Тепловые конденсационные электрические станции 3 страница

Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Например, вольфрамовая нить в электриче­ской лампе при температуре 2500—2700°С может рабо­тать в вакууме или среде нейтрального газа несколько тысяч часов, а в воздухе расплавляется через несколько секунд.

Понижение температуры плазмы добавлением к ней присадок вызывает повышенную коррозию конструкци­онных материалов. В настоящее время созданы материа­лы, которые могут работать длительно при температуре 2200—2500°С (графит, окись магния и др.), однако они не способны противостоять механическим напряжениям.

Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для МГД-генератора пока не решена. Ве­дутся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшой добавкой цезия при температуре 2000°С имеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500°С. Разработан проект МГД-генератора, работающего по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно цирку­лирует в системе.

Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить про­пусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагревания обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможно­сти наименьшим. Поэтому в качестве таких проводников целесообразно использовать сверхпроводящие мате­риалы.

Трудности создания МГД-генератора с ядерным ре­актором состоят в том, что современные тепловыделя­ющие элементы, содержащие уран и покрытые окисью магния, допускают темпе­ратуру, не намного пре­вышающую 600°С, в то время как для ионизации газов необходима темпе­ратура, равная примерно 2000°С.

Первые опытные кон­струкции МГД-генераторов имеют пока высокую стоимость. В будущем можно ожидать сущест­венного снижения их стои­мости, что позволит ус­пешно использовать МГД-генераторы для покрытия пи­ков нагрузки в энергосистемах, т. е. в режимах относи­тельно непродолжительной работы. В этих режимах КПД не имеет решающего значения и МГД-генераторы могут использоваться и без паросиловой пристройки.

В настоящее время сооружены мощные опытно-промышленные образцы МГД-преобразователей энергии, на которых ведутся исследования по совершен­ствованию их конструкции и созданию эффективных МГД-электростанций, конкурентоспособных с обычны­ми электростанциями.

10. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Из всех устройств, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, термоэлектрические генераторы (ТЭГ) относительно небольшой мощности применяются наиболее широко.

Основные достоинства ТЭГ:

1) отсутствуют движу­щиеся части;

2) нет необходимости в высоких давлениях;

3) могут использоваться любые источники теплоты;

4) имеется большой ресурс работы.

В качестве источников энергии ТЭГ широко используют на космических объектах, ракетах, подводных лодках, маяках и многих других установках.

В зависимости от назначения ТЭГ могут преобразовывать в электрическую энергию теплоту, получаемую в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива и т. д. Тепловая энергия, получаемая при распаде радиоактивных изотопов и делении ядер тяжелых элементов в реакторах, стала применяться в ТЭГ с конца 50-х годов.

Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека В 1921 г. Зеебек сообщил об экспериментах, связанных с отклонением магнитной стрелки вблизи термоэлектрических цепей. В этих исследованиях Зеебек не рассматривал задачу получения энергии. Сущность открытого эффекта состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактов материалов.

Эффект Зеебека можно качественно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов различна в разных проводниках и по-разному увеличивается с повы­шением температуры. Если вдоль проводника существу­ет перепад температур, то возникает направленный поток электронов от горячего спая к холодному, вследст­вие чего у холодного спая образуется избыток отрицательных зарядов, у горячего — избыток положительных. Поток этот более интенсивен в проводниках с большой концентрацией электронов. В простейшем термоэлемен­те, замкнутая цепь которого состоит из двух проводни­ков с разными концентрациями электронов и спаи под­держиваются при разных температурах, возникает элек­трический ток. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопление электронов на холодном конце увеличивает его отрицательный 'потенциал до тех пор, пока не уста­новится динамическое равновесие между электронами, смещающимися к холодному концу, и электронами, ухо­дящими от холодного конца под действием возникшей разности

потенциалов. Чем меньше электропроводность материала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, следовательно, тем выше ЭДС. Поэтому по­лупроводниковые элементы более эффективны, чем ме­таллы. Одно из практических применений ТЭГов — тепловой насос в одной части выделяющий, а в другой — поглоща­ющий теплоту за счет электрической энергии. Если из­менить направление тока, то насос будет работать в противоположном режиме, т. е. части, в которых проис­ходит выделение и поглощение теплоты, поменяются местами. Такие тепловые насосы могут успешно приме­няться для терморегуляции жилых и прочих помещений. Зимой насосы нагревают воздух в помещении и охлаж­дают его на улице, а летом, наоборот.

11. РАДИОИЗОТОПНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Естественный радиоактивный распад ядер сопровож­дается выделением кинетической энергии частиц и у-квантов. Эта энергия поглощается средой, окружаю­щей радиоактивный изотоп, и превращается в теплоту, которую можно использовать для получения электриче­ской энергии термоэлектрическим способом. Установки, преобразующие энергию естественного радиоактивного распада в электрическую энергию с помощью термоэлементов, называются радиоизотопными термогенератора­ми. Радиоизотопные термогенераторы надежны в рабо­те, обладают большим сроком службы, компактны и успешно используются в качестве автономных источни­ков энергии для различных установок космического и наземного назначений.

Современные радиоизотопные генераторы имеют КПД, равный 3—5%, и срок службы от 3 месяцев до 10 лет. Технико-экономические характеристики этих ге­нераторов в будущем могут быть значительно улучшены. В настоящее время создаются проекты генераторов мощностью до 10 кВт.

К радиоизотопным термогенераторам проявляют ин­терес различные отрасли науки и техники. Их предпола­гается использовать в виде источника энергии искусст­венного сердца человека, а также для стимулирования работы различных органов в живых организмах. Осо­бенно пригодными оказались радиоизотопные термогене­раторы при освоении космического пространства, где необходимы источники энергии, способные длительно и надежно работать в неблагоприятных условиях воздей­ствия ионизирующих излучений, в радиационных поясах, на поверхности других планет и их спутников.

12. ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Явление термоэлектронной эмиссии было открыто Т. Эдисоном в 1883 г. Работая над созданием электри­ческой лампы, Эдисон помещал в колбе две нити. Когда перегорала одна из них, он поворачивал лампу и вклю­чал другую. Во время испытания ламп обнаруживалось, что некоторое количество электричества переходит к хо­лодной нити, т. е. электроны «испаряются» с горячей нити — катода — и движутся к холодной нити — ано­ду — и далее во внешнюю электрическую цепь. При этом часть тепловой энергии, расходуемой на нагревание катода, переносится электронами и отдается аноду, а часть энергии электронов выделяется во внешней элек­трической цепи при протекании электрического тока.

Анод разогревается за счет теплоты, приносимой электронами. Если бы температуры катода и анода бы­ли одинаковыми, то теплота «испарения» электронов с катода в точности была бы равна теплоте «конденсации» электронов на аноде и не было бы преобразования теп­лоты в электрическую энергию. Чем меньше температура анода по сравнению с температурой катода, тем боль­шая часть тепловой энергии превращается в электриче­скую. Простейшая схема термоэмиссионного преобразо­вателя энергии показана на рис.12.1.

Рис. 12.1. Устройство термоэмиссионного преобразователя энергии:

1 – катод; 2 – анод

В обычной диодной радиолампе мощность, расходуе­мая на нагревание катода, примерно равна 10 Вт, а вы­ходная мощность, снимаемая с ано­да,— 1 мВт. Таким образом, на на­гревание расходуется мощность, в 10⁷ раз большая. КПД преобразова­теля составляет ничтожно малую величину—(и-Ю"⁴⁰/). Если бы КПД был даже в миллион раз боль­ше, то это устройство все равно нельзя было бы рассматривать как преобразователь энергии для про­мышленных целей. Однако прогресс в развитии термоэмиссионных пре­образователей оказался настолько значительным, что удалось КПД современных диодных преобразователей энергии довести до 20%.

В процессе термоэлектронной эмиссии с поверхности металлов происходит выход свободных электронов. В металлах содержится большое число свободных электронов — около 6-10²¹ в 1 см³. Внутри металла силы притяжения электрона сбалансированы положительно заряженными ядрами (рис. 3.8). Непосредственно у по­верхности на электроны действуют результирующие силы притяжения, для преодоления которых и выхода за пре­делы металла электрону нужно обладать достаточной кинетической энергией. Увеличение кинетической энер­гии происходит при нагревании металла.

В энергетических термоэмиссионных генераторах для нагревания катода можно воспользоваться теплотой, по­лучаемой в результате ядерной реакции. Схема ядерно­го термоэмиссионного преобразователя приведена на рис. 12.2. КПД первых таких преобразователей был равен примерно 15%; по существующим прогнозам его можно довести до 40 %.

Испускание электронов в термоэмиссионных генера­торах вызывается нагреванием катода. При радиоактив­ном распаде электроны (β-лучи) испускаются вследствие естественного свойства элементов. Непосредственно ис­пользуя это свойство, можно осуществить прямое преобразование ядерной энергии в электрическую.

Рис. 12.2. Ядерный термоэмиссионный преобразователь:

1 – защита; 2 – охладитель; 3 – анод; 4 – вакуум;

5 – катод; 6 – ядерное горючее

13. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В электрохимических генераторах происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. Возникновение ЭДС в гальваническом элементе связано со способностью металлов посылать свои ионы в раствор в результате молекулярного взаимодействия между ионами металла и молекулами (и ионами) раствора.

Рассмотрим явления, происходящие при опускании цинкового электрода в раствор сернокислого цинка. Молекулы воды стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (рис. 13.1). В результате действия электростатических сил положительные ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу способствует большой дипольный момент воды.

Рис. 13.1. Расположение электрических зарядов, способствующих переходу положительных ионов цинка в раствор сернокислотного цинка

Наряду с процессом растворения цинка происходит и обратный процесс возвращения в цинковый электрод положительных ионов цинка при дости­жении ими электрода в результате тепло­вого движения.

По мере перехода положительных ионов в раствор увеличивается отрица­тельный потенциал электрода, препятст­вующий этому переходу. При некотором потенциале металла наступает динами­ческое равновесие, т. е. два встречных потока ионов (от электрода в раствор и обратно) будут одинаковы. Этот равно­весный потенциал называется электро­химическим потенциалом металла отно­сительно данного электролита.

Важное техническое приложение галь­ванические элементы нашли в аккумуля­торах, где вещество, расходующееся при отборе тока, предварительно накаплива­ется на электродах при пропускании через них в течение некоторого времени тока от постороннего источника (при зарядке). Применение аккумуляторов в энергетике за­труднено вследствие малого запаса активного химиче­ского горючего, не позволяющего получать

непрерывно электроэнергию в больших количествах. Кроме того, для аккумуляторов характерна малая удельная мощ­ность.

Большое внимание во многих странах мира уделяет­ся непосредственному преобразованию химической энер­гии органического Топлива в электрическую, осуществ­ляемому в топливных элементах. В этих преобразовате­лях энергии можно получить более высокие значения КПД, чем у тепловых машин. В 1893 г. немецкий физик и химик Нернст вычислил, что теоретический КПД эле­ктрохимического процесса превращения химической энергии угля в электрическую равен 99,75%.

На рис. 3.12 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента. Электроды в топливном элементе выполнены пористыми. На аноде происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Оставшиеся электроны создают отрицатель­ный потенциал и во внешней цепи перемещаются к като­ду. Атомы кислорода, находящиеся на катоде, присоеди­няют к себе электроны, образуя отрицательные ионы, которые, присоединяя из во­ды атомы водорода, перехо­дят в раствор в виде ионов гидроксила ОН-. Ионы гидроксила, соединяясь с иона­ми водорода, образуют во­ду. Таким образом, при под­воде водорода и кислорода происходит реакция окисле­ния горючего ионами с одно­временным образованием тока во внешней цепи. Так как напряжение на выводах элемента невелико (порядка 1 В), то элементы последо­вательно соединяют в бата­реи. КПД топливных элементов очень высок. Теоретиче­ски он близок к единице, а практически он равен 60— 80%.

Рис. 13.2. Схема водороднокислородного топливного элемента:

1 – корпус; 2 – катод; 3 – электролит; 4 - анод

Использование водорода в качестве топлива сопря­жено с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому изыскиваются возможности приме­нения других более дешевых видов топлива, в первую очередь природного и генераторного газа. Однако удов­летворительные скорости протекания реакции окисления газа происходят при высоких температурах 800—1200 К, что исключает применение в качестве

электролитов во­дяных растворов щелочи. В этом случае можно исполь­зовать твердые электролиты с ионной проводимостью.

В настоящее время широко ведутся работы над соз­данием эффективных высокотемпературных топливных элементов. Пока удельная мощность топливных элемен­тов все еще невелика. Она в несколько раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако успехи электрохимии и конструктивные усовершенствования топлив­ных элементов в недалеком будущем сделают возмож­ным применение топливных элементов в автотранспорте и энергетике. Топливные элементы бесшумны, экономич­ны и у них отсутствуют вредные отходы, загрязняющие атмосферу.

Дата добавления: 2014-12-07