Введение в энеогетику

Такой агрегат позволит доступно решить вопрос зарядки аккумуляторов и аппаратуры в походе, превратив обычную походную посуду в термоэлектрический генератор электроэнергии. Успешные конструкции такого типа известны и применяются многими туристами.

32. Изложите принцип действия термоэмиссионного генератора электрической энергии

Термоэлектронная эмиссия была открыта Эдисоном в 1884 году. Несколько позже в 1897г. Томсон показал, что с нагретого катода эмитируются электроны. Этот эффект получил название «электронной эмиссии» - явление выхода электронов за пределы проводника.

В металле даже при невысокой комнатной температуре присутствует большое количество свободных электронов, находящихся в хаотическом тепловом движении. Скорости свободных электронов в любой фиксированный момент времени различны и изменяются во времени вследствие взаимодействия электронов между собой и с ионами кристаллической решетки металла. При нагревании металла скорости электронов и их кинетическая энергия возрастает.

Находясь в беспорядочном тепловом движении, часть электронов достигает поверхности металла. Далеко не все из них могут пересечь поверхность металла и перейти в окружающую среду. На электроны, приближающиеся к поверхности, начинают действовать электрические силы, втягивающих их обратно в металл. У поверхности металла образуется два слоя разноименных электрических зарядов, на преодоление которых электроном тратится определенная энергия. Для выхода же электронов за пределы металла они должны обладать достаточным запасом кинетической энергии, еще и по преодолению задерживающей их в металле силы. Подобная работа носит название работы выхода. Она является характеристической величиной, и для каждого металла она своя. Как уже было сказано тормозящее действие, которое оказывает металл на покидающий его электрон, не заканчивается на момент пересечения электроном границы металла. В результате выхода электрон оказывается положительно заряженным. Отдаляясь же от металла, он перемещается в тормозящем электрическом поле.

При комнатной температуре только немногие электроны металла обладают запасом энергии, достаточным для выхода из металла. Поэтому в этих условиях эмиссия электронов практически не заметна. Увеличить число электронов, покидающих металл, можно путем сообщения электронам дополнительной энергии или уменьшения работы выхода из металлов. На практике используют оба эти средства.

Дополнительная энергия Q сообщается электронам путем нагрева катода, что вызывает возрастание тока электронной эмиссии. Если нагреть катод (1) до температуры (ТК) равной 1100 - 2500°К, то с поверхности металла катода начнут вылетать электроны в направлении анода (Рис.), имеющего более низкую температуру (ТА) равную 700-1100°К. Если внешняя цепь ТЭмГ замкнута, то электроны с анода, через внешнюю нагрузку (R) вернутся на катод. Направленное движение электронов будет продолжаться до тех пор, пока между катодом и анодом будет поддерживаться разность температур (ДТ). ДТ = ТК - ТА

1 - катод, 2 - анод, Q - нагревательный элемент, R- нагрузка.

Таким образом, часть тепловой энергии (Q), подведенной к катоду, непосредственно преобразуется в постоянный электрический ток. При разомкнутой внешней цепи ТЭмГ напряжение на его выводах будет равно ЭДС.

Зависимость плотности тока эмиссии от температуры в рабочих пределах ее измерения точно следует закону установленному в результате исследований Ричардсона и Дэшмана.

В формуле Jэ - плотность тока термоэлектронной эмиссии в амперах на квадратный сантиметр (а/ см2); Т -температура катода в градусах абсолютной шкалы. А и b - постоянные величины, зависящие от вещества катода.

Из формулы следует, что наиболее сильно ток эмиссии зависит от величины b, которая пропорциональна работе выхода электрона из металла. Чем больше величина b, а, следовательно, и работа выхода, тем меньше при заданной температуре плотность тока эмиссии. Значение параметра А для большинства чистых металлов, из которых изготавливаются катоды, различаются сравнительно мало.

Нетрудно заметить, что наибольшей термоэмиссионной способностью обладает цезий, за ним следует барий и т.д., наименьшей - вольфрам, однако цезий легко испаряется, вольфрам же наоборот хорошо переносит разогрев до 2700° К. В лампах накаливания например вольфрамовый катод в течение длительного времени имел удельную эмиссию до 300 ма/смІ. Экономичность же такого вольфрамового катода была очень низка и составляла всего 5 ма/Вт. Характеристики оставляли желать лучшего, потому впоследствии появились активированные катоды для ламп, представляющие собой обычно вольфрамовую основу, покрытую тонким (атомарным) слоем тория, бария, или другого металла с малой работой выхода. Таким путем удалось уменьшить работу выхода в 1.7 раза при ториевом покрытии, в 3.1 - при бариевом покрытии, и как логическое завершение - появление активированных катодов, уменьшающих еще больше работу выхода электронов. Среди них наибольшее распространение получили оксидные катоды, покрывающие тот же вольфрам атомарным слоем из смеси бария и стронция. И хотя сегодня лампы, можно сказать, исчезли из нашего поля зрения, как когда-то паровозы с железнодорожных путей, принципы получения термоэмиссионного тока остались незыблемыми.

33. Изложите принцип действия электрохимического генератора (топливного элемента)

ЭДС одного ТЭ недостаточна для питания энергией тех или иных устройств, поэтому несколько элементов соединяют друг с другом в батарею. Для обеспечения непрерывной работы батареи ТЭ необходимы устройства для хранения и подвода в элемент топлива и окислителя, вывода продуктов реакции из элемента.

Электрохимический генератор (ЭХГ) - это система, состоящая из батареи ТЭ, устройств для хранения и подвода топлива и окислителя, вывода из элемента продуктов реакции, поддержания и регулирования температуры и напряжения.

ЭХГ входит в состав энергетической установки. Упрощенная схема ЭХГ приведена на рисунке.

Упрощенная схема ЭХГ

В настоящее время наиболее разработаны кислородно-водородные ЭХГ и ЭХГ на основе систем: гидразин-воздух и гидразин-пероксид водорода. Удельная энергия ЭХГ на 1-2 порядка меньше, чем у выпускаемых промышленностью гальванических элементов и электрохимических аккумуляторов.

Практическое применение топливных элементов

По мнению специалистов, в ближайшие годы в области разработки ТЭ будет достигнут значительный прогресс, они найдут более широкое применение в различных отраслях промышленности и смогут конкурировать с традиционными электрическими генераторами. Применение ТЭ возможно в широком диапазоне мощностей: от мВт до МВт. Микромощности необходимы для имплантируемых медицинских аппаратов. Мощные энергоустановки на топливных элементах найдут применение в производстве электроэнергии для коммунальных нужд, в химической промышленности, для космических аппаратов и подводных лодок, для аккумулирования электрической энергии.

В середине 60-х годов в бортовых системах американских кораблей "Джемини" (орбитальные полеты вокруг Земли), "Аполлон" (высадка экспедиций на Луну), а позднее - в многоразовых системах "Спейс-Шаттл" успешно использовались среднетемпературные топливные элементы. При массе около 100 кг (без топлива и окислителя) эти источники давали напряжение около 30 B и мощность 2000 Вт и более.

В нашей стране первая энергоустановка на топливных элементах была разработана в 1970 году для планировавшегося в то время полета космонавтов на Луну. Позднее была создана система электропитания для многоразового орбитального пилотируемого корабля "Буран". В энергоустановку "Бурана" входит четыре ЭХГ "Фотон". Она имеет мощность 7-25 кВт, энергоемкость (запас энергии) - 2000 кВт.ч, сухую массу 2000 кг, массу компонентов топлива - 960 кг. В генераторе "Фотон" две батареи из 128 топливных элементов, в каждой батарее четыре параллельные группы по 32 элемента.

ЭХГ "Фотон" - чрезвычайно сложное устройство: кроме батарей в него входят системы подачи топлива и теплоносителя с многочисленными клапанами, регуляторами расходов и температур, объединенными в отдельный приборный блок. Блок автоматики управляет работой генератора. Топливо для энергоустановки - H₂ и окислитель - O₂ хранятся в жидком виде в специальных емкостях - криостатах, напоминающих по конструкции термос. Прежде, чем попасть на электроды топливных элементов, газы подогреваются до плюсовой температуры в теплообменнике - испарителе. Энергоустановка не только снабжает энергией системы корабля, но и отдает часть кислорода космонавтам, а при выработке каждого киловатт-часа электричества поставляет около 0,5 л чистейшей, годной для питья воды. В последние годы заметно повысился интерес к ТЭ для земной крупномасштабной энергетики. В США действует проект "Таржет" по созданию электростанций на ЭХГ небольшой мощности. КПД земного генератора (40%) меньше, чем у космического (60-70%), но не хуже, чем у мощных тепловых станций. К тому же в отличие от тепловых станций с шумными турбинами и вредными выбросами химический способ получения электричества бесшумен и экологически чист. Кроме того, ЭХГ можно поставить рядом с потребителем и не терять энергию в линиях электропередач.

С 1983 г. в США и Японии проходят испытания 46 электростанций на топливных элементах. Мощность каждой станции 40 кВТ. Не так давно завершились испытания двух станций мощностью 1000 кВт, и проектируются блоки мощностью 25 МВт. Создаются проекты энергоустановок, способных работать на продуктах газификации угля или на водороде, полученном с помощью установок, питаемых теплом солнечных или ядерных (термоядерных) источников. Наиболее благоприятные области применения станций на ЭХГ - это производство резины, стирола и этилена. Некоторые специалисты считают, что в 2000-2005 годах в США и Японии 13% всей потребляемой энергии будут вырабатывать станции на основе ЭХГ, а общая мощность всех таких электростанций в мире к 2010 году оценивается в миллион мегаватт. Предпринимаются попытки применять топливные элементы на транспорте. Исследовательскую и экспериментальную работу по замене двигателей внутреннего сгорания на ТЭ ведут такие компании, как «Дженерал электрик», «Дженерал моторс» (США), «Альстом» (Франция), «Эленко» (Бельгия-Голландия), Ядерный центр в Карлсруэ (ФРГ).

34. Изложите способы получения электрической энергии в термоядерных реакциях

Ныне как основной источник энергии человечество использует органическое топливо, а его запасы быстро исчерпываются. Так что существует актуальная проблема замены традиционного топлива другим, которое имеет хорошие показатели получения и преобразования. В недалеком будущем в этом плане наиболее перспективным будет использование ядерной энергии.

Реакторы-размножители на быстрых нейтронах разрешат полностью использовать энергию, которая запасенная природой в трудных ядрах урана и тория. Первым прототипом энергетической станции будущего с реактором на быстрых нейтронах стала построенная 1973 году станция в г.Шевченко с реактором мощностью 350 Мвт. Роль реакторов-размножителей в решении проблемы изготовления человечеством значительного количества энергии большая. Но еще большее значение будет иметь овладение энергией термоядерных реакций, где будет происходить синтез легких элементов. При этом будет получен практически непочатый источник энергии. В морях нашей планеты содержатся легкие элементы, которые поддаются синтезу. Они могут обеспечить человечество энергией на много миллионов лет.

Проблема состоит в осуществлении управляемой реакции синтеза. Ядерный синтез был известен за несколько лет до открытия способности ядер к делению. В 1931 году Гарольд Юра впервые выделил дейтерий из воды и с помощью небольших ускорителей показал, что реакция двух ядер дейтерия сопровождается выделением энергии. Реакция синтеза происходит при предоставлении ядрам большой скорости, при которой кинетическая энергия достаточная для преодоления энергии электростатического отталкивания положительно заряженных ядер.

При естественных условиях на Солнце и других звездах происходят термоядерные реакции при высоких температурах. На Земле высокая температура, которая нужна для осуществления реакции синтеза легких элементов, может быть получена, например, при взрыве атомной бомбы. Практически мгновенная реакция синтеза происходит в водородных бомбах. Задача состоит в получении непрерывной реакции синтеза, которая возможна при следующих условиях:

· топливо может быть чистым и состоять из легких ядер (как потенциальное топливо рассматриваются дейтерий и тритий - изотопы водорода с относительной атомной массой 2 и 3 соответственно);

· плотность топлива должна быть не меньшей 1015 ядер в 1 см³;

· температура должна быть не меньшее 100 млн.°С и не более 1млрд.°С;

· максимальная температура топлива при необходимой ее плотности должна поддерживаться на протяжении десятых частей секунды.

Одним из основных препятствий для получения управляемого термоядерного синтеза является удержание плазмы, которой присуща чрезвычайная нестабильность. В естественных условиях на Солнце плазма находится в сильном гравитационном поле. На Земле ее можно удержать в специальном сильном магнитном поле. Получение энергии за счет синтеза ядер имеет ряд существенных преимуществ:

· используется дешевое топливо с практически неисчерпаемыми запасами;

· исключаются аварии ядерных устройств, подобные авариям при возникновении неуправляемой реакции деления ядер;

· получаются нетоксичные и нерадиоактивные конечные продукты термоядерного синтеза;

· энергия заряженных частиц, из которых состоит высокотемпературная плазма, непосредственно превращается в электрическую энергию в Мгд-генераторах. При этом можно получить высокие значения КПД (до 90%), что разрешит резко сократить тепловое загрязнение окружающей среды.

Конструирование и эксплуатация термоядерных электростанций нуждается в соблюдении мероприятий безопасности, так как тритий является радиоактивным, а вероятно, что именно этот элемент будет использован как топливо. Тритий не имеет сильно проникающей радиации, поэтому следует опасаться прежде всего попадание его внутрь организма. Необходимо также предусмотреть защиту от потока нейтронов, которым сопровождается реакция синтеза. Нейтроны могут взаимодействовать с материалами окружающей среды и образовывать "приведенную" радиоактивность.

В результате реакции дейтерия с тритием образовывается ядро гелия и нейтрон, который несет основную энергию реакции - около 14 Мев. Следует отметить, что тритий образовывается непосредственно в реакторе. Это происходит потому, что ядра лития, который входит в состав внутренней стенки реактора, захватывают нейтроны, которые выделяются в процессе реакции. Используя естественную смесь изотопов литий-6 и литий-7, в реакторе можно получить коэффициент воспроизведения трития, равный 1,2-1,5, то есть реактор вырабатывает топливо. Другими словами, в реакторе фактически сжигается литий, 1 г которого при этих условиях эквивалентный приблизительно массе условного топлива. При таком соотношении эквивалентные запасы лития приблизительно на три порядка выше запасов всех традиционных видов топлива, при этом добыть литий относительно нетрудно.

На X Европейской конференции по физике плазмы и управляемого термоядерного синтеза было признано перспективным получение управляемого термоядерного синтеза в "токамаках", предложенных советскими учеными. Слово "токамак" введено группой советских ученых под руководством академика Л.А. Арцимовича, которые, начали в 50-тые года исследования управляемых термоядерных реакций, выбрали для этой цели вакуумную камеру в форме бублика, внутри которой с помощью мощного газового разряда образовывали высокотемпературную плазму. Для стабилизации плазмы использовалось сильное продольное магнитное поле. От названий основных компонентов устройства - тороидальная камера с магнитными катушками - и было образовано слово "токамак".

Идея магнитной термоизоляции плазмы очень простая. Известно, что заряженная частичка (а плазма состоит из заряженных частичек - электронов и ионов) не может двигаться поперек магнитной силовой линии. Если создать систему запертых магнитных силовых линий, то возможно удерживать плазму в каком-то ограниченном объеме. Конкретных вариантов реализации этой идеи существует немало, но наиболее развитым на сегодня является вариант токамака. Извне токамак подобный большому трансформатору с железным запертым сердечником и первичной обкладкой, по которой пропускают сменный электрический ток - в более простом случае ток разрядки конденсаторной батареи. Вторичной обкладкой служит единый запертый виток тороидальной вакуумной камеры - плазмовый шнур. На вакуумную камеру одеты катушки, которые образовывают сильное (несколько тесел (Тл)) тороидальное магнитное поле. При разрядке батареи в камере появляется вихревое электрическое поле, образование которого приводит к пробитию газа, его ионизации и нагреванию до высоких температур. Это напоминает действие лампы дневного света, но в более больших масштабах. Например, в устройстве "Токамак-10", которое создано в Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова, ток в плазме достигает 600 тыс. ампер, а сама плазма имеет объем около 4 м³. Под действием тока плазма нагревается до очень высокой температуры - в больших устройствах до нескольких десятков миллионов градусов.

Любой виток с током, а плазмовый в особенности, старается увеличить свой диаметр: противоположно направленные токи отталкиваются. Для компенсации этого отталкивания в токамак есть специальные регулирующие витки, которые создают магнитное поле, перпендикулярное плоскости тороидальной камеры. Взаимодействие этого поля с током в шнуре дает радиальную силу, которая удерживает плазмовый виток от расширения. Ток в витках регулируется специальной автоматической системой, которая следит за положением и движением плазмового шнура.

С возрастанием температуры плазмы ее электрическое сопротивление не возрастает, как у других веществ, а падает, и при определеном токе уменьшается нагревание шнура. Увеличить же ток в токамаке выше определенной границы невозможно. Если магнитное поле тока станет слишком большим сравнительно с тороидальным полем катушек, шнур начнет свиваться и выбросится на стенку. Поэтому для нагревания плазмы до температур выше 10 млн. градусов в токамаке используют дополнительные методы нагревания с помощью инжекции в плазму пучков быстрых атомов (заряженные частички не смогли бы влететь в камеру поперек магнитного поля) или введения в камеру высокочастотных электромагнитных волн. Таким образом плазму в токамаке уже удалось нагреть до 70 млн. градусов. Достигнутая термоизоляция плазмы в токамаке всего в несколько раз худшая, чем та, которая необходима для термоядерного реактора, и ее возможно улучшить за счет увеличения размеров устройства. Поэтому уже сегодня ученые разных стран взялись за проектирование экспериментального интернационального термоядерного реактора - ИНТОР (рисунок ).

В таком реакторе тороидальное поле будет образовываться сверхпроводящими катушками, которые охлаждаются жидким гелием, а это разрешит предотвратить расходование энергии на поддержание магнитного поля. Между катушками и плазмой размещается защита от нейтронов, которые порождаются в термоядерных реакциях, в виде бланкета (в переводе с английского это слово значит "одеяло") - это пласт вещества, которое содержит литий. Здесь быстрые термоядерные нейтроны затормаживаются, нагревая бланкет, и вступают в ядерные реакции с литием, в результате чего воссоздается тритий, который сгорел при термоядерном синтезе и отсутствующий в природе. Через бланкет прокачивается теплоноситель, например вода, и образовывается пар, который дальше поступает на турбины для производства электрической энергии.

В ИНТОРе происходит самоподдерживаемая термоядерная реакция в импульсном режиме. Дейтериево-тритиевая плазма на протяжении 4-5с нагревается до необходимой температуры (около 100 млн. градусов), далее источники нагревания отключаются и на протяжении 200с происходит реакция. Потом реакция перерывается, чтобы изъять шлаки - продукты взаимодействия плазмы со стенкой реактора, впрыскивается новая порция топлива и через 20-30 с цикл повторяется. Проектная тепловая мощность ИНТОРа довольно большая - около 600 Мвт. Это можно сравнить с мощностью первых промышленных атомных электрических станций.

Сегодня во многих лабораториях мира ведутся исследования по лазерному термоядерному синтезу. В таких устройствах твердые или жидкие частички из смеси дейтерия с тритием располагаются в фокусе лазерных лучей (которые сходятся), сжимаются и нагреваются до высоких температур.

Известно, что плотность ядер в твердом веществе в миллион раз выше, чем плотность плазмы в токамаке, а скорость реакции в более густом веществе выше. Поэтому если быстро нагреть такую частичку вещества и сжать его давлением лазерных лучей, вещество успеет полностью прореагировать - быстрее, чем плазма распадется и остынет.

Отрабатывается также другой способ быстрого нагревания и сжатия термоядерных целей. Несколько мощных линейных ускорителей одновременно "стреляют" со всех сторон по цели пучками релятивистских электронов (которые двигаются со скоростью, близкой к скорости света). Как и с помощью лазеров, здесь удается быстро нагреть цель до нескольких десятков миллионов градусов и достичь ее тисячекратного сжатия.

35. Изложите способ получения электрической энергии с помощью радиоизотопных термогенераторов

Естественный радиоактивный распад ядер сопровождается выделением кинетической энергии частичек и квантов. Эта энергия поглощается средой, которая окружает радиоактивный изотоп, и превращается в теплоту, которую можно использовать для получения электрической энергии термоэлектрическим способом. Устройства, которые превращают энергию естественного радиоактивного распада в электрическую энергию с помощью термоэлементов, называются радиоизотопными термогенераторами.

Области применения

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. Ныне создаются проекты генераторов мощностью до 10 квт.

В радиоизотопных генераторах заинтересованны разные области науки и техники, их собираются использовать в виде источника энергии искусственного сердца человека, а также для стимулирования работы разных органов в живых организмах. Радиоизотопные термогенераторы надежны в работе, имеют большой срок службы, компактные и успешно используются как автономные источники энергии для разных устройств космического и наземного назначения. В особенности удобными оказались радиоизотопные термогенераторы при освоении космического пространства, где необходимы источники энергии, которые способны долго и надежно работать при неблагоприятных условиях влияния ионизирующих излучений, в радиационных поясах, на поверхности других планет и их спутников.

Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (ритэги)

В России находится около 1000 радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов), большая часть которых используется как элемент питания световых маяков.

Ритэги являются источниками автономного электропитания с постоянным напряжением от 7 до 30В для различной автономной аппаратуры мощностью от нескольких ватт до 80 Вт. Совместно с ритэгами используются различные электротехнические устройства, обеспечивающие накопление и преобразование электрической энергии, вырабатываемой генератором. Наиболее широко ритэги используются в качестве источников электропитания навигационных маяков и световых знаков.

В ритэгах используются источники тепла на основе радионуклида стронций-90 (РИТ-90). РИТ-90 представляет собой закрытый источник излучения, в котором топливная композиция в форме керамического титаната стронция-90 дважды герметизирована аргоно-дуговой сваркой в капсуле. Капсула защищена от внешних воздействий толстой оболочкой ритэга, сделанной из нержавеющей стали, алюминия и свинца. Биологическая защита изготовлена таким образом, чтобы на поверхности устройств доза радиации не превышала 200 мР/ч, а на расстоянии метра -- 10 мР/ч3.

Период радиоактивного полураспада стронция-90 (90Sr) -- 29 лет. На момент изготовления РИТ-90 содержат от 30 до 180 кKи 90Sr. Мощность дозы гамма-излучения РИТ-90 самого по себе, без металлической защиты достигает 400-800 Р/ч на расстоянии 0,5 м и 100-200 Р/ч -- 1 м от РИТ-90.

36. Изложите принцип работы магнитогидродинамического генератора с паросиловой установкой

К одному из центральных физико-технических задач энергетики принадлежит создание магнитогидродинамических генераторов (Мгд-генераторов), которые непосредственно превращают тепловую энергию в электрическую. Возможность практической реализации такого рода превращения энергии в широких промышленных масштабах появилась благодаря успехам в атомной физике, физике плазмы, металлургии и ряде других областей. Непосредственное преобразование тепловой энергии на электрическую разрешает существенно повысить эффективность использования топливных ресурсов. Первый магнитогидродинамический генератор тока был испытан еще 1832 году английским физиком М. Фарадеем, который старался обнаружить возникновение электродвижущей силы (ЭДС) между двумя электродами, которые были погружены в воду речки Темзы близ моста Ватерлоо в Лондоне. В соответствии с открытым Фарадеем законом электромагнитной индукции перемещение проводника (в данном случае солоноватой воды из речки) в магнитном поле Земли должно было сопровождаться возникновением ЭДС и электрического тока в проводниках, которые соединяли электроды. А согласно закону электромагнитной индукции сила тока в проводниках пропорциональная индукции магнитного поля Земли и скорости течения воды в речке. Измерительная техника, которой владел Фарадей, не разрешила нему обнаружить эффект, которого он ожидал, но в данном эксперименте было применено все принципиальные элементы современного Мгд-генератора тока: проводниковое вещество, которое двигается по каналу, поперечное магнитное поле и токоснимающие электроды. Эффект электромагнитной индукции используется и в обычных источниках тока - электромашинных генераторах, где поперек магнитного поля двигаются жесткие проводники, размещенные на роторе, который вращается. В отличие от них, в Мгд-генераторе жесткие проводники заменены проводниковой жидкостью или газом. Какие преимущества при этом возникают? Ротор электромашинного генератора вращает паровая турбина или другой тепловой двигатель, в котором тепловая энергия превращается в механическую. Мгд-генератор разрешает непосредственно превращать тепловую энергию в электрическую без промежуточных сложных устройств типа паровой турбины или двигателя внутреннего сгорания. Принципиальная схема действия Мгд-генератора приведена на рис. В этой схеме между металлическими пластинами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, который имеет кинетическую энергию движения частичек. При этом соответственно с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, которое создает протекание тока между электродами внутри канала генератора и во внешнем кругу. Поток ионизированного газа - плазма - тормозится под действием электродинамических сил, которые возникают при взаимодействии тока, который течет в плазме, и магнитного потока.

Можно провести аналогию между силами, которые возникают, и силами торможения, которые действуют со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии происходит путем усовершенствования работы по преодолению сил торможения. До недавнего времени было известно три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Газ считался электрически нейтральным, так как атомы и составленные из них молекулы есть нейтральными. Заряд электронов в атомах полностью уравновешивается зарядом ядра. При нагревании газа в результате интенсивных соударений атомов происходит выбивание внешних электронов. Если отделить все электроны от ядер, то вещество будет находиться в четвертом состоянии, которое называется плазмой. Хотя плазма имеет высокую электропроводность, ее значительно увеличивают добавлением некоторых щелочных металлов, которые легко ионизируются (калий, натрий и т.п.). Если какой-нибудь газ нагреть до высокой температуры (приблизительно 3000°С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив его на электропроводящую плазму, то при следующем расширении плазмы в рабочих каналах Мгд-генератора состоится прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Принципиальная конструктивная схема Мгд-генератора: 1-обкладка электромагнита; 2 - камера сгорания; 3 - присадка; 4 - воздух; 5 - топливо; 6 - сопло; 7 - электроды; 8 - продукты сгорания

Принципиальная конструктивная схема Мгд-генератора приведена на рисунке. В камеру сгорания для получения высоких температур подается топливо, воздух и присадка для увеличения ионизации плазмы. После прохождения сопла (суженной части конструкции) происходит расширение плазмы, увеличение скорости ее движения и образование ЭДС между электродами. Продукты сгорания представляют собой поток тепловой энергии, и их можно использовать для паросилового устройства.

Принципиальная схема Мгд-генератора с паросиловым устройством

Принципиальная схема Мгд-генератора с паросиловым устройством приведена на рис. В камере сгорания сжигается органическое топливо, а продукты, которые получаются при этом, в плазменном состоянии вместе с добавленными присадками направляются в канал Мгд-генератора, который расширяется. Сильное магнитное поле образовывается мощными электромагнитами. Температура газа в канале генератора может быть не ниже 2000°С, а в камере сгорания - 2500-2800°С. Необходимость ограничения минимальной температуры газов, которые выходят из Мгд-генератора, обусловленная настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000°С, что в них практически исчезает магнитогидродинамическое взаимодействие с магнитным полем. Теплота отработанных в Мгд-генераторах газов сначала используется для подогрева воздуха, который подается в камеру сгорания топлива, то есть - для повышения эффективности процесса его сожжения. Потом в паросиловом устройстве теплота расходуется на образование пара и доведение его параметров к необходимой величине.

Газы, которые выходят из канала Мгд-генератора, имеют температуру приблизительно 2000°С, а современные теплообменники, к сожалению, могут работать при температурах, которые не превышают 800°С. Из-за этого при охлаждении газов часть тепла теряется. Вы можете видеть, как схематично показаны основные элементы МГД-электростанции с паросиловым устройством и их взаимосвяи. Трудность в создании Мгд-генераторов состоит в создании материалов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам ставят высокие требования, так как они должны продолжительное время работать в агрессивных средах при высоких температурах (2500-2800°С). Для потребностей ракетной техники созданы материалы, которые способны работать при таких условиях, однако на протяжении нескольких минут. Продолжительность работы промышленных энергетических устройств может измеряться месяцами и больше. Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Например, вольфрамовая нить в лампе накаливания при температуре 2500-2700°С может работать в вакууме или среде нейтрального газа несколько тысяч часов, а в воздухе расплавляется через несколько секунд. Снижение температуры плазмы добавлением к ней присадок служит причиной повышенной коррозии конструкционных материалов. Сейчас созданы материалы, которые могут работать продолжительное время при температуре 2200-2500°С (графит, оксид магния и т.п.), тем не менее они не способные противостоять механическим напряжениям. Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для Мгд-генераторов пока еще не решена. Производятся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшим добавлением цезия при температуре 2000°С имеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500°С. Разработан проект Мгд-генератора, который работает по замкнутому циклу, в котором гелий беспрерывно циркулирует в системе. Для работы Мгд-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить пропуская огромные токи по обмоткам. Чтобы исключить сильное нагревание обмоток и потери энергии в них, сопротивление проводников может быть наименьшим. Для этого в роли таких проводников целесообразно использовать сверхпроводящие материалы.

Мгд-генератор с ядерным реактором: 1 - ядерный реактор; 2 - сопло; 3 - Мгд-генератор; 4 - место конденсации щелочных металлов;5 - насос; 6 - место введения щелочных металлов

Перспективные Мгд-генераторы с ядерными реакторами, которые используются для нагревания газов и их термической ионизации. Схема такого устройства приведена на рис. Трудность создания Мгд-генератора с ядерным реактором состоит в том, что современные тепловыделяемые элементы, которые вмещают уран и покрыты оксидом магния, выдерживают температуру около 600°С, а для ионизации газов необходима температура около 2000°С.

Очень интересен Мгд-генератор с пульсирующей плазмой (рис.) в котором можно получить электрическую энергию переменного тока. Генератор состоит из замкнутой камеры, в которой помещается радиоактивный газ в таком количестве, при равномерном размещении которого не происходит цепная реакция. При сжимании газа в одном из концов камеры достигается сверхкритический объем и происходит цепная реакция, в результате чего получается ударная волна. Вслед за волной перемещается плазма. В противоположном конце камеры снова происходит цепная реакция, и плазма двигается в противоположном направлении, которое предопределяет изменения в ЭДС.

МГД- генератор с пульсирующей плазмой: 1-плазма; 2- камера сгорания; 3- алюминиевые баки; 4- замедлитель-теплоноситель; 5- бетонная защита; 6,8- подача и отвод теплоносителя-замедлителя; 7- критическая область; 9- регулирующие стержни.

Первые экспериментальные конструкции Мгд-генераторов имеют пока что высокую стоимость. В будущем можно ожидать существенного снижения их стоимости, которая разрешит успешно использовать Мгд-генераторы для покрытия пиков нагрузки в энергосистемах, то есть в режимах относительно недолговременной работы. В этих режимах КПД не имеет решающего значения, и Мгд-генераторы можно использовать и без паросилового устройства.

В данный момент в мире сооружены мощные опытно-промышленные образцы Мгд-преобразователей энергии, на которых ведутся исследования относительно усовершенствования их конструкций и создания эффективных Мгд-электростанций, которые смогут конкурировать с обычными электростанциями.

37. Изложите принцип действия термомагнитного генератора

Как происходит работа электростанции на энергии морских волн, течении вертикальных термоградиентов?

Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление - ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Поскольку Солнце находится от Земли в 400 раз дальше, гораздо меньшая масса Луны действует на земные воды вдвое сильнее, чем масса Солнца. Поэтому решающую роль играет прилив, вызванный Луной (лунный прилив). В морских просторах приливы чередуются с отливами теоретически через 6 ч 12 мин 30 с. Если Луна, Солнце и Земля находятся на одной прямой, Солнце своим притяжением усиливает воздействие Луны, и тогда наступает сильный прилив. Когда же Солнце стоит под прямым углом к отрезку Земля-Луна (квадратура), наступает слабый прилив (квадратурный, или малая вода). Сильный и слабый приливы чередуются через семь дней.

Однако истинный ход прилива и отлива весьма сложен. На него влияют особенности движения небесных тел, характер береговой линии, глубина воды, морские течения и ветер.

Самые высокие и сильные приливные волны возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Приливная волна Индийского океана катится против течения Ганга на расстояние 250 км от его устья. Приливная волна Атлантического океана распространяется на 900 км вверх по Амазонке. В закрытых морях, например Черном или Средиземном, возникают малые приливные волны высотой 50-70 см.

Максимально возможная мощность в одном цикле прилив - отлив, т. е. от одного прилива до другого, выражается уравнением

где р - плотность воды, g - ускорение силы тяжести, S - площадь приливного бассейна, R - разность уровней при приливе.

Как видно из формулы, для использования приливной энергии наиболее подходящими можно считать такие места на морском побережье, где приливы имеют большую амплитуду, а контур и рельеф берега позволяют устроить большие замкнутые «бассейны». Мощность электростанций в некоторых местах могла бы составить 2-20 МВт.

Первая морская приливная электростанция мощностью 635 кВт была построена в 1913 г. в бухте Ди около Ливерпуля. В 1935 г. приливную электростанцию начали строить в США. Американцы перегородили часть залива Пассамакводи на восточном побережье, истратили 7 млн. долл., но работы пришлось прекратить из-за неудобного для строительства, слишком глубокого и мягкого морского дна, а также из-за того, что построенная неподалеку крупная тепловая электростанция дала более дешевую энергию.

Аргентинские специалисты предлагали использовать очень высокую приливную волну в Магеллановом проливе, но правительство не утвердило дорогостоящий проект.

Энергия морских течений

Неисчерпаемые запасы кинетической энергии морских течений, накопленные в океанах и морях, можно превращать в механическую и электрическую энергию с помощью турбин, погруженных в воду (подобно ветряным мельницам, «погруженным» в атмосферу).

Важнейшее и самое известное морское течение - Гольфстрим. Его основная часть проходит через Флоридский пролив между полуостровом Флорида и Багамскими островами. Ширина течения составляет 60 км, глубина до 800 м, а поперечное сечение 28 км². Энергию Р, которую несет такой поток воды со скоростью 0,9 м/с, можно выразить формулой (в ваттах)

где т-масса воды (кг), р-плотность воды (кг/м³), А-сечение (м²), v- скорость (м/с). Подставив цифры, получим

Если бы мы смогли полностью использовать эту энергию, она была бы эквивалентна суммарной энергии от 50 крупных электростанций по 1000 МВт, Но эта цифра чисто теоретическая, а практически можно рассчитывать на использование лишь около 10% энергии течения.

В настоящее время в ряде стран, и в первую очередь в Англии, ведутся интенсивные работы по использованию энергии морских волн. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, к во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому Центральному электроэнергетическому управлению.

Один из проектов использования морских волн основан на принципе колеблющегося водяного столба. В гигантских «коробах» без дна и с отверстиями вверху под влиянием волн уровень воды то поднимается, то опускается. Столб воды в коробе действует наподобие поршня: засасывает воздух и нагнетает его в лопатки турбин. Главную трудность здесь составляет согласование инерции рабочих колес турбин с количеством воздуха в коробах, так чтобы за счет инерции сохранялась постоянной скорость вращения турбинных валов в широком диапазоне условий на поверхности моря.

38. Опишите принцип действия трансформатора

Назначение трансформатора. Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы позволяют значительно повысить напряжение, вырабатываемое источниками переменного тока, установленными на электрических станциях, и осуществить передачу электроэнергии на дальние расстояния при высоких напряжениях (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). Благодаря этому сильно уменьшаются потери энергии в проводах и обеспечивается возможность значительного уменьшения площади сечения проводов линий электропередачи.

В местах потребления электроэнергии высокое напряжение, подаваемое от высоковольтных линий электропередачи, снова понижается трансформаторами до сравнительно небольших значений (127, 220, 380 и 660 В), при которых работают электрические потребители, установленные на фабриках, заводах, в депо и жилых домах. На э. п. с. переменного тока трансформаторы применяют для уменьшения напряжения, подаваемого из контактной сети к тяговым двигателям и вспомогательным цепям.

Кроме трансформаторов, применяемых в системах передачи и распределения электроэнергии, промышленностью выпускаются трансформаторы: тяговые (для э. п. с), для выпрямительных установок, лабораторные с регулированием напряжения, для питания радиоаппаратуры и др. Все эти трансформаторы называют силовыми.

Трансформаторы используют также для включения электроизмерительных приборов в цепи высокого напряжения (их называют измерительными), для электросварки и других целей. Трансформаторы бывают однофазные и трехфазные, двух- и многообмоточные.

Схема включения однофазного трансформатора

Принцип действия трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис.) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i₁, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е₁ и е₂. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е₂ по ее цепи проходит ток i₂.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е₁ и E₂, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков ?₁ и ?₂ этих обмоток, т. е.

E₁/E₂ = ?₁/ ?₂.

Отношение э. д. с. Е_вн обмотки высшего напряжения к э. д. с. E_нн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

n = Е_вн / E_нн = ?_вн / ?_нн.

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2--5 % номинальных значений напряжений U₁ и U₂), то можно считать, что отношение напряжения U₁ первичной обмотки к напряжению U₂ вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

U₁/U₂? ?₁/ ?₂

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке. Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i₂, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i₁, поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I₁/I₂ ? U₂/U₁ или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I₁/I₂ ? ?₂/?₁. Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U₂ больше напряжения U₁), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

39. Опишите принцип действия асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного двигателя. Трехфазные асинхронные двигатели являются самыми распространенными электрическими двигателями и применяются для привода различных станков, насосов, вентиляторов, компрессоров, грузоподъемных механизмов, а также на э. п. с. переменного тока в качестве двигателей вспомогательных машин..

Асинхронный двигатель состоит из неподвижной части статора 1 (рис.), на котором расположены обмотка 2 статора, и вращающейся части -- ротора 3 с обмоткой 4. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, который для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка 2 статора представляет собой трехфазную или в общем случае многофазную обмотку, катушки которой размещают равномерно вдоль окружности статора. Фазы этой обмотки А-Х, B-Y и C-Z размещены равномерно по окружности статора; они соединяются «звездой» (рис.) или «треугольником» и подключаются к сети трехфазного тока. Обмотку 4 размещают равномерно вдоль окружности ротора. При работе двигателя она замкнута накоротко.

Электромагнитная схема асинхронного двигателя (а), схема включения его обмоток (б) и пространственное распределение вращающего магнитного поля (в) в двухполюсной машине

При подключении обмотки статора к сети создается синусоидально распределенное вращающееся магнитное поле 5 (рис.). Оно индуцирует в обмотках статора и ротора э. д. с. e₁ и е₂. Под действием э. д.с. е₂ по проводникам ротора будет проходить электрический ток i₂. На рисунке показано согласно правилу правой руки направление э. д. с. е₂, индуцированной в проводниках ротора при вращении магнитного потока Ф, по часовой стрелке (при этом проводники ротора перемещаются относительно потока Ф против часовой стрелки). Если ротор неподвижен или частота его вращения п меньше синхронной частоты n₁, активная составляющая тока ротора совпадает по фазе с индуцированной э. д. с. е₂, при этом условные обозначения (крестики и точки) показывают одновременно и направление активной составляющей тока i₂.

На проводники с током, расположенные в магнитном поле, действуют электромагнитные силы, направление которых определяется правилом левой руки. Суммарная сила F_рез, приложенная ко всем проводникам ротора, образует электромагнитный момент М, увлекающий ротор за вращающимся магнитным полем. Если этот момент достаточно велик, то ротор приходит во вращение и его установившаяся частота вращения соответствует равенству электромагнитного момента М тормозному, приложенному к валу от приводимого во вращение механизма и внутренних сил трения.

Э.д.с, индуцированная в проводниках обмотки ротора, зависит от частоты их пересечения вращающимся полем, т. е. от разности частот вращения магнитного поля n₁ и ротора n. Чем больше разность n₁-- n, тем больше э. д. с. е₂. Следовательно, необходимым условием для возникновения в асинхронной машине электромагнитного вращающего момента является неравенство частот вращения n₁ и n. Только при этом условии в обмотке ротора индуцируется э. д. с. и возникает ток i и электромагнитный момент М. По этой причине машина называется асинхронной (ротор ее вращается несинхронно с полем). Иногда ее называют индукционной ввиду того, что ток в роторе возникает индуктивным путем, а не подается от какого-либо внешнего источника.