Аккумуляторы тепловой энергии.

Различают две группы устройств накопления тепловой энергии.

В первой группе происходит аккумулирование явной теплоты. Ее накапливание осуществляется путем нагревания рабочего тела аккумулятора – большой массы какого-либо вещества, термически изолированного от внешней среды. Тот же принцип применяется для накопления холода: резервуар с рабочим телом охлаждается с помощью холодильной установки в ночное время, во время провала нагрузки энергосистемы.

Во второй группе устройств накопление тепловой энергии происходит путем аккумулирования скрытой теплоты. Это осуществляется в результате перехода рабочего тела из одного агрегатного состояния в другое: из твердого в жидкое, из жидкого в парообразное.

Передача тепла потребителю от аккумуляторов первой группы происходит за счет охлаждения рабочего тела и понижения его температуры, а от аккумуляторов второй группы -путем возвращения рабочего тела в первоначальное агрегатное состояние.

Аккумуляторы явной теплоты применяются в системах производства электроэнергии, в том числе на солнечных электростанциях. Аккумуляторы скрытой теплоты – для питания потребителей коммунально-бытового сектора (широко применяются в солнечных отопительных установках жилого сектора США), сферы обслуживания.

2.5. Методы и перспективы прямого преобразования энергии

На смену традиционным способам преобразования энергии неизбежно придут качественно новые, более совершенные, в первую очередь, способы непосредственного или прямого преобразования тепло вой, ядерной, световой и химической энергии в электрическую энергию

Способы прямого преобразования различных видов энергии в электрическую основываются на физико-химических явлениях и эффектах открытых учеными. Пока эти способы не конкурентоспособны с традиционными способами производства электроэнергии, используемыми в большой энергетике.

Однако уже сегодня прямое получение электроэнергии широко применяется в автономных источниках энергии небольшой мощности, для которых показатели экономичности работы не имеют решающего значения, а важны надежность работы, компактность, удобство обслуживания, небольшой вес. Такие источники энергии используются в системах сбора информации в труднодоступных местах Земли и в межпланетном пространстве, на космических аппаратах, самолетах, судах и т. п.

Различают физические и химические источники электрической энергии. К физическим источникам относятся термоэлектронные генераторы, фотоэлектрические батареи, термоэмиссионные преобразователи. В химических источниках, например, гальванических элементах, аккумуляторах, электрохимических генераторах и т.п., используется энергия окислительно-восстановительных реакций химических реагентов.

2.5.1. Преобразование тепловой энергии в электрическую

Известные способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую подразделяются на три вида:

• магнитогидродинамические,

• термоэлектрические,

• термоэмиссионные.

МГД-метод и МГД-генератор. Магнитогидродинамический способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую является наиболее разработанным для получения больших количеств электроэнергии и лежит в основе МГД-генератора, опытные и опытнопромышленные образцы которого были созданы в Советском Союзе.

Сущность МГД-метода заключается в следующем.

В результате сжигания органического топлива, например, природного газа, образуются продукты сгорания. Их температура должна быть не ниже 2500 °С. При этой температуре газ становится электропроводным, переходит в плазменное состояние. Это означает, что происходит его ионизация. Плазма при такой относительно низкой температуре (низкотемпературная плазма) ионизирована лишь частично. Она состоит не только из продуктов ионизации - электрически заряженных свободных электронов и положительно заряженных ионов, но и из сохранившихся целыми, еще не подвергшихся ионизации молекул. Для того чтобы низкотемпературная плазма продуктов сгорания имела достаточную электропроводность при температуре около 2500 °С, к ней добавляют присадку - легкоионизирующееся вещество (натрий, калий или цезий). Ее пары ионизируются при более низкой температуре.

В основе работы МГД-генератора лежит закон Фарадея об электромагнитной индукции: в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. В МГД-генераторе роль движущегося проводника выполняет движущийся поток низкотемпературной плазмы, т. е. поток ионизированного токопроводящего газа. На рис. 2.12 приведена принципиальная схема МГД-генератора: между полюсами постоянного магнита расположен расширяющийся канал, на противоположных стенках которого размещены электроды, замкнутые на внешнюю цепь. Плазма с небольшой добавкой легкоионизирующегося вещества при температуре около 2700-2500 °С поступает в канал МГД- генератора и за счет уменьшения ее тепловой энергии разгоняется там до скорости, близкой к звуковой и даже более высокой (до 2000 м/с и более). 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 направлении, перпендикулярном движению потока и силовым линиям магнитного поля, от одной стенки канала к другой возникнет ЭДС и электрический ток, протекающий через плазму. Взаимодействие этого электрического тока с магнитным потоком создает силу, тормозящую движение плазмы по каналу. Таким образом, кинетическая энергия потока плазмы превращается в электрическую энергию. На выходе температура плазмы равна примерно 300 °С. В

МГД-генераторе осуществляется следующая цепь преобразований энергии:

тепловая ► кинетическая энергия ► электрическая

Термоэлектрический генератор ТЭГ. Работа ТЭГ основана на известном в физике эффекте Зеебека (1821 г.). Его сущность заключается в том, что в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактов материалов (термопар).

На рис. 2.14 показан термоэлемент, электрическая цепь которого состоит из двух проводников - меди и константана (сплав меди и никеля). Такие термопары используются для измерения температуры. Один из спаев находится при температуре, которую требуется измерить, а другой – при постоянной, например, при практически неизменной температуре смеси воды и льда. Если составить цепь из последовательно соединенных различных материалов, обычно полупроводников, т.е. цепь из отдельных термоэлементов, то получится

термоэлектрический генератор (рис. 2.15). ЭДС, создаваемая ТЭГ, пропорциональна числу термоэлементов, его образующих. КПД термоэлемента, а следовательно, и ТЭГ регламентируется II законом термодинамики.

Из всех устройств, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, ТЭГ в настоящее время находит наиболее широкое практическое применение. Основные достоинству ТЭГ: отсутствие движущихся частей, необходимости высоких давлений, возможность использования любых источников тепла, значительный ресурс работы.

Однако ТЭГ пока еще дороги, их КПД невелик – до 10%. Они находят применение в качестве небольших, как правило, автономных источников энергии, например, на космических объектах, ракетах, подводных лодках, маяках и т. п.

Термоэмиссионный преобразователь (ТЭП). Работа ТЭП основана на открытом Т.Эдисоном в 1883 г. явлении термоэлектронной эмиссии: если какое-либо твердое тело (металл, полупроводник) поместить в вакуум, то известное количество электронов этого тела перейдет в вакуум. Твердое тело называется эмиттером. Эмиссия электронов тем больше,

чем выше температура эмиттера. Если 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, чтобы его температура оставалась более низкой (рис. 2.16), при подключении эмиттера и коллектора к внешней электрической цепи по ней потечет ток. Таким образом, получим источник тока, называемый термоэмиссионным преобразователем (ТЭП). Он, как и ТЭГ, преобразует тепловую энергию в электрическую, минуя ступень механической энергии, и, следовательно, подчиняется ограничениям, установленным II законом термодинамики.

При использовании термоэмиссионных преобразователей в энергетических целях для нагрева катода можно воспользоваться теплом, получаемым в результате ядерной реакции. КПД первых ядерных ТЭП равен примерно 15%, по прогнозам, его можно будет довести до 40%. Принципиально возможна установка прямого преобразования ядерной энергии в электрическую, когда при радиоактивном распаде электроны испускаются вследствие естественного свойства элементов.

Возможно применение термоэлектрических элементов в так называемых тепловых насосах, осуществляющих в одной части выделение, а в другой – поглощение тепла одновременно за счет электрической энергии. При изменении направления тока насос работает в противоположном режиме, т. е. части, в которых происходит выделение и поглощение тепла, меняются местами. Такие тепловые насосы могут успешно применяться для терморегуляции жилых и прочих помещений. Зимой насосы надевают воздух в помещении и охлаждают его на улице, а летом наоборот - охлаждают воздух в помещении и нагревают на улице.

2.5.2. Преобразование световой энергии

Многообещающе прямое превращение солнечной энергии в электрическую с помощью солнечных элементов, в которых используется явление фотоэффекта. В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы. Их КПД, однако, составляет не более 15%, и они очень дороги. Существуют различные варианты промышленного фотоэлектрического преобразования энергии, но для реализации этих проектов предстоит провести большой объем научных исследований и решить серьезные научно-технические проблемы.

2.5.3. Преобразование химической энергии

Электрохимический генератор. В электрохимических генератоpax происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую, для чего используются водородно-кислородные топливные элементы. Последние были применены в космических кораблях серии «Аполлон» для полетов на Луну. Топливный элемент – это обычный электрохимический элемент, отличающийся тем, что активные вещества к нему подаются извне, а электроды в электрохимических превращениях не участвуют.

Можно сжечь водород в атмосфере кислорода. В результате образуется вода и выделяется тепло, которое затем можно использовать в теплосиловом двигателе. В топливном элементе также происходит реакция горения водорода, но она разделена на два процесса, в одном из которых участвует водород, а в другом - кислород.

Элемент состоит из двух электродов, погруженных в электролит. На один из них непрерывно подается водород, а на другой – кислород. Поэтому отличием топливного элемента от электрического аккумулятора является то, что запас горючего – водорода и окислителя -кислорода постоянно пополняется. Водород, попадая на металлический электрод и находясь на разделе трех фаз: твердого электрода, электролита, газовой фазы, переходит в атомарное состояние. Его двухатомная молекула Н2 разделяется на атомы, а атомы делятся на свободные электроны и ядра атомов - ионы. Электроны уходят в металл, а ядра атомов – в раствор (электролит). В результате электрод насыщается отрицательно заряженными электронами, а электролит –положительно заряженными ионами. Аналогичный процесс происходит на втором электроде, на который подастся кислород. Вследствие происходящих у поверхности электрода процессов на нем появляются положительные электрические заряды. Кроме того, возникают отрицательно заряженные ионы ОН, которые остаются в электролите и, соединяясь с ионами водорода, образуют воду Н2О. Если соединить внешней цепью оба электрода, то возникает электрический ток. Таким путем химическая энергия превращается в электрическую. В топливном элементе отсутствует промежуточная стадия преобразования химической энергии в тепловую, поэтому его КПД не имеет ограничений, присущих тепловому двигателю. КПД топливного элемента вполне может достигать 65-70%. К тому же он работает при низкой температуре.

Идея топливного элемента появилась еще в середине XIX в., но по сей день отсутствует подходящая конструкция для широкого применения. Сегодня - начальный этап применения топливных элементов. Они используются, когда не требуется большая мощность, прежде всего как автономные источники тока. Удельная мощность топливных элементов хотя и во много раз больше, чем у электрических аккумуляторов, но еще примерно в 3 раза меньше сравнению с бензиновыми двигателями.

Первыми потребителями топливных элементов будут космические аппараты, нуждающиеся в небольших по мощности бортовых источниках тока, и электромобили. В космических аппаратах водородно-кислородные топливные элементы уже находят применение, что же касается электромобилей, то пока создаются опытные образцы.

Использование водорода в качестве топлива сопряжено с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому изучаются возможности применения других видов топлива, в первую очередь природного и генераторного газа, т.к. они относятся к дешевым видам топлива. Однако для удовлетворительных скоростей протекания реакцииокисления газа необходимы высокие температуры – 800-1200 °С, что требует применения твердых электролитов с ионной проводимость

 

⇐ Предыдущая1234

Поделиться: