Под этими методами понимается такое производство электрической энергии из тепловой, при котором число промежуточных ступеней преобразования энергии сокращается, процесс получения электроэнергии из тепловой упрощается. Чаще всего исключается промежуточное превращение тепловой энергии в механическую. В более широком, смысле слова под методом прямого преобразования энергии понимается получение электрической энергии не только из тепловой, но, и из химической (в топливных элементах) и из энергии электромагнитного излучения (в фотоэлектропреобразователях).
Мы познакомимся с магнитогидродинамическим методом, являющимся наиболее разработанным для получения больших количеств электроэнергии. Существо МГД-метода преобразования тепловой энергии в электрическую состоит в следующем. В результате сжигания органического топлива (допустим, природного газа) образуются продукты сгорания. Необходимо, чтобы их температура была не ниже 2500° С. При этой температуре газ становится электропроводным, переходит в плазменное состояние. Это означает, что происходит ионизация газа: от молекул газа отрываются электроны. Плазма при такой относительно низкой температуре (не меньше 2500° С) ионизирована лишь частично: она состоит не только из продуктов ионизации — электрически заряженных свободных электронов и ионов (имеющих положительный заряд частиц, образующихся в результате потери молекулой электронов), но и «сохранившихся в целости», еще не подвергшихся ионизации молекул.
Чем выше температура, тем больше ионизация газа и, следовательно, его электропроводность. При температуре порядка 10 тыс. градусов любой газ ионизируется полностью — он состоит только из свободных электронов и ядер атомов.
Рассматривая термоядерные процессы, мы говорили о высокотемпературной плазме (ее температура измеряется многими миллионами градусов). Плазма же, используемая в МГД-генераторах и имеющая температуру, измеряемую тысячами градусов, именуется низкотемпературной.
Для того чтобы низкотемпературная плазма продуктов сгорания имела достаточную электропроводность при температуре около 2500° С, к ней необходимо добавить какое-нибудь легкоионизирующееся вещество (натрий, калий или цезий). Пары этих веществ ионизируются при более низкой температуре.
Плазма с небольшой добавкой легкоионизирующегося вещества при температуре, скажем, 2600° С (см. рис.) поступает в канал МГД-генератора и за счет уменьшения ее тепловой энергии разгоняется там до скорости, близкой к звуковой или даже более высокой. Протекая по каналу, электропроводная плазма пересекает силовые линии специально созданного магнитного поля, имеющего большую индукцию. Если направление движения потока перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, а электропроводность плазмы, скорость потока и индукция магнитного поля достаточно велики, то, в соответствии с законами электродинамики, в направлении, перпендикулярном и движению потока, и силовым линиям магнитного поля, от одной стенки канала к другой возникнет электрический ток, протекающий через плазму. Для этого, конечно, необходимо электроды, размещенные на противоположных стенках канала, замкнуть на внешнюю цепь.
Мы видим, что принцип работы МГД-генератора не отличается от принципа работы обычного электромеханического генератора. В обоих случаях электрический проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в результате чего в проводнике генерируется электродвижущая сила. В электромеханическом генераторе проводником служит электропроводящий металл ротора, а в МГД-генераторе — поток электропроводящей плазмы.
Взаимодействие электрического тока, протекающего через плазму, с магнитным потоком создает силу, тормозящую движение плазмы по каналу. Таким путем кинетическая энергия потока плазмы превращается в электрическую энергию.
В чем же привлекательная сторона МГД-генератора?
Как нам известно, для увеличения КПД теплового двигателя необходимо повышать начальную температуру рабочего тела. Но в тепловых двигателях ТЭС — паровых турбинах начальную температуру водяного пара не поднимают выше 540° С. Это объясняется тем, что наиболее ответственные элементы турбины (особенно рабочие лопатки) испытывают одновременное воздействие высокой температуры и большой механической нагрузки. В канале МГД-генератора вообще нет движущихся частей, и поэтому материал, из которого сделаны наиболее ответственные элементы конструкции, не испытывает сколько-нибудь значительных механических усилий. В этом состоит одно из самых важных преимуществ МГД-генератора.
Вы можете возразить, что не существует материала, способного выдержать температуру 2600° С. Не делает ли это идею МГД-генератора неосуществимой?
Действительно, такого материала не существует, высокотемпературные элементы конструкции приходится охлаждать (обычно водой). Но одно дело охлаждать неподвижные элементы конструкции, как в МГД-генераторе, и совсем другое дело — вращающиеся (да еще с очень большой скоростью), как в турбине.
Схема МГД-электростанции открытого цикла.
На выходе из канала МГД-генератора продукты сгорания все еще имеют высокую температуру, обычно около 2000° С. При такой температуре плазма делается недостаточно электропроводной, и поэтому продолжение процесса в МГД-генераторе невыгодно. В то же время продукты сгорания на выходе из канала МГД-генератора обладают еще высокой температурой (более высокой, чем в топке котла), и их тепловую энергию, конечно, надо использовать. Проще всего решить эту задачу, сделав установку двухступенчатой (см. рис.)
В камеру сгорания подается топливо, легкоионизирующаяся присадка и нагретый окислитель (обычно обогащенный кислородом воздух). Продукты сгорания, имеющие температуру около 2600° С, поступают через сопло в канал МГД-генератора , а из канала (при температуре около 2000° С) — в парогенератор. Здесь за счет тепла, отдаваемого уходящими газами, происходит нагревание воды, образование и перегрев водяного пара. В парогенераторе или в отдельном воздухоподогревателе производится подогрев направляемого в камеру сгорания окислителя. Из парогенератора отводится (и затем используется вновь) легкоионизирующаяся присадка. Показанная на рисунке паросиловая часть схемы в принципе не отличается от изображенных схем ТЭС и АЭС.
Главным преимуществом МГД-электростанции является возможность получения высокого КПД, который, по-видимому, достигнет 50—60% против 40% для лучших ТЭС.
Большинство существующих и строящихся в настоящее время опытных и опытно-промышленных МГД-установок рассчитано для работы на газовом топливе. Однако в дальнейшем наиболее перспективно, как и для других типов ТЭС, применение угля. Другое важное преимущество МГД-электростанций — их высокая маневренность, создаваемая возможностью полного выключения МГД-ступени.
Представленная на рисунке схема МГД-электростанции называется открытой потому, что рабочим телом МГД-генератора в этом случае являются продукты сгорания, которые после прохождения канала и парогенератора выбрасываются в атмосферу.
В работе по созданию мощных МГД-генераторов приходится сталкиваться со сложными научно-техническими вопросами. К их числу относится проблема материалов для МГД-каналов, в первую очередь для их горячих стенок и электродов. Конечно, можно было бы с помощью интенсивного охлаждения снизить температуру стенок и электродов до вполне приемлемой с точки зрения их длительной эксплуатации, но это привело бы к большой потере тепла с охлаждающей водой и к снижению КПД МГД-генератора, а также к снижению температуры пристенных и приэлектродных слоев плазмы, уменьшению их электропроводности и ухудшению работы генератора.
Задача заключается в том, чтобы создать такие материалы для горячих стенок и электродов, которые могли бы работать длительно и надежно при возможно более высокой температуре. Большие надежды возлагаются на двуокись циркония в качестве материала для электродов и на окислы металлов, в частности окись магния, для горячих стенок.
Не легким делом является создание магнитной системы, особенно при условии, что индукцию желательно иметь 5—6 тесла (50—60 тыс. гаусс), а длина канала составляет около 20 м. Наиболее перспективной считается сверхпроводящая магнитная система, охлаждаемая жидким гелием.
Есть и другие сложные, требующие решения вопросы. В частности, необходимо создать эффективный электрический инвертор для преобразования постоянного тока в переменный (в МГД-генераторе получается постоянный ток), устройство для вывода легкоионизирующей присадки, специальный парогенератор.
Несмотря на все трудности, в Советском Союзе работы в области МГД-преобразования энергии продвинуты настолько, что в настоящее время сооружается промышленная МГД-установка мощностью около 500 МВт. Можно предполагать, что в перспективе мощные МГД-установки будут использоваться на АЭС. В этом случае место камеры сгорания займет атомный реактор, а рабочим телом МГД- генератора будут, уже конечно, не продукты сгорания, а более легко ионизирующийся газ, например гелий. Так как гелий, естественно, будет циркулировать по замкнутому контуру (такая схема МГД- электростанции называется закрытой), то в качестве легко ионизирующейся присадки может быть использован более дорогой, но зато существенно увеличивающий электропроводность плазмы металл цезий. Значит, необходимая максимальная температура гелий-цезиевой плазмы может быть ниже: порядка 1500° С (а не 2600° С, как для рассмотренной открытой схемы). Следовательно, в атомном реакторе гелий должен быть нагрет не менее чем до 1500° С. Пока таких высокотемпературных атомных реакторов не существует. Но можно надеяться, что их создание — вопрос времени.
Термоэлемент.
Из других способов прямого преобразования энергии большой интерес представляет применение фотоэлектропреобразователей (о них уже говорилось в разделе «Солнечная энергия»), термоэлектрогенераторов, термоэмиссионных преобразователей и топливных элементов. Однако перспектива использования этих методов и устройств в большой энергетике пока еще не ясна. Поэтому мы остановимся на них очень кратко.
Работа термоэлектрического генератора основана на хорошо известном в физике эффекте Зеебека, который заключается в том, что в электрической цепи, состоящей из различных элементов, при условии, что контакты (спаи) между ними имеют различную температуру, возникает электродвижущая сила. На рисунке представлена такая электрическая цепь. Она состоит из двух проводников — меди и константана (сплава меди и никеля), используется для измерения температуры. Один из спаев находится при температуре, которую требуется измерить (t1), а другой — при постоянной температуре (t0), например при практически неизменной температуре смеси воды и льда. По величине электродвижущей силы, измеряемой гальванометром, можно с высокой степенью точности определить (t1).
Если составить электрическую цепь из последовательно соединенных различных материалов (обычно полупроводников), иначе говоря, цепь из отдельных термоэлементов, то получится термоэлектрический генератор. Электродвижущая сила, создаваемая термоэлектрическим генератором, пропорциональна числу термоэлементов, составляющих термоэлектрогенератор (ТЭГ).
Термоэлемент, так же как и МГД-генератор, преобразует тепловую энергию в электрическую. Следовательно, КПД термоэлемента регламентируется вторым законом термодинамики.
К сожалению, термоэлектрические генераторы пока еще дороги, а их КПД невелик. Поэтому они находят применение в качестве небольших, как правило автономных, источников энергии.
Если какое-либо твердое тело (металл, полупроводник) поместить в вакуум, то известное количество электронов этого тела перейдет в вакуум. Это явление называется термоэлектронной эмиссией, а твердое тело, испускающее электроны, — эмиттером. Эмиссия электронов тем больше, чем выше температура эмиттера. В процессе эмиссии электронов эмиттер охлаждается. Через некоторое время после начала электронной эмиссии (после помещения тела в вакуум) установится равновесие: сколько электронов в единицу времени будет выходить из твердого тела за счет электронной эмиссии, столько же будет возвращаться в результате так называемой конденсации электронов. Охлаждение твердого тела в состоянии равновесия более не происходит.
Но можно поступить иначе: поместить в вакуум два тела (два электрода), причем к одному из них (электроду-эмиттеру) подводить тепло и поддерживать его при более высокой температуре, а от второго (электрода-коллектора) тепло отводить, с тем чтобы его температура оставалась более низкой. Если теперь эмиттер и коллектор замкнуть внешней электрической цепью, то по ней потечет ток, описанное устройство явится источником тока, именуемым термоэмиссионным преобразователем (ТЭП). ТЭП (так же, как и ТЭГ) преобразует тепловую энергию в электрическую, минуя ступень механической энергии, и, следовательно, подчиняется ограничениям, установленным вторым законом термодинамики.
Если бы, используя ТЭП, можно было получать большие количества электроэнергии, а его основные технико-экономические показатели (стоимость и КПД) были благоприятны, то энергетика получила бы в лице ТЭП хороший электрический генератор, работающий по принципу прямого преобразования энергии.
В настоящее время еще не достигнуты такие технико-экономические показатели ТЭП, которые могли бы удовлетворить энергетику. Поэтому ТЭП пока что используются, как и ТЭГ, в случаях, когда требуются относительно малые мощности. Однако работа по улучшению показателей ТЭП ведется высокими темпами.
В топливном элементе осуществляется прямое преобразование химической энергии в электрическую. В чем заключается принцип работы и каково устройство топливного элемента?
Можно, например, сжечь водород в атмосфере кислорода. В результате образуется вода и выделяется тепло, которое затем можно использовать в теплосиловом двигателе. А можно пойти другим путем, как это и делается в топливном элементе, разделив реакцию горения водорода на два процесса, в одном из которых участвует водород, а в другом — кислород.
Схема топливного элемента представлена на рисунке. Элемент состоит из двух электродов (на один из которых подается водород, а на другой — кислород) и электролита. Существенным отличием топливного элемента от электрического аккумулятора является то, что запас горючего и окислителя в топливном элементе, в данном случае водорода и кислорода, непрерывно пополняется.
Водород, попадая на металлический электрод и находясь на разделе трех фаз — твердого электрода, электролита и газовой фазы, переходит в атомарное состояние (его двухатомная молекула разделяется на атомы), а его атомы делятся на свободные электроны и ядра атомов (ионы). Электроны уходят в металл, а ядра атомов — в раствор (электролит). Вследствие этого электрод насыщается отрицательно заряженными электронами, а электролит — положительно заряженными ионами.
Аналогичный процесс происходит на втором электроде, на который подается кислород. В результате проходящих у поверхности электрода процессов на нем появляются положительные электрические заряды. Кроме того, возникают отрицательно заряженные ионы ОН, которые остаются в электролите и, соединяясь с ионами водорода, образуют воду. Если соединить внешней цепью оба электрода, то возникнет электрический ток (см. рис.). Таким путем химическая энергия превращается в электрическую. Поскольку в топливном элементе отсутствует промежуточная стадия преобразования химической энергии в тепловую, его кпд не имеет ограничений, присущих тепловому двигателю. Водородно- кислородный топливный элемент работает при низкой температуре, а его КПД вполне может достигать 65—70%.
Схема топливного элемента.
Не следует думать, что создание топливного элемента является простым делом. Идея топливного элемента появилась еще в середине XIX в., а подходящей конструкции для широкого применения нет и по сей день.
В решении проблемы топливного элемента много трудностей: проведение всех процессов с большой скоростью (залог получения больших абсолютных и удельных мощностей); выбор материала и создание высококачественных электродов; создание высокоэффективных электролитов (жидких и твердых, в зависимости от типа топливного элемента); возможность работы на дешевом топливе.
Наше время — начальный период применения топливных элементов. Они используются в случаях, когда не требуется большая мощность, чаще всего как автономные источники тока. Крупнейший специалист в области электрохимии академик А. Н. Фрумкин считал, что первыми крупными потребителями топливных элементов будут космические аппараты, нуждающиеся в небольших по мощности бортовых источниках тока, и автомобили, точнее сказать — электромобили.
В космических аппаратах топливные элементы (водородно-кислородные) уже находят применение, что касается электромобилей, то здесь пока создаются опытные образцы. Следует заметить, что удельная мощность топливных элементов хотя и во много раз больше, чем у электрических аккумуляторов, но еще примерно в 3 раза меньше по сравнению с бензиновыми двигателями.
Можно предполагать, что топливные элементы в дальнейшем найдут применение и в большой энергетике. Но строить какие-либо прогнозы по этому вопросу пока еще рано. Во всяком случае сначала должен быть решен вопрос об использовании не водорода и кислорода (это дорого), а более дешевого топлива и окислителя, например горючего газа (природного или продукта газификации угля) и воздуха. В этом случае топливные элементы будут высокотемпературными, что, по-видимому, несколько снизит их КПД.
