Перспективные энергетические установки. 2

МИНИСТЕРСТВО   ОБРАЗОВАНИЯ   РЕСПУБЛИКИ   БЕЛАРУСЬ

Белорусский государственный экономический  университет 
 

Кафедра технологий важнейших 

отраслей  промышленности 

РЕФЕРАТ

        по дисциплине «Основы энергосбережения»

        на тему: «Перспективные энергетические установки»

Студент группы РФМ, 1курс, факультет ФФБД                 Н.И. Кобикова

Преподаватель                                                                         И.С. Михаловский 

Минск

2011 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Удорожание  и сокращение легкодоступных запасов  органического топлива на Земле заставляют энергетиков и ученых задумываться о более эффективном использовании для получения электрической и тепловой энергии не только традиционных, но и нетрадиционных энергоресурсов.

       Традиционные газопоршневые, дизельные и газотурбинные установки имеют множество недостатков, главными из которых являются довольно низкий КПД и экологический вред.

       В качестве наиболее перспективных  энергетических установок для  малой энергетики могут быть рассмотрены получающие всё большее распространение в мире установки на основе топливных элементов.

     Основными преимуществами установок на основе топливных элементов по сравнению с традиционными по экономическим и потребительским качествам являются:

     -значительно меньшие выбросы вредных веществ в окружающую среду;

     -значительно меньшие показатели уровня шума и вибрации;

     -эффективное использование топлива и высокий КПД;

     -низкие затраты на эксплуатацию (не требуются замена масла, присутствие оператора);

     -плавные вольт-амперные характеристики, высокая маневренность и эффективность во всем диапазоне нагрузок.

       Сегодняшний уровень потребления энергии весьма велик. Дальнейший рост потребления и производства энергии потребует большого напряжения экономики всех стран. Человечество нуждается в энергии для самых различных целей. Создание комфортных условий в жилищах и производственных помещениях, приготовление пищи, промышленность, сельское хозяйство, транспорт, связь – все эти сферы жизни и деятельности человека требуют разнообразных форм энергии. В данной работе в виде конечного вида энергии нас интересует электроэнергия. Наиболее распространенные сегодня тепловые электростанции вырабатывают электроэнергию путем многих последовательных ступеней преобразования, причем всякая ступень преобразования энергии характеризуется большими или меньшими потерями, и ясно, что число промежуточных ступеней преобразования желательно по возможности уменьшить.

        Установки, преобразующие теплоту  в электроэнергию, минуя стадию  механической энергии, принято называть установками прямого преобразования энергии. Основным достоинством этих установок является их статичность - отсутствие движущихся частей. Поэтому системы прямого преобразования энергии наиболее целесообразно применять там, где от установки требуется простота, надежность, возможность работы в автономном режиме без какого-либо обслуживания.

     Сегодня пока трудно прогнозировать, займут ли эти установки заметное место в крупной энергетике, но по мере улучшения их показателей и совершенствования конструкции этот вопрос должен вновь и вновь тщательно изучаться. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Магнитогидродинамические  генераторы

        Магнитогидродинамические (МГД) преобразователи  энергии – особый тип преобразователей  тепловой энергии в электрическую.  Они сочетают в себе тепловой  двигатель, преобразующий теплоту  в кинетическую энергию струи рабочего тела, и электродинамическую машину, преобразующую эту кинетическую энергию непосредственно в электрическую.

        Наиболее существенным элементом МГД преобразователя энергии является магнитогидродинамический (МГД) генератор. Принцип его работы по существу идентичен принципу работы обычного электромеханического генератора. Так же как и в электромеханическом, в МГД генераторе электродинамические силы (ЭДС) генерируется в проводнике, который с некоторой скоростью пересекает силовые линии магнитного поля. Однако если в обычных генераторах проводники твердые, то в МГД генераторе они представляют собой поток электропроводной жидкости или газа (плазмы).

        В зависимости от вида рабочего  тела в МГД генераторе различают  плазменные и жидкометаллические МГД установки. Сегодня наибольшее распространение получили плазменные установки.

        Плазменные МГД установки могут  быть открытого и замкнутого  цикла. Во- первых, как правило, рабочим телом в МГД генераторе служит плазма, полученная на основе продуктов сгорания природных топлив; во вторых – плазма какого-либо инертного газа (гелия, аргона или неона).

        Плазма (ионизированный газ) с добавкой легко ионизирующего вещества (1% Na или К) поступает в канал МГД-генератора при 3000°С и разгоняется в нем. Электропроводная плазма пересекает силовые линии магнитного поля, при этом положительные ионы отклоняются в одну сторону, а отрицательные – в другую. Концентрация положительных и отрицательных ионов на металлических пластинах придает им положительный или отрицательный потенциал; пластины становятся источником ЭДС. При замыкании электродов на внешнюю цепь возникает ток. КПД ТЭС с МГД-генератороми приблизительно 60%.

        Пуск первой в мире опытно-промышленной МГД электростанции открытого цикла осуществлен в СССР в 1971 году (мощность МГД генератора 20 000 кВт (установка У-25)).

     Условия работы МГД генератора весьма сложны. Материалы его стенок должны находиться в контакте с очень горячей  плазмой, содержащей агрессивные щелочные металлы, одновременно между электродами генератора существуют высокие напряжения. Положение осложняется ещё рядом обстоятельств.

        Очень важным для МГД генератора  является выбор температуры его  стенок. Температура плазмы, как  уже говорилось, должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить необходимую электропроводность. Можно ли при этом поддерживать стенку генератора, соприкасающуюся с плазмой при сравнительно низкой температуре, чтобы обеспечить ее прочность и химическую стойкость? Технически это возможно. Если использовать в канале металлические электроды и интенсивно охлаждать их с внешней стороны (например, водой), то на поверхности, обращенной к плазме, можно поддерживать температуру, не превышающую несколько сот градусов. Однако эта низкая температура, привлекательная с точки зрения прочности и стойкости материала, таит в себе и много неприятностей.

        Во-первых, низкая температура стенки  означает, что сквозь стенку канала  будет теряться много теплоты, а это понизит КПД установки.

        Во-вторых, при низкой температуре  стенки на ней начнет конденсироваться присадка, содержащаяся в плазме. Обычно температура конденсации присадки составляет около 1000°С. Следовательно, чтобы не допустить конденсации температура стенки должна быть во всяком случае не ниже.

        В-третьих, низкая температура  стенки приводит к тому, что и прилегающий к ней пограничный слой плазмы будет иметь существенно более низкую температуру, чем ядро потока. А это означает, что электропроводность в пограничных слоях будет значительно меньше, чем в основной плазме, а значит, при протекании через плазму тока на этих слоях будут возникать большие потери напряжения, что приводит к понижению эффективности генератора.

        В-четвертых, ток из плазмы  на достаточно холодный металлический  электрод поступает в виде электрической дуги. Такие дуги горят в отдельных точках электрода и приводят к разрушению (эрозии) его материала.

        В связи со сказанным, конструкторы  МГД генератора стремятся обеспечить  температуру стенок генератора на уровне не ниже 1500°С, а желательно и 2000°С. При такой температуре использование металлических электродов практически исключается, ибо тугоплавкие металлы, способные в принципе обеспечить такую температуру, оказываются химически нестойкими в потоке плазмы, содержащей агрессивную присадку.

        Поэтому сейчас большое внимание  уделяется керамическим электродам, которые при высоких температурах могут иметь достаточную проводимость. К этим материалам относится, например, двуокись циркония с некоторой добавкой окиси кальция или окиси иттрия. Эти материалы пока достаточно дороги и требуют дополнительной работы для усовершенствования технологии и улучшения их свойств.

        Несколько более простой, но  не менее ответственной является  проблема изоляционной стенки  МГД генератора. Изоляторами при  высоких температурах могут являться чистые окислы металлов, например, окись магния. Однако изготовление изделий из этих материалов представляет собой весьма сложную задачу.

        Важное значение для МГД-установки имеет магнитная система. В МГД- установках в качестве магнитных систем применяются электромагниты различных типов. Индукция, создаваемая постоянными магнитами, слишком мала, и сами эти магниты чересчур дороги.

        Наиболее простым типом электромагнита  является магнит с железным  сердечником. Он требует относительно меньших затрат энергии на поддержание магнитного поля, чем так называемые безжелезные магниты, но только, если его индукция не превышает индукцию насыщения сердечника.

        В безжелезном магните можно  в принципе получить значительно  большую индукцию, но при этом  затраты энергии оказываются  очень большими и сам магнит приходится интенсивно охлаждать. Поэтому безжелезные магниты целесообразно использовать в установках кратковременного действия (несколько секунд), когда общие затраты энергии на создание магнитного поля не имеют решающего значения, а вся выделяющаяся в магните теплота может быть поглощена самой обмоткой магнита за счет ее теплоемкости.

        Наконец, наиболее перспективным  для МГД установок является  сверхпроводящий магнит. Явление сверхпроводимости состоит в способности металлов обладать практически нулевым сопротивлением при температурах, приближающихся к абсолютному нулю.

        Сегодня сверхпроводящие материалы  и проводники из них ещё  очень дороги. Но технология их непрерывно совершенствуется, и есть основания считать, что перспективные промышленные МГД установки будут использовать сверхпроводящие магнитные системы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2. Электрохимический  генератор 

     Процессы  прямого преобразования химической энергии в электрическую и  наоборот осуществляются в электрохимических элементах (ячейках).

     Простейшая  электрохимическая ячейка состоит  из двух электродов, разделенных проводником второго рода (ионным проводником или электролитом). Электрод – проводник первого рода, находящийся в контакте с ионным проводником. На границе между этими проводниками возникает скачок потенциала, называемый электродным потенциалом. На электродах протекают реакции окисления восстановителя (на анодах) и восстановления окислителя (на катодах).Совокупность окислителя, восстановителя и ионного проводника называется электрохимической системой ячейки или элемента.

     Топливный элемент (ТЭ) – одна из разновидностей электрохимических элементов, существенным преимуществом которой является то, что в отличие от гальванических (первичных) элементов и аккумуляторов электроды в ТЭ в процессе выработки электрической энергии не изменяются, так как химические реагенты (топливо и окислитель) в их состав не входят, а подаются в ТЭ в момент его работы. Таким образом, схема обеспечения реагентами ТЭ подобна схемам топливоснабжения тепловых машин, однако в них достигается более высокий КПД за счет прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию.

     ТЭ  вырабатывают постоянный электрический  ток. Напряжение ТЭ обычно не превышает 1 В, а токи, отбираемые от одного элемента, относительно невелики. Для увеличения напряжения, тока и электрической мощности отдельные ТЭ соединяют между собой в батареи ТЭ.

       Для постоянного получения электроэнергии  необходимо непрерывно подводить в батарею ТЭ топливо и окислитель, отводить из батареи продукты реакции и теплоту. Поэтому реальная выработка электрической энергии и теплоты осуществляется в электрохимических генераторах и энергоустановках.

     Электрохимический генератор (ЭХГ) – это энергоустановка, состоящая из батареи топливных элементов, систем хранения и подачи топлива и окислителя, отвода продуктов реакции и теплоты.

     Электрохимическая энергоустановка (ЭЭУ) – это установка, предназначенная для выработки электрической энергии и теплоты, включающая в себя ЭХГ, устройства для преобразования напряжения и тока (например, инвертор) и систему утилизации теплоты, генерируемой в ТЭ, например, для теплофикации (низкопотенциальная теплота) или получения электрической энергии (высокопотенциальная теплота) в паровой или газовой турбине (в концевом цикле).

     Как показывает анализ, основные работы в  области разработок ЭЭУ с ТЭ сосредоточены в трех регионах планеты: в Северной Америке (США, Канада), Западной Европе (Германия, Италия, Великобритания и др.), Юго-Восточной Азии (Япония, Южная Корея, Китай). Япония практически целиком сосредоточила свои усилия на разработке ЭЭУ с ТЭ для бытового применения, так называемых Homе Fuel Cells. В Европе и особенно в США практически одинаковое внимание уделяют разработкам ЭЭУ для резервного электроснабжения и ЭЭУ для совместной выработки электроэнергии и теплоты.

       Классификация ЭЭУ может быть  произведена по различным признакам:  по назначению, виду ТЭ, виду топлива  и окислителя и т.п. Поскольку  основой ЭЭУ является батарея топливных элементов, то в литературе принято классифицировать их по видам и типам ТЭ.

       Существует ряд признаков, по  которым классифицируются ТЭ:

       -по рабочим температурам (низкотемпературные – до 100°С, среднетемпературные – до 250°С, высокотемпературные – до 1000°С);

     - по типу ионного проводника-электролита (щелочной, кислотный, твердополимерная мембрана, расплавленные карбонаты, твердооксидная керамика);

     - по виду топлива (водород, метанол) и т.п.

     Несмотря  на то, что к настоящему времени  разработано большое число различных типов топливных элементов, интерес с точки зрения практического применения представляют лишь несколько типов, а именно:

       -низкотемпературные топливные элементы со свободным (жидкий раствор КОН) и со связанным (пропитанная водным раствором КОН асбестовая мембрана) щелочным электролитом и топливные элементы с твердополимерной ионообменной (протонопроводящей) мембраной;

       -среднетемпературные топливные элементы с фосфорно-кислым электролитом (ТЭФК);

       -высокотемпературные топливные элементы с расплавленным карбонатным электролитом (ТЭРК) и с твердооксидным керамическим электролитом (ТЭТО).

       Рассмотрим основные типы ЭЭУ с топливными элементами. 

Электрохимические энергоустановки  на базе топливных  элементов со щелочным электролитом.

       Топливные элементы со щелочным  электролитом работают при относительно низкой температуре (60–120°С) и потребляют в качестве топлива и окислителя соответственно водород и кислород высокой чистоты. В качестве окислителя в принципе возможно использование воздуха, очищенного от диоксида углерода и примесей, отравляющих катализатор топливного элемента.

       В качестве электролита используется  либо непосредственно жидкий  раствор КОН, либо матрица, пропитанная раствором электролита (матричный электролит). Токообразующая реакция в водородно-кислородном топливном элементе со щелочным электролитом: 2Н2 + О2 = = 2Н2О. Т.о. единственным продуктом, образующимся при работе ЭХГ, является вода высокой чистоты, которая может быть использована для удовлетворения технологических и бытовых нужд. В 1950–1980-х годах в Англии, Германии, США, Франции и СССР проводились активные исследования и опытно-конструкторские работы по созданию ЭХГ с топливными элементами со свободным и связанным щелочным электролитом (ТЭЩЭ). В качестве электролита применялся раствор КОН, обладающий высокой электрической проводимостью.

       Впервые успешная попытка использования  ЭЭУ с ЭХГ в качестве источника энергии для подводного аппарата была предпринята в США фирмой United Technologies Corp. (UTC), которая по заказу ВМС США создала в 1974 году ЭЭУ на базе ТЭЩЭ для подводной лодки «Дип квест», спроектированного фирмой «Локхид». В составе ЭЭУ были использованы водородно-кислородные топливные элементы со щелочным электролитом. Водород и кислород хранились в газообразном состоянии под давлением в стальных сферических емкостях.

       Первый позитивный опыт американских  фирм послужил толчком к активизации разработок ЭЭУ с ЭХГ в европейских странах, в первую очередь в ФРГ, которые в наибольшей степени заинтересованы в развитии подводных лодок с неатомной энергетикой.

       Фирма Siemens в 1980-е годы на  базе матричных водородно-кислородных  ТЭ разработала транспортные ЭЭУ мощностью 6, 17,5 и 48 кВт, а также ЭЭУ для подводного аппарата мощностью более 300 кВт. ТЭ фирмы Siemens работали при температуре 95°С, давлении водорода и кислорода 300 кПа и имели ресурс в пределах 10000 часов.

       ЭЭУ на базе ТЭЩЭ также были  разработаны для энергоснабжения  пилотируемых космических объектов. В США такие ЭЭУ были созданы фирмой UTC, а в России – Уральским электрохимическим комбинатом (УЭХК) совместно с Российской космической корпорацией «Энергия» им. С.П. Королева. Эти ЭЭУ отличаются от корабельных меньшей мощностью, энергоемкостью и ресурсом ТЭ.

       Анализ литературных источников  свидетельствует о том, что  к началу 1990-х годов большинство  фирм и исследователей, работавших в области создания ЭЭУ с ЭХГ на базе ТЭЩЭ, эти работы прекратили. Это объясняется следующими причинами: необходимостью использования чистого водорода и кислорода, применения в больших количествах платиновых катализаторов, относительно невысоким ресурсом, сложностью использования низкопотенциальной теплоты, генерируемой в ТЭ, и в конечном счете высокими капитальными затратами (ориентировочная стоимость 1 кВт установленной мощности ЭЭУ составляет более 10000 долларов США). 

     Электрохимические энергоустановки на базе топливных элементов с твердополимерным электролитом

     В топливных элементах с твердополимерным электролитом (ТПТЭ) ионным проводником  является ионообменная мембрана с проводимостью  по ионам водорода (протонам).

       Впервые ЭХГ с ТПТЭ были разработаны американской фирмой General Electric Co. для космического корабля Geminy. ЭЭУ включала в себя ЭХГ, систему криогенного хранения топлива и окислителя и аккумуляторную батарею. В ЭХГ входили три батареи ТПТЭ мощностью 1,8 кВт и напряжением 25–30 В. Масса батареи была 31 кг, ресурс – 2000 ч.

       Позднее наибольших успехов в  разработке ЭЭУ с ТПТЭ достигли  фирмы UTC совместно с Los-Alamos National Laboratory (США), Вallard Power Sources (Канада), Siemens (Германия).

       Так, фирмой Siemens в 1990-х годах была успешно завершена разработка ЭЭУ для подводной лодки U-1 на базе ЭХГ с ТПТЭ. Учитывая положительные результаты натурных испытаний подводной лодки U-1 с такой энергоустановкой, в ФРГ фирмы HDW и Thyssen выполнили проектирование и строительство новых лодок проекта 212.

     В 2001–2006 годах фирмы UTC (США), Вallard Power Sources (Канада), Siemens (Германия) создали  также опытные образцы стационарных ЭЭУ с ТПТЭ мощностью от одного до сотен киловатт для объектов малой  энергетики. Удельная мощность ЭЭУ при длительной нагрузке составляет 100–400 Вт/кг, ресурс – 5000–20000 часов, доля мощности на собственные нужды в зависимости от назначения и режима эксплуатации 10–20 %. Стоимость демонстрационных образцов ЭЭУ составляет по разным оценкам 4000–5000 долларов США. В СССР, а затем в России разработками ЭЭУ с ТПТЭ занимались в УЭХК, в Институте электрохимии РАН, в Российском федеральном ядерном центре – Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики (РФЯЦ ВНИИЭФ), в Российском национальном центре «Курчатовский институт», в Московском энергетическом институте (МЭИ), а также в ОАО «СКБК». Наибольших практических результатов по созданию действующих образцов ЭЭУ с ТПТЭ в России добились специалисты направления водородной энергетики ОАО «СКБК» под руководством В.Б. Авакова.

       В 2003 г. направление водородной  энергетики ОАО «СКБК» вошло  в состав ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии» (ФГУП «ЦНИИ СЭТ»).

       В настоящее время ФГУП «ЦНИИ  СЭТ» является единственной в России организацией, обладающей совместно со сложившейся кооперацией соисполнителей реальным опытом создания и сдачи государственной комиссии ЭЭУ с ЭХГ. Так, в 2004–2005 годах были разработаны аванпроекты ЭЭУ для резервного электроснабжения потребителей мощностью 5 кВт и ЭЭУ для комбинированного электро- и теплоснабжения электрической мощностью 5 кВт и тепловой мощностью 7 кВт [2, 8]. На рис. 4 в качестве примера представлены некоторые проектные решения ФГУП «ЦНИИ СЭТ». 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Термоэмиссионные преобразователи энергии

        В основе термоэмиссионных преобразователей энергии (ТЭП) лежит явление термоэлектронной эмиссии, которое состоит в том, что если какой-либо металл, нагретый до некоторой температуры, поместить в вакуум, то некоторое количество его электронов перейдет в вакуум. При этом переходе электроны должны преодолеть энергетический барьер, называемый работой выхода, составляющий обычно несколько электрон-вольт. При низких температурах средняя энергия свободных электронов существенно меньше работы выхода и лишь ничтожное количество электронов может испускаться в вакуум. С ростом температуры это количество очень быстро нарастает. Явление термоэлектронной эмиссии широко используется в электронных лампах, в ускорителях электронов и т.п.

        Когда нагретое металлическое  тело помещено в вакуум, через  некоторое время между ним  и электронным облаком, его  окружающим, устанавливается разность потенциалов, прекращающая дальнейшую эмиссию электронов. В этих условиях, сколько электронов выходит в единицу времени из металла в вакуум за счет термоэлектронной эмиссии, столько же возвращается в него за счет конденсации электронов. Равновесная разность потенциалов между металлом и электронным облаком как раз равна работе выхода металла. Электроны, эмитируемые телом (оно в этом случае называется катодом или эмиттером), можно отбирать, например, размещая рядом с катодом анод и прикладывая между этими электродами напряжение соответствующего знака. Максимальное количество электронов, которое можно отобрать в единицу времени с единицы поверхности эмиттера, называется током насыщения.

        Такой электронный ток в вакууме  используется в электронных лампах, которые до недавнего времени составляли основу всех электронных приборов.

     Термоэмиссионный  генератор (ТГ) – это два плоских (или коаксильных) электрода, разделенных промежутком и включенных в цепь с нагрузкой. На катод от источника теплоты поступает энергия, достаточная для поддержания термоэлектронной эмиссии (процесс самопроизвольного испускания электронов с поверхности тела в окружающую газовую среду или вакуум). В процессе эмиссии электронов катод охлаждается, электроны из катода попадают на анод. При этом электроны отдают аноду часть своей кинетической энергии, нагревают его и создают избыток их на аноде. Избыток электронов стекает по внешней цепи вновь на катод, таким образом, идет постоянный ток. Промежуток между горячей и холодной пластинами заполняют парами цезия, у которых атомы легко распадаются на ионы и электроны. КПД современных термоэмиссионных генераторов 15—20 %.

        Интерес к ТЭП первоначально  возник в связи с возможностью  создания ядерной энергетической  установки, основанной на этом  принципе преобразования энергии. В этом случае привлекает то, что можно создать компактный реактор-генератор, у которого вся энергопроизводящая часть встроена в саму  активную зону и не содержит движущихся частей, а во вне имеется лишь контур охлаждения. В такой схеме сам тепловыделяющий элемент (твэл) выполняется в виде ТЭП. На поверхность оболочки, в которой заключено ядерное топливо, наносится материал эмиттера. Вся эта сборка помещается в трубу, являющуюся коллектором. Пространство между эмиттером и коллектором образует рабочий зазор ТЭП. Коллектор также заключен в трубу, внутри которой протекает теплоноситель, отбирающий теплоту от коллектора.