Энергетические ресурсы Земли (стр. 15 )

Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнит­ное поле, которое может быть получено пропусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагрева обмоток и потерь энергии в них сопротивление обмоток должно быть по возможности наи­меньшим. Поэтому в качестве таких проводников целесообразно ис­пользовать сверхпроводящие материалы.

Перспективны МГД-генераторы с ядерными реакторами, используе­мыми для нагревания газов и их термической ионизации (рис.5.4). Трудности создания МГД-генератора с ядерным реактором состоят в том, что современные ТВЭЛ, содержащие уран и покрытые окисью маг­ния, допускают температуру, не намного превышающую 600 °С. Можно надеяться, что по мере совершенствования реакторных систем их тем-

пературу можно будет увеличить до нужных величин (около 2000 °C).

Рис.5.4. МГД - генератор с ядерным реактором:

1 - ядерный реактор; 2 - сопло; 3 – МГД - генератор; 4 - место кон­денсации щелочных металлов; 5 – насос; 5 - место ввода щелочных металлов

Рис.5.5. МГД-генератор с камерным реактором:

1 - камера сгорания; 2 - замедлитель; 3 - сопло; 4 - электроды, отводящие ток

На рис.5.5 представлен МГД-генератор с камерным реактором, принцип работы которого состоит в следующем: смесь гелия и ради­оактивного урана под давлением в 12,2 МПа подается в камеру, где в результате цепной реакции происходит разогрев до температуры 5500 °С. При прохождении через сопло происходит расширение плазмы и уве­личение скорости ее движения. Предположительная мощность такого МГД - генератора 10000 МВт. Вес и размеры его такие же, как у паро­силовых установок мощностью 100 МВт.

Вопросам создания достаточно эффективных МГД - установок уделя­ется большое внимание во многих развитых странах мира. В бывшем СССР с 1972 г. функционирует МГД - установка мощностью 250 МВт (теп­ловой) на газе. Эксплуатируются несколько экспериментальных МГД - установок на угле, каждая мощностью 5-10 МВт. МГД - генераторы на твердом топливе особенно интенсивно изучаются в США. Ведутся экс­перименты на нескольких установках мощностью 10 - 30 МВт, на которых сжигается уголь.

При установке МГД - генератора в качестве надстройки обычной электростанции, если использовать существующую технологию, можно получить КПД 45-50%, при использовании перспективных технологий 55-60%. Приемлемый диапазон мощностей составляет 20-2000 МВт.

5.3. Термоэлектрические генераторы

Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) непосредственно преобра­зуют тепловую энергию в электрическую и находят широкое распрост­ранение в качестве источников электроэнергии на космических объек­тах, ракетах, подводных лодках, маяках и многих других установках небольшой мощности. Они изготовляются на мощности от нескольких ватт до нескольких киловатт.

Основные достоинства ТЭГ: 1) отсутствуют движущиеся части; 2) нет необходимости в высоких, давлениях; 3) могут использоваться лю­бые источники тепла; 4) имеется большой ресурс работы. Термоэлект­рические генераторы в зависимости от назначения могут преобразовы­вать в электрическую энергию тепло, получаемое в атомных реакто­рах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива. Почти все современные ТЭГ содержат полупроводниковые материалы в виде теллуридов или селенидов. Их открытие позволило создать ТЭГ с КПД до 10%. В перспективе можно ожидать дальнейшего увеличения КПД, Однако существующие конструкции ТЭГ не могут конкурировать с мощными электрическими станциями из-за дороговизны и низкого зна­чения КПД.

Принцип работы ТЭГ основан на том, что в замкнутой цепи, сос­тоящей из разнородных материалов, при разных температурах контак­тов этих материалов протекает электрический ток. Экспериментальные исследования показали, что величина ЭДС термопары зависит от ис­пользуемых материалов и температур горячего и холодного спаев:

где a - коэффициент термо - ЭДС, зависящий от материала; Тг и Tх - температуры горячего и холодного спаев.

Данное явление было описано Зеебеком в 1821 г. Его можно объ­яснить тем, что средняя энергия свободных электронов различна в разных проводниках и по-разному растет с увеличением температуры. Если вдоль проводника существует перепад температур, то возникает направленный поток электронов от горячего спая к холодному, вследствие чего у холодного спая образуется избыток отрицательных зарядов, у горячего - избыток положительных. Поток этот более ин­тенсивен в тех проводниках, у которых концентрация электронов больше. Поэтому даже в простейшем термоэлементе, замкнутая цепь которого состоит из двух проводников с разными концентрациями электронов и спаи поддерживаются при разных температурах, возника­ет электрический ток под действием ЭДС. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопление электронов на холодном конце увеличивает его отрицательный потенциал до тех пор, пока не установится дина­мическое равновесие между электронами, смещающимися к холодному концу, и электронами, уходящими от холодного конца под действием возникшей разности потенциалов. Чем меньше электропроводность ма­териала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, следо­вательно, тем выше ЭДС. Поэтому полупроводниковые элементы более эффективны, чем элементы из металлов.

Носителями зарядов в полупроводниках могут быть электроны (полупроводники n - типа) и "положительные дырки" - ионы (полупро­водники р - типа). У собственно полупроводников имеются приблизи­тельно в равном количестве носители зарядов обоих типов. "Положи­тельные дырки" способны перемещаться, благодаря чему возникает пе­ренос положительных зарядов. Концентрацией и знаком электрических зарядов можно управлять, вводя в материалы полупроводников различ­ные примеси. В полупроводниках, так же как и в металлах, термо - ЭДС прямо пропорциональна разности температур горячего и холодного концов стержня. Отличие состоит в том, что термо - ЭДС у полупровод­ников в 40 с лишним раз больше, чем у металлов. Хорошая теплоизо­ляционная способность полупроводников позволяет создавать на их основе ТЭГ с большими перепадами температур, а следовательно, и с большими величинами термо - ЭДС.

Рис.5.6. Схема термоэлектрического элемента из полупроводников n - и р - типа:

1 - холодный спай; 2 - горячий спай

В ТЭГ одновременно используют полупроводники двух типов - n и р. На рис.5.6 показана термопара, образованная из полупроводников n - и р - типа. В обеих ветвях термопары носители зарядов перемещают­ся от горячего спая к холодному. Поскольку за положительное нап­равление электрического тока принимается направление движения по­ложительного заряда, то направления токов в ветвях схемы совпадают (показаны стрелками на рис.5.6). Чтобы получить значительные вели­чины ЭДС, полупроводниковый ТЭГ необходимо выполнить из множества последовательно соединенных термопар, каждая из которых состоит из полупроводников п - и р-типа (рис. 5.7).

Рис.5.7. Схема полупроводниковой термоэлектрической батареи:

1 - горячий конец; 2 - холодные концы

Свойства полупроводников зависят от температуры. Для каждого их вида существуют сравнительно узкие границы оптимальных темпера­тур. В то же время величина термо - ЭДС прямо пропорциональна раз­ности температур. Следовательно, для получения больших ее значений необходимо использовать высокие температуры. Созданы полупроводни­ки для работы при температуре 535°С. Однако для эффективной работы промышленного ТЭГ потребуется температуру горячего спая довести до величины примерно 1100°С.

Рис.5.8. Устройство ТЭГ:

а - на ядерном топливе; б - на делящихся полупроводниковых элемен­тах; 1 – охладитель; 2 - ядерное горючее; 3 – изоляторы

В настоящее время широко ведутся исследования по созданию по­лупроводников, работавших при высоких температурах. Для подогрева горячих спаев может быть использовано тепло, получаемое в реакто­рах при делении ядер тяжелых элементов. Однако в этом случае тре­буется решение ряда проблем, в частности выявление эффекта сильно­го радиационного воздействия на полупроводниковые материалы, так как ядерное горючее может находиться в непосредственном контакте с ними (рис.5.8,а). Термоэлектрическая батарея может быть создана из делящихся тепловыделяющих термоэлементов, обладающих свойствами полупроводников (рис.5.8,б), например, из таких, как сульфиды ура­на и тория. В типичном энергетическом ядерном реакторе находится 40-50 тыс. ТВЭЛ. Если в каждый встроить термобатарею, вырабатываю­щую ток с напряжением 1 В, то можно, последовательно соединяя эти батареи, получить напряжение, измеряемое многими тысячами вольт.

5.4. Радиоизотопные источники энергии

Естественный радиоактивный распад ядер сопровождается выделе­нием кинетической энергии частиц и g - квантов. Эта энергия погло­щается средой, окружающей радиоактивный изотоп, и превращается в тепло, которое можно использовать для получения электрической энергии термоэлектрическим способом. Установки, преобразующие энергию естественного радиоактивного распада в электрическую энер­гию с помощью термоэлементов, называются радиоизотопными термогенераторами. Радиоизотопные термогенераторы достаточно надежны в работе, обладают большим сроком службы, компактны и могут успешно использоваться в качестве автономных источников энергии для раз­личных установок космического и наземного базирования. Современные радиоизотопные генераторы имеют КПД 3-5% и срок службы от 3 меся­цев до 10 лет. Технико-экономические характеристики этих генерато­ров в будущем могут быть значительно улучшены. В настоящее время создаются проекты генераторов мощностью до 10 кВт. В перспективе радиоизотопные термогенераторы предполагается широко использовать в медицине для создания искусственного сердца, а также для стиму­лирования работы различных органов в живых организмах.