Введение (стр. 8 )

Рис. 5.10. Схема водородно - кислородного топливного элемента:

1 - анод; 2 - электролит; 3 – катод; 4 - нагрузка; 5 - электроны;

6 - ионы

Следующим типом электрохимического элемента является топлив­ный элемент. Топливный элемент отличается от выше рассмотренных электрохимических элементов тем, что активные вещества к нему по­даются извне, а электроды в электрохимических превращениях не участвуют. На рис.5.10 приведена принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента, которые широко применяются на американских космических кораблях класса "Аполлон" и "Джеминай". Электроды в топливном элементе выполнены пористыми. На аноде про­исходит переход положительных ионов водорода в электролит. Остав­шиеся электроны создают отрицательный потенциал и по внешней цепи перемещаются к катоду. Атомы кислорода, находящиеся на катоде, присоединяют к себе электроны, образуя отрицательные ионы, кото­рые, присоединяя из воды атомы водорода, переходят в раствор в ви­де ионов гидроксила ОН-. Ионы гидроксила, соединяясь с ионами во­дорода, образуют воду. Таким образом, при непрерывном подводе во­дорода и кислорода происходит непрерывная реакция окисления топли­ва ионами с одновременным образованием тока во внешней цепи.

Реакция на аноде:

(5.7)

реакция на катоде:

(5.8)

В ранних модификациях использовалась диффузия газов через по­ристые углеродные мембраны в электролит, как правило, гидроокись кадия. Для предотвращения попадания электролита на углерод послед­ний покрывался тонким слоем парафина. Недостаток элементов этого типа - плохая растворимость газа в электролите и хрупкость элект­родов. Затем конструкция этого топливного элемента была улучшена путем замены угольных электродов никелевыми с пористым внешним слоем, который служит катализатором в реакции образования ионов водорода. Кроме того, газы подаются в элемент при высоком давле­нии (около 1 МПа), а для повышения растворимости газов и ионной проводимости рабочая температура составляет 400°С.

КПД топливных элементов очень высок (60-80%).

Использование водорода в качестве топлива сопряжено с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому изыскиваются возможности применения других видов топлива, в первую очередь при­родного и генераторного газа. В этих элементах, работающих при температуре около 1000 °С, из топлива получают ионы водорода:

(5.9)

В качестве электролита используется твердая двуокись цирко­ния, поскольку она обладает хорошей проводимостью по отношению к ионам водорода. На катоде идет реакция

(5.10)

Разработаны также углеводородные элемент - керосиновый, гидразиновьй и формальдегидный, в которых, электролитом служит расплав карбоната щелочного металла.

Топливные элементы бесшумны, экономичны, и у них отсутствуют вредные отходы.

Создание дешевых топливных элементов с высоким КПД, работающих на органическом топливе, в широких масштабах позволило бы сох­ранить топливные ресурсы на многие столетия. Целый ряд проблем размещения АЭС можно исключить, если передавать на большие рассто­яния не электроэнергию, а водород. Например, АЭС, расположенная на плавающей в океане платформе, может вырабатывать водород электролизом морской воды. Полученный водород затем бы передавался по трубопроводам к топливным элементам, расположенным у потребителя.

5.6. Методы преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую

Непосредственное преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию известно уже не один десяток лет. В основе этого преобразования лежит фотоэлектрический метод.

Свет представляет собой электромагнитные волны. Энергия этих волн сконцентрирована в форме пучков или пакетов, которые называ­ются фотонами. У некоторых металлов при попадании света на поверх­ность наблюдается эмиссия электронов с поверхности. Число этих электронов пропорционально интенсивности, а максимальная энергия - частоте падающего излучения. Это можно объяснить лишь при условии, что излучение состоит из фотонов, энергия которых пропорциональна их частоте. При столкновении с электронами фотоны передают им свою энергию. Чем больше фотонов, тем больше эмиссия электронов, при этом различным длинам волн излучения соответствуют различные энер­гии электронов. Длина волны света связана с его энергией соотноше­нием

(5.11)

где h = 6,63*10-34 Дж*с - постоянная Планка; с - коэффициент про­порциональности; l - длина волны, мкм.

Фотоны, соответствующие области спектра с самыми короткими длинами волн (менее 0.4 мкм), обладают наибольшей энергией. Эта область спектра называется ультрафиолетовой. Излучение в интервале длин волн, больших 0.8 мкм, носит название инфракрасного. Основное направление развития фотоэлектрических систем преобразования энер­гии - разработка систем, имеющих низкую себестоимость и восприни­мающих энергию солнечного излучения в максимально широком спектральном диапазоне - от ультрафиолетовой до инфракрасной области.

Далеко не все вещества обладают светочувствительностью, толь­ко немногие из них могут использоваться в качестве фотоэлектричес­ких преобразователей. Светочувствительность веществ обусловлена рядом особенностей их микроструктуры. Практическое использование фотоэффекта для получения электроэнергии стало возможным в связи с прогрессом физики полупроводников. При соприкосновении полупровод­ников с электронной (n - типа) и "дырочной" (р - типа) проводимостями на границе образуется контактная разность потенциалов вследствие диф­фузии электронов. Если полупроводник с дырочной проводимостью ос­вещается, то его электроны, поглощая кванты света, переходят на полупроводник с электронной проводимостью. В замкнутой цепи при этом образуется электрический ток. В настоящее время наиболее со­вершенны кремниевые фотоэлементы, на которые действуют как направ­ленные солнечные лучи, так и рассеянный свет. КПД кремниевых фото­элементов повышается с понижением температуры, т. е. они могут оди­наково успешно работать и зимой, и летом. Реальный КПД кремниевых фотоэлементов находится в пределах 10-15%.

Высокая стоимость получения чистого кремния ограничивает об­ласть применения кремниевых фотоэлементов (в основном для косми­ческих аппаратов). По мере снижения стоимости фотоэлектрические системы получат большое распространение. В Японии разрабатываются фотоэлектрические системы для одного дома (мощностью до 3 кВт), комплекса домов (до 20 кВт), школ (до 200 кВт), фабрик (до 1000 кВт). Современный технический уровень фотоэлектрических систем де­лает экономически целесообразным их применение в тропических стра­нах, где недостаточно развиты электрические сети. Наряду с систе­мами прямого преобразования солнечной энергии в электрическую, во многих странах строятся солнечные электростанции, работающие по тепловому циклу. Наибольшее распространение получили солнечные электростанции башенного типа. В США в 1981 г. была введена в ра­боту башенная электростанция мощностью 10 МВт с центральным прием­ником солнечных лучей, установленным на колонне высотой 122 м. 3000 гелиостатов (двухосно следящих зеркал), занимающих площадь 525 га, фокусируют солнечную энергию на приемнике. Им является котел, подающий пар в обычную турбинную установку, расположенную у основания колонны. Станция работает на мощности, близкой к номи­нальной, в течение 10-12 часов в сутки. Тепловая аккумулирующая емкость хранит тепло для работы в ночное время. Схема установки приведена на рис.5.11.

Рис.5.11. Схема солнечной электростанции:

1 - солнечный свет; 2 – гелиостаты; 3 - перенос тепла рабочей жид­кости; 4 - резервуар для рабочей горячей жидкости; 5 - теплообмен­ник; б - резервуар для отработавшей рабочей жидкости; 7- турбина;8 - генератор; 9 - конденсатор; 10 - градирня; 11,12 – насосы

Рис.5.12. Примеры пассивных систем использования солнечной энергии:

а - теплоаккумулирующая стена; 1 - солнечная энергия; 2 - прозрач­ная стена; 3 - зачерненная стена здания; б - теплоаккумулирующая кровля

Большое развитие получают установки солнечного теплоснабжения для отопления и горячего водоснабжения жилых домов и общественных зданий. Системы солнечного теплоснабжения (или гелиоустановки) можно разделить на пассивные и активные. Самыми простыми и дешевы­ми являются пассивные системы, или "солнечные дома", которые для сбора и распределения солнечной энергии используют архитектурные и строительные элементы здания и не требуют дополнительного оборудо­вания. На рис.5.12 приведены примеры пассивных систем использова­ния солнечной энергии. Несмотря на некоторые преимущества пассив­ных систем, используются в основном активные системы со специально установленным оборудованием для сбора, хранения и распространения солнечной радиации, так как эти системы позволяют улучшить архи­тектуру здания, повысить эффективность использования солнечной энергии, а также обеспечивают большие возможности регулирования тепловой нагрузки и расширяют область применения. Гелиоустановки имеют следующую классификацию;

по назначению: системы горячего водоснабжения, системы отоп­ления. комбинированные установки для целей теплохладоснабжения;

пo виду используемого теплоносителя: жидкостные, воздушные;

по продолжительности работы: круглогодичные, сезонные;

по техническому исполнению схемы: одноконтурные, двухконтур­ные. многоконтурные.

Рис.5.13. Схемы прямоточных гелиосистем:

1 - солнечный коллектор; 2 - аккумулятор тепла; 3 – теплообменник

Установки солнечного теплоснабжения можно разделить на две основные группы: 1) работающие по разомкнутой, или прямоточной, схе­ме (рис.5.13); 2) работающие по замкнутой схеме (рис.5.14).

В установках первой группы теплоноситель подается в солнечные коллекторы (рис.5.13,а, б) или в теплообменник гелиоконтура (рис.5.13,в), где он нагревается и поступает либо непосредственно к потребителю, либо в бак-аккумулятор. В установках второй группы передача теплоты от солнечных коллекторов осуществляется либо че­рез бак-аккумулятор, либо путем непосредственного смешения теплоносителей (рис.5.14,а), либо через теплообменник, который может быть расположен как внутри бака (рис.5.14.б), так и вне его (рис.5.14,в).

Рис.5.14. Схемы замкнутых гелиосистем

Основным элементом гелиоустановок являются солнечные коллек­торы, которые могут быть двух типов: фокусирующие и плоские. Фокусирующие коллекторы позволяют обеспечить нагрев теплоносителя до сравнительно высоких температур (400-600 К). Основной их недоста­ток заключается в том, что в них воспринимается только прямая сос­тавляющая солнечной радиации, хотя диффузная составляющая может доходить до 40% суммарной радиации, особенно в северных широтах. Фокусирующие коллекторы применяются в башенных электростанциях. В системах теплоснабжения наибольшее распространение получили плос­кие коллекторы (рис.5.15). Большинство плоских коллекторов имеют следующие элементы: 1) прозрачное покрытие из одного или несколь­ких слоев стекла или другого прозрачного материала; 2) поглощающую поверхность с каналами для прохода теплоносителя и оребрением различной формы; 3) изоляцию для уменьшения тепловых потерь: 4) корпус.

Рис.5.15. Поперечный разрез плоского солнечного коллектора:

1 - корпус; 2 - изоляция; 3 - поглощающая поверхность; 4 - проз­рачное покрытие

Принцип действия плоского коллектора следующий. Большая часть солнечной радиации, падающей на коллектор, поглощается поверх­ностью. Часть поглощенной энергии передается теплоносителю, цирку­лирующему через коллектор, а часть теряется в результате теплооб­мена с окружающей средой через прозрачное покрытие и стенки корпу­са. Обычно используют одно - или двухслойное прозрачное покрытие. В качестве поглощающей поверхности может быть использован лист из металла (сталь, алюминий, медь) или другого материала с каналами для прохода теплоносителя. Поглощающую поверхность зачерняют для повышения поглощающей способности.

5.7. Ветроэнергетические установки

Ветроагрегат, предназначенный для производства электроэнер­гии, в самом общем виде представляет собой ветродвигатель, преоб­разующий энергию воздушного потока во враща-тельное движение вала ротора (ветроколеса); вырабатываемая в генераторе электроэнергия может подаваться в сеть. Скорость ветра непрерывно меняется, что приводит к соответствующим колебаниям механической мощности на ва­лу ветроколеса. Максимальную мощность ветродвигателя с горизон­тальной осью вращения, параллельной направлению ветра, можно опре­делить по выражению

(5.12)

где D - диаметр ветроколеса; r - плотность ветра; V - скорость набегающего потока ветра.

При конструировании, ветродвигателя обычно ставится задача по­лучить агрегат, который может работать при больших скоростях ветра и одновременно обеспечивать высокий КПД преобразования. Выполнение последнего условия зависит от двух факторов: формы лопастей и быстроходности. У ветроколес с горизонтальной осью, параллельной потоку, в зависимости от рабочих параметров и условий работы обыч­но имеются либо две, либо три лопасти. Двухлопастное колесо обес­печивает большую экономичность, чем трехлопастное, однако в ряде случаев оно подвержено значительным вибрационным нагрузкам, от­сутствующим в трехлопастном ветроколесе. Центростремительную силу, действующую на лопасть, можно свести к минимуму, уменьшив ее мас­су. Для изготовления лопастей пригодны дерево, пластик и особенно армированное стекловолокно, обладающее хорошими прочностными, ха­рактеристиками.

Из (5.12) на первый взгляд следует, что максимальная мощность неограниченно возрастает с ростом скорости ветра. Однако это вер­но лишь теоретически, на практике же еще необходимо, чтобы КПД также имел максимальное значение, что осуществимо при условии J=V/3 ( V - изменение скорости ветра при подходе к ветроколеcу). Для ветроколеса с горизонтальной осью вращения, форма и раз­меры которого заданы, это условие выполняется лишь при одном зна­чении скорости. Таким образом, в конструкции ветродвигателя зало­жено некоторое максимальное значение скорости Vmax, при котором он должен работать. При скоростях ветра ниже Vmах выходная мощ­ность ветродвигателя меньше номинальной; а при скоростях, больших Vmax - падает КПД преобразования энергии ветра в механическую. Так, при увеличении скорости ветра на 33% вырабатываемая мощность - удвоится, а при ее уменьшении на 33% упадет вдвое. Для ветродвига­теля существует также минимально допустимая скорость ветра. Ветро-колесо с горизонтальной осью вращения должно вращаться, начиная с некоторой минимальной скорости ветра, но максимальная мощность вы­бирается лишь при номинальном значении скорости, которая на 9-16 км/ч больше среднегодовой скорости ветра для данной местности.

При изменении скорости ветра происходят колебания электричес­кой мощности, создаваемой ветроагрегатом: Эти колебания приводят к изменениям активной и реактивной мощности, напряжения и силы тока. Воздействие колебаний выходной мощности можно сгладить аккумулиро­ванием энергии.

Существует несколько путей использования энергии ветра электроснабжающими компаниями.

Режим экономии топлива. Этот метод заключается в непосредс­твенной подаче электроэнергии от ветроустановки в электрическую систему. Во время ее работы экономится топливо. Метод не требует аккумулирования энергии, и его можно применять во всех сетях.

Режим непрерывной выработки электроэнергии. При таком режиме электроэнергия от ветроустановки сперва поступает в аккумулирующую систему, а оттуда в электрическую сеть.

Режим параллельной работы ветроустановок с ГЭС и ГАЭС также позволяет экономить топливо.

Разработкой ветроустановок занимаются многие страны. Крупные ветроустановки в большинстве стран строятся с горизонтальным ва­лом, имеющим диаметр до 100 м. Наиболее крупные ветроустановки ра­ботают в Германии (3000 кВт), Швеции (3000 кВт), Великобритании (3700 кВт), США (2500, 3000 кВт). В Канаде действует ветроустановка с вертикальным валом мощностью 4000 кВт.

В РФ в настоящее время разрабатываются унифицированные ветроэнергетические установки мощностью от 1 до 250 кВт.