Реферат: Перспективные технологии в энергетике

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯРЕПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

БЕЛОРУСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат на тему:

«Перспективныетехнологии в энергетике».

Выполнилстудент I курса ФБД:                                    КлименокМ. А.

Проверилпреподаватель:                                                Краевой            

Минск 2002г.

План:

Введение

1.  Магнитогидродинамическийгенератор

2.  Термоэмиссионныйпреобразователь энергии

3.  Термоэлектрическийгенератор

4.  Электрохимический генератор

Введение

Электричествоили электрическая энергия в настоящее время является основным видом энергии.Это обусловлено качествами электрической энергии, к примеру, легкостьконвертирования её во все остальные типы энергии. Но с развитием темпов ростацивилизации в целом, потребность в электроэнергии с каждым годом  возростает аколичество природных энергоресурсов для её производства ограничено. В связи сэтим человечество рано или поздно столкнется с поиском альтернативныхэнергоресурсов. Уже в наше время идёт поиск / разведка залежей угля, нефти идрегих видов органического топлива которое используется в классических способахпроизводства электроэнергии.

Но, поискможно вести и в другом направлении – то есть изкать не залежи топлива, апопытаться переориентировать способ производства электроэнергии наальтернативные виды топлива. В настоящее время ведутся разработки многихперспективных технологий, таких как магнитогидродинамический генератор,термоэмиссионный преобразователь энергии, термоэлектрический генератор,электрохимический генератор и другие. Именно этим технологиям и посвящён мойреферат.

Магнитогидродинамическийгенератор

МГД-генератор,энергетическая установка, в которой энергия рабочего тела (жидкой илигазообразной электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле,преобразуется непосредственно в электрическую энергию. Название «М.г.» связано с тем, что движение таких сред описывается магнитнойгидродинамикой. Прямое (непосредственное) преобразование энергии составляетглавную особенность М. г., отличающую его от генераторов электромашинных.Так же, как и в последних, процесс генерирования электрического тока в М. Госнован на явлении индукции электромагнитной, то есть на возникновениитока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля; отличие М. г. втом, что в нём проводником является само рабочее тело, в котором при движениипоперёк магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителейзарядов противоположных знаков. Рабочими телами М. г. могут служить электролиты,жидкие металлы и ионизованные газы (плазма).В типичном для М. г. случае,когда рабочим телом служит газообразный проводник — плазма, носителями зарядовявляются в основном свободные электроны и положительные ионы, отклоняющиеся вмагнитном поле от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля. Всильных магнитных полях или разреженном газе заряженные частицы успевают междусоударениями сместиться (в плоскости, перпендикулярной магнитному полю); такоенаправленное смещение заряженных частиц в М. г. приводит к тому, что появляетсядополнительное электрическое поле, так называемое поле Холла (см. Холлаэффект), направленное параллельно потоку газа. Термин. «М.г.», первоначально обозначавший устройства, в которых рабочим теломявлялась электропроводная жидкость, в дальнейшем стал применяться также дляобозначения всех устройств подобного типа, в том числе использующих в качестверабочего тела электропроводный газ.

Идеявозможной замены твёрдого проводника жидким была выдвинута английским физикомМ. Фарадеем. Однако его попытка экспериментально подтвердить эту идею в 1832окончилась неудачей, и лишь в 1851 английский учёный Волластон практическиподтвердил предположение М. Фарадея, измерив эдс, индуцированную приливнымитечениями в Ла-Манше. Отсутствие необходимых знаний по электрофизическимсвойствам газообразных и жидких тел долго тормозило работы по практическомуиспользованию идеи Фарадея. В дальнейшем исследования развивались по двумосновным направлениям: использование эффекта индуцирования эдс для измерения скоростидвижущейся среды (например, в электромагнитных расходомерах) и генерированиеэлектрической энергии. Первые патенты по использованию методаМГД-преобразования энергии были выданы в 1907-10, однако упоминающиеся в нихспособы и средства как ионизации, так и получения необходимых электрофизическихсвойств рабочего тела были неприемлемы. Практическая реализацияМГД-преобразования энергии оказалась возможной только в конце 50-х годов, послеразработки теории магнитной гидродинамики и физики плазмы и исследований вобласти физики высоких температур, благодаря главным образом успехам ракетнойтехники и созданию к этому времени жаропрочных материалов.

Первыйэкспериментальный М. г. мощностью 11,5 квт, в котором осуществлялосьдостаточно сильное взаимодействие между ионизированным газом и магнитным полем,был построен в 1959 в США. Источником рабочего тела — плазмы с температурой3000 K — служил плазмотрон, работавший на аргоне с присадкой щелочного металладля повышения степени ионизации газа. На этом М. г. был продемонстрированэффект Холла. В 1960 в США был построен лабораторный М. г. на продуктахсгорания с присадкой щелочного металла. К середине 60-х годов мощность М. г, напродуктах сгорания удалось довести по 32 Мвт («Марк-V», США).

В СССР усилияспециалистов были направлены главным образом на создание комплексныхэнергетических установок с М. г. В 1962-65 были проведены теоретические иэкспериментальные исследования, созданы лабораторные установки. Результатыисследований и накопленный инженерный опыт позволили в 1965 ввести в действиекомплексную модельную энергетическую установку «У-02», включавшуюосновные элементы ТЭС с М. г. и работавшую на природном топливе. На«У-02» были получены экспериментальные данные, существенно расширившиепредставление о возможностях практического использования МГД-установок.Несколько позднее было начато проектирование опытно-промышленной МГД-установки«У-25», которое проводилось одновременно с исследовательскимиработами на «У-02». Успешный пуск первой в СССР опытно-промышленнойэнергетической установки с М. г., имеющим расчётную мощность 20-25 Мвт,состоялся в 1971.

М. г. состоитиз канала 8, по которому движется рабочее тело 4 (обычно плазма),электромагнитной системы для создания магнитного поля 1 и устройств для отводаэлектроэнергии (электродов) с включенной нагрузкой 7 (рис. 1).

/>

Системы с М.г. могут работать по открытому и замкнутому циклам. В первом случае продуктысгорания являются рабочим телом, а использованные газы после удаления из нихприсадки щелочных металлов (вводимой в рабочее тело для увеличенияэлектропроводности) выбрасываются в атмосферу. В М. г. замкнутого циклатепловая энергия, полученная при сжигании топлива 3, передаётся втеплообменнике 6 рабочему телу, которое затем, пройдя М. г., возвращается, замыкаяцикл, через компрессор или насос. Источниками тепла могут служить реактивныедвигатели, ядерные реакторы, теплообменные устройства. Рабочим телом в М. г.могут быть продукты сгорания ископаемых топлив и инертные газы с присадкамищелочных металлов (или их солей); пары щелочных металлов; двухфазные смесипаров и жидких щелочных металлов; жидкие металлы и электролиты. Но если жидкиеметаллы и электролиты являются природными проводниками, то для того чтобы газстал электропроводным, его необходимо ионизовать до определённой степени, чтоосуществляется главным образом нагреванием до температур, достаточных дляначала термической ионизации (большинство газов ионизуется только притемпературе около 10000 К). Необходимая степень ионизации при меньших температурахдостигается обогащением газа парами щелочных металлов; при введении в продуктысгорания щелочных металлов (например, К, Cs, Na) или их солей газы становятсяпроводниками уже при 2200-2700 К.

В М. г. сжидким рабочим телом генерирование электроэнергии идёт только за счётпреобразования части кинетической или потенциальной энергии потокаэлектропроводной жидкости практически при постоянной температуре. В М. г. сгазовым рабочим телом принципиально возможны три режима: с сохранениемтемпературы и уменьшением кинетической энергии; с сохранением кинетическойэнергии и уменьшением температуры; со снижением и температуры и кинетическойэнергии.

По способуотвода электроэнергии М. г. разделяют на кондукционные и индукционные. Вкондукционных М г. в рабочем теле, протекающем через поперечное магнитное поле,возникает электрический ток, который через съёмные электроды, вмонтированные вбоковые стенки канала, замыкается на внешнюю цепь. В зависимости от изменениямагнитного поля или скорости движения рабочего тела такой М. г. можетгенерировать постоянный, как правило, или пульсирующий ток. В индукционных М.г. (по аналогии с обычными электромашинными генераторами) электродыотсутствуют. Такие установки генерируют только переменный ток и требуютсоздания бегущего вдоль канала магнитного поля. Возможны различные формыканалов: линейная — общая для кондукционных и индукционных М. г.; дисковая икоаксиальная холловская — в кондукционных; радиальная — в индукционных М. г. Посистемам соединений электродов различают: фарадеевский генератор со сплошнымиили секционированными электродами (рис. 2, а), холловскийгенератор (рис. 2, б), в котором расположенные друг противдруга электроды короткозамкнуты, а напряжение снимается вдоль канала за счётналичия поля Холла, и сериесный генератор с диагональным соединением электродов(рис. 2, в).

/>

Секционированиеэлектродов в фарадеевском М. г. делается для того, чтобы уменьшить циркуляциютока вдоль канала и через электроды (эффект Холла) и тем самым направитьносители зарядов перпендикулярно оси канала на электроды и в нагрузку; чемзначительнее эффект Холла, тем на большее число секций необходимо разделитьэлектроды, причём каждая пара электродов должна иметь свою нагрузку, что весьмаусложняет конструкцию установки. Применение схемы холловского М. г. наиболеевыгодно при больших магнитных полях. За счёт наличия продольного электрическогополя в холловском и М. г. с диагональным соединением электродов можно получитьзначительное напряжение на выходе генератора. Наибольшее распространение в 70-хгодах получили кондукционные линейные М. г. на продуктах сгорания ископаемыхтоплив с присадками щелочных металлов, работающие по открытому циклу.

Мощность М.г. пропорциональна проводимости рабочего тела, квадрату его скорости и квадратунапряжённости магнитного поля. Для газообразного рабочего тела в диапазонетемператур 2000-3000 К проводимость пропорциональна температуре в 11-13-йстепени и обратно пропорциональна корню квадратному из давления. Скоростипотока в М. г. могут быть в широком диапазоне — от дозвуковых до сверхзвуковых.Индукция магнитного поля определяется конструкцией магнитов и ограничиваетсязначениями около 2 тл для магнитов со сталью и до 6-8 тл длясверхпроводящих магнитных систем.

Основноепреимущество М. г. — отсутствие в нём движущихся узлов или деталей,непосредственно участвующих в преобразовании тепловой энергии в электрическую.Это позволяет существенно увеличить начальную температуру рабочего тела и,следовательно, кпд электростанции. Если после М. г. поставить обычныйтурбоагрегат, то общий максимальный кпд такой энергетической установкидостигнет 50-60%.

Отличительнойособенностью М. г. является также возможность получения больших мощностей водном агрегате — 500-1000 Мвт и сочетания их с паросиловыми блокамитакой же мощности. Существуют три основных направления возможного промышленногоприменения М. г.: 1) ТЭС с М. г. (рис. 3) на продуктах сгораниятоплива (открытый цикл); эти установки наиболее просты по своему принципу иимеют ближайшую перспективу промышленного применения; 2) атомныеэлектростанции с М. г. на инертном газе, нагреваемом в ядерном реакторе(закрытый цикл); перспективность этого направления зависит от развития ядерныхреакторов с температурой рабочего тела свыше 2000 K; 3) циклы с М. г. нажидком металле, которые весьма перспективны для атомной энергетики и дляспециальных энергетических установок сравнительно небольшой мощности, однакосуществующие на 1972 проработки этих циклов не позволяют судить определенно обих использовании в промышленной энергетике.

Созданная вСССР опытно-промышленная установка «У-25» — прототип ТЭС с М. г. Онаработает на продуктах сгорания природного газа с добавкой K2CO3в качестве ионизирующейся присадки, позволяющей при относительно невысокихтемпературах (около 3000 К) сделать продукты сгорания электропроводными.«У-25» имеет два контура: первичный, разомкнутый, в которомпреобразование тепла продуктов сгорания в электрическую энергию происходит в М.г., и вторичный, замкнутый — паросиловой контур, использующий тепло продуктовсгорания вне канала М. г.

/>

Установкаработает по следующей тепловой схеме. Атмосферный воздух, обогащенныйкислородом, сжимается в компрессоре и подаётся в воздухоподогреватели, откудавоздушно-кислородная смесь, нагретая до нужной температуры, направляется вкамеру сгорания. Перед камерой сгорания в воздушный поток впрыскивается водныйраствор легкоионизирующейся присадки. Ионизированные продукты сгоранияразгоняются в сопле и поступают в канал М. г. Канал М. г. размещен в рабочемзазоре магнитной системы с индукцией 2 тл. Из канала М. г. продуктысгорания поступают в парогенератор и отдают своё тепло паросиловому циклу,затем при температуре 420-450 K они направляются в систему удаления присадки ипосле очистки выбрасываются в атмосферу. Электрическое оборудование«У-25» состоит из М. г. и инверторной установки, собранной на ртутныхигнитронах. Устойчивость совместной работы М. г. и многоэлементной инверторнойустановки обеспечивается системой автоматического регулирования. «У-25»обеспечена телеметрической системой управления и контроля. Полученныеэкспериментальные данные обрабатываются ЭВМ.

Энергетическиеустановки с М. г. могут применяться также как резервные или аварийные источникиэнергии в энергосистемах, для космической техники (бортовые системы питания), вкачестве источников питания различных устройств, требующих больших мощностей накороткие промежутки времени (например, для питания электроподогревателейаэродинамических труб и т.п.).

К началу 70-хгодов работы по проблеме МГД-метода преобразования энергии вышли за рамкинаучного поиска и создания небольших лабораторных исследовательских установок ивступили в стадию строительства опытно-промышленных электростанций. Накопленобширный фактический материал по результатам научно-исследовательских ипроектно-конструкторских работ в области М. г. Для обмена информацией, анализасостояния и оценки перспектив развития М. г. было проведено несколькомеждународных симпозиумов и национальных конференций; в 1966 была основанаМеждународная группа связи по вопросам МГД-метода преобразования энергии, кудавошли представители Австралии, Австрии, Англии, Бельгии, Италии, Нидерландов,ПНР, СССР, США, Франции, ФРГ, ЧССР, Швейцарии и Швеции.

Термоэмиссионныйпреобразователь энергии

/>Термоэмиссионный преобразователь энергии (ТЭП),термоэлектронный преобразователь энергии, термоионный преобразователь энергии,устройство для непосредственного преобразования тепловой энергии вэлектрическую на основе явления термоэлектронной эмиссии. Простейший ТЭПсостоит из двух электродов (катода, или эмиттера, и анода, или коллектора,изготовляемых из тугоплавких металлов, обычно Mo, Re, W), разделённых вакуумнымпромежутком (рис. 1). К эмиттеру от источника тепла подводитсятепловая энергия, достаточная для возникновения заметной термоэлектроннойэмиссии с поверхности металла. Электроны, преодолевая межэлектродноепространство (несколько десятых долей мм), попадают наповерхность коллектора, создавая на нём избыток отрицательных зарядов иувеличивая его отрицательный потенциал. Если непрерывно обеспечивать подводтепла к эмиттеру и соответствующее охлаждение коллектора (который получаеттепло от достигающих его электронов), то во внешней цепи будет поддерживатьсяэлектрический ток и таким образом совершаться работа. Так как ТЭП представляетсобой по существу тепловую машину, рабочим телом которой служит«электронный газ» (электроны «испаряются» с эмиттера — нагревателя и «конденсируются» на коллекторе — холодильнике), то кпдТЭП не может превосходить кпд Карно цикла.

/>

Напряжение,развиваемое ТЭП (0,5- 1 в), - порядка контактной разностипотенциалов, но меньше её на величину падения напряжения на межэлектродномзазоре и потерь напряжения на коммутационных проводах (рис. 2).Максимальная плотность тока, генерируемого ТЭП, ограничена эмиссионнойспособностью эмиттера и может достигать нескольких десятков а 1 см2поверхности. Для получения оптимальных величин работы выхода эмиттера(2,5-2,8 эв) и коллектора (1,0-1,7 эв) и для компенсацииобъёмного заряда электронов, образующегося вблизи электродов, в зазор междуними обычно вводят легко ионизируемые пары Cs. Положительные ионы цезияобразуются при столкновении атомов Cs с быстрыми и тепловыми электронами как нагорячем катоде (поверхностная ионизация), так и в межэлектродном объёме(вследствие либо однократного соударения атомов Cs с быстрыми и тепловымиэлектронами, либо ступенчатой ионизации, при которой в результате 1-госоударения с электроном атом Cs переходит в возбуждённое состояние, а припоследующих — ионизируется). В последнем случае ТЭП работает в так называемоедуговом режиме — наиболее употребительном. При используемых в современных ТЭПтемпературах электродов (1700-2000 К на катоде и 800-1100 К на аноде) ихудельная мощность (в расчёте на 1 см2 поверхности катода)достигает десятков вт, а кпд может превышать 20%.

По родуисточника тепла различают ядерные (реакторные и радиоизотопные), солнечные игазопламенные ТЭП. В ядерных ТЭП используется тепло, выделяющееся в результатереакции ядерного деления (в реакторных ТЭП) или распада радиоактивного изотопа(в радиоизотопных). В 1970 в СССР создан первый в мире термоэмиссионный преобразователь-реактор«Топаз» электрической мощностью около 10 квт. В солнечных ТЭПнагрев эмиттера осуществляется за счёт тепловой энергии солнечного излучения (сприменением гелиоконцентраторов). Газопламенные ТЭП работают натепле, выделяющемся при сжигании органического топлива.

Важныепреимущества ТЭП по сравнению с традиционными электромашиннымипреобразователями — отсутствие в них движущихся частей, компактность, высокаянадёжность, возможность эксплуатации без систематического обслуживания. Внастоящее время (середина 70-х гг.) достигнут ресурс непрерывной работыодиночного ТЭП свыше 40000 ч. Перспективно использование ТЭП в качествевысокотемпературного звена многоступенчатых преобразователей энергии, например,в сочетании с термоэлектрическими преобразователями, работающими при болеенизких температурах. В СССР, США, Франции и ряде др. стран ведутся интенсивныеработы по созданию ТЭП, пригодных для массового промышленного использования.

Термоэлектрическийгенератор

Термоэлектрическийгенератор (ТЭГ), термоэлектрогенератор, устройство для прямого преобразованиятепловой энергии в электрическую, принцип действия которого основан на эффектеЗеебека (см. Термоэлектрическиеявления).В состав ТЭГ входят: термобатареи, набранные из полупроводниковых термоэлементов,соединённых последовательно или параллельно; теплообменники горячих и холодныхспаев термобатарей. ТЭГ подразделяются: по интервалу рабочих температур — нанизко-, средне и высокотемпературные (диапазоны температур 20-300, 300-600,600-1000 °С; материалы термоэлементов — соответственно твёрдые растворы наоснове халькогенидов элементов V группы, IV группы периодической системы Д. И.Менделеева и твёрдые растворы Si-Ge); по области применения — на космические,морские, наземные и т. д.; по типу источника тепла — на изотопные,солнечные (см. Солнечный термоэлектрогенератор), газовыеи т. д. Кпд лучших ТЭГ составляет ~ 15%, мощность достигает несколькихсотен квт.

ТЭГ обладаютрядом преимуществ перед традиционными электромашинными преобразователямиэнергии, например турбогенераторами, отсутствием движущихся частей,высокой надёжностью, простотой обслуживания. ТЭГ применяются дляэнергоснабжения удалённых и труднодоступных потребителей электроэнергии(автоматических маяков, навигационных буев, метеорологических станций, активныхретрансляторов, космических аппаратов, станций антикоррозионной защиты газо- инефтепроводов и т. п.). К недостаткам современных ТЭГ относятся низкий кпди относительно высокая стоимость.

Электрохимическийгенератор

Электрохимическийгенератор (ЭХГ), химический источник тока, в котором реагенты (обычногазообразные или жидкие вещества) в ходе электрохимической реакции непрерывнопоступают из специальных резервуаров к электродам. ЭХГ состоит из батареи топливныхэлементов, систем хранения и подачи реагентов, отвода продуктов реакции,контроля и автоматического управления. В отличие от гальванических элементов,ЭХГ могут работать до тех пор, пока осуществляется подвод реагентов (топлива иокислителя) и отвод продуктов реакции.

/>

ПерспективныЭХГ, в которых в качестве горючего используют водород, экологически чистый источникэнергии. С середины 1970-х гг. в СССР, США, ФРГ, Франции, Японии и др. странахведутся работы по созданию и использованию водородно-кислородных и особенноводородно-воздушных ЭХГ. Применение такого рода источников электрическойэнергии в радио- и телевизионных устройствах (рис.) и на транспортныхсредствах должно способствовать решению проблемы сохранения чистоты окружающейсреды. Кпд водородно-кислородных ЭХГ, созданных в СССР и США, достигает 70-80%.Кпд ЭХГ, работающих при постоянных давлении и температуре с поглощением теплаиз окружающей среды, теоретически может превосходить 100%.

Литература:

1.  "Большая Российская энциклопедия"Эл. Изд. Рубрикон, М. 2001г.   (http://www.rubricon.ru/)