МГД-генераторы

     3.1. Основные сведения о термоэмиссионных преобразователях. 

     Различные типы ТЭП разрабатываются для  питания систем и оборудования КЛА, в особенности КЛА с ядерными АЭУ. При электрической мощности АЭУ порядка 0,1 - 1 кВт целесообразно применение РИТЭП и СТЭП. При мощностях более 1 кВт предпочтительны ЯРТЭП, которые наиболее перспективны для космических АЭУ длительного действия. Достоинства ТЭП - большой ресурс, относительно высокий КПД и хорошие удельные энергетические, а также массогабаритные показатели. В настоящее время выполняют ЯРТЭП по интегральной схеме совместно с ТВЭЛ ядерного реактора, при этом ТЭП-ТВЭЛ образуют конструкцию реактора-генератора. Возможно и раздельное исполнение реактора т ТЭП, в котором ТЭП вынесены из активной зоны реактора.

           Недостатки ТЭП  состоят в нестабильности характеристик  и изменении межэлектродных размеров вследствие ползучести (свеллинга), а также в технологических затруднениях при выполнении малых зазоров между электродами, необходимости компенсации объемного заряда электронов в межэлектродном зазоре.

           Совмещенные с ТВЭЛ цилиндрические элементарные ТЭП последовательно  соединяются в гирлянду, образующую электрогенерирующий канал (ЭГК), размещаемый в активной зоне ректора. Уменьшение объема активной хоны ядерного реактора и массы радиационной защиты достигается при вынесении ЭГК из реактора. При раздельном исполнении ТВЭЛ и ТЭП энергия к ТЭП от ТВЭЛ может подводиться тепловыми трубами. Последние представляют собой устройства для передачи тепла от нагревателя к потребителю (или холодильнику) посредством использования для поглощения и выделения тепла фазовых (газожидкостных) переходов рабочего тела. перемещение рабочего тела осуществляется капиллярными силами (при наличии "фитиля" или пористого элемента конструкции тепловой трубы), центробежными и электромагнитными силами в зависимости от конкретного устройства тепловой трубы.

            Для получения  необходимых параметров АЭУ (мощности  и напряжения) ЭГК соединяют по  последовательно-паралелльным схемам. Различают вакуумные и газонаполненные  ТЭП, причем газонаполненные ТЭП  с парами цезия имеют лучшие  показатели. Их характеризуют удельная масса ЭГК G_* = 3 ¸ 10 кг/кВт, поверхностная плотность мощности Р_* = 100 ¸ 200 кВт/м² (на единицу площади, эмитирующей электроны), плотность тока

     эмиттера J = 5 ¸8 A/cм² , КПД преобразования тепла в электроэнергию h = 0,15 ¸ 0,25, рабочий ресурс - более 10⁴ ч (до 5 лет). Вакуумные ТЭП в настоящее время применяются сравнительно мало вследствие сложности технологии изготовления межэлектродных зазоров порядка 10^-2 мм, при которых возможны удовлетворительные эксплуатационные показатели преобразователей. 
 

     3.2. Физические основы работы термоэмиссионных преобразователей.

           Работа основана на явлении термоэлектронной эмиссии (эффекте Эдисона) - испускании электронов нагретым металлическим катодом (эмиттером). Физическими аналогами вакуумных  и газонаполненных ТЭП могут  служить электронные лампы - вакуумные  диоды и газотроны. В отдельных случаях вследствие упрощения эксплуатации целесообразно использовать вакуумные ТЭП, но лучшие характеристики имеют, как указывалось, ТЭП, наполненные парами легкоионизирующегося металла - цезия (Сs). Различают межэлектродные газовые промежутки ТЭП с частичной и полной ионизацией. Последние принадлежат к плазменным ТЭП, которые можно относить к контактным преобразователям.

           Процесс преобразования энергии в ТЭП рассмотрим вначале  на примере анализа плоской вакуумной  модели элементарного генератора (рис. 2.) Промежуток D между металлическими электродами - катодом (эмиттером) 1 и анодом (коллектором) 2, заключенными в вакуумный сосуд 3, откачан до

                 рис.2

     давления 0,133 мПа (примерно 10^-6 мм рт. ст.). Электроды и их выводы 4 изолированы от стенок сосуда. К эмиттеру подводится тепловая энергия Q1, и он нагревается до температуры Т1 » 2000К. Коллектор поддерживается при температуре Т2 < Т1 вследствие отвода от него тепловой энергии Q2. Распределение электронов по энергиям в металле электрода зависит от его химической природы и определяется среднестатистическим уровнем Ферми. Это тот (наименьший) уровень, на котором располагались бы все электроны при температуре Т=0. Если Т>0, то вероятность наличия у электрона энергии уровня Ферми всегда равна 0,5. Вплоть до точки плавления металла уровень Ферми мало зависит от Т. 

     3.3. Батареи термоэммисионых элементов

           Вертикальные гирляндные ЭГК образуют батарею ТЭП - электрогенерирующий блок (ЭГБ) реактора. Например, в серийных генераторах "Топас" (СССР) содержится по 79 ТЭП с суммарной электрической мощностью ЭГБ до 10 кВт. Верхяя чсть ЭГК патрубком соединена с термостатом с жидким цезием при Т » 600 К, испаряющимся вследствие низкого давления внутри ТЭП. Для поступления паров Сs отдельные ТЭВ в ЭГК сообщены каналами. Цезий имеет наиболее низкий поценциал ионизации j_Ц =3,9 В, причем  j_Ц < j_K . При соударении с горячей поверхностью катода атомы Сs отдают катоду электрон. Положительные ионы Сs⁺ нейтролизуют объемный заряд электронов в зазоре D. в диапазне давления паров Cs до 100 Па при температуре Т1 < 1800 К достигается бесстолкновительный (квазивакуумный) режим ТЭП. Изменение j(х) в D для этого режима близко к линейному закону. При D » 0,1 мм эффективность ТЭП повышается, если совместно вводятся пары цезия и бария. Адсорбируясь преимущественно на аноде с        Т2 < Т1  , они снижают его работу выхода.                                                 

     4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ  ГЕНЕРАТОРЫ 

     В электрохимических генераторах  происходит прямое преобразование химической энергии на электрическую. Возникновение ЭДС в гальваническом элементе связано со способностью металлов посылать свои ионы в раствор в результате молекулярного взаимодействия между ионами металла и молекулами (и ионами) раствора. 
 
 

     Рис. 3 

     Рассмотрим  явление, которое происходит при  погружении цинкового электрода  в раствор сернокислого цинка (ZnSO₄). Молекулы воды стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (рис.3). В результате действия электростатических сил положительные ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу оказывает содействие большой дипольный момент воды. Рядом с процессом растворения цинка происходит и обратный процесс возвращения в цинковый электрод положительных ионов цинка при достижении ими электрода в результате теплового .движения. При переходе положительных ионов в раствор увеличивается отрицательный потенциал электрода, который препятствует этому переходу. При определенном потенциале металла наступает динамическая равновесомая, то есть два встречных потока ионов (от электрода в раствор и наоборот) будут одинаковыми. Этот равновесный потенциал называется электрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита. 

     Важное  техническое применение гальванические элементы имеют в аккумуляторах, где вещество, которое расходуется при отборе тока, предварительно накапливается на электродах при пропуске через них на протяжении определенного времени тока от постороннего источника (при заряжении). Использование аккумуляторов в энергетике осложнено через маленький запас активного химического топлива, которое не разрешает получать электроэнергию беспрерывно в большом количестве. Кроме того, аккумуляторам присущая маленькая удельная мощность. 

     Большое внимание во многих странах мира уделяют непосредственному преобразованию химической энергии органического топлива в электрическую в топливных элементах. В этих преобразователях энергии можно получить более высокие значения КПД, чем в тепловых машинах. В 1893 году немецкий физик и химик Нернст высчитал, что теоретический КПД электрохимического процесса преобразования химической энергии угля в электрическую энергию равняется 99,75%.

     Рис. 4 Схема водородно-кислородного топливного элемента: 1 - корпус; 2 - катод; 3 - электролит; 4 - анод 
 

     На  рис. 4 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента. Электроды в топливном элементе пористые. На аноде происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Электроны, которые остались, образовывают отрицательный потенциал и во внешнем кругу перемещаются к катоду. 

     Атомы кислорода, которые находятся на катоде, присоединяют к себе электроны, образовывая отрицательные ионы, которые переходят в раствор  в виде ионов гидроксила ОН- за счет присоединения из воды атомов водорода. Ионы гидроксила, соединяясь с ионами водорода, образовывают воду. Таким образом, при подведении водорода и кислорода происходит реакция окисления топлива ионами с одновременным образованием тока во внешнем кругу. Поскольку напряжение на выводах элемента небольшое (приблизительно 1В), то элементы последовательно соединяют в батареи. КПД топливных элементов очень высокий, теоретически он близкий к единице, а практически равняется 60-80%. 

     Использование водорода как топлива связано  с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому выискиваются возможности использования других более дешевых видов топлива, прежде всего, естественного и генераторного газа. Однако скорость протекания реакции окисления газа удовлетворительная при высоких температурах (800-1200 К), что выключает использование водных растворов щелочей как электролитов. В этом случае возможно использовать твердые электролиты с ионной проводимостью. 

     По  типу электролита топливные элементы классифицируются на щелочные, твердо-полимерные, фосфорнокислые, расплавкарбонатные и твердооксидные; по рабочей температуре - на низко-, средне- и высокотемпературные. Замечу, что использование электродов из палладия и металлов платиновой группы приводит к повышению удельных характеристик и увеличению ресурса топливных элементов.

     Ныне  широко ведутся работы относительно создания эффективных высокотемпературных  топливных элементов. Пока удельная мощность топливных элементов все  еще небольшая, она в несколько  раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако успехи электрохимии и конструктивное усовершенствование топливных элементов в недалеком будущем сделают возможным массовое использование топливных элементов в автотранспорте и энергетике. Топливные элементы бесшумные, экономические, и в них отсутствуют твердые отходы, которые загрязняют атмосферу.

     5. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ  В ПРОМЫШЛЕННОЙ  ЭНЕРГЕТИКЕ 

     Чем привлекательны топливные элементы и почему их нет на рынке? К числу  достоинств относятся: высокий кпд, низкая токсичность, бесшумность, модульная конструкция (имея, скажем, киловаттные топливные элементы, можно собирать из них установки большой мощности), многообразие первичных видов топлива, широкий интервал мощности. Проникновение их на рынок сдерживается прежде всего высокой себестоимостью по электроэнергии и малым ресурсом. Наибольший ресурс у твердополимерных топливных элементов - (2-5) тыс. часов работы, требуемый же срок службы - (20-30) тыс. часов.  

     Что касается коммерциализации электрохимических  генераторов на топливных элементах, то около 100 компаний участвует в их демонстрационных испытаниях, достигнута установленная мощность в 50 МВт. Потребность децентрализованной стационарной энергетики (мощность электрохимических генераторов от 5 кВт до 10 МВт) -100 тыс. МВт за 10 лет. Сейчас 1 кВт установленной мощности стоит более 3 тыс. долл., приемлемая цена - 1 тыс. долл. Потребности автотранспорта в электрохимических генераторах на топливных элементах (мощность 15-100 кВт) - 500 тыс. штук в год. Сейчас стоимость одного такого генератора более 3 тыс. долл., приемлемая цена - 50-100 долл. Таким образом, необходимо многократное снижение стоимости стационарных топливных элементов и десятикратное - стоимости топливных элементов для транспорта.  

     Учитывая  потребности рынка, программа бюджетных инвестиций США предполагает в ближайшие 10 лет вложить 5.5 млрд. долл. в развитие технологии топливной энергетики, промышленные компании - почти в 10 раз больше.