Перспективные технологии в энергетике (стр. 2 из 3)
Секционирование электродов в фарадеевском М. г. делается для того, чтобы уменьшить циркуляцию тока вдоль канала и через электроды (эффект Холла) и тем самым направить носители зарядов перпендикулярно оси канала на электроды и в нагрузку; чем значительнее эффект Холла, тем на большее число секций необходимо разделить электроды, причём каждая пара электродов должна иметь свою нагрузку, что весьма усложняет конструкцию установки. Применение схемы холловского М. г. наиболее выгодно при больших магнитных полях. За счёт наличия продольного электрического поля в холловском и М. г. с диагональным соединением электродов можно получить значительное напряжение на выходе генератора. Наибольшее распространение в 70-х годах получили кондукционные линейные М. г. на продуктах сгорания ископаемых топлив с присадками щелочных металлов, работающие по открытому циклу.
Мощность М. г. пропорциональна проводимости рабочего тела, квадрату его скорости и квадрату напряжённости магнитного поля. Для газообразного рабочего тела в диапазоне температур 2000-3000 К проводимость пропорциональна температуре в 11-13-й степени и обратно пропорциональна корню квадратному из давления. Скорости потока в М. г. могут быть в широком диапазоне - от дозвуковых до сверхзвуковых. Индукция магнитного поля определяется конструкцией магнитов и ограничивается значениями около 2 тл для магнитов со сталью и до 6-8 тл для сверхпроводящих магнитных систем.
Основное преимущество 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 обычный турбоагрегат, то общий максимальный кпд такой энергетической установки достигнет 50-60%.
Отличительной особенностью М. г. является также возможность получения больших мощностей в одном агрегате - 500-1000 Мвт и сочетания их с паросиловыми блоками такой же мощности. Существуют три основных направления возможного промышленного применения М. г.: 1) ТЭС с М. г. (рис. 3) на продуктах сгорания топлива (открытый цикл); эти установки наиболее просты по своему принципу и имеют ближайшую перспективу промышленного применения; 2) атомные электростанции с М. г. на инертном газе, нагреваемом в ядерном реакторе (закрытый цикл); перспективность этого направления зависит от развития ядерных реакторов с температурой рабочего тела свыше 2000 K; 3) циклы с М. г. на жидком металле, которые весьма перспективны для атомной энергетики и для специальных энергетических установок сравнительно небольшой мощности, однако существующие на 1972 проработки этих циклов не позволяют судить определенно об их использовании в промышленной энергетике.
Созданная в СССР опытно-промышленная установка "У-25" - прототип ТЭС с М. г. Она работает на продуктах сгорания природного газа с добавкой K2CO3 в качестве ионизирующейся присадки, позволяющей при относительно невысоких температурах (около 3000 К) сделать продукты сгорания электропроводными. "У-25" имеет два контура: первичный, разомкнутый, в котором преобразование тепла продуктов сгорания в электрическую энергию происходит в М. г., и вторичный, замкнутый - паросиловой контур, использующий тепло продуктов сгорания вне канала М. г.
Установка работает по следующей тепловой схеме. Атмосферный воздух, обогащенный кислородом, сжимается в компрессоре и подаётся в воздухоподогреватели, откуда воздушно-кислородная смесь, нагретая до нужной температуры, направляется в камеру сгорания. Перед камерой сгорания в воздушный поток впрыскивается водный раствор легкоионизирующейся присадки. Ионизированные продукты сгорания разгоняются в сопле и поступают в канал М. г. Канал М. г. размещен в рабочем зазоре магнитной системы с индукцией 2 тл. Из канала М. г. продукты сгорания поступают в парогенератор и отдают своё тепло паросиловому циклу, затем при температуре 420-450 K они направляются в систему удаления присадки и после очистки выбрасываются в атмосферу. Электрическое оборудование "У-25" состоит из М. г. и инверторной установки, собранной на ртутных игнитронах. Устойчивость совместной работы М. г. и многоэлементной инверторной установки обеспечивается системой автоматического регулирования. "У-25" обеспечена телеметрической системой управления и контроля. Полученные экспериментальные данные обрабатываются ЭВМ.
Энергетические установки с М. г. могут применяться также как резервные или аварийные источники энергии в энергосистемах, для космической техники (бортовые системы питания), в качестве источников питания различных устройств, требующих больших мощностей на короткие промежутки времени (например, для питания электроподогревателей аэродинамических труб и т.п.).
К началу 70-х годов работы по проблеме МГД-метода преобразования энергии вышли за рамки научного поиска и создания небольших лабораторных исследовательских установок и вступили в стадию строительства опытно-промышленных электростанций. Накоплен обширный фактический материал по результатам научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ в области М. г. Для обмена информацией, анализа состояния и оценки перспектив развития М. г. было проведено несколько международных симпозиумов и национальных конференций; в 1966 была основана Международная группа связи по вопросам МГД-метода преобразования энергии, куда вошли представители Австралии, Австрии, Англии, Бельгии, Италии, Нидерландов, ПНР, СССР, США, Франции, ФРГ, ЧССР, Швейцарии и Швеции.
Термоэмиссионный преобразователь энергии
Термоэмиссионный преобразователь энергии (ТЭП), термоэлектронный преобразователь энергии, термоионный преобразователь энергии, устройство для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую на основе явления термоэлектронной эмиссии. Простейший ТЭП состоит из двух электродов (катода, или эмиттера, и анода, или коллектора, изготовляемых из тугоплавких металлов, обычно Mo, Re, W), разделённых вакуумным промежутком (рис. 1). К эмиттеру от источника тепла подводится тепловая энергия, достаточная для возникновения заметной термоэлектронной эмиссии с поверхности металла. Электроны, преодолевая межэлектродное пространство (несколько десятых долей мм), попадают на поверхность коллектора, создавая на нём избыток отрицательных зарядов и увеличивая его отрицательный потенциал. Если непрерывно обеспечивать подвод тепла к эмиттеру и соответствующее охлаждение коллектора (который получает тепло от достигающих его электронов), то во внешней цепи будет поддерживаться электрический ток и таким образом совершаться работа. Так как ТЭП представляет собой по существу тепловую машину, рабочим телом которой служит "электронный газ" (электроны "испаряются" с эмиттера - нагревателя и "конденсируются" на коллекторе - холодильнике), то кпд ТЭП не может превосходить кпд Карно цикла.
Напряжение, развиваемое ТЭП (0,5- 1 в), - порядка контактной разности потенциалов, но меньше её на величину падения напряжения на межэлектродном зазоре и потерь напряжения на коммутационных проводах (рис. 2). Максимальная плотность тока, генерируемого ТЭП, ограничена эмиссионной способностью эмиттера и может достигать нескольких десятков а 1 см2 поверхности. Для получения оптимальных величин работы выхода эмиттера (2,5-2,8 эв) и коллектора (1,0-1,7 эв) и для компенсации объёмного заряда электронов, образующегося вблизи электродов, в зазор между ними обычно вводят легко ионизируемые пары Cs. Положительные ионы цезия образуются при столкновении атомов Cs с быстрыми и тепловыми электронами как на горячем катоде (поверхностная ионизация), так и в межэлектродном объёме (вследствие либо однократного соударения атомов Cs с быстрыми и тепловыми электронами, либо ступенчатой ионизации, при которой в результате 1-го соударения с электроном атом Cs переходит в возбуждённое состояние, а при последующих - ионизируется). В последнем случае ТЭП работает в так называемое дуговом режиме - наиболее употребительном. При используемых в современных ТЭП температурах электродов (1700-2000 К на катоде и 800-1100 К на аноде) их удельная мощность (в расчёте на 1 см2 поверхности катода) достигает десятков вт, а кпд может превышать 20%.
По роду источника тепла различают ядерные (реакторные и радиоизотопные), солнечные и газопламенные ТЭП. В ядерных ТЭП используется тепло, выделяющееся в результате реакции 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 ТЭП нагрев эмиттера осуществляется за счёт тепловой энергии солнечного излучения (с применением гелиоконцентраторов). Газопламенные ТЭП работают на тепле, выделяющемся при сжигании органического топлива.
Важные преимущества ТЭП по сравнению с традиционными электромашинными преобразователями - отсутствие в них движущихся частей, компактность, высокая надёжность, возможность эксплуатации без систематического обслуживания. В настоящее время (середина 70-х гг.) достигнут ресурс непрерывной работы одиночного ТЭП свыше 40000 ч. Перспективно использование ТЭП в качестве высокотемпературного звена многоступенчатых преобразователей энергии, например, в сочетании с термоэлектрическими преобразователями, работающими при более низких температурах. В СССР, США, Франции и ряде др. стран ведутся интенсивные работы по созданию ТЭП, пригодных для массового промышленного использования.