Энергетические ресурсы Земли (стр. 14 )

Условия комфорта быстро становятся необходимостью для челове­ка. Все большее распространение получают установки кондиционирова­ния воздуха, электробытовая и, радиоэлектронная техника. Существен­но возрастает доля электроэнергии, непосредственно используемой в различных технологических процессах.

Наряду с увеличением общего потребления энергоресурсов в мире (см. рис. B.1), растет также доля энергии, приходящаяся на одного жителя. Так. в РФ доля электроэнергии, приходящаяся на одного жи­теля, 1992 г. составляла 7300 кВт*ч, в 2000 г. она должна увели­читься до 10000 кВт*ч. Годовое потребление всех видов топливно-энергетических ресурсов на одного жителя должно за этот период воз­расти с 7 до 8 т у. т.

Огромные потребности в энергии ставят перед человечеством проблему разработки новых эффективных способов ее получения, осно­ванных на новейших достижениях в науке и технике. В наше время уже нельзя довольствоваться существующими традиционными способами преобразования различных видов энергии в электрическую из-за ограниченности запасов органического топлива, которое расточительно ис­пользуется при сжигании в топках. КПД самых современных ТЭС не превышает 40%. Это означает, что большая часть получаемого тепла теряется и оказывает влияние на "тепловое загрязнение" близрасположенных водоемов. Кроме того, при сжигании топлива плохо использу­ется вещество, вовлеченное в процесс преобразования энергии, КПД по веществу составляет у ТЭС ничтожно малую величину. Следователь­но, процесс сжигания топлива сопровождается огромными выбросами побочных продуктов, загрязняющих окружающую среду. Поэтому разра­ботка новых способов преобразования энергии, позволяющих уменьшить выбросы отходов в атмосферу, относится к важнейшим социальным проблемам.

Недостатки, присущие ТЭС, еще не означают, что эти станции не соответствуют духу времени и их строительство должно быть прекра­щено. В обозримом будущем ТЭС останутся одним из основных источни­ков энергии, поэтому совершенствование их конструкции, улучшение термодинамического цикла актуально для большой энергетики.

КПД использования топлива на АЭС значительно выше, чем на ТЭС. Однако использование на АЭС классического термодинамического цикла для преобразования тепла в механическую энергию, которая затем ге­нераторами преобразуется в электрическую, приводит к большим поте­рям энергии, получаемой в реакторах. Перед наукой стоит заманчивая перспектива - получить эффективные способы непосредственного пре­образования ядерной энергии в электрическую.

Широко используемые во многих странах мира ГЭС и в дальнейшем будут развиваться как весьма современные преобразователи энергии в возобновляемой форме. В связи с возрастающим загрязнением биосферы и ограниченностью запасов топлива повышается интерес к "чистым" электростанциям, использующим энергию морских приливов, тепло зем­ных недр, энергию солнечной радиации.

Таким образом, вместе с развитием цивилизации и технического прогресса будут совершенствоваться существующие и создаваться но­вые, более эффективные способы преобразования энергии. В первую очередь это способы непосредственного преобразования тепла, ядер­ной и химической энергии в электрическую. Установки прямого преоб­разования тепловой энергии в электрическую находят практическое применение в качестве автономных источников энергии, предназначен­ных для космических объектов, устройств навигации, самолетов, судов и т. д.

Известные способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую подразделяются: 1) на магнитогидродинамические, 2) термоэлектрические, 3) термоэмиссионные.

5.2. Магнитогидродинамическое преобразование энергии

Большое внимание в настоящее время уделяется созданию магнитогидродинамических генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую. Возможности прак­тической реализации такого рода преобразования энергии в широких промышленных масштабах появляются в связи с успехами в атомной фи­зике, физике плазмы, металлургии и ряде других областей.

Рис.5.1. Схемы преобразования тепловой энергии

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электри­ческую позволяет существенно повысить эффективность использования топливных ресурсов. В классическом паросиловом цикле преобразова­ния энергии (рис.5.1,а) тепло, получаемое при сжигании топлива, превращается во внутреннюю энергию пара, температура и давление которого при этом повышаются. Затем в паровых турбинах энергия па­ра превращается в механическую и только после этого в электричес­ких генераторах механическая энергия преобразуется в электричес­кую. Процессы этих многократных преобразований сопровождаются не­избежными потерями, снижающими эффективность всего цикла.

В магнитогидродинамическом цикле (рис. 5.1,б) цепочка преобра­зований энергии значительно короче. Но не только в этом состоит преимущество МГД-преобразования энергии. КПД идеального теплового цикла Карно зависит от максимальной и минимальной температур рабо­чего тела. В современных топках парогенераторов температура превы­шает 2000°С, а нагрев лопаток паровых турбин из-за ограниченной теплостойкости материала не должен превышать 750°С, что ограничи­вает КПД до 60%. В реальных условиях ввиду несовершенства пароси­лового цикла КПД не удается повысить более чем до 40%. В МГД-генераторах статические условия работы позволяют использовать материа­лы, на поверхности которых температура может достигать 2700-3000°С. Это открывает широкие перспективы повышения КПД преобразования энергии. В качестве проводящего вещества в МГД-генераторах исполь­зуются ионизированные газы. Чтобы обеспечить необходимую электроп­роводность газов, следует их температуру поддерживать на уровне не ниже 2000°С. Это обстоятельство не позволяет использовать МГД-преобразование во всем диапазоне температур от 3000 до 300 К. Поэтому МГД-генераторы целесообразно дополнять паротурбинными преобразова­телями, полезно использующими тепло газов, выходящих из каналов МГД-преобразователей. Сочетание МГД-генераторов с паротурбинными преобразователями энергии позволяет поднять КПД всей установки до 50-70%, что означает экономию десятков миллионов тонн топливных ресурсов в год.

Рис.5.2. Схема работы МГД-генератора

Принцип работы МГД-генератора основан на законе Фарадея, кото­рый утверждает, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, ин­дуктируется ЭДС. ЭДС индуктируется в любом проводнике - твердом, жидком или газообразном. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостями или газами, на­казывается магнитогидродинамикой. На рис.5.2 приведена схема, поясняющая принцип работы МГД-генератора. Между металлическими плас­тинами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа ИГ, обладающего кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи.

До недавнего времени были известны три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Газ считался электрически нейт­ральным, так как нейтральны атомы и состоящие из них молекулы. За­ряд электронов в атомах полностью уравновешивается зарядом ядра. При нагреве газа в результате интенсивного соударения атомов про­исходит выбивание внешних электронов. Если отделить все электроны от ядер, то вещество будет находиться в четвертом состоянии, назы­ваемом высокотемпературной плазмой. На Земле это состояние вещест­ва не встречается, так как для его получения требуется температура порядка миллионов градусов и давление в десятки тысяч мегапаскаль. Высокотемпературная плазма содержится в глубинах Солнца.

При 3000 °С некоторые газы превращаются в низкотемпературную плазму, состоящую из свободных атомов диссоциированных ионов и электронов. Низкотемпературная плазма обладает высокой электропро­водностью. Температуре 3000 °С соответствует небольшая ионизация, равная 0,1%, однако проводимость при этом уже достигает 50%. Сле­довательно, для практических целей нет необходимости стремиться к высокой ионизации.

Рис.5.3. Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой ус­тановкой:

1 - камера сгорания; 2 - МГД-генератор; 3 - обмотки электромагни­та; 4 - теплообменник; 5 – парогенератор; 6 - турбина; 7 - генера­тор; 8 - конденсатор; 9 - насос; ОГ - отработанные газы; ЩМ - щелочные металлы; ЭЭ – электроэнергия

Трудности использования ионизированных газов состоят в том, что при высокой температуре (например 3000 °С) не удается сохра­нить прочность камеры сгорания, каналов и сопла, по которым проис­ходит движение газового потока. Добавление некоторых легко ионизи­рующихся щелочных металлов, таких, как калий, натрий, во много раз увеличивает электропроводность газа. При этом можно ограничиться температурой 2500-2700 °С. Однако в этом случае возникают проблемы, связанные с обеспечением необходимой коррозийной прочности матери­алов из-за повышения химической агрессивности среды, в которой должны работать эти конструкционные материалы.

Весьма перспективно использовать МГД-генератор совместно с па­росиловой установкой (рис.5.3). В камере сгорания 1 производится сжигание органического топлива, получаемые при этом продукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расши­ряющийся канал МГД-генератора 2. Сильное магнитное поле создается мощными электромагнитами 3. Температура газа в канале генератора должна быть не ниже 2000 °С, а в камере сгорания 2500-2800 °С. Тепло отработанных в МГД-генераторе газов используется в теплообменнике 4 для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, затем газы подаются в парогенератор 5 для получения пара. Выходя­щие из МГД-генератора газы имеют температуру примерно 2000 °С.

Сложности в создании МГД-генераторов состоят в получении мате­риалов необходимой прочности. В настоящее время ведутся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшой добавкой це­зия при температуре 2000 °С имеет одинаковую проводимость с продук­тами сгорания минерального топлива при температуре 2500°С. Разра­ботан проект МГД-генератора, работающего по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно циркулирует в системе.