Энергия плазмы потока плазмы энергия
Вопрос 10. Какие Вы знаете способы преобразования энергии? Подробно объясните один из них по своему выбору, назовите его преимущества, недостатки и область применения.
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.
|
|
|
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 опытно-промышленные 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.
Рис. 2.12. Принципиальная схема
МГД-генератора
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
энергия плазмы потока плазмы энергия
В чем же преимущества МГД-генератора?
Как известно, для увеличения КПД теплового двигателя необходимо повышать начальную температуру рабочего тела Т. Но в тепловых двигателях ТЭС - паровых турбинах начальную температуру водяного пара не поднимают выше 540 °С. Это объясняется тем, что наиболее ответственные элементы турбины, прежде всего рабочие лопатки, испытывают одновременно воздействие высокой температуры и большой механической нагрузки. В канале МГД-генсратора вообще отсутствуют движущиеся части, поэтому материал, из которого сделаны элементы его конструкции, не испытывает сколько-нибудь значительных механических усилий. В этом состоит одно из важных преимуществ МГД-генератора.
|
|
|
И хотя не существует материала, способного выдерживать температуру 2600 °С, высокотемпературные элементы конструкции МГД-генератора охлаждают обычно водой. Статические условия работы позволяют использовать материалы, на поверхности которых температура может достигать 2700-3000 °С. Это открывает широкие перспективы повышенияКПД преобразования энергии. Теоретически КПД может достигать 90%. реально он составляет 50—60%.
Итак, в классическом паросиловом цикле имеют место следующие преобразования энергии: тепловая энергия, полученная при сжигании топлива, превращается во внутреннюю энергию пара в котле (550 °С), затем в механическую энергию турбины и в электрическую энергию генератора. В магнитогидродинамическом цикле: тепловая энергия, полученная при сжигании топлива (2600 °С), превращается в канале МГД-генератора в механическую энергию низкотемпературной плазмы и затем за счет работы против сил внешнего магнитного поля – в электрическую энергию генератора. Таким образом, цепочка преобразований энергии в МГД-методе значительно короче. Меньшее количество преобразований приводит к меньшим потерям и повышению эффективности всего цикла в целом. Экономия топлива составляет 20-25% по сравнению с традиционным циклом. КПД идеального теплового цикла Карно зависит от значений максимальной и минимальной температур рабочего тела. Максимальная температура рабочего тела в МГД-методе несравнимо выше.
На выходе из канала МГД-генератора продукты сгорания все еще Имеют высокую температуру – около 2000 °С. При этой температуре Плазма уже недостаточно электропроводка, поэтому продолжение провеса в МГД-
генераторе невыгодно. В то же время продукты сгорания на выходе из канала обладают температурой более высокой, чем в топке котла паросилового цикла. Их тепловую энергию целесообразно использовать. Эта идея реализуется в двухступенчатой установке - комбина-
ции МГД-генератора с паросиловым циклом (рис. 2.13). В камеру сгорания 1 подается топливо, легкоионизирующаяся присадка и нагретый окислитель (воздух). Продукты сгорания с температурой около 2600 °С поступают через сопло в канал МГД-генератора 3, а из канала при температуре около 2000 °С - в парогенератор 5. Здесь за счет тепла, отдаваемого уходящими газами, происходит нагревание воды, образование и перегрев водяного пара. В парогенераторе или в отдельном воздухоподогревателе 2 производится подогрев направляемого в камеру сгорания 1 окислителя. Из парогенератора отводится, а затем используется вновь легкоионизирующаяся присадка.
Рис.2.13. Комбинация МГД-генератора с паросиловым циклом
Паросиловая часть МГД-электростанции принципиально не отличается от схемы ТЭС. Главное преимущество МГД-электростанции – возможность получения высокого КПД – до 50-60% против 40% для лучших ТЭС. Большинство существующих и строящихся опытных и опытно-промышленных МГД-установок рассчитано для работы на газовом топливе. Другим важным преимуществом МГД-электростанций является их высокая маневренность, создаваемая возможностью полного отключения МГД-ступени. Существует ряд технических проблем реализации эффективных МГД-электростанций:
- создание материалов для стенок и электродов МГД-каналов, которые могли бы длительно и надежно работать при высоких температурах,
– создание сверхпроводящей магнитной системы, охлаждаемой жидким гелием,
– создание эффективного электрического инвертора для преобразования получаемого от МГД-установки постоянного тока в переменный.
В перспективе рассматривается возможность использования мощных МГД-установок на
АЭС. В этом случае место камеры сгорания займет атомный реактор, а рабочим телом МГД-
генератора будут служить не продукты сгорания, а более легко ионизирующийся газ, например, гелий.
Представляет интерес МГД-генератор с пульсирующей плазмой, позволяющий получать электрическую энергию при переменном токе. Вопросам создания достаточно эффективных промышленных МГД-установок уделяется большое внимание во многих индустриально развитых странах мира.
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.
Рис. 2.14. Принципиальная схема Рис. 2.15. Принципиальная схема
термоэлемента: А - амперметр; термоэлектрического генератора
t0 tn - температуры спаев. ( ТЭГ )
В зависимости от назначения ТЭГ могут преобразовывать в электрическую энергию тепловую, полученную в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива и т.д. Тепло распада радиоактивных изотопов и тепло, получаемое при делении ядер тяжелых элементов в реакторах, стало применяться в ТЭГ с конца 50-х годов. Широкие исследования и конструктивные работы по совершенствованию ТЭГ ведутся в СНГ, США, Англии, Франции, Японии. Почти все современные ТЭГ содержат полупроводниковые материалы и изготавливаются мощностью от нескольких ватт до нескольких киловатт. Исход промышленного применения ТЭГ во многом зависит от успехов поиска материалов, которые обладали бы свойствамиь полупроводников в условиях высоких температур (до 1100°С) и интенсивного радиоактивного облучения. Вопрос о целесообразности применения тех или иных источников энергии решается в
пользу ТЭГ, когда главное значение имеет не КПД, а компактность, надежность, портативность и удобство.
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.
Рис. 2.16. Принцип действия термоэмиссионного преобразователя ( ТЭП )
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.
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 518; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!