в середовищі. Процес вимушеного випромінювання приводить до появи замість одного фотона з енергією hv12 двох таких же фотонів.

Проте, окрім індукованого випромінювання, може відбуватися поглинання світла. В результаті поглинання фотона атомами, що знаходяться на енергетичному рівні Е1 фотон зникає, і атоми переходять на енергетичний рівень Е2. Цей процес зменшує інтенсивність світла, що проходить крізь речовину.

Поглинання світла в речовині відбувається відповідно до закону Бугера-Ламберта:

J(x)=J0exp(-αx)

де α > 0 — коефіцієнт поглинання,

х — товщина поглинального шару,

J0 — інтенсивність світла, що проходить в речовину,

J(x) — інтенсивність світла, що пройшло крізь шар товщиною х.

Для середовища з негативним поглинанням світла справедливий закон Бугера-Ламберта-Фабриканта

J(x)= J0exp(|α|x)

де |α| > 0 — позитивна величина, відповідна не ослабленню, а посиленню світла, що проходить через активне середовище (пропорційна різниці між числом актів поглинання і вимушеного випромінювання).

Інтенсивність світла при цьому круто зростає із збільшенням товщини шару середовища. Іншими словами, коефіцієнт поглинання α для активного, підсилювального середовища є негативною величиною.

В даній роботі доведена можливість перетворення енергії видимого випромінювання атомів водню в енергію інфрачервоного діапазону. Основна ідея сучасних частотних перетворювачів випромінювання базується на резонансній оптичній накачці парів лужних металів, які є ефективними робочими середовищами для генерації видимого і ІЧ випромінювання.

Квантова теорія випромінювання атома дозволяє розрахувати можливі значення енергії та переходи між енергетичними рівнями.

Рівняння Шредінгера, що описує стан атома для випадку нерухомого ядра, має вигляд:

clip_image006,

де clip_image008 — ефективна потенціальна енергія електрона.

clip_image010

Рисунок 7.3 — Залежність ефективної потенціальної енергії електрона від відстані

З рисунка видно, що положення в атомі електрона обмежується деяким значенням rмакс при енергії атома Е < 0.

Розв’язок такого рівняння Шредінгера для радіальної функції Rnl(r) має вигляд:

clip_image012,

де clip_image014.

Враховуючи, що clip_image016, clip_image018, отримаємо:

clip_image020,

де clip_image022 — радіус першої борівської орбіти.

З умови нормування визначається коефіцієнт clip_image024:

clip_image026.

Після підстановки виразів (3), (4) у вираз (2) , отримаємо:clip_image028

clip_image030.

Можливий спектр енергії воднеподібного атома визначається з врахуванням того, що clip_image016[1], clip_image018[1]:

clip_image034,

де clip_image036 — стала Рідберга.

Рівні енергії воднеподібних атомів, за хвильовою теорією Шредінгера, є виродженими. Кратність виродження за рахунок зміни магнітного числа m та орбітального l буде рівна:

clip_image038.

Врахування релятивістських ефектів, об’єму ядра зменшує виродження за квантовим числом l. Аналогічно в спектрі лужних металів, що мають на зовнішньому шарі один електрон, взаємодія з електронами внутрішніх шарів також зменшує виродження за квантовим числом l.

Спектральні терми атомів clip_image040, що залежать від квантових чисел n, l мають таке позначення: clip_image042. Частота випромінювання при такому позначенні подається у вигляді:

clip_image044.

Для серії Бальмера, що відповідає переходу на рівень clip_image046, можливі три частоти випромінювання:

clip_image048

Враховуючи виродження за орбітальним квантовим числом l три спектральні лінії зливаються в одну і спектр можливих частот серії Бальмера визначається за формулою:

clip_image050

Подібний механізм спостерігається і для спектра можливих частот серії Пашена:

clip_image052

Якщо електрон знаходиться в сферичному симетричному полі clip_image054, ймовірність випромінювання одного фотона при переході електрона з верхнього рівня на нижній розраховується за квантовою теорією випромінювання.

За класичною теорією Максвела взаємодія електрона з випромінюванням виражається таким виразом:

clip_image056,

де clip_image058 — векторний потенціал поля випромінювання; clip_image060- густина струму, що створюється електронами в речовині.

В цьому випадку clip_image062 і clip_image064 — хвильові функції; clip_image066 і clip_image068 — сукупність трьох квантових чисел; clip_image070 і clip_image072 — оператори з характерними для них властивостями:

clip_image074

Випромінювання фотона відбувається в процесі переходу електрона з початкового стану clip_image076в кінцевий стан clip_image078. В цей момент часу утворюється фотон, що характеризується станом clip_image080. Ймовірність переходу описується з допомогою золотого правила:

clip_image082,

де clip_image084- матричний елемент переходу між початковим і кінцевим станами; clip_image086- густина кінцевих станів; clip_image088- елемент тілесного кута, в який випромінюється фотон.

Після підстановки значень матричного елемента clip_image090 та густини кінцевих станів clip_image092 у формулу ймовірності переходу між станами отримаємо остаточний вираз

clip_image094,

де clip_image096- матричний елемент, в якому перший співмножник clip_image098 залежить тільки від напрямку вилітання і поляризації випроміненого фотона, а другий clip_image100 визначається тільки внутрішніми параметрами випромінювального атома.

Показана практична реалізація перетворення енергії оптичного випромінювання в енергію вимушеного інфрачервоного випромінювання, що відбувається при оптичній накачці в парах цезію Cs. Виникнення інфрачервоного випромінювання в парах цезію при опромінені їх потужним лазерним випромінюванням обумовлюється тільки поглинанням молекулами clip_image102 і відбувається за таким алгоритмом:

clip_image104,

clip_image106,

clip_image108.

Таким чином, квантова теорія випромінювання воднеподібних атомів та атомів лужних металів дозволяє здійснювати заселення верхніх атомних рівнів, що зумовлює інверсне заселення відносно нижче розміщених енергетичних рівнів. Отримані результати можуть бути застосовані при розробці високоефективних перетворювачів видимого випромінювання в інфрачервоний діапазон.

Довівши можливість перетворення енергії видимого випромінювання атомів водню в енергію інфрачервоного діапазону, з’явилась ідея створення пристрою, за допомогою якого можна перетворити будь-який світловий діапазон у необхідний. Основна ідея сучасних частотних перетворювачів випромінювання базується на резонансній оптичній накачці парів лужних металів, які є ефективними робочими середовищами для генерації видимого і ІЧ випромінювання.

Квантова теорія випромінювання атома дозволяє розрахувати можливі значення енергії та переходи між енергетичними рівнями.

Аналізуючи наведений вище спосіб трансформації довжин світлових хвиль, було розроблено пристрій трансформації довжин світлових хвиль – спектротрансформатор.

Пристрій трансформації довжин світлових хвиль містить відбиваючу дзеркальну систему, активний спектральний перетворювач, підсилювач випромінювання та об’єднувач випромінювання, причому сонячне світло, підсилюючись за допомогою відбивальної дзеркальної системи, потрапляє на активний спектральний перетворювач, що встановлений із можливістю з’єднання із підсилювачем випромінювання, який відповідно з’єднаний з об’єднувачем випромінювання.

На рисунку 7.4 розглянемо схему способу побудови спектротрансформатора.

Пристрій трансформації довжин світлових хвиль працює таким чином. Сонячне світло 1 та відбите випромінювання від вторинної системи дзеркал 2, потрапляє на активний спектральний перетворювач 3, який створено на основі ефекту вимушеного випромінювання в активному середовищі з інверсною заселеністю енергетичних рівнів. Після перетворення світлового спектру у необхідний діапазон, наприклад інфрачервоний (ІЧ), випромінювання зі зміненою довжиною хвилі 4 поступає у підсилювач випромінювання 5, який виконаний на основі сферичних дзеркал і дозволяє підсилити та направити отримане випромінювання.

clip_image110

Рисунок 7.4 — Схема способу побудови спектротрансформатора

Після того підсилене випромінювання 6 попадає до об’єднувача випромінювання 7, звідки отримується концентрований та напрямлений пучок променів, тобто трансформоване випромінювання 8, наприклад ІЧ випромінювання.

Активний спектральний перетворювач 3 створено на основі запропонованого вище способу трансформації довжин світлових хвиль, а саме, квантової теорії випромінювання воднеподібних атомів та атомів лужних металів, що дозволяє здійснювати заселення верхніх атомних рівнів та зумовлює інверсне заселення відносно нижче розміщення енергетичних рівнів. Отримані результати застосовуються при створенні оптичних квантових генераторів – лазерів, а також пропонується застосовувати при розробці високоефективних перетворювачів видимого випромінювання в інфрачервоний діапазон. Основна ідея сучасних частотних перетворювачів випромінювання базується на резонансній оптичній накачці парів лужних металів, які є ефективними робочими середовищами для генерації видимого і ІЧ випромінювання.

Один комментарий к “Конструкції і пристрої отримання енергії”

  1. ВНТУ Says:

    Автор статьї Кожем»яко В.П., Ярославський Я.І.



Оставьте комментарий к статье