Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

МГД-генераторы

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………..2
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ…………………………4

2.1.Общие сведения о термоэлектрических генераторах………………4

2.2.Физические основы работы термоэлектрических генераторов……5

2.3. Батареи термоэлектрических элементов……………………………7

3.ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

3.1.Основные сведения о термоэмиссионных преобразователях…….8

3.2.Физические основы работы термоэмиссионных преобр-й………10

3.3. Батареи термоэммисионых элементов…………………………...11

4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ………………………..11

5. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ…………………………………………………………..15

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………18

Список использованной литературы…………………………………..19

1. ВВЕДЕНИЕ

Основу современной энергетики составляют теплоэлектростанции (ТЭС). Действие ТЭС основано на преобразовании тепловой энергии, выделяющейся при сжигании органического топлива, сначала в механическую энергию вращения вала паровой или газовой турбины, а затем с помощью электрогенератора в электрическую энергию. В результате такого двойного преобразования много энергии теряется впустую — выделяется в виде тепла в воздух, расходуется на нагрев оборудования и т. д.

А нельзя ли уменьшить эти непроизводительные расходы энергии, сократить процесс преобразования энергии, исключить промежуточные стадии преобразования энергии? Оказывается, можно. Одной из энергетических установок, преобразующих энергию движущейся электропроводной жидкости или газа непосредственно в электрическую, является магнитогидродинамическии генератор, или сокращенно МГД-генератор.

Так же как и в обычных электрогенераторах, процесс генерирования электрического тока в МГД-генераторе основан на явлении электромагнитной индукции: в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля, возникает электрический ток. В МГД-генераторе таким проводником является так называемое рабочее тело — жидкость, газ или жидкий металл, обладающие высокой электрической проводимостью. Обычно в МГД-генераторах используется раскаленный ионизированный газ, или плазма (см. Плазменный генератор— плазмотрон). При движении плазмы поперек магнитного поля в ней возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов — свободных электронов и положительных ионов.

Состоит МГД-генератор из канала, по которому движется плазма, электромагнита для создания магнитного поля и электродов, улавливающих носители зарядов. Электроны и ионы, отклоненные магнитным полем от основного направления движения плазмы, оседают на улавливающих электродах. В результате между противоположно расположенными электродами возникает разность потенциалов, которая вызывает в подключенной к ним внешней цепи электрический ток. Таким образом в МГД-генераторе осуществляется преобразование энергии движущейся плазмы непосредственно в электроэнергию, без каких-либо промежуточных преобразований.

Основное преимущество МГД-генератора по сравнению с обычными электромагнитными генераторами — отсутствие в нем движущихся механических узлов и деталей, таких, например, как ротор в турбо- или гидрогенераторе. Это обстоятельство позволяет существенно повысить начальную температуру рабочего тела, а следовательно, и коэффициент полезного действия генератора.

Первый экспериментальный МГД-генератор мощностью всего в 11,5 кВт был построен в 1959 г. в США. В 1965 г. в СССР был исследован первый советский МГД-генератор, а в 1971 г. состоялся пуск опытно-промышленной установки — своеобразной электростанции с МГД-генератором мощностью 25 МВт. Такие энергетические установки могут применяться, например, как резервные или аварийные источники электроэнергии, а также в качестве источников электропитания таких устройств, которые требуют значительного потребления электроэнергии за короткий промежуток времени.

2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

2.1. Общие сведения о термоэлектрических генераторах.

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) представляют собой полупроводниковые термопары и предназначены для прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию. они используются в передвижных АЭУ , питающих труднодоступные объекты, которые монтируются в отдаленных районах Земли (автоматические метеостанции, морские маяки и т.п.). В перспективе такие объекты могут монтироваться на Луне или на других планетах. В качестве источников тепла для подвода к горячим спаям ТЭГ : радиоактивные изотопы (РИТЭГ), ядерные реакторы (ЯРТЭГ), солнечные концентраторы различного исполнения (СТЭГ). Ориентировочно принимают, что при электрических мощностях от 1 до 10 кВт на КЛА целесообразны РИТЭГ и СТЭГ, а при повышенных уровнях мощности - ЯРТЭГ. Последние наиболее перспективны для АЭУ КЛА.

Достоинства ТЭГ: большой срок службы, высокая надежность, стабильность параметров, вибростойкость. Недостатки ТЭГ: невысокие относительные энергетические показатели: удельная масса 10-15 кг/кВт, поверхностная плотность мощности 10 кВт/м² (на единицу поперечного сечения элемента ), объемная плотность мощности 200-400 кВт/м³ и сравнительно низкий КПД преобразования энергии (5-8%). Применительно к ЛА ТЭГ представляют собой батареи кремне-германиевых термоэлектрических элементов (ТЭЭ), которые по матричному принципу соединены в ветвях последовательно, а ветви могут иметь между собой параллельные соединения. Батареи ТЭЭ заключены с герметичные контейнеры, заполненные инертным газом во избежание окисления и старения полупроводников. Плоские или цилиндрические конструкции ТЭГ снабжаются устройствами для подвода тепла на горячих спаях и для его отвода на "холодных" спаях полупроводниковых термостолбиков. Конструкция силовых электровыводов ТЭГ должна обеспечивать одновременно термоплотность и электрическую изоляцию от корпуса (контейнера), что представляет достаточно сложную техническую задачу.

2.2. Физические основы работы термоэлектрических генераторов.

В основе действия любого ТЭЭ лежат обратимые термоэлектрические эффекты Пельтье, Томсона (Кельвина) и Зебека. Определяющая роль в ТЭГ принадлежит эффекту термо-ЭДС (Зебека). Преобразование энергии сопровождается необратимыми (диссипативными) эффектами: передачей тепла за счет теплопроводности материала ТЭЭ и протекании тока. Материалы ТЭЭ с приместной электронной и дырочной проводимостью получают введением легирующих добавок в кристаллы основного полупроводника.

Рис. 1. Принципиальная схема элементарного полупроводникового ТЭГ

При рабочих температурах Т ³ 900 ¸ 100 К целесообразны сплавы 20-30% Ge-Si, а при Т £ 600 ¸ 800 К - материалы на основе теллуридов и селенидов свинца, висмута и сурьмы. Схема кремниевого ТЭЭ показана на рис. 1. Тепло Q1 подводится к ТЭЭ (ТЭГ) через стенку нагревателя 1 с помощью теплоносителя ( например жидкометаллического), тепловой трубы или при непосредственном контакте с зоной тепловыделения реактора. Через стенку 7 холодильника тепло Q2 отводится от ТЭГ (излучением, теплоносителем или тепловой трубой). Спаи полупроводниковых кристаллических термостолбиков 4 и 9 образованы металлическими шинами 3 и 5, 8, которые электрически изолированы от стенок 1 и 7 слоями диэлектрика 2, 6 на основе оксидов температур DТ = Т1-Т2.

Эффективность ТЭГ обеспечивается существенной разнородностью структуры ветвей 4 и 9. Ветвь р-типа с дырочной проводимостью получается введением в сплав Si-Ge акцепторных примесей атомарного бора В. Ветвь п-типа с электронной проводимостью образуется при легировании Si-Ge донорными атомами фосфора Р. Из-за повышенной химической активности и малой механической прочности полупроводниковых материалов соединение их с шинами 3, 5, 8 выполняется прослойками из сплава кремний-бор. Для достижения стабильной работы батарея ТЭЭ герметизирована металлической кассетой, заполненной аргоном.

Эффект Пельтье. В пограничной плоскости - спае разнородных полупроводников (или металлов) - при протекании тока I поглощается тепло Qп, если направление тока I совпадают с направлением результирующего теплового потока ( который возник бы при подогреве спая). Если же направления тока I и этого потока противоположны, Qп происходит от внешнего источника тепла (из нагревателя потребляется дополнительная энергия) либо из внутренних запасов энергии, если внешний источник отсутствует ( в этом случае наблюдается охлаждение спая). В замкнутой на сопротивлении Rп термоэлектрической цепи ТЭГ на горячих спаях столбиков ТЭ тепло Qп поглощается (эндотермический эффект). Это охлаждение Пельтье надо компенсировать дополнительным подводом тепла DQп извне. На холодных спаях тепло Пельтье выделяется (экзотермический эффект). Выделившееся тепло Qп необходимо отводить с помощью внешнего охлаждающего устройства. Указанные явления обуславливаются перераспределением носителей зарядов (электронов) по уровням энергии: при повышении средней энергии электронов ее избыток выделяется в спае.

Обратимость эффекта Пельтье состоит в том, что при питании цепи током I от внешнего источника характер теплового действия I на спай можно изменять реверсированием направления тока . На этом основано создание термоэлектрических нагревателей и холодильников. Последние имеют больше практическое значение.

Эффект Томсона (Кельвина) . Эффект Томсона относится к объемным (линейным) эффектам в отличие от плоскостного (точечного) эффекта Пельтье. при протекании тока I по термически неоднородному полупроводнику (или проводнику) на его отрезке (х1,х2) с перепадом DТ1-Т2¹0 в случае совпадения направлений тока и градиента

выделяется тепло Томсона Qт (нагрев отрезка). При встречных направлениях I и ÑТ тепло Qт поглощается (охлаждение отрезка). Эффект объясняется изменением энергии движущихся электронов при перемещении в область с иным температурным уровнем. При реверсе направления I наблюдается обратимость эффекта Томсона, т.е. перемена экзо- или эндотермического характера теплового действия

Принцип работы ТЭЭ. (рис. 1). Кинетическая энергия электронов на конце цепи с выше, чем на "холодных" концах с Т=Т2 , следовательно, преобладает диффузия электронов от горячего спая к холодным концам. концентрация электронов в р- и п-ветвях различна, поэтому более отрицательный потенциал получает конец термостолбика п-типа, по отношения к которому конец столбика р-типа имеет положительный потенциал. Разность потенциалов Е=Z(T1-T2) обуславливает ток I ( при замыкании цепи на сопротивление Rн нагрузки) и полезную электрическую мощность Работе ТЭГ сопутствуют обратимые эффекты.

2.3. Батареи термоэлектрических элементов.

Для получения в ТЭГ характерного напряжения U»30 В при ЭДС одного ТЭЭ Е»0,1¸0,3 В требуется последовательно соединить в батарею примерно N»10² ТЭЭ. при заданных размерах сечения термостолбика и уровнях тока I нагрузки необходимое число параллельных ветвей в батарее определяется плотностью тока J=I/s»10 A/см². Для КЛА выполняются батареи ТЭГ мощностью от единиц до сотен ватт. В СССР для стационарных и передвижных АЭУ созданы РИТЭГ серии "Бета" мощностью до 10 Вт на радиоактивном изотопе церия ¹⁴⁴Се. Плоские и цилиндрические варианты ТЭГ определяются их компоновкой в блоке. Каскадное соединение ТЭГ позволяет повысить КПД преобразования энергии до h»0,13. В целях уменьшения удельной массы ТЭГ разработаны многослойные пленочные ТЭЭ. представляет интерес создание в перспективе ТЭГ в виде экспериментальных реакторов-генераторов на базе интегрального исполнения ТЭЭ и тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) из делящихся соединений типа сульфидов урана или тория, которые обладают полупроводниковыми свойствами.

3. ТЕРМОЭМИССИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

3.1. Основные сведения о термоэмиссионных преобразователях.

Различные типы ТЭП разрабатываются для питания систем и оборудования КЛА, в особенности КЛА с ядерными АЭУ. При электрической мощности АЭУ порядка 0,1 - 1 кВт целесообразно применение РИТЭП и СТЭП. При мощностях более 1 кВт предпочтительны ЯРТЭП, которые наиболее перспективны для космических АЭУ длительного действия. Достоинства ТЭП - большой ресурс, относительно высокий КПД и хорошие удельные энергетические, а также массогабаритные показатели. В настоящее время выполняют ЯРТЭП по интегральной схеме совместно с ТВЭЛ ядерного реактора, при этом ТЭП-ТВЭЛ образуют конструкцию реактора-генератора. Возможно и раздельное исполнение реактора т ТЭП, в котором ТЭП вынесены из активной зоны реактора.

Недостатки ТЭП состоят в нестабильности характеристик и изменении межэлектродных размеров вследствие ползучести (свеллинга), а также в технологических затруднениях при выполнении малых зазоров между электродами, необходимости компенсации объемного заряда электронов в межэлектродном зазоре.

Совмещенные с ТВЭЛ цилиндрические элементарные ТЭП последовательно соединяются в гирлянду, образующую электрогенерирующий канал (ЭГК), размещаемый в активной зоне ректора. Уменьшение объема активной хоны ядерного реактора и массы радиационной защиты достигается при вынесении ЭГК из реактора. При раздельном исполнении ТВЭЛ и ТЭП энергия к ТЭП от ТВЭЛ может подводиться тепловыми трубами. Последние представляют собой устройства для передачи тепла от нагревателя к потребителю (или холодильнику) посредством использования для поглощения и выделения тепла фазовых (газожидкостных) переходов рабочего тела. перемещение рабочего тела осуществляется капиллярными силами (при наличии "фитиля" или пористого элемента конструкции тепловой трубы), центробежными и электромагнитными силами в зависимости от конкретного устройства тепловой трубы.

Для получения необходимых параметров АЭУ (мощности и напряжения) ЭГК соединяют по последовательно-паралелльным схемам. Различают вакуумные и газонаполненные ТЭП, причем газонаполненные ТЭП с парами цезия имеют лучшие показатели. Их характеризуют удельная масса ЭГК G_* = 3 ¸ 10 кг/кВт, поверхностная плотность мощности Р_* = 100 ¸ 200 кВт/м²(на единицу площади, эмитирующей электроны), плотность тока

эмиттера J = 5 ¸8 A/cм² , КПД преобразования тепла в электроэнергию h = 0,15 ¸ 0,25, рабочий ресурс - более 10⁴ ч (до 5 лет). Вакуумные ТЭП в настоящее время применяются сравнительно мало вследствие сложности технологии изготовления межэлектродных зазоров порядка 10^-2 мм, при которых возможны удовлетворительные эксплуатационные показатели преобразователей.

3.2. Физические основы работы термоэмиссионных преобразователей.

Работа основана на явлении термоэлектронной эмиссии (эффекте Эдисона) - испускании электронов нагретым металлическим катодом (эмиттером). Физическими аналогами вакуумных и газонаполненных ТЭП могут служить электронные лампы - вакуумные диоды и газотроны. В отдельных случаях вследствие упрощения эксплуатации целесообразно использовать вакуумные ТЭП, но лучшие характеристики имеют, как указывалось, ТЭП, наполненные парами легкоионизирующегося металла - цезия (Сs). Различают межэлектродные газовые промежутки ТЭП с частичной и полной ионизацией. Последние принадлежат к плазменным ТЭП, которые можно относить к контактным преобразователям.

Процесс преобразования энергии в ТЭП рассмотрим вначале на примере анализа плоской вакуумной модели элементарного генератора (рис. 2.) Промежуток D между металлическими электродами - катодом (эмиттером) 1 и анодом (коллектором) 2, заключенными в вакуумный сосуд 3, откачан до

рис.2

давления 0,133 мПа (примерно 10^-6 мм рт. ст.). Электроды и их выводы 4 изолированы от стенок сосуда. К эмиттеру подводится тепловая энергия Q1, и он нагревается до температуры Т1 » 2000К. Коллектор поддерживается при температуре Т2 < Т1 вследствие отвода от него тепловой энергии Q2. Распределение электронов по энергиям в металле электрода зависит от его химической природы и определяется среднестатистическим уровнем Ферми. Это тот (наименьший) уровень, на котором располагались бы все электроны при температуре Т=0. Если Т>0, то вероятность наличия у электрона энергии уровня Ферми всегда равна 0,5. Вплоть до точки плавления металла уровень Ферми мало зависит от Т.

3.3. Батареи термоэммисионых элементов

Вертикальные гирляндные ЭГК образуют батарею ТЭП - электрогенерирующий блок (ЭГБ) реактора. Например, в серийных генераторах "Топас" (СССР) содержится по 79 ТЭП с суммарной электрической мощностью ЭГБ до 10 кВт. Верхяя чсть ЭГК патрубком соединена с термостатом с жидким цезием при Т » 600 К, испаряющимся вследствие низкого давления внутри ТЭП. Для поступления паров Сs отдельные ТЭВ в ЭГК сообщены каналами. Цезий имеет наиболее низкий поценциал ионизации j_Ц =3,9 В, причем j_Ц < j_K . При соударении с горячей поверхностью катода атомы Сs отдают катоду электрон. Положительные ионы Сs⁺ нейтролизуют объемный заряд электронов в зазоре D. в диапазне давления паров Cs до 100 Па при температуре Т1 < 1800 К достигается бесстолкновительный (квазивакуумный) режим ТЭП. Изменение j(х) в D для этого режима близко к линейному закону. При D » 0,1 мм эффективность ТЭП повышается, если совместно вводятся пары цезия и бария. Адсорбируясь преимущественно на аноде с Т2 < Т1 , они снижают его работу выхода.

4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

В электрохимических генераторах происходит прямое преобразование химической энергии на 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.

Рис. 3

Рассмотрим явление, которое происходит при погружении цинкового электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSO₄). Молекулы воды стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (рис.3). В результате действия электростатических сил положительные ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу оказывает содействие большой дипольный момент воды. Рядом с процессом растворения цинка происходит и обратный процесс возвращения в цинковый электрод положительных ионов цинка при достижении ими электрода в результате теплового .движения. При переходе положительных ионов в раствор увеличивается отрицательный потенциал электрода, который препятствует этому переходу. При определенном потенциале металла наступает динамическая равновесомая, то есть два встречных потока ионов (от электрода в раствор и наоборот) будут одинаковыми. Этот равновесный потенциал называется электрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита.

Важное техническое применение гальванические элементы имеют в аккумуляторах, где вещество, которое расходуется при отборе тока, предварительно накапливается на электродах при пропуске через них на протяжении определенного времени тока от постороннего источника (при заряжении). Использование аккумуляторов в энергетике осложнено через маленький запас активного химического топлива, которое не разрешает получать электроэнергию беспрерывно в большом количестве. Кроме того, аккумуляторам присущая маленькая удельная мощность.

Большое внимание во многих странах мира уделяют непосредственному преобразованию химической энергии органического топлива в электрическую в топливных элементах. В этих преобразователях энергии можно получить более высокие значения КПД, чем в тепловых машинах. В 1893 году немецкий физик и химик Нернст высчитал, что теоретический КПД электрохимического процесса преобразования химической энергии угля в электрическую энергию равняется 99,75%.

Рис. 4 Схема водородно-кислородного топливного элемента: 1 - корпус; 2 - катод; 3 - электролит; 4 - анод

На рис. 4 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента. Электроды в топливном элементе пористые. На аноде происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Электроны, которые остались, образовывают отрицательный потенциал и во внешнем кругу перемещаются к катоду.

Атомы кислорода, которые находятся на катоде, присоединяют к себе электроны, образовывая отрицательные ионы, которые переходят в раствор в виде ионов гидроксила ОН- за счет присоединения из воды атомов водорода. Ионы гидроксила, соединяясь с ионами водорода, образовывают воду. Таким образом, при подведении водорода и кислорода происходит реакция окисления топлива ионами с одновременным образованием тока во внешнем кругу. Поскольку напряжение на выводах элемента небольшое (приблизительно 1В), то элементы последовательно соединяют в батареи. КПД топливных элементов очень высокий, теоретически он близкий к единице, а практически равняется 60-80%.

Использование водорода как топлива связано с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому выискиваются возможности использования других более дешевых видов топлива, прежде всего, естественного и генераторного газа. Однако скорость протекания реакции окисления газа удовлетворительная при высоких температурах (800-1200 К), что выключает использование водных растворов щелочей как электролитов. В этом случае возможно использовать твердые электролиты с ионной проводимостью.

По типу электролита топливные элементы классифицируются на щелочные, твердо-полимерные, фосфорнокислые, расплавкарбонатные и твердооксидные; по рабочей температуре - на низко-, средне- и высокотемпературные. Замечу, что использование электродов из палладия и металлов платиновой группы приводит к повышению удельных характеристик и увеличению ресурса топливных элементов.

Ныне широко ведутся работы относительно создания эффективных высокотемпературных топливных элементов. Пока удельная мощность топливных элементов все еще небольшая, она в несколько раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако успехи электрохимии и конструктивное усовершенствование топливных элементов в недалеком будущем сделают возможным массовое использование топливных элементов в автотранспорте и энергетике. Топливные элементы бесшумные, экономические, и в них отсутствуют твердые отходы, которые загрязняют атмосферу.

5. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

Чем привлекательны топливные элементы и почему их нет на рынке? К числу достоинств относятся: высокий кпд, низкая токсичность, бесшумность, модульная конструкция (имея, скажем, киловаттные топливные элементы, можно собирать из них установки большой мощности), многообразие первичных видов топлива, широкий интервал мощности. Проникновение их на рынок сдерживается прежде всего высокой себестоимостью по электроэнергии и малым ресурсом. Наибольший ресурс у твердополимерных топливных элементов - (2-5) тыс. часов работы, требуемый же срок службы - (20-30) тыс. часов.

Что касается коммерциализации электрохимических генераторов на топливных элементах, то около 100 компаний участвует в их демонстрационных испытаниях, достигнута установленная мощность в 50 МВт. Потребность децентрализованной стационарной энергетики (мощность электрохимических генераторов от 5 кВт до 10 МВт) -100 тыс. МВт за 10 лет. Сейчас 1 кВт установленной мощности стоит более 3 тыс. долл., приемлемая цена - 1 тыс. долл. Потребности автотранспорта в электрохимических генераторах на топливных элементах (мощность 15-100 кВт) - 500 тыс. штук в год. Сейчас стоимость одного такого генератора более 3 тыс. долл., приемлемая цена - 50-100 долл. Таким образом, необходимо многократное снижение стоимости стационарных топливных элементов и десятикратное - стоимости топливных элементов для транспорта.

Учитывая потребности рынка, программа бюджетных инвестиций США предполагает в ближайшие 10 лет вложить 5.5 млрд. долл. в развитие технологии топливной энергетики, промышленные компании - почти в 10 раз больше.

МГД-генераторы 📙 Реферат → 🆔 142889