+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

Определение КПД при подъеме тела по наклонной плоскости

Приборы и материалы: доска, динамометр, измерительная лента или линейка, брусок, штатив с муфтой и лапкой.

Применим «золотое правило» механики к наклонной плоскости (рис. 317).

Работа, совершаемая при подъеме тела вверх по вертикали, равна произведению силы тяжести F1 на высоту h:

A1 = F1h

На такую же высоту h можно поднять тело путем равномерного перемещения его вдоль наклонной плоскости длиной l, прилагая к телу силу F2. Совершенная при этом работа определится по формуле:

A2 = F2l

Согласно «золотому правилу» механики, при отсутствии трения обе названные выше работы равны между собой:

A1=A2 или F1h=F2l.

При наличии же трения эти две работы будут разными. Работа A2, совершаемая по передвижению тела вдоль наклонной плоскости, будет больше работы A1, которая совершается при поднятии этого тела на высоту наклонной плоскости по вертикали:

A2>А1

A2 — это полная работа, А1 — полезная работа. Разделив полезную работу на полную работу, получим КПД наклонной плоскости в процентах:

КПД = A1/A2*100%.

Указания к работе

  1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений.

  1. Установите доску наклонно (рис. 318).
  2. Измерьте высоту h и длину l наклонной плоскости и выразите их в метрах.
  3. Динамометром измерьте силу тяжести бруска F1 и выразите ее в ньютонах.
  4. Прицепив к бруску динамометр, равномерно двигайте брусок по наклонной плоскости вверх. Измерьте силу тяги F2 в ньютонах.
  5. Вычислите работу при подъеме бруска на высоту h по вертикали и работу при подъеме этого бруска на ту же высоту по наклонной плоскости длиной l.
  6. Вычислите КПД наклонной плоскости в процентах.
  7. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

Дополнительное задание

  1. Используя «золотое правило» механики, рассчитайте, какой выигрыш в силе дает наклонная плоскость, если не учитывать трение.
  2. Измените высоту наклонной плоскости и для нее определите полезную, полную работу и КПД.

Определение КПД замкнутого цикла — Физика дома

Задачи на определение КПД замкнутого цикла пользуются неизменной популярностью на экзаменах по физике, также как и другие графические задачи по термодинамике. Эта задача будет полезна и тем, кто сдаёт физику в этом году,  и тем учащимся, кто хочет научиться решать подобные задачи.

На p-V диаграмме изображен замкнутый цикл, проводимый с одноатомным идеальным газом. Определить КПД (коэффициент полезного действия) этого цикла.

КПД (коэффициент полезного действия) замкнутого цикла определяется по формулам для вычисления КПД теплового двигателя.

Причём, можно воспользоваться первой формулой, а можно воспользоваться второй. Разница состоит в том, что Q1 — это количество теплоты, которое получает рабочее тело (идеальный газ ) за цикл от нагревателя, а Q2 — это энергия, отдаваемая за цикл холодильнику.

По графику, представленному в задаче надо четко определить, на каких участках газ энергию получает, а на каких — отдаёт. Так как график дан в координатах pV, то сделать можно это начертив изотермы через все указанные состояния.

Ну а далее с помощью понятий, изучаемых в термодинамике (работа газа и внутренняя энергия), первого закона термодинамики и уравнения состояния идеального газа (уравнения Менделеева — Клапейрона) определяем работу газа за цикл и рассчитываем, в зависимости от выбранной формулы, либо Q1 либо Q2.

Подставляя величины в формулу, определяем КПД замкнутого цикла.

На сайте Вы можете посмотреть решение еще одной задачи по этой теме.

 

Вы можете оставить комментарий, или поставить трэкбек со своего сайта.

Написать комментарий

Определение коэффициента полезного действия при подъеме тела по наклонной плоскости

Автор: Дмитриева Вера Владимировна,

учитель физики ГОУ лицей № 384 Кировского района Санкт – Петербурга

Скачать презентацию к уроку

 

Введение

Понятие «коэффициент полезного действия» впервые вводится в курсе физики в 7 классе. Использование современных образовательных технологий позволяет учащимся повысить мотивацию обучения и эффективность усвоения материала.

При проведении урока «Определение коэффициента полезного действия при подъеме тела по наклонной плоскости»использовалась технология исследования в обучении.

Урок  включает следующие этапы: актуализация знаний, изучение нового материала (выполнение лабораторной работы), проведение исследования, рефлексия.

В ходе урока использовалась работа в парах. Применение этой технологии позволило учащимся не только приобрести новые знания, но и развить способность к активному творчеству.

 

Цели и задачи урока

 

Задачи урока:

·        Актуализация знаний учащихся

·        Вызвать интерес к изучаемому материалу

·        Мотивировать деятельность учащихся

 

Цели:

Обучающие:

·        Познакомить учащихся с новой физической величиной – КПД механизма.

·        Убедиться на опытах, что полезная работа, выполненная с помощью наклонной плоскости, меньше затраченной работы.

·        Определить КПД при подъеме телапонаклонной плоскости.

·        Выяснить, от чего зависит КПД при подъеме телапонаклонной плоскости.

·        Проверить умение применять полученные знания для решения практических и исследовательских задач.

·        Показать связь изученного материала с жизнью.

Развивающие:

  • Создать условия для развития личности учеников в процессе их деятельности.
  • Способствовать развитию практических навыков и умений.
  • Формировать умение выдвигать гипотезу, проверять её.
  • Научить выделять главное, сравнивать, развить способности к обобщению, систематизации полученных знаний. Формировать умение работать в паре.

Воспитательные:

  • Развитие коммуникативных навыков.
  • Развитие навыков работы в команде (взаимоуважение, взаимопомощь и поддержка).

Здоровьесберегающие:

Выстраивание модели здоровьесберегающего урока.

 

Форма урока:Исследовательская работа учащихся.

 

Ход урока

·        Организационный момент.

·        Актуализация  знаний.  Разминка.

·        Выполнение лабораторной работы.

·        Физическая пауза.

·        Исследовательская часть работы.

·        Домашнее задание.

·        Закрепление изученного материала.

 

1. Организационный момент.Слайды 2-3

2. Актуализация знаний. Разминка.Слайды 4-7

1.     Что такое простые механизмы?

Перечислите, какие простые механизмы Вы знаете.

Приведите примеры применения простых механизмов.

Для чего они нужны?

Объясните своими словами смысл выражения “получить выигрыш в силе”.

Сформулируйте «золотое правило» механики.

2.     Рассмотрим ситуацию. Слайды 8 – 9

Рабочему надо загрузить бочку с бензином в кузов грузовой автомашины.

Чтобы просто поднять её, надо приложить очень большую силу — силу, равную силе тяжести (весу) бочки. Такую силу рабочий приложить не может.

•         Как ему поступить?

(учащиеся предлагают свои варианты)

…тогда он кладет две доски на край кузова и вкатывает бочку по образовавшейся

наклонной плоскости, прикладывая силу, значительно меньшую , чем вес бочки!

Вывод:Слайд 10 – 11

·        Наклонная плоскость применяется для перемещения тяжелых предметов на более высокий уровень без их непосредственного поднятия.

·        К таким устройствам относятся пандусы, эскалаторы, обычные лестницы и конвейеры.

3. Какими параметрами характеризуется наклонная плоскость?

3. Лабораторная работа № 10.[1]Слайды 12 — 21

«Определение коэффициента полезного действия при подъеме тела по наклонной плоскости».

Предмет исследования: наклонная плоскость.

Цель исследования:рассчитать КПД при подъеме телапонаклонной плоскости.

Задачи исследования:

         — Рассчитать полезную работу.

         — Рассчитать затраченную работу.

         — Сравнить полезную и затраченную работу.

         — Рассчитать КПД при подъеме телапонаклонной плоскости.

Оборудование:Компьютер, мультимедийный проектор (для учителя)

·        Штатив

·        Доска

·        Брусок

·        Набор грузов

·        Динамометр

·        Мерная лента (линейка)

Изучение нового материала.

1.      Познакомить учащихся с новой физической величиной – КПД механизма.

КПД — это физическая величина, равная отношению полезной работы к затраченной, выраженная в процентах.

КПД обозначается буквой «эта»

КПД измеряется в процентах.

Какая работа является полезной, какая работа является затраченной?

Затраченная работа     Азатраченная=F*s

Полезная работа     Aполезная= P*h

Например, КПД= 75%.

Это число показывает, что из 100% (затраченной работы) полезная работа составляет 75%.

Инструктаж по выполнению работы.

Выполнение лабораторной работы.

Определите цену деления приборов (динамометра и линейки).

1.   Установите доску на высоте h, измерьте ее.

2.     Измерьте динамометром вес бруска Р.

3.     Положите брусок на доску и динамометром тяните его равномерно вверх вдоль наклонной плоскости. Измерьте силу F. Вспомните, как правильно при этом пользоваться динамометром.

4.     Измерьте длину наклонной плоскости s.

5.     Рассчитайте полезную и затраченную работу.

6.     Вычислите коэффициент полезного действия при подъеме тела по наклонной плоскости.

7.     Данные запишите в таблицу № 1.

8.     Сделайте вывод.

Оформление результатов работы

Таблица 1.

Вес тела

Р, Н

Высота

h, м

Апол,

Дж

Сила

F, Н

Длина

s, м

Азатр,

Дж

КПД,

 %

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод:

•         Полезная работа _______________, чем затраченная.

•         Коэффициент полезного действия при подъеме тела по наклонной плоскости       _____  %, т.е. это число показывает, что __________________________________________________________________.

4.  Физическая пауза.Слайды 22 — 25 

Примеры наклонной плоскости. Учащиеся смотрят слайды с примерами применения наклонной плоскости.

5.  Исследовательская работа. Слайды 26 – 30

•         Проблема. От чего может зависеть КПД наклонной плоскости?

•         Гипотеза. Если увеличить (уменьшить) высоту наклонной плоскости, то КПД при подъеме тела по наклонной плоскости не изменится (увеличится, уменьшится).

•         Если увеличить (уменьшить) вес тела, то КПД при подъеме тела по наклонной плоскости не изменится (увеличится, уменьшится).

Учащиеся выбирают один из предложенных вариантов исследования:

•         Как зависит КПД при подъеме тела по наклонной плоскости от высоты наклонной плоскости?

•          Как зависит КПД при подъеме тела по наклонной плоскостиот веса тела?

Оформление результатов работы

Таблица 2.

Вес тела

Р, Н

Высота

h, м

Апол,

Дж

Сила

F, Н

Длина

s, м

Азатр,

Дж

КПД,

 %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вывод:

Вывод:

КПД при подъеме тела по наклонной плоскости зависит (не зависит) от высоты наклонной плоскости. Чем больше (меньше) высота наклонной плоскости, тем КПД __________.

КПД при подъеме тела по наклонной плоскостизависит (не зависит) от веса тела. Чем больше (меньше) вес тела, тем КПД __________.

Обсуждение вариантов исследования.

6.  Домашнее задание.  Слайды 31 — 32

 Параграф 60, 61, задача 474.

 Для желающих подготовить сообщения.

·        Простые механизмы у меня дома

·        Устройство мясорубки

·        Простые механизмы на даче

·        Простые механизмы в строительстве

·        Простые механизмы и тело человека

7.  Закрепление изученного материала   Слайды  31 – 34
Работа с текстом [2]

При использовании _________________ механизмов человек совершает _______________. Простые механизмы позволяют получить выигрыш ______________ . При этом во сколько раз ________________ в силе, во столько же раз _________________________________. В этом состоит ___________________________________ механики. Оно формулируется так: __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________. Обычно при движении тела ______________________________ трения. Поэтому величина _____________________ работы всегда больше ____________________ . Отношение ________________________________________ к ______________________, выраженное в процентах, называется  _______________________________________________________________________________________ : ______________.

Мини – тест.

Ваш КПД сегодня на уроке

1.     100%

2.     больше 100%

3.     меньше 100%

4.     0%

 

Литература

1 А.В.Перышкин Физика 7 класс. М.: Дрофа, 2010

2 Г.Н.Степанова Физика 7 рабочая тетрадь ч.1. СПб СТП-Школа, 2003

Проверочная работа по теме «Определение КПД электроприборов» (8 класс)

С. Р. Определение КПД электроприборов

1 вариант

1. 2 литра воды при начальной температуре 20 °C закипают за 600 с. Сила тока, потребляемая электрическим водонагревателем, 6 А. Напряжение в электрической сети 230 В. Определить коэффициент полезного действия водонагревателя.

2. В электрочайнике с сопротивлением нагревательного элемента 12,1 Ом находится 0,6 кг воды при 20 °C. Чайник включили в сеть с напряжением 220 В и забыли выключить. Через сколько времени вода полностью выкипит, если КПД установки 60%?

3. Подъёмный кран равномерно поднимает груз массой 0,5 т на высоту 28,5 м за 30 с. Чему равен КПД двигателя крана, если сила тока, потребляемая краном, равна 25 А, а напряжение на обмотке его двигателя 380 В?

С.Р. Определение КПД электроприборов

2 вариант

1. Объем рабочего бака электроводонагревателя равен 80 л. Мощность нагревателя 2 кВт. Вода в баке нагревается за 3 часа от температуры 12 °C  до 70 °C. Определите КПД нагревателя. 

2. Электрический кипятильник со спиралью сопротивлением 150 Ом поместили в сосуд, содержащий 400 г воды, и включили в сеть с напряжением 220 В. За какое время вода в сосуде нагреется на 54,6 °C? Теплообменом с окружающей средой пренебречь.

3. Подъёмный кран равномерно поднимает груз массой 760 кг на высоту 20 м за 40 с. Чему равна сила тока в обмотке двигателя крана, если напряжение на обмотке двигателя 380 В, а КПД двигателя крана 50%?

С.Р. Определение КПД электроприборов

1 вариант

1. 2 литра воды при начальной температуре 20 °C закипают за 600 с. Сила тока, потребляемая электрическим водонагревателем, 6 А. Напряжение в электрической сети 230 В. Определить коэффициент полезного действия водонагревателя.

2. В электрочайнике с сопротивлением нагревательного элемента 12,1 Ом находится 0,6 кг воды при 20 °C. Чайник включили в сеть с напряжением 220 В и забыли выключить. Через сколько времени вода полностью выкипит, если КПД установки 60%?

3. Подъёмный кран равномерно поднимает груз массой 0,5 т на высоту 28,5 м за 30 с. Чему равен КПД двигателя крана, если сила тока, потребляемая краном, равна 25 А, а напряжение на обмотке его двигателя 380 В?

С.Р. Определение КПД электроприборов

2 вариант

1. Объем рабочего бака электроводонагревателя равен 80 л. Мощность нагревателя 2 кВт. Вода в баке нагревается за 3 часа от температуры 12 °C  до 70 °C. Определите КПД нагревателя. 

2. Электрический кипятильник со спиралью сопротивлением 150 Ом поместили в сосуд, содержащий 400 г воды, и включили в сеть с напряжением 220 В. За какое время вода в сосуде нагреется на 54,6 °C? Теплообменом с окружающей средой пренебречь.

3. Подъёмный кран равномерно поднимает груз массой 760 кг на высоту 20 м за 40 с. Чему равна сила тока в обмотке двигателя крана, если напряжение на обмотке двигателя 380 В, а КПД двигателя крана 50%?

Что такое эффективность. Разбираемся, что такое КПД

КПД, по своему определению, это отношение полученной энергии к затраченной. Если двигатель сжигает бензин и только треть образовавшегося тепла превращается в энергию движения автомобиля, то КПД равен одной трети или (округляя до целых) 33%. Если лампочка дает световой энергии в пятьдесят раз меньше потребляемой электрической, ее КПД равен 1/50 или 2%. Однако тут сразу возникает вопрос: а если лампочка продается как инфракрасный обогреватель? После того как продажа ламп накаливания была запрещена, точно такие же по конструкции устройства стали продаваться как «инфракрасные обогреватели», поскольку именно в тепло преобразуется свыше 95% электроэнергии.

(Бес)полезное тепло

Обычно тепло, выделяющееся при работе чего-либо, записывают в потери. Но это далеко не бесспорно. Электростанция, например, превращает в электроэнергию примерно треть выделяющегося при сгорании газа или угля тепла, однако еще часть энергии может при этом пойти на нагрев воды. Если горячее водоснабжение и теплые батареи тоже записать в полезные результаты работы ТЭЦ, то КПД вырастет на 10-15%.

Схожим примером может служить автомобильная «печка»: она передает в салон часть тепла, образующегося при работе двигателя. Это тепло может быть полезным и необходимым, а может рассматриваться как потери: по этой причине оно обычно не фигурирует в расчетах КПД автомобильного мотора.

Инженер осматривает паровую турбину. Фото Christian Kuhna / Wikimedia, с разрешения производителя — Siemens.

Особняком стоят такие устройства, как тепловые насосы. Их КПД, если считать его по соотношению выданного тепла и затраченного электричества, больше 100%, однако это не опровергает основы термодинамики. Тепловой насос перекачивает тепло от менее нагретого тела к более нагретому и затрачивает на это энергию, так как без затрат энергии подобное перераспределение теплоты запрещено той же термодинамикой. Если тепловой насос берет из розетки киловатт, а выдает пять киловатт тепла, то четыре киловатта будут взяты из воздуха, воды или грунта вне дома. Окружающая среда в том месте, откуда устройство черпает тепло, остынет, а дом прогреется. Но потом эта теплота вместе с потраченной насосом энергией все равно рассеется в пространстве.

Внешний контур теплового насоса: через эти пластиковые трубы прокачивается жидкость, забирающая тепло из толщи воды в отапливаемое здание. Mark Johnson / Wikimedia

Много или эффективно?

Некоторые устройства имеют очень высокий КПД, но при этом — неподходящую мощность.

Электрические моторы тем эффективнее, чем они больше, однако поставить электровозный двигатель в детскую игрушку физически невозможно и экономически бессмысленно. Поэтому КПД двигателей в локомотиве превышает 95%, а в маленькой машинке на радиоуправлении — от силы 80%. Причем в случае с электрическим двигателем его эффективность зависит так же от нагрузки: недогруженный или перегруженный мотор работает с меньшим КПД. Правильный подбор оборудования может значить даже больше, чем просто выбор устройства с максимальным заявленным КПД.

Самый мощный серийный локомотив, шведский IORE. Второе место удерживает советский электровоз ВЛ-85. Kabelleger / Wikimedia

Если электрические моторы выпускаются для самых разных целей, от вибраторов в телефонах до электровозов, то вот ионный двигатель имеет гораздо меньшую нишу. Ионные двигатели эффективны, экономичны, долговечны (работают без выключения годами), но включаются только в вакууме и дают очень малую тягу. Они идеально подходят для отправки в дальний космос научных аппаратов, которые могут лететь к цели несколько лет и для которых экономия топлива важнее затрат времени.

Электрические моторы, кстати, потребляют почти половину всей вырабатываемой человечеством электроэнергии, так что даже разница в одну сотую процента в мировом масштабе может означать необходимость построить еще один ядерный реактор или еще один энергоблок ТЭЦ.

Эффективно или дешево?

Энергетическая эффективность далеко не всегда тождественна экономической. Наглядный пример — светодиодные лампы, которые до недавнего времени проигрывали лампам накаливания и флуоресцентным «энергосберегайкам». Сложность изготовления белых светодиодов, дороговизна сырья и, с другой стороны, простота лампы накаливания заставляли выбирать менее эффективные, но зато дешевые источники света.

Кстати, за изобретение синего светодиода, без которого бы нельзя было сделать яркую белую лампу, японские исследователи получили в 2014 году Нобелевскую премию. Это не первая премия, вручаемая за вклад в развитие освещения: в 1912 году наградили Нильса Далена, изобретателя, который усовершенствовал ацетиленовые горелки для маяков.

Синие светодиоды нужны для получения белого света в сочетании с красными и зелеными. Эти два цвета научились получать в достаточно ярких светодиодах намного раньше; синие долгое время оставались слишком тусклыми и дорогими для массового применения

Другой пример эффективных, но очень дорогих устройств — солнечные батареи на основе арсенида галлия (полупроводник с формулой GaAs). Их КПД достигает почти 30%, что в полтора-два раза выше используемых на Земле батарей на основе куда более распространенного кремния. Высокая эффективность оправдывает себя только в космосе, куда доставка одного килограмма груза может стоить почти как килограмм золота. Тогда экономия на массе батареи будет оправдана.

КПД линий электропередач можно поднять за счет замены меди на лучше проводящее ток серебро, однако серебряные кабели слишком дороги и потому используются разве что в единичных случаях. А вот к идее построить сверхпроводящие ЛЭП из дорогой и требующей охлаждения жидким азотом редкоземельной керамики в последние годы несколько раз обращались на практике. В частности, такой кабель уже проложен и подключен в германском городе Эссене. Он рассчитан на 40 мегаватт электрической мощности при напряжении в десять киловольт. Кроме того что потери на нагрев сведены к нулю (однако взамен нужно питать криогенные установки), такой кабель намного компактнее обычного и за счет этого можно сэкономить на покупке дорогой земли в центре города или отказаться от прокладки дополнительных туннелей.

Не по общим правилам

Из школьного курса многие помнят, что КПД не может превышать 100% и что он тем выше, чем больше разница температур между холодильником и нагревателем. Однако это верно лишь для так называемых тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, реактивные и ракетные двигатели, газовые и паровые турбины.

Электродвигатели и все электрические устройства этому правилу не подчиняются, поскольку они не тепловые машины. Для них верно только то, что КПД не может превышать ста процентов, а частные ограничения в каждом случае определяются по-разному.

В случае с солнечной батареей потери определяются как квантовыми эффектами при поглощении фотонов, так и потерями на отражение света от поверхности батареи и на поглощение в фокусирующих зеркалах. Проведенные расчеты показали, что выйти за 90% солнечная батарея не может в принципе, а на практике достижимы значения около 60-70%, да и те при весьма сложной структуре фотоячеек.

Великолепным КПД обладают топливные элементы. В эти устройства поступают некие вещества, которые вступают в химическую реакцию друг с другом и дают электрический ток. Этот процесс опять-таки не является циклом тепловой машины, поэтому КПД получается достаточно высоким, порядка 60%, в то время как дизель или бензиновый двигатель не выходят обычно за 50%.

Именно топливные элементы стояли на летавших к Луне космических кораблях «Аполло», и они могут работать, например, на водороде и кислороде. Их недостаток заключается только в том, что водород должен быть достаточно чистым и к тому же его надо где-то хранить и как-то передавать от завода к потребителям. Технологии, позволяющие заменить водородом обычный метан, пока что не доведены до массового использования. На водороде и топливных элементах работают лишь экспериментальные автомобили и некоторое количество подводных лодок.

Плазменные двигатели серии СПД. Их делает ОКБ «Факел», и они используются для удержания спутников на заданной орбите. Тяга создается за счет потока ионов, которые возникают после ионизации инертного газа электрическим разрядом. КПД этих двигателей достигает 60 процентов

Ионные и плазменные двигатели уже существуют, но тоже работают лишь в вакууме. Кроме того, их тяга слишком мала и на порядки ниже веса самого устройства — с Земли они не взлетели бы даже при отсутствии атмосферы. Зато во время межпланетных полетов длительностью в многие месяцы и даже годы слабая тяга компенсируется экономичностью и надежностью.

 Алексей Тимошенко

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД (электродвигатель)

2,5
КПД определяется как отношение выходной мощности к входной мощности двигателя, выраженное в процентах; таким образом,

ТАБЛИЦА 2.4b Номинальный КПД трехфазных четырехполюсных энергоэффективных двигателей TEFC при полной нагрузке
Диапазон номинального КПД Средний номинальный КПД
л. с. мин. Макс.
1 77,0 85,5 S2.5
2 82,5 86,5 84,2
3 82,5 89,5 87,8
5 85,5 90,2 88,4
7,5 87,5 91,0 90,3
10 89,5 91.7 90,6
L5 91,0 92,5 92,0
20 91,9 93,0 92,6
25 92,3 94,1 93,1
30 92,6 94,1 93,4
10 93,1 94,5 93,8
50 93.2 95,0 94,0
60 93,6 95,0 94,4
75 93,8 95,4 94,7
100 94,1 95,4 94,9
125 94,2 95,8 95,2
150 94,2 96,2 95,4
200 95. 2 96,2 95,7

a На основе имеющихся опубликованных данных. Это также может быть выражено как

РИСУНОК 2.5 (a) Диапазон номинального КПД для существующих в отрасли энергоэффективных открытых асинхронных двигателей со скоростью 1800 об / мин. (b) Диапазон номинального КПД для существующих в отрасли энергоэффективных асинхронных двигателей TEFC 1800 об / мин.

РИСУНОК 2.6 Сравнение энергоэффективных и стандартных двигателей. (Предоставлено MAGNETEK, Сент-Луис, Миссури).)
, где
Ws = потери в обмотке статора
W, = потери в обмотке ротора, потери на скольжение
Wc = потери в магнитном сердечнике
= потери на трение холостого хода и потери Ws; = потеря паразитной нагрузки при полной нагрузке

РИСУНОК 2.7 Тенденция к снижению потерь и повышению эффективности для асинхронного двигателя мощностью 50 л.с. и 1800 об / мин.
Точность определения эффективности зависит от используемого метода испытаний и точности потерь, определяемых методом испытаний. В отрасли не существует единого стандартного метода.Чаще всего упоминаются следующие методы испытаний: Стандарт IEEE 112-1984 Стандартная процедура испытаний для многофазных асинхронных двигателей и генераторов; Публикация 34-2 Международной электротехнической комиссии (МЭК) «Методы определения потерь и эффективности вращающихся электрических машин на основе испытаний»; и Стандарт 37 Японской электротехнической комиссии (JEC) (1961 г.), Стандарт для индукционных машин.
Каждый из этих стандартов допускает более одного метода определения КПД двигателя, и их можно сгруппировать в две большие категории: методы прямого измерения и методы раздельных потерь.В методах прямого измерения входная мощность и выходная мощность двигателя измеряются напрямую. В методах раздельных потерь один или оба не измеряются напрямую. С помощью прямых методов измерения.

2.5.1


Стандарт IEEE 112-1984

Методы A, B и C являются методами прямого измерения:

Метод A: Тормоз. В этом методе для нагрузки двигателя используется механический тормоз, а выходная мощность рассеивается в механическом тормозе.Способность тормоза рассеивать эту мощность ограничивает этот метод
в первую очередь асинхронными двигателями меньшего размера (обычно дробная мощность в лошадиных силах).

Метод B:

Динамометр. В этом методе энергия от двигателя передается на вращающуюся машину (динамометр), которая действует как генератор для рассеивания энергии в батарее нагрузки. Динамометр устанавливается на шкале нагрузок, тензодатчика или стола крутящего момента. Это очень гибкий и точный метод испытаний двигателей мощностью 1500 л.с.Однако для обеспечения точности корректировки динамометра следует вносить в соответствии с процедурой испытания. Метод B включает процедуру сглаживания данных о потерях паразитной нагрузки с помощью анализа линейной регрессии. Эти сглаженные значения потерь паразитной нагрузки используются для расчета окончательного значения эффективности.

Метод C:

Дубликаты машин. В этом методе используются два идентичных двигателя, механически связанных друг с другом и электрически подключенных к двум источникам энергии, частота одного из которых регулируется.* Показания снимаются на обеих машинах, и производятся вычисления для расчета эффективности. Эта процедура включает метод определения потерь паразитной нагрузки.

Методы E и F — это методы раздельных потерь:

Метод E: входные измерения.f Выходная мощность двигателя определяется вычитанием потерь из измеренной входной мощности двигателя в различных точках нагрузки. Для каждой нагрузки измеренные потери I2R корректируются с учетом температуры и добавляются к потерям холостого хода на трение, ветер и сердечник.Потери паразитной нагрузки, которые могут быть определены либо прямо, косвенно, либо с использованием согласованного стандартизованного значения, включаются в эту общую сумму.
Метод F: Расчет эквивалентной цепи. Когда испытания под нагрузкой не могут быть проведены, рабочие характеристики могут быть рассчитаны на основе данных об холостом ходу и импеданса с помощью эквивалентной схемы. Эта эквивалентная схема показана на рис. 2.8. Из-за нелинейной природы

РИСУНОК 2.8 Многофазный асинхронный двигатель на схему замещения фаз.(От Р. Э. Остерлей, Труды 7-й Национальной конференции по передаче электроэнергии, Gould Inc., Сент-Луис, Миссури, 1980.) Из этих параметров цепи
, они должны определяться с большой осторожностью, чтобы гарантировать точные результаты. Процедуры определения этих параметров изложены в стандарте и определяются отдельным тестом. Точные прогнозы характеристик двигателя зависят от того, насколько точно r2 представляет фактическое сопротивление ротора на низкой частоте.
2.5.2

Публикация МЭК 34-2

Те же основные альтернативные методы, что описаны для IEEE 112, также разрешены в IEC 34-2. Однако предпочтение отдается методу суммирования потерь для определения КПД двигателя. Это похоже на методы E и F IEEE 112, за исключением того, что метод IEC по-разному определяет потери паразитной нагрузки и температурные поправки. Предполагается, что потери от паразитной нагрузки IEC составляют 0,5% от номинального входного сигнала, тогда как в стандарте IEEE предпочтение отдается прямому измерению потерь от паразитной нагрузки. Температурные поправки сопротивления в методе IEC даны как фиксированные значения в зависимости от класса изоляции, тогда как стандарт IEEE рекомендует использовать измеренное превышение температуры для корректировки сопротивления.Эти различия обычно приводят к более высоким значениям КПД двигателя по методу IEC.
2.5.3

Стандарт JEC 37

Стандарт JEC 37 также определяет те же базовые методы, что и IEEE 112, за исключением метода C, дублирующие машины. Предпочтительный метод определения эффективности в этом стандарте использует круговые диаграммы. Это графическое решение Т-эквивалентной схемы асинхронного двигателя. (Это похоже на метод F IEEE с ответвлением цепи R.) Как и в стандарте IEC, используются различные методы для определения параметров цепи и корректировки расчетов производительности. Основным среди них является установка потерь на паразитную нагрузку равными нулю и использование фиксированных значений для температурных поправок сопротивления, которые зависят от класса изоляции. Эти различия обычно дают более высокие значения КПД двигателя, чем методы IEEE.
2.5.4

Сравнение эффективности, определенной предпочтительными методами

Чтобы проиллюстрировать изменения КПД в результате использования предпочтительных методов, КПД при полной нагрузке нескольких различных многофазных двигателей был рассчитан с помощью предпочтительных методов испытаний, приведенных в трех стандартах.Результаты представлены в таблице 2.5. Как показывают значения, эффективность, определенная методами IEC и JEC, выше, чем у метода IEEE. Основная причина этой разницы — способ учета потерь паразитной нагрузки. По методу B IEEE потери от паразитной нагрузки включены в прямые измерения на входе и выходе, тогда как по методу IEC потери от паразитной нагрузки составляют

.

ТАБЛИЦА 2.5 Эффективность, определяемая предпочтительными методами
JEC 37, окружность IEC 34-2 потеря IEEE 112,
л.с. диаграмма суммирование метод B
5 88.8 88,3 86,2
10 89,7 89,2 86,9
20 91,9 91,4 90,4
75 93,1 92,7 flO.O

принимается за 0,5% от ввода, а в методе JEC они устанавливаются равными нулю. Это сравнение показывает, насколько важно знать метод, используемый для определения эффективности при сравнении характеристик электродвигателей из разных источников и стран.
2.5.5

Вариант тестирования

Помимо отклонений в эффективности из-за используемых методов испытаний, отклонения также могут быть вызваны ошибкой человека и точностью испытательного оборудования. При испытании динамометра (IEEE 112, метод B), как и при всех методах испытаний, существует несколько потенциальных источников неточностей: точность прибора, точность динамометра и калибровка прибора и динамометра. Поэтому, чтобы свести к минимуму эти ошибки тестирования, рекомендуется регулярно калибровать все оборудование и инструменты.
При правильной калибровке динамометрические испытания обеспечивают последовательное и поддающееся проверке сравнение характеристик электродвигателя. NEMA провела циклическое испытание трех различных значений мощности (5, 25 и 100 л.с.) с рядом производителей электродвигателей. После предварительного раунда испытаний каждому производителю было предложено испытать двигатели в соответствии с IEEE 112, метод B, как с математическим сглаживанием потерь паразитной нагрузки, так и без него. Результаты этих испытаний сведены в Таблицу 2.6.

На основании результатов испытаний NEMA приняло стандартную процедуру испытаний для многофазных двигателей мощностью 1–125 л.с. в соответствии со стандартом IEEE 112, метод B, включая математическое сглаживание потерь паразитной нагрузки. Рекомендуется по возможности использовать этот метод определения КПД двигателя.

Эмпирическое определение эффективности сбора RRDE (N) — Магазин приборов для исследования сосны

Последнее обновление: 09.08.21, Тим Пашкевиц

БИРКИ ИЗДЕЛИЯ
  • эффективность сбора,
  • коллекция,
  • RRDE N

1 Общий обзор Прямое вычисление теоретической эффективности сбора возможно с использованием теоретических соотношений если известны фактические обработанные размеры диска и кольца для конкретного RRDE.На практике фактические размеры RRDE могут быть неизвестны из-за неопределенностей в процессе обработки и изменений размеров, вызванных полировкой электродов или циклическим изменением температуры. По этой причине общепринятой практикой является эмпирическое измерение эффективности сбора с использованием хорошо отлаженной окислительно-восстановительной системы, а не расчетное значение.

Полуреакция ферроцианид / феррицианид — это простая одноэлектронная обратимая полуреакция, которая часто используется в качестве основы для измерения эффективности улавливания.RRDE помещают в раствор, содержащий небольшую концентрацию (~ 10 мМ) феррицианида калия, K 3 Fe (CN) 6 , в подходящем водном растворе электролита (например, 1,0 М нитрата калия, KNO 3 ) и работает при частоте вращения от 500 до 2000 об / мин. Первоначально и кольцевой, и дисковый электроды удерживаются под достаточно положительным потенциалом, чтобы не происходило никакой реакции. Затем потенциал дискового электрода медленно изменяется (~ 50 мВ / сек) в сторону более отрицательных потенциалов, и наблюдается катодный ток, который соответствует восстановлению феррицианида до ферроцианида на диске.

Когда феррицианид восстанавливается на дисковом электроде, ферроцианид, образующийся в результате этого процесса, уносится наружу (радиально) от дискового электрода к кольцевому электроду. На кольцевом электроде поддерживается постоянный положительный (окислительный) потенциал на протяжении всего эксперимента. Некоторая часть (но не весь) ферроцианида, образующегося на диске, перемещается достаточно близко к кольцевому электроду, чтобы снова окислиться до феррицианида. Таким образом, на кольцевом электроде наблюдается анодный ток из-за окисления ферроцианида до феррицианида на кольце.

Измеренное соотношение кольцевого (анодного) ограничивающего тока и дискового (катодного) ограничивающего тока является эмпирической эффективностью улавливания. По мере увеличения скорости вращения увеличиваются и дисковый, и кольцевой токи (см. Рисунок 1). Поскольку как анодный, так и катодный ограничивающие токи пропорциональны квадратному корню из скорости вращения, ожидается, что эмпирическая эффективность сбора не зависит от скорости вращения.

Рисунок 1.вольтамперограммы вращающегося дискового электрода при различных скоростях вращения

После того, как значение эффективности сбора было установлено эмпирически для конкретного RRDE, его можно рассматривать как свойство этого конкретного RRDE, даже если RRDE используется для изучения другой половины реакции в другом растворе в другой день. Хотя эмпирически измеренная эффективность улавливания ( N эмпирическая ) представляет собой отношение двух токов, которые часто имеют противоположные математические знаки (анодный и катодный), эмпирическая эффективность улавливания всегда выражается положительным числом, как показано ниже,

, где n D и n R — количество электронов, которыми обмениваются на диске и кольце (и очень часто n D и n R равны друг другу) .

2 Список литературы

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Определений | Программа строительных энергетических кодексов

По закону (Закон об энергосбережении и производстве с внесенными в него поправками (ECPA)) Министерство энергетики обязано принять решение о том, соответствует ли последняя редакция стандарта ASHRAE Standard 90.1 (для коммерческих и многоквартирных многоэтажных жилых домов). зданий) или последней версии Международного кодекса энергосбережения (для малоэтажных жилых зданий) повысит энергоэффективность по сравнению с предыдущей редакцией соответствующего стандарта или кодекса.У DOE есть один год для публикации определения в Федеральном реестре после публикации каждой новой редакции стандарта / кодекса.

Последние версии

КОММЕРЧЕСКИЕ ДАННЫЕ: СТАНДАРТ ANSI / ASHRAE / IES 90.

1-2019

28 июля 2021 года Министерство энергетики постановило, что Стандарт 90.1-2019 позволит достичь большей энергоэффективности в зданиях, подпадающих под действие Кодекса. По оценкам Министерства энергетики, национальная экономия в коммерческих зданиях составляет приблизительно:

.
  • 4,7 процента сайт энергия
  • 4.3 процента источник энергия
  • 4,3 процента Стоимость энергии
  • 4,2 процента Выбросы углерода

Дополнительная информация, относящаяся к этому действию, включая официальную публикацию Федерального реестра и реестр полученных комментариев общественности, доступна на сайте Rules.gov.

Государственный сертификат

После публикации положительного определения государства должны подтвердить, что они изучили положения своих коммерческих строительных норм и правил, касающиеся энергоэффективности, и, при необходимости, обновили свои нормы, чтобы соответствовать или превосходить обновленную редакцию Стандарта 90. 1. Кроме того, DOE предоставляет государствам инструкции по подаче заявлений о сертификации и запросов на продление сроков. Государственные сертификаты по Стандарту 90.1-2019 должны быть представлены до 28 июля 2023 года.

Вспомогательный анализ

Министерство энергетики провело технический анализ в подтверждение своего определения. В этом анализе оценивается Стандарт 90.1 по сравнению с предыдущим изданием и оценивается ожидаемое потребление энергии зданиями, необходимое для соответствия обновленному Стандарту.

Федеральный закон о коммерческих зданиях

С каждой новой редакцией стандарта 90.1 ANSI / ASHRAE / IES от Министерства энергетики требуется по закону выносить решение о том, повлияет ли обновленная редакция на повышение энергоэффективности в коммерческих зданиях (42 USC 6833):

(2) (A) Каждый раз, когда положения стандарта ASHRAE 90.1-1989 (или любого последующего стандарта) в отношении энергоэффективности в коммерческих зданиях пересматриваются, секретарь [DOE] должен не позднее, чем через 12 месяцев после даты такого пересмотра , определить, повлияет ли такой пересмотр на повышение энергоэффективности коммерческих зданий. Секретарь [DOE] публикует уведомление о таком определении в Федеральном реестре.

(B) (i) Если секретарь [DOE] принимает утвердительное решение в соответствии с подпунктом (A), каждое государство не позднее, чем через 2 года после даты публикации такого определения, должно подтвердить, что оно рассмотрело и обновило положения коммерческого строительного кодекса в отношении энергоэффективности в соответствии с пересмотренным стандартом, для которого было принято такое определение. Такая сертификация должна включать демонстрацию того, что положения коммерческого строительного кодекса такого государства, касающиеся энергоэффективности, соответствуют такому пересмотренному стандарту или превосходят его.

(ii) Если секретарь [DOE] принимает решение в соответствии с подпунктом (A), что такой пересмотренный стандарт не повысит энергоэффективность коммерческих зданий, положения государственных коммерческих строительных норм, касающихся энергоэффективности, должны соответствовать или превосходить стандарт ASHRAE 90. 1-1989, или если такой стандарт был пересмотрен, последний пересмотренный стандарт, в отношении которого секретарь [DOE] принял утвердительное решение в соответствии с подпунктом (A).

ЖИЛОЙ: МЕЖДУНАРОДНЫЙ КОДЕКС ПО ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЮ 2021 ГОДА

28 июля 2021 года Министерство энергетики издало постановление о том, что Международный кодекс энергосбережения (IECC) 2021 года повысит энергоэффективность жилых зданий.В подтверждение этого определения Министерство энергетики провело технический анализ, оценивающий влияние обновленного кодекса (по сравнению с версией IECC 2018 г.). По оценкам Министерства энергетики, национальные сбережения составляют приблизительно:

.
  • 9,38 процента сайт экономия энергии
  • 8,79% источник экономия энергии
  • 8,66% затраты на электроэнергию экономия
  • 8,66 процента Выбросы углерода

Дополнительная информация, связанная с этим действием, включая официальную публикацию Федерального реестра и реестр полученных комментариев общественности, доступна в Правилах. губ.

Государственный сертификат

После публикации положительного определения государства должны подтвердить, что они пересмотрели положения своих норм жилищного строительства, касающиеся энергоэффективности, и приняли решение о том, целесообразно ли для них пересмотреть свой кодекс для соответствия или превышения обновленных требований. редакция IECC. Кроме того, DOE предоставляет государствам инструкции по подаче заявлений о сертификации и запросов на продление сроков. Государственные сертификаты для IECC 2021 года должны быть представлены до 28 июля 2023 года.

Вспомогательный анализ

DOE опубликовал технический анализ в поддержку своего определения. В этом анализе проводится оценка IECC 2021 года по сравнению с IECC 2018 года, а также прогнозируемое энергопотребление зданий, которое потребуется для соответствия нормам.

Федеральный закон о жилых домах

С каждой новой редакцией IECC, Министерство энергетики обязано по закону определять, улучшит ли обновленная редакция энергоэффективность в жилых зданиях. (42 U.S.C.6833):

(5) (A) Каждый раз при пересмотре Типового энергетического кодекса CABO *, 1992 (или любого последующего такого кодекса), секретарь [DOE] не позднее, чем через 12 месяцев после такого пересмотра, определяет, будет ли такой пересмотр повысить энергоэффективность жилых домов. Секретарь [DOE] публикует уведомление о таком решении в Федеральном реестре.

(B) Если секретарь [DOE] принимает утвердительное решение в соответствии с подпунктом (A), каждое государство не позднее, чем через 2 года после даты публикации такого определения, должно подтвердить, что оно изучило положения своего жилого дома. Кодекса, касающегося энергоэффективности, и принял решение относительно того, уместно ли для такого государства пересмотреть такие положения норм жилищного строительства, чтобы соответствовать или превосходить пересмотренный кодекс, для которого секретарь [DOE] принял такое решение.

* Как предшественник ICC, Совет американских строителей (CABO) отвечал за разработку Модельного энергетического кодекса (MEC). Современные энергетические кодексы называются и публикуются как Международный кодекс энергосбережения (IECC) ®.

Предыдущие определения

Предыдущие определения Министерства энергетики в отношении кодексов энергопотребления зданий доступны для ознакомления штатам и местным органам власти, а также другим заинтересованным сторонам.

Сравнительное исследование метода определения внутренней квантовой эффективности фотолюминесценции в мультиквантовых ямах InGaN / GaN: Journal of Applied Physics: Vol 122, No. 13

Измерение фотолюминесценции (ФЛ) считается мощным и удобным методом определения внутренняя квантовая эффективность (IQE) многоквантовых ям InGaN / GaN. Однако, поскольку для разных экспериментов по ФЛ разрабатываются разные расчетные модели, расчетные значения IQE иногда могут сильно отличаться, в основном из-за разных экспериментальных условий.В этой статье представлено сравнительное исследование между измерением зависимого от температуры PL (TDPL) и измерения зависимого от мощности PL (PDPL) и измерения PL с временным разрешением (TRPL), а также теоретически анализируется взаимосвязь между различными моделями расчета IQE. и экспериментально. Выявлено, что, несмотря на разные значения IQE, разные методы PL фактически совместимы друг с другом. Расхождение в результатах TDPL и TRPL происходит из-за температурной зависимости между концентрацией носителей и скоростью генерации носителей.Благодаря тщательному преобразованию условий возбуждения результаты как TDPL, так и TRPL соответствуют значению IQE при определенной мощности возбуждения при измерении PDPL. Наконец, за счет комбинации различных измерений ФЛ точное измерение IQE и коэффициентов рекомбинации носителей может быть достигнуто при различных температурах и условиях возбуждения.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа поддержана Национальной программой ключевых исследований и разработок (грант №2016YFB0400102), проект Science Challenge (грант № TZ20160003), Пекинский муниципальный научно-технический проект (грант № Z161100002116037), Инициативную программу научных исследований Университета Цинхуа (гранты № 2013023Z09N и 2015THZ02-3), Открытый фонд Государственная ключевая лаборатория интегрированной оптоэлектроники (грант № IOSKL2015KF10), CAEP Microsystem и ТГц научно-технический фонд (грант № CAEPMT201505), а также Центр совместных инноваций в области твердотельного освещения и энергосберегающей электроники.

Определение уникальной эффективности преобразования энергии солнечного элемента, показывающего гистерезис на кривой IV при различной интенсивности света

Оценка солнечных элементов с помощью светодиодного симулятора солнечного света

Чтобы подтвердить настройку интенсивности света, мы измерили IV кривых для солнечного элемента c-Si в качестве эталона, PSC и DSC при различных условиях интенсивности света, в диапазоне от 10 2 до 10 −4 мВт · см −2 .

Фотоэлектрические параметры для условий прямого и обратного сканирования (плотность короткого замыкания ( Дж сбн ), напряжение холостого хода ( В oc ), коэффициент заполнения ( FF ), эффективность преобразования энергии ( PCE )) были извлечены из кривых I-V и показаны на рис.1. Кривые I-V PSC и DSC показывают правильную форму и воспроизводятся во время оценки (дополнительный рисунок 1).

Рисунок 1

Оценка фотоэлектрических параметров солнечного элемента c-Si (зеленые кривые), DSC (красные кривые) и PSC (синие кривые) при различной интенсивности света, темные кружки: состояние обратного сканирования и белые кружки: вперед условие сканирования.

Изменение интенсивности освещения существенно влияет на J сбн .Изменения интенсивности освещения от 10 2 до 10 −2 мВт · см −2 вызывают пропорциональное изменение Дж сбн для всех солнечных элементов. Тенденция наблюдается в J сбн прямо пропорционален количеству фотонов, поглощенных полупроводниковым материалом, как мы можем видеть из рис. 1. Подобные результаты сообщались во многих работах, но в более ограниченном диапазоне интенсивности света 14,15,16 . При интенсивности света ниже 10 −3 мВт · см −2 ток от солнечного элемента c-Si не может быть измерен из-за отсутствия какого-либо фотоотклика устройства. Однако солнечные элементы DSC и PSC показывают постоянное ненулевое значение J . сбн даже ниже 10 −2 мВт · см −2 . Постоянная Дж сбн вряд ли будет результатом облучения с такой низкой интенсивностью, потому что значение остается постоянным для всех интенсивностей ниже 10 −2 мВт · см −2 .Мы полагаем, что этот ток возникает из-за разряда внутреннего конденсатора, образованного на одном из интерфейсов в многослойной структуре PSC и DSC.

Емкостный ток, наблюдаемый в условиях низкой освещенности

Солнечный элемент, демонстрирующий эффект внутреннего конденсатора, имеет два разных пути для обратного и прямого сканирования I-V . Гистерезис и влияние емкостного поведения на характеристики солнечных элементов хорошо известны и уже описаны 17,18,19,20 .Существует несколько вариаций динамических моделей, например, модели с одним или двумя диодами, включая одну или две емкости (дополнительный рис. 2), для электронного моделирования гистерезиса I-V используется 19,21,22 .

Схема, показанная на дополнительном рис. 3, визуализирует протекание тока и эффект заряда и разряда конденсатора во время измерения I-V . Выходное напряжение ячейки изменяется на набор дискретных значений путем изменения эффективной нагрузки во время сканирования I-V . В комплект — это переменная, которая представляет фиксированные значения напряжения, установленные измерительным прибором I-V для каждой точки данных на кривой I-V . Токовый выход ( I выход ) представляет измеренные значения тока на каждом В комплект . Кривые I-V можно разделить на три основных участка в зависимости от квадранта декартовой плоскости (дополнительный рис. 3). При анализе кривых I-V обратного и прямого направления следует учитывать шесть различных этапов. Сильный гистерезис I-V появляется в квадранте I , было V комплект < В oc .Когда конденсатор подключен к источнику постоянного тока, ток течет по цепи. Исходя из этого, ток течет из ячейки и внутренний конденсатор разряжается в режиме обратной развертки ( В комплект < В oc ). В этом случае I выход можно выразить формулой 1.Напротив, внутренний конденсатор заряжается в режиме прямого сканирования, а I выход можно выразить формулой 2. Следуя формулам 1 и 2, текущий выходной сигнал при обратном сканировании показывает более высокие значения, чем при условиях прямого сканирования.

$$ {I} _ {output} = {I} _ {photo} + {I} _ {cap.disch \ text {arg} e} $$

(1)

$$ {I} _ {output} = {I} _ {photo} — {I} _ {cap.ch \ text {arg} e} $$

(2)

При разумно высокой интенсивности света фотогенерируемый ток возникает из-за возбуждения поглотителя света в солнечных элементах, но при низкой интенсивности света генерируемый ток от емкости добавляет к общему выходному току и дает ошибочное значение. Это основная причина того, почему фототок при низкой интенсивности света отличен от нуля и ошибочно оценивается в DSC и PSC. Следовательно, PCE неправильно оценен, особенно в солнечных элементах с высокой емкостью.

С учетом уравнений 1 и 2 ожидается, что расчетный общий выходной ток устройств будет близок к нулю при низкой интенсивности света. Однако это не относится к DSC и PSC, как видно из кривых I-V . Зарегистрированный ток может быть определен как емкостной ток, возникающий в результате динамического процесса заряда-разряда, происходящего на интерфейсах в PSC и DSC. Поведение процесса переноса заряда зависит от скорости сканирования и направления сканирования I-V 20 .

Расчет емкости с использованием данных I-V для низкой интенсивности света

Для оценки емкости PSC и DSC мы использовали формулу 3. Поток электронов «через» конденсатор прямо пропорционален скорости изменения напряжения на конденсаторе. Связь между током, протекающим через конденсатор, и скоростью изменения напряжения на конденсаторе может быть выражена как:

$$ C = I ({\ rm {\ Delta}} t / {\ rm {\ Delta}} V ) = I / с $$

(3)

, где I, — ток, C, — емкость и с (ΔV / Δt), — скорость сканирования.

Для расчета емкости значение емкостного тока было извлечено из условия обратного сканирования (ток разряда, Дж кап. Нагнетание ) на рис. 1а при интенсивности света 8,58 × 10 −4 мВт · см −2 . Расчетные данные показаны в таблице 1.

Таблица 1 Расчетная емкость для солнечных элементов, ток, извлеченный из условия обратного сканирования на 8.58 × 10 −4 мВт · см −2 сила света.

Измерение показывает, что DSC и PSC имеют эффект внутреннего конденсатора, для DSC мы обнаружили, что равная емкость составляет 4,66 мкФ · см −2 , что на порядок ниже, чем емкость PSC, 37,9 мкФ · см −2 . Мы полагаем, что это различие происходит из-за менее выраженного гистерезиса, наблюдаемого для DSC, по сравнению с более выраженным гистерезисом, наблюдаемого для PSC.Более того, значение экспериментально рассчитанной емкости для PSC немного меньше по сравнению с ранее сообщенным значением (250 мкФ · см −2 ) 21 . Это также связано с различием условий измерений I-V .

Емкость, рассчитанная по соотношению между разрядным током и скоростью сканирования для фактического PSC при 6,98 × 10 −3 мВт · см −2 (дополнительный рисунок 4), показывает хорошо известную тенденцию к снижению с увеличением скорости сканирования. , такое поведение можно объяснить процессом заряда-разряда, наблюдаемым для суперконденсаторов 23,24 .Кроме того, емкостной ток разряда увеличивается с увеличением скорости сканирования, что влияет на общий выходной ток (формула 1). В условиях высокой скорости сканирования общий выходной ток выше, чем в условиях низкой скорости сканирования. Солнечные элементы PSC можно отнести к категории устройств с высокой емкостью.

В oc изменяется в зависимости от интенсивности освещения и уменьшается более резко для ячейки c-Si, чем для случаев DSC и PSC.В условиях низкой освещенности (ниже 10 -1 мВт · см -2 ) PSC и DSC могут поддерживать высокое фотоэдс. Разница в V oc для условий обратного и прямого сканирования можно наблюдать только в случае DSC и PSC при низкой интенсивности света. Модель V oc , извлеченный из кривых I-V , показывает ошибочную оценку из-за ошибочной оценки фототока при низкой интенсивности света ниже 10 −2 мВт · см −2 .

Из этого эксперимента мы увидели, что PCE солнечного элемента c-Si сильно зависит от условий интенсивности света и демонстрирует резкое снижение эффективности с уменьшением интенсивности света с 10 2 до 10 −2. мВт · см −2 . Однако PCE клеток DSC и PSC менее подвержен изменению интенсивности света для этого диапазона от 10 2 до 10 -2 мВт · см -2 . Ниже 10 −2 мВт · см −2 энергетическая эффективность улучшается до более чем 100% для перовскита и более 10% для красителей. Это связано с тем, что ток заряда / разряда в емкостном элементе в устройствах, а не реальный фотогенератор. Несколько групп уже сообщили о высокой эффективности преобразования мощности для DSC и PSC для условий низкой интенсивности света 2,3,4,5,6 . В нашем предыдущем отчете 21 мы показали, как клетки PSC могут проявлять высокую емкость на границе раздела CH 3 NH 3 PbI 3 в контакте с TiO 2 и спиро-OMeTAD. Гистерезис, наблюдаемый на смоделированных кривых I-V на основе эквивалентной схемы (дополнительный рис.2), содержащий две емкости на границах раздела, показывает хорошее совпадение с экспериментальными кривыми I-V 21 .

Доказательства емкостных эффектов от физического сконструированного устройства

На основе эквивалентной схемы (дополнительный рисунок 2) мы сконструировали физическое устройство, состоящее из двух кремниевых ячеек с двумя емкостями и резистора (дополнительный рисунок 5). Чтобы соответствовать емкостному току, были проведены измерения устройства с низкой интенсивностью света I-V .Зависимость Дж сбн и PCE с интенсивностью света для устройства на основе двух диодов и двух конденсаторов показаны на дополнительном рис. 6. J сбн уменьшается с уменьшением интенсивности света с 10 2 до 10 −1 мВт · см −2 . Аналогичная тенденция наблюдалась ниже 10 −2 мВт · см −2 (рис.1) ненулевой ток, наблюдаемый при такой интенсивности света, объясняется емкостным током. Было обнаружено, что PCE устройства резко возрастает при интенсивности света ниже 10 −2 мВт · см −2 . Это явление является дополнительным свидетельством того, что высокие значения емкости устройств приводят к ошибочной оценке фототока и PCE в условиях низкой интенсивности света. Для дальнейшего исследования мы измерили кривые I-V при различных условиях скорости сканирования при освещенности 10 2 мВт · см −2 (рис.2) этого физического устройства.

Рисунок 2

PCE для измерения обратного и прямого сканирования, извлеченного из измеренных кривых I-V на 10 2 мВт · см -2 физического устройства.

Как показано на рис. 2, на PCE влияет скорость сканирования, используемая для измерения I-V . В условиях более высокой скорости сканирования PCE показывает более высокие значения и сильный гистерезис.С другой стороны, более низкие скорости сканирования обуславливают уменьшение PCE и наблюдается меньший гистерезис. Многие отчеты о перовскитных солнечных элементах продемонстрировали гистерезис при различных скоростях сканирования 7,8,9 . В общем, гистерезис объясняется медленными динамическими процессами захвата и снятия заряда, а также несбалансированным переносом электронов и дырок из-за низкого качества перовскитных пленок и дефектов на границах раздела, которые действуют как конденсаторы. Затем сформированный конденсатор играет важную роль в возникновении гистерезиса.Это связано с тем, что конденсатору требуется время для зарядки и разрядки. В отсутствие накопления заряда гистерезис эффективно подавляется, что демонстрируют устройства с перевернутой структурой, использующие PCBM, благодаря лучшим контактам с органическими молекулами. Интерфейс TiO 2 / CH 3 NH 3 PbI 3 является основной причиной гистерезиса в PSC из-за несоответствия решеток между двумя слоями, что влияет на скорость переноса электронов на границе раздела 25,26 .Кривые I-V при различных скоростях сканирования для реальных устройств (рис. 2) подтверждают наш предыдущий отчет, описывающий две межфазные емкости, и делают вывод, что гистерезис возникает из-за этих межфазных емкостей.

Более того, наши результаты подтверждаются уже опубликованными данными об устройствах со слоем TiO 2 без слоя перовскита внутри и солнечными элементами на основе CsPbI 3 , которые показывают гистерезис на кривых IV 27,28 .Для этих двух примеров миграция ионов неприменима и не может быть основной причиной гистерезиса. Гистерезисные явления также наблюдались в других типах солнечных элементов, включая CIGS, CdTe, кремний и сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые обладают высокой внутренней емкостью. В этих устройствах поведение связано с накоплением носителей заряда в переходе или наличием дефектных состояний 11,18,29 , а не с миграцией ионов. Межфазные контакты играют важную роль в электрических характеристиках устройств.Интерфейсы — это участки дефектов в периодическом кристалле из-за нарушения периодичности. Это действует как состояния ловушки носителей и вызывает накопление статического заряда, что приводит к усилению рекомбинации 30,31 . Дефекты на интерфейсах создают емкость, которая может быть одной из возможных причин гистерезиса, наблюдаемого на кривых I-V для PSC.

Отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) для солнечных элементов на основе высокой емкости

I-V Измерение кривой действительно для большинства обычных солнечных элементов, таких как c-Si, которые имеют очень быстрое время отклика по сравнению со скоростью сканирования напряжения.Другими словами, метод определения характеристик на основе I-V применим к ячейке, которая имеет кривые I-V независимо от скорости и направления сканирования. Но, к сожалению, большинство органических солнечных элементов, включая PSC и DSC, демонстрируют более медленное поведение отклика и гистерезис на кривых I-V , как мы наблюдали в наших экспериментах (рис. 1). В таких случаях форма кривой I-V зависит от скорости и направления сканирования и, следовательно, P max также зависит от скорости сканирования и условий направления. Точки данных на кривой I-V представляют мгновенное напряжение и соответствующее значение тока солнечного элемента. Если мы сохраним ячейку при определенных выходных условиях (фиксированное напряжение), она не сможет производить такой же ток, как при сканировании. Таким образом, P max Значение , полученное из кривой I-V , не представляет истинное выходное значение ячейки. Чтобы избежать неправильной оценки PCE DSC и PSC, мы сконструировали машину для отслеживания точки максимальной мощности, P макс .Измерение по существу извлекает максимальную мощность каждой ячейки при разной интенсивности света, что контролировалось светодиодным симулятором солнечного излучения. Среди всех уже предложенных работ мы использовали методы восхождения на холм, возмущения и наблюдения (рис. S7 и S8).

Обычно, как мы упоминали во введении, отслеживание точки максимальной мощности (MPPT) используется для максимизации выходной мощности больших солнечных батарей. Он реализован в стадии преобразования постоянного тока в постоянный солнечный инвертор, который обрабатывает выходную мощность от нескольких сотен до тысяч ватт и включает технику быстрого переключения.Электронные схемы инвертора используют для работы несколько ватт солнечной энергии. Эти промышленные инверторы со встроенной функцией MPPT требуют более 10 В и 1 А на выходе солнечной панели 32,33 . Кроме того, эту технологию нельзя использовать для точного измерения выходной мощности солнечного элемента, поскольку часть мощности используется самим инвертором. Существуют различные хорошо известные алгоритмы для отслеживания MPP 34 . Мы используем модифицированную технику восхождения на холм, экспериментально оптимизированную для ячеек PSC с высокими емкостными характеристиками.Новый анализатор MPPT, о котором мы сообщаем здесь, поддерживает ячейку на максимальной мощности ( P max ) с помощью электроники с внешним питанием и, таким образом, может точно измерить максимальную выходную мощность ячейки для значений всего на несколько пВт, отличных от данных анализатора MPPT 34 . В отличие от метода отслеживания MPPT, используемого в промышленных инверторах солнечной энергии, в этом анализаторе не используется метод переключения, а используется чисто постоянное смещение (непрерывное), что позволяет поддерживать ячейку в точке максимальной мощности.Мы считаем, что прямое измерение P max решает проблему, которая возникает из-за переоценки / недооценки PCE для устройств, показывающих гистерезис на кривых I-V , и обеспечивает надежные уникальные результаты оценки для высокоемкостных солнечных элементов. Этот метод решает проблемы с текущим методом оценки, постоянно поддерживая ячейку на P макс. состояние.Максимальная выходная мощность (включая напряжение и ток на P max и эффективность преобразования энергии) солнечного элемента нанесена на график со временем. Следовательно, поведение ячеек с высокой емкостью I-V , зависящее от времени и направления, больше не является проблемой, поскольку мы можем отслеживать, как максимальная выходная мощность (включая напряжение и ток на P макс ) меняется со временем.

Солнечный элемент

c-Si использовался в качестве эталона для сравнения P max отслеживание с PSC и DSC.Полученные данные измерений MPPT показаны на Рис. 3.

Рис. 3

Эффективность преобразования мощности для солнечных элементов c-Si (зеленая кривая), DSC (красная кривая) и перовскитных солнечных элементов (синяя кривая) при разном освещении. интенсивность извлечена из MPPT.

Во избежание деградации PSC, P max отслеживание проводилось от 10 −4 до 10 2 мВт · см −2 .В случае солнечного элемента c-Si и ДСК измерения проводились от 10 2 до 10 -4 мВт · см -2 . Окончательные значения PCE были рассчитаны на основе MPPT, записанного после стабилизации устройств (через 500 с).

Мы обнаружили, что PCE солнечного элемента c-Si резко уменьшается с уменьшением интенсивности света с 10 2 до 10 −4 мВт · см −2 . Аналогичная тенденция наблюдалась для PSC и DSC, но порядок уменьшения меньше, чем для солнечного элемента c-Si.Более того, фотоэлектрическая характеристика ниже 10 −2 мВт · см −2 является низкой без ошибочного значения PCE , как мы наблюдали при измерении кривых I-V (рис. 1). Из-за нестабильности PSC при высокой интенсивности света эффективность снижается во время отслеживания MPPT с 1 до 10 2 мВт · см −2 . В случае ДСК наблюдается уменьшение PCE ниже 1 мВт · см -2 и стабилизированного PCE с 1 до 10 2 мВт · см -2 .Следовательно, комбинация DSC и PSC может быть решением для промышленного применения для более широкого диапазона интенсивностей света от 10 2 до 10 −2 мВт · см −2 , PSC может быть хорошим вариантом для приложений с низкой освещенностью. например, датчик изображения.

В настоящей работе мы сконструировали светодиодный симулятор солнечного излучения и машины слежения MPPT для оценки эффективности преобразования энергии перовскитных и сенсибилизированных красителем солнечных элементов в более широком диапазоне интенсивности света, включая внутреннее освещение (от 10 2 до 10 −4 мВт · см −2 ). Линейная зависимость Дж sc и интенсивность света для солнечного элемента c-Si, измеренная с помощью прибора I-V , подтверждает надежность калибровки интенсивности света. PSC и DSC являются более стабильными солнечными элементами при низкой интенсивности света по сравнению с солнечными элементами c-Si и дают фотоэлектрический отклик до тех пор, пока интенсивность света не достигает 10 -2 мВт · см -2 . Постоянный ток наблюдается для PSC и DSC, когда интенсивность света снижается до менее 10 -2 мВт · см -2 .Это происходит из-за емкостного тока, который завышает значение PCE более чем на 100% для PSC и более чем на 10% для DSC. Постоянное напряжение холостого хода и ток короткого замыкания в состоянии обратного сканирования для PSC и DSC при низкой интенсивности света происходят из-за внутренней емкости устройств, которая дает небольшой ток, называемый емкостным током, из-за зарядки-разрядки емкости. под прикладной предвзятостью. Мы нашли емкость, равную 4,66 мкФ · см −2 для DSC, что на порядок меньше, чем емкость PSC, 37.9 мкФ · см −2 . Эта разница, вероятно, связана с межфазными контактами и приводит к гистерезисному зазору, наблюдаемому при измерениях I-V для обоих устройств. В случае солнечных элементов c-Si гистерезиса не наблюдается, и емкость равна 0 мкФ · см −2 . Наш эксперимент показывает прямые доказательства влияния емкости во время измерения I-V и происхождения гистерезиса в органических солнечных элементах, включая PSC и DSC. PSC можно отнести к категории солнечных элементов с высокой емкостью.Чтобы избежать переоценки PSC и DSC, мы измеряем MPTT. Этот подход дает более точно PCE этих солнечных элементов, что устраняет неоднозначность в оценке I-V высокоемкостных солнечных элементов, показывающих гистерезис во время измерения I-V . По сравнению с солнечными элементами c-Si, PSC демонстрируют многообещающий стабильный фотоотклик в диапазоне от 1 до 10 −2 мВт · см −2 , с небольшим уменьшением в диапазоне от 10 −2 до 10 −3. мВт · см −2 и поэтому представляют большой интерес с точки зрения практического применения.Фотоответ не был зарегистрирован ни для одного из трех типов солнечных элементов с интенсивностью света ниже 10 −3 мВт · см −2 .

Мы полагаем, что светодиодные имитаторы солнечного света с более широким диапазоном интенсивности света в сочетании с методом отслеживания MPPT будут признаны стандартными методами оценки емкостной органической фотоэлектрической энергии, демонстрирующей гистерезисное поведение во время измерений I-V .

Фактор времени для определения эффективности системы электроснабжения сельских потребителей: Экология и сельское хозяйство Книга Глава

Виноградов Александр (Орловский государственный аграрный университет, Россия), Алексей Васильев (Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, Россия), Вадим Большев (Орловская обл. Аграрный университет, Россия), Александр Семенов (Орловский государственный аграрный университет, Россия) и Максим Бородин (Орловский государственный аграрный университет, Россия)

Copyright: © 2018 | Страницы: 27

DOI: 10. 4018 / 978-1-5225-3867-7.ch017

Abstract

В этой главе предлагается интерпретация понятия «эффективность системы электроснабжения» и математическая модель, которая фокусируется на минимизации затрат на электроснабжение с соблюдением временных критериев. В исследовании исследуются составляющие указанных критериев времени, расчеты времени отключения электроэнергии и времени восстановления электроснабжения. Кроме того, в этой главе описываются составляющие срока реализации технологического присоединения сельских потребителей к электрическим сетям и статистические данные о времени несоответствия качества электроэнергии нормативным требованиям.Кроме того, в этой главе исследуется возможность применения предложенной математической модели для разработки мер, которые могут повысить эффективность системы электроснабжения. В целях повышения надежности электроснабжения сельских потребителей проводится мониторинг технического состояния линий электропередач и автоматизация электрических сетей. Наверх

Введение

Проблемой определения эффективности системы электроснабжения сельских потребителей занимались многие ученые.В последнее время исследователи построили ряд математических моделей, позволяющих решать переговорные задачи сельскохозяйственных предприятий и энергокомпаний.

Однако до сих пор нет подробного анализа концепции эффективности системы электроснабжения или эффективности источника питания, несмотря на то, что эти термины широко используются. Также используется понятие «качество электроснабжения», но его трактовка всегда разная в зависимости от источника. Чаще всего под этой концепцией понимается набор параметров надежности и качества электроэнергии (PQ), иногда с добавлением эффективности передачи энергии.Экономические показатели, такие как срок окупаемости, рентабельность и т. Д., Часто называют эффективностью. Таким образом, создаются условия, при которых под эффективностью системы электроснабжения понимаются различные показатели или их комбинации. Таким образом, разработка универсальных критериев эффективности системы электроснабжения позволяет единообразно трактовать данное понятие в различных сценариях.

Разработка этих критериев невозможна без введения понятия «эффективность системы электроснабжения».Предлагается следующая интерпретация: «Эффективность системы электроснабжения — характеристика совокупности источников и систем преобразования, передачи и распределения электрической энергии с точки зрения обеспечения потребителей электроэнергией с минимально возможными затратами при соблюдении конкретных параметров КП. надежность электроснабжения, а также сроки и качество технологического присоединения (ТП) ».

Анализ эффективности системы электроснабжения сельских потребителей — сложная задача, поскольку системы разноплановые.Это разнообразие заключается в их структуре, масштабе, типах и возможностях подключенных к ним потребителей. Нормативно-правовые документы стандартизируют временные параметры, характеризующие работу энергосистемы. Выделяют три основных параметра: время простоя электроснабжения как критерий надежности электроснабжения; Время несоответствия PQ требованиям регулирования как критерий качества поставляемой электроэнергии; и, наконец, сроки реализации технологического присоединения к электрическим сетям как критерий эффективности развития системы электроснабжения.

Таким образом, целью данной статьи является разработка математической модели эффективности системы электроснабжения сельских потребителей. В основе анализа лежат временные критерии, характеризующие надежность электроснабжения, развитие системы электроснабжения и качество электроэнергии.

Есть четыре основные цели данного исследования:

  • 1.

    Проанализировать понятие эффективности системы электроснабжения, критерии ее оценки и определить их структуру и значения временных критериев.

  • 2.

    Разработать математическую модель для представления эффективности систем электроснабжения; Модель учитывает временные критерии, характеризующие надежность электроснабжения, развитие системы электроснабжения и качество электроэнергии.

  • 3.

    Для анализа составляющих времени отключения электроснабжения, времени несоответствия PQ требованиям регламента, времени внедрения TC в электрических сетях.

  • 4.

    Предложить комплекс технических и организационных мероприятий по повышению эффективности системы электроснабжения за счет сокращения времени простоя электроснабжения, времени несоответствия КП с нормативными требованиями, времени внедрения ТП в электрические сети.

Наверх

Предпосылки

Вопрос эффективности является приоритетом при разработке и эксплуатации любой системы. Системы электроснабжения не исключение. Многие ученые, занимавшиеся этой темой, предложили ряд математических моделей, решающих переговорные задачи сельскохозяйственных предприятий и энергокомпаний.Кроме того, эти ученые рассмотрели различные аспекты эффективности системы электроснабжения. Они также определили показатели надежности систем электроснабжения для разных регионов и стран и проделали большую работу по оценке качества электроэнергии.

Ключевые термины в этой главе

Качество электроэнергии: Степень соответствия характеристик электрической энергии в точке электрической системы с набором стандартизованных показателей.

Время восстановления электроснабжения: Продолжительность аварийного ремонта или замены вышедшего из строя элемента системы электроснабжения.

Система мониторинга линий электропередачи: Комплекс взаимосвязанных организационных и технических мероприятий, обеспечивающих мониторинг технического состояния линий электропередачи, определение места и вида повреждений. Обычно в системах мониторинга используются комплексы оборудования, предназначенные для мониторинга технического состояния линий электропередач, определения места и типа повреждений и передачи данных по различным каналам в центр обработки.

Надежность электроснабжения: способность системы электроснабжения передавать и распределять необходимое количество электроэнергии от источников к потребителям при стандартных уровнях напряжения и в соответствии с заданным графиком нагрузки.

Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.