Прямые методы преобразования энергии

 

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Кафедра физикохимии материалов и производственных технологий

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине: Основы энергосбережения

на тему: Прямые методы преобразования энергии

 

 

 

Студентка

УЭФ, 2-й курс, ДЭБ – 1                                              Е.В.Осипчик

 

Проверил 

ассистент                                                                    Л.М.Судиловская

 

 

 

МИНСК 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………   3

Магнитогидродинамический  метод …………………………………...   5

Термоэлектрогенераторы……………………………………………….   10

Термоэмиссионные преобразователи………………………………….   11

Топливные элементы……………………………………………………   12

Заключение………………………………………………………………   14

Приложение ……………………………………………………………..   15

Список литературы……………………………………………………...   18

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Энергия - это мера возможности совершить работу.

Виды и источники энергии

Тепловая энергия 
Вторым, после механической, видом энергии, которым человек пользуется на протяжении почти всей своей истории является тепловая энергии. Наглядное представление о тепловой энергии человек получает с пеленок: это горячая пища, тепло систем отопления в современной квартире (если его не отключили), или тепло печки в деревенском доме. 
Что же представляет собой эта энергия с точки зрения физики?  
Каждое физическое тело состоит из атомов или молекул, в жидкостях и газах они хаотично движутся, чем выше скорость движения, тем большей тепловой энергией обладает тело. В твердом теле подвижность молекул или атомов значительно ниже чем в жидкости, а тем более в газе, молекулы твердого тела только колеблются относительно некоторого среднего положения, чем сильнее эти колебания тем большей тепловой энергией обладает тело. Нагревая тело (сообщая ему тепловую энергию), мы как бы раскачиваем его молекулы и атомы, при достаточно сильном «раскачивании» можно выбить молекулы со своего места и заставить хаотично двигаться. Этот процесс плавления наблюдал каждый, нагревая в руке кусочек льда. Продолжая нагрев мы как бы разгоняем движущиеся молекулы, при достаточном разгоне молекула может выйти за переделы тела. Чем больше нагрев, тем больше молекул могут покинуть тело, в конце концов, передав телу достаточное количество тепловой энергии можно превратить его в газ. Такой процесс испарения протекает кипящем чайнике.

Электрическая энергия 
Мельчайшей электрически заряженной частицей является электрон, который в ходит в состав любого атома. Для нейтрального атома суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, а заряд всего атома равен нулю. Если удалить несколько электронов, то сумма зарядов электронов и ядра станет больше нуля. Если добавить лишних то атом приобретет отрицательный заряд. 
Из физики известно что два противоположно заряженных тела притягиваются. Если на одном теле сосредоточить положительный заряд (удалить с атомов электроны) а на другом отрицательный (добавить электроны), то между ними возникнут силы притяжения, но на больших расстояниях эти силы очень малы. Соединив эти два тела проводником (например металлической проволокой в которой электроны очень подвижны) мы вызовем движение электронов от отрицательно заряженного тела к положительно заряженному телу. Движущиеся электроны могут совершить работу (например накалить нить электролампы) следовательно заряженные тела обладают энергией.  
В источнике электрической энергии происходит разделение положительных и отрицательных зарядов замыкая электрическую цепь мы, как бы позволяем разделенным зарядам соединится но при этом заставляем их выполнить необходимую нам работу.

Химические источники энергии.  
Самым первым источником энергии, который человек поставил себе на службу, были обыкновенные дрова для пещерного костра. При горении происходят химические реакции окисления. Самой распространенной и широко используемой, с древних времен и до наших дней, является реакция окисления углерода: 
 
Углерод в ходящий в состав любого органического топлива (уголь, дерево, нефть, газ), взаимодействуя с кислородом атмосферы образует углекислый газ и выделяется тепловая энергия.  
Химические реакции могут происходить как с поглощением так и с выделением энергии, сама энергия может быть как тепловой так и электрической. В автомобильном аккумуляторе при работе происходит выделение электрической энергии, при зарядке происходит поглощение электрической энергии.

Ядерный источник энергии 
Эйнштейн установил связь между энергией и массой в своем уравнении: 
 
где с = 300 000 000 м/с – скорость света;  
таким образом тело человек массой 70 кг содержит в себе энергию 
 
такое количество энергии реакторная установка РБМК-1000 выработает только за две тысячи лет работы. Главная проблема научится превращать массу в полезную энергию. Первый шаг для решения этой проблемы человечество сделало освоив военное и мирное использование энергии деления ядер. В самом первом приближении процессы, происходящие в ядерном реакторе, можно описать как непрерывное деление ядер. При этом масса целого ядра до деления больше массы получившихся осколков. Разница составляет примерно 0.1 %массы разделившегося ядра. Разумеется до полного превращения массы в энергию еще очень далеко, но уже такое, не обнаруживаемое обычными весами, изменение массы топлива в реакторе позволяет получать гигантское количество энергии. Изменение массы топлива за год непрерывной работы в реакторе РБМК-1000 составляет приблизительно 0.3 г, но выделившаяся при этом энергия такая же, как при сжигании 3000000 (три миллиона) тон угля.

 

Возможные схемы  преобразования энергии

(Смотреть приложение 1) 

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Под методом прямого преобразования энергии понимается такое производство электрической энергии из тепловой, при котором число промежуточных  ступеней преобразования энергии сокращается  или по крайней мере процесс получения электроэнергии из тепловой упрощается. Чаще всего (но не всегда)(Так, в магнитогидродинамическом методе получения электрической энергии из тепловой, который обычно относят к методам прямого преобразования энергии и о котором речь пойдет ниже, ступень преобразования тепловой энергии в механическую сохраняется.)) исключается промежуточное превращение тепловой энергии в механическую.

В более широком смысле слова под методом прямого  преобразования энергии понимается получение электрической энергии  не только из тепловой, но и из химической (в топливных элементах) и из энергии  электромагнитного излучения (в  фотоэлектропреобразователях). Именно эти вопросы рассматриваются в этом разделе. В первую очередь мы познакомимся с магнитогидродинамическим методом, так как он, по-видимому, более других разработан для получения больших количеств электроэнергии, а именно это в соответствии с темой настоящей книжки нас интересует прежде всего.

Магнитогидродинамический  метод (МГД-метод). Собственно магнитогидродинамический метод преобразования тепловой энергии в электрическую основан на использовании двух типов преобразователей: теплового двигателя, напоминающего газовую турбину, преобразующего теплоту в кинетическую энергию струи газа (продуктов сгорания), и необычную электродинамическую машину, преобразующую кинетическую энергию струи газа в электрическую.

Происходит это следующим  образом (рис. 23). В результате сжигания органического топлива (допустим, природного газа) образуются газообразные продукты сгорания. Необходимо, чтобы их температура  была не ниже 2500° С. При этой температуре газ становится электропроводным, переходит в плазменное состояние. Другими словами, происходит ионизация газа: от молекул газа отрываются электроны. Плазма при такой относительно низкой температуре (не меньше 2500° С) ионизирована лишь частично: она состоит не только из продуктов ионизации – электрически заряженных свободных электронов и ионов (имеющих положительный заряд частиц, образующихся в результате потери молекулой одного или нескольких электронов), но и еще не подвергшихся ионизации молекул.

 
Рис. 23. Схема МГД-электростанции открытого цикла

Чем выше температура, тем  больше ионизация газа и, следовательно, его электропроводность. При температуре  порядка 10 тыс. градусов любой газ  ионизируется полностью – н состоит только из свободных электронов и ядер атомов.

Плазма, с которой мы встречались, рассматривая термоядерные процессы, и температура которой измеряется многими миллионами градусов, называется высокотемпературной. Плазма же, используемая в МГД-генераторах и имеющая  температуру, измеряемую тысячами градусов, именуется низкотемпературной.

И чтобы низкотемпературная плазма продуктов сгорания имела  достаточную электропроводность уже  при температуре около 2500° С, к ней необходимо добавить одно из легкоионизирующихся веществ, обычно щелочные металлы: натрий, калий или цезий. Пары этих веществ ионизируются при более низкой температуре.

Плазма с небольшой  добавкой легкоионизирующегося вещества при температуре, скажем, 2600° С (рис. 23) поступает в канал МГД-генератора и за счет уменьшения ее тепловой энергии разгоняется там до скорости, близкой к звуковой или даже более высокой. Протекая по каналу, электропроводная плазма пересекает силовые линии специально созданного магнитного поля, имеющего большую индукцию. Если направление движения потока перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, а электропроводность плазмы, скорость потока и индукция магнитного поля достаточно велики, то в соответствии с законами электродинамики в направлении, перпендикулярном и движению потока, и силовым линиям магнитного поля, от одной стенки канала к другой возникнет электрический ток, протекающий через плазму. Для этого, конечно, необходимо электроды, размещенные на противоположных стенках канала, замкнуть на внешнюю цепь.

Как видно из сказанного, принцип работы МГД-генератора не отличается от принципа работы обычного электромеханического генератора. В обоих случаях электрический  проводник пересекает силовые линии  магнитного поля, в результате чего в проводнике генерируется эдс. В электромеханическом генераторе проводником служит электропроводящий металл ротора, а в МГД-генераторе – поток электропроводящей плазмы.

Взаимодействие электрического тока, протекающего через плазму, с  магнитным потоком создает силу, тормозящую движение плазмы по каналу. Таким путем кинетическая энергия  потока плазмы превращается в электрическую  энергию.

В чем же привлекательная  сторона МГД-генератора?

Как нам уже хорошо известно, для увеличения КПД теплового  двигателя необходимо повышать начальную  температуру рабочего тела. Но в  тепловых двигателях ТЭС – паровых турбинах – начальную температуру водяного пара не поднимают, как уже говорилось, выше 540° С. Это объясняется тем, что наиболее ответственные элементы турбины (особенно рабочие лопатки) испытывают одновременное воздействие высокой температуры и большой механической нагрузки. В канале МГД-генератора вообще нет движущихся частей, и поэтому материал, из которого сделаны наиболее ответственные элементы конструкции, не испытывает сколько-нибудь значительных механических усилий. В этом и состоит одно из самых важных преимуществ МГД-генератора.

Читатель может заметить, что не существует материала, способного выдержать температуру 2600° С. Не делает ли это идею МГД-генератора неосуществимой?

Действительно, такого материала  не существует, высокотемпературные  элементы конструкции приходится охлаждать (обычно водой). Но одно дело охлаждать  неподвижные элементы конструкции, как в МГД-генераторе, и совсем другое дело – вращающиеся (да еще с очень большой скоростью), как в паровой турбине.

Следует заметить, что в  МГД-генераторе в качестве рабочего тела может применяться не только газ (плазма), но и жидкие металлы. В  настоящее время большое внимание привлекают плазменные МГД-генераторы. Они могут быть открытого и замкнутого типа. Мы ведем речь о плазменной МГД-установке открытого типа.

На выходе из канала МГД-генератора продукты сгорания (плазма) все еще  имеют высокую температуру, обычно около 2000° С. При более низкой температуре плазма делается недостаточно электропроводной и поэтому продолжение  процесса в МГД-генераторе невыгодно.

В то же время продукты сгорания на выходе из канала МГД-генератора обладают еще, как сказано, высокой температурой (более высокой, чем в топке  обычного котла), и их тепловую энергию, конечно, надо использовать. Проще всего  решить эту задачу, сделав установку  двухступенчатой (см. рис. 23).

Итак, в камеру сгорания подается топливо, легкоионизирующаяся присадка и нагретый окислитель (например, обогащенный  кислородом воздух). Продукты сгорания, имеющие температуру около 2600° С, поступают через сопло в канал МГД-генератора (Канал на рисунке изображен схематично. Не показаны создающая магнитное поле магнитная система, токоотводящая система, охлаждение стенок канала.), а из канала (при температуре около 2000° С) – в парогенератор. Здесь за счет тепла, отдаваемого уходящими газами, происходит нагревание воды, образование и перегрев водяного пара. В парогенераторе или в отдельном воздухонагревателе производится подогрев направляемого в камеру сгорания окислителя. Из парогенератора отводится (и затем используется вновь) легкоионизирующаяся присадка. Показанная на рис. 23 паросиловая часть схемы в принципе не отличается от изображенной на рис. 2 и 11 (схемы ТЭС и АЭС).

Главное преимущество МГД-электростанции в том, что она позволяет получать высокий КПД, который, по-видимому, достигнет 50-60 (Столь широкая вилка значения КПД МГД электростанции объясняется главным образом возможностью использования различных технических решений и достигнутой температурой подогрева окислителя (от 1500 до 2000° С). )против 40% для лучших ТЭС. Большинство существующих и строящихся в настоящее время опытных и опытно-промышленных МГД-установок рассчитано для работы на газовом топливе. Однако в дальнейшем более перспективно применение угля.