Прямые методы преобразования энергии

Другим важным преимуществом  МГД-электростанций является их высокая  маневренность, создаваемая возможностью полного выключения МГД-ступени.

Представленная на рис. 23 схема МГД-электростанции называется открытой потому, что рабочим телом  МГД-генератора являются продукты сгорания, которые после прохождения канала и парогенератора выбрасываются  в атмосферу.

В работе по созданию мощных МГД-генераторов приходится сталкиваться со сложными научно-техническими вопросами. К их числу относится проблема материалов для МГД-каналов, в первую очередь для их горячих стенок и электродов. Конечно, можно было бы с помощью интенсивного охлаждения снизить температуру стенок и электродов до вполне приемлемой, допускающей длительную эксплуатацию, но это привело бы к большой потере тепла и к снижению КПД МГД-генератора, а также к снижению температуры пристенных и приэлектродных слоев плазмы, уменьшению их электропроводности и в итоге к ухудшению работы генератора. Задача заключается в том, чтобы создать такие материалы для горячих стенок и электродов, которые могли бы работать длительно и надежно при возможно более высокой температуре. Большие надежды возлагаются на двуокись циркония в качестве материала для электродов и на окислы металлов, в частности окись магния, для горячих стенок.

Нелегкое дело создать  магнитную систему, особенно при  условии, что индукцию желательно иметь 5 – 6 тесла (50 – 60 тыс. гаусс), а длина канала должна быть около 20 м. Считается, что наиболее перспективной является сверхпроводящая магнитная система, охлаждаемая жидким гелием.

Есть и другие сложные, требующие решения вопросы. К  их числу относится: создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменной (в  МГД-генераторе получается постоянный ток), устройства для вывода легкоионизирующейся  присадки, создание имеющего особенности  парогенератора и некоторые другие.

Несмотря на все трудности, в Советском Союзе работы в  области МГД-преобразования энергии  продвинуты настолько, что в настоящее  время идет работа по созданию промышленной МГД-установки мощностью около 500 МВт.

Можно предполагать, что  в перспективе мощные МГД-установки  будут использоваться на АЭС. Тогда  место камеры сгорания займет атомный  реактор, а рабочим телом МГД-генератора будут уже, конечно, не продукты сгорания, а более легкоионизирующийся  газ, например гелий. Так как гелий, естественно, будет циркулировать  по замкнутому контуру (схема МГД-элек-тростанции называется закрытой), то в качестве легкоионизирующейся присадки может быть использован более дорогой, но зато более существенно увеличивающий электропроводность плазмы металл цезий. С учетом всего сказанного необходимая максимальная температура гелий-цезиевой плазмы может быть ниже – порядка 1500° С (а не 2600° С, как для рассмотренной открытой схемы).

Следовательно, в атомном  реакторе гелий должен быть нагрет не менее чем до 1500° С. В настоящее время таких высокотемпературных атомных реакторов не существует. Но можно надеяться, что их создание – вопрос времени.

* * *

Из других способов прямого  преобразования энергии большой  интерес представляет применение фото-электропреобразователей (о них уже говорилось в разделе «Солнечная энергия»), термоэлектрогенераторов, термоэмиссионных преобразователей и топливных элементов. Однако перспектива использования этих методов и устройств в большой энергетике пока еще до конца не ясна. Поэтому мы остановимся на них кратко.

Термоэлектрогенераторы (ТЭГ). Работа термоэлектрического генератора основана на хорошо известном в физике эффекте Зеебека. Он состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из различных элементов, при условии, что контакты (спаи) между ними имеют различную температуру, возникает электродвижущая сила.

На рис. 24 представлена такая  электрическая цепь, состоящая из двух проводников – меди и константана (сплава меди и никеля), используемая для измерения температуры. Один из спаев находится при температуре, которую требуется измерить (t_n), а другой при постоянной температуре (t₀), например при практически неизменной температуре смеси воды и льда. По величине электродвижущей силы, измеряемой гальванометром, можно с высокой степенью точности определить t_n.

Если составить электрическую  цепь из последовательно соединенных  различных материалов (обычно полупроводников), иначе говоря, цепь из отдельных  термоэлементов, то получится термоэлектрический генератор. Создаваемая им электродвижущая  сила будет пропорциональна числу  термоэлементов.

Таким образом, термоэлемент, так же как и МГД-генератор, преобразует  в электрическую энергию тепловую энергию. Следовательно, КПД термоэлемента  регламентируется вторым законом термодинамики.

К сожалению, термоэлектрические генераторы пока еще дороги, а их КПД невелик. Поэтому они находят  применение в качестве небольших, как  правило, автономных, источников энергии.

Термоэмиссионные  преобразователи (ТЭП). Если какое-либо твердое тело (металл, полупроводник) поместить в вакуум, то известное количество электронов этого тела перейдет в вакуум (Описываемое явление наблюдается и у жидкостей). Это явление называется термоэлектронной эмиссией, а твердое тело, испускающее электроны, - эмиттером. Эмиссия электронов тем больше, чем выше температура эмиттера. В процессе эмиссии электронов эмиттер охлаждается. Через некоторое время после начала электронной эмиссии (после помещения тела в вакуум) установится равновесие: сколько электронов в единицу времени будет выходить из твердого тела за счет электронной эмиссии, столько же в него будет возвращаться в результате так называемой конденсации электронов. Охлаждения твердого тела в состоянии равновесия более не происходит.

Но можно поступить  иначе: поместить в вакуум два  тела (два электрода), причем к одному из них (электроду-эмиттеру) подводить  тепло и поддерживать его при  более высокой температуре, а  от второго (электрода-коллектора) тепло  отводить, с тем чтобы его температура оставалась более низкой.

 
Рис. 24. Термоэлемент

Если теперь эмиттер и  коллектор замкнуть внешней электрической  цепью, то по ней потечет ток; описанное  устройство станет источником тока, термоэмиссионным преобразователем (ТЭП). Из сказанного следует, что ТЭП (так же, как и  ТЭГ) преобразует тепловую энергию  в электрическую (минуя ступень  механической энергии) и, следовательно, подчиняется ограничениям, установленным  вторым законом термодинамики.

Если, используя ТЭП, можно  было бы получать большие количества электроэнергии, а его основные технико-экономические  показатели (стоимость и КПД) были благоприятны, то энергетика получила бы «в лице» ТЭП хороший электрический  генератор, работающий по принципу прямого  преобразования энергии.

В настоящее время еще  не достигнуты такие технико-экономические  показатели ТЭП, которые могли бы удовлетворить энергетику. Поэтому  ТЭП пока что используются, как  и ТЭГ, в случаях, когда требуются  относительно малые мощности. Однако работа по улучшению показателей  ТЭП ведется высокими темпами.

Топливные элементы. В топливном элементе осуществляется прямое преобразование химической энергии в электрическую. В чем заключается принцип работы и каково устройство топливного элемента?

Можно, например, сжечь водород  в атмосфере кислорода. В результате образуется вода и выделяется тепло, которое затем можно использовать в теплосиловом двигателе. А можно  пойти другим путем, как это и  делается в топливном элементе, разделив реакцию горения водорода на два  процесса, в одном из которых участвует  водород, а в другом – кислород.

Схема топливного элемента представлена на рис. 25. Он состоит из двух электродов, на один из которых  подается водород, а на другой – кислород, и электролита. Существенным отличием топливного элемента от электрического аккумулятора и его преимуществом является то, что запас горючего и окислителя в топливном элементе, в данном случае водорода и кислорода, непрерывно пополняется.

Водород, попадая на металлический  электрод и находясь на разделе трех фаз – твердого электрода, электролита и газовой фазы, - переходит в атомарное состояние (его двухатомная молекула разделяется на атомы), а атомы делятся на свободные электроны и ядра атомов (ионы). Электроны уходят в металл, а ядра атомов- в раствор (электролит). Вследствие этого электрод насыщается отрицательно заряженными электронами, а электролит – положительно заряженными ионами.

Аналогичный процесс происходит на втором электроде, на который подается кислород. В результате проходящих у поверхности электрода процессов  на нем появляются положительные  электрические заряды. Кроме того, возникают отрицательные заряженные ионы ОН, которые остаются в электролите  и, соединяясь с ионами водорода, образуют воду.

Если соединить внешней  цепью оба электрода, то возникнет  электрический ток (рис. 25). Таким  путем химическая энергия превращается в электрическую. Поскольку в топливном элементе отсутствует промежуточная стадия преобразования химической энергии в тепловую, его КПД не имеет ограничений, присущих тепловому двигателю. Водород-кислородный элемент работает при низкой температуре, а его КПД вполне может достигать 65 – 70%.

 
Рис. 25. Схема топливного элемента

Не следует, однако, думать, что создать топливный элемент  просто и легко. Обычно все относительно просто, пока речь идет о схеме, но как  только переходишь к ее реализации, появляется масса трудностей. Не случайно поэтому, что идея топливного элемента появилась в середине XIX в., а подходящей конструкции для широкого применения нет и по сей день.

В проблеме топливного элемента много трудностей: проведение всех процессов с большой скоростью (залог получения больших абсолютных и удельных мощностей); выбор материала  и создание высококачественных электродов; создание высокоэффективных электролитов (жидких и твердых в зависимости  от типа топливного элемента); возможность  работы на дешевом топливе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Война нанесла большой  ущерб энергетике. Оккупация значительной части европейской территории СССР привела к потере энергетической мощности около 5,8 млн. кВт, т. е. приблизительно половины. Надо, однако, сразу же сказать, что еще в годы войны, в трудных  условиях военного времени, были введены  в эксплуатацию новые электростанции общей мощностью 3,4 млн. кВт. Уже в 1946 г (первом послевоенном!) общая мощность электростанций и выработка на них  электроэнергии превзошли довоенный  уровень, а в 1950 г. превысили его  по мощности электростанций приблизительно в 1,7 раза, а по выработке электроэнергии - более чем в 1,8 раза. Установленная  мощность электростанций составила  в 1950 г. 19,6 млн. кВт, а выработка электроэнергии - 91,2 млрд. кВтхч.

Одной из наиболее важных задач, относящихся ко всему народному  хозяйству, является экономия электроэнергии и энергетических ресурсов. Нельзя сказать, что эта задача решается удовлетворительно. Многое здесь зависит  от разработки новых промышленных технологий, в которых энергоресурсы расходуются  более экономно. К сожалению, в  такой важной отрасли, как автомобилестроение, например, дело обстоит плохо: весьма значительная часть грузовых автомобилей выпускается не с дизелями, а с карбюраторными двигателями, что приводит к большому перерасходу жидкого топлива. Подобного рода примеров можно было бы привести немало.

Энергетической программой выдвинута, например, такая важная задача, как вытеснение нефти в качестве печного топлива и замена ее углем, ядерным топливом (при генеральном  решении безопасности АЭС) и даже на ближайшие десятилетия природным  газом. В связи со сказанным особо  большое значение придается увеличению добычи угля, запасы которого в Советском  Союзе могут рассматриваться  как практически неисчерпаемые. Энергетической программой предусматривается поэтому быстрое увеличение добычи угля, главным образом методом открытого, бесшахтного извлечения, удельный вес которого в общей добыче угля планируется непрерывно наращивать: в 1980 г. -37%, в 1990 г.- 46%, в 2000 г. - до 56-60%.

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

Непосредственное  использование природных источников энергии . 
 

Преобразование  с использованием паровой машины 

Преобразование  с использованием электроэнергии 
 
Преобразование энергии в промышленной энергетике 
Как было сказано выше производство электроэнергии является отдельной отраслью промышленности. В настоящее время наибольшую долю электроэнергии производят на трех видах электростанций:

1. ГЭС (гидроэлектростанция)
2. ТЭС (теплоэлектростанция)
3. AЭС (атомная электростанция)

Рассмотрим преобразование энергии на этих видах электростанций:

ГЭС 

 
ТЭЦ 

При использование тепловой энергии пара в цепочки преобразования энергии появляется возможность использовать часть тепловой энергии для обогрева (показано пунктиром) или для нужд производства.

АЭС (с одноконтурным  реактором) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кириллин В.А. 'Энергетика. Главные проблемы' - Москва: 'Знание' , 1990
2. http://www.reactors.narod.ru/rbmk/01_energ.htm
3. http://nplit.ru/books/item/f00/s00/z0000046/st016.shtml
4. http://www.micromachine.narod.ru/energy.htm
5. http://referatwork.ru/refs/source/ref-114479.html