Перспективные энергетические установки

        Несмотря на принципиальную простоту создание реактора-генератора со встроенным ТЭП представляет собой очень сложную инженерную задачу. Главная трудность состоит в том, чтобы выбрать материалы и конструкцию, способные длительно и надежно работать в условиях высоких температур, больших токов и нейтронных потоков. Последнее обстоятельство особенно неприятно и заставляет рассматривать возможность создания ТЭП, вынесенных из активной зоны.

        В последнее время по мере  улучшения характеристик ТЭП и, прежде всего, в связи с наметившейся возможностью снижения температуры эмиттера, появился интерес к использованию ТЭП в качестве надстройки к обычным паросиловым электростанциям. Есть возможность получаемую при высокой температуре за счет сжигания топлива теплоту вначале подвести  к эмиттерам ТЭП, часть её преобразовать в электроэнергию в соответствии с КПД ТЭП, а теплоту, отводимую от коллектора, при всё ещё высокой температуре использовать затем в обычном паросиловом цикле. Ясно, что КПД такой комбинированной установки повысится и по прогнозам может достигнуть 40%. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Термоэлектрические  генераторы

        Работа термоэлектрогенераторов  (ТЭГ) основана на так называемых  термоэлектрических эффектах, открытых ещё в 19 веке: эффекте Пельтье и эффекте Зеебека, заключающемся в том, что в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, спаи которых находятся при различных температурах, возникает электродвижущая сила (ЭДС), пропорциональная разности температур.

        Собственно, ТЭГ представляет собой обычно серию термоэлементов, соединенных последовательно с помощью специальных коммутационных пластин. Термоэлектроды соединены коммутационными пластинами, образующими спаи. В результате образуется группы так называемых горячих спаев и холодных спаев. Полная электродвижущая сила, развиваемая ТЭГ, равна сумме ЭДС отдельных элементов. При замыкании ТЭГ на нагрузку через все термоэлектроды и коммутационные пластины проходит один и тот же ток. В результате этого горячие спаи поглощают теплоту, а холодные выделяют. Для поддержания постоянных температур к горячим спаям надо подводить теплоту, а от холодных отводить. Коэффициент полезного действия ТЭГ оказывается несколько меньше, чем отдельного термоэлемента из-за дополнительных потерь в коммутационных пластинах.

        Из-за высокой стоимости ТЭГ  не используются в крупной  стационарной энергетике. Область их применения – сравнительно мелкие автономные источники электроэнергии. В качестве первичных тепловых источников энергии для ТЭГ может применяться органическое топливо, ядерные источники в виде радиоактивных изотопов, солнечная энергия. Для космических энергетических установок разрабатывались ТЭГ, использующие в качестве источника теплоты ядерные реакторы. В СССР была разработана такая термоэлектрическая установка «Ромашка» с термоэлектродами из германиево-кремниевого сплава, имевшая электрическую мощность 500 Вт. Аналогичная установка СНАП-10 с электрической мощностью 380 Вт была сооружена в США. Термоэлектроды этого ТЭГ выполнены из GeBiTe (р-полупроводник) и PbTe (n-полупроводник). Температура горячих спаев составляет 900°С. Коэффициент полезного действия ТЭГ – около 3%. При использовании солнечной энергии ТЭГ требует применения концентратора в виде параболических зеркал для поддержания горячих спаев при достаточно высокой температуре.

        Несмотря на то, что материалы  для ТЭГ непрерывно совершенствуются, улучшается и удешевляется их  технология, сегодня нет оснований  рассчитывать на их широкое внедрение в стационарную энергетику. По-видимому, и в перспективе они будут применяться только в автономных установках небольшой мощности. 
 
 
 
 
 
 
 

5. Фотоэлектропреобразователи

        Фотоэлектропреобразователи (ФЭП)  стоят несколько особняком в ряду других преобразователей энергии в электрическую. Рассмотренные выше преобразователи, преобразуют в электроэнергию теплоту. Поэтому предельные теоретические значения КПД этих преобразователей не могут превосходить КПД цикла Карно, осуществляемого при тех же температурах, что и температуры горячего и холодного спаев для ТЭГ или эмиттера и коллектора для ТЭП.

        Фотоэлектропреобразователь преобразует  в электроэнергию энергию электромагнитного излучения, причем исходное излучение может иметь как тепловую, так и нетепловую природу. В большинстве случаев ФЭП используют электромагнитное излучение (свет) от Солнца, природа которого может считаться тепловой. Солнечное излучение в первом приближении может быть отождествлено с тепловым излучением абсолютно черного тела с температурой около 5800°С.

        Принцип работы ФЭП основан на фотоэффекте , который был открыт ещё в 19 веке и получил объяснение в работах А.Энштейна в 1905 году. Сущность фотоэффекта состоит в том, что электроны, содержащиеся в материале катода ФЭП, под действием поглощаемого электромагнитного излучения изменяют свое энергетическое состояние. Первые попытки осуществить фотоэлектрический преобразователь предполагали использование внешнего фотоэффекта, состоящего в том, что под воздействием излучения электроны вырываются с поверхности металла катода в окружающий вакуум. Однако КПД таких преобразователей оказался очень малым, и сегодня их используют в основном в качестве детекторов излучения, а не преобразователей.

        Существенные успехи в развитии  ФЭП были достигнуты при переходе  на преобразователи с запирающим слоем, основанные на так называемом внутреннем, или вентильном фотоэффекте. Запирающий слой образуется при контакте двух полупроводников с разным типом проводимости.

        Изготавливаемые в настоящее  время ФЭП создаются на основе кремния или германия. Эти элементы 4 группы периодической системы Менделеева в чистом виде представляют собой диэлектрики. Однако за счет легирования соответствующими малыми примесями из них можно создать полупроводники, обладающими нужными для ФЭП свойствами.

        Вообще, для солнечного излучения наибольший теоретический КПД (около 40%) мог бы иметь ФЭП, сделанный из полупроводникового материала на базе арсенид галлия. Однако, только значение КПД не определяет возможность и целесообразность применения того или иного устройства в технике. В расчет следует принимать стоимость, технологичность, эксплуатационные характеристики и т.п.

        За годы своего промышленного использования, в основном в качестве бортовых источников электроэнергии для космических аппаратов, ФЭП получили достаточно широкое развитие. Для наиболее освоенного типа кремниевых ФЭП достигнутые в эксплуатации значения КПД составляют около 15%. ФЭП на базе арсенид галлия в лабораторных условиях имеют КПД до 20%. Однако сегодня ФЭП все ещё очень дороги, прежде всего из-за высокой стоимости чистых полупроводниковых материалов. В скором времени кремниевые ФЭП возможно смогут вырабатывать электроэнергию в земных условиях по ценам, конкурентоспособным с другими автономными источниками энергии. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Заключение 

     Энергетическая  проблема - одна из важнейших проблем, которые сегодня приходится решать человечеству. Уже стали привычными такие достижения науки и техники, как средства мгновенной связи, быстрый транспорт, освоение космического пространства. Но все это требует огромных затрат энергии. Резкий рост производства и потребления энергии выдвинул новую острую проблему загрязнения окружающей среды, которое представляет серьезную опасность для человечества. Мировые энергетические потребности в ближайшее десятилетия будут интенсивно возрастать. Какой-либо один источник энергии не сможет их обеспечить, поэтому необходимо развивать все источники энергии и эффективно использовать энергетические ресурсы. На ближайшем этапе развития энергетики (первые десятилетия XXI в.) наиболее перспективными останутся угольная энергетика и ядерная энергетика с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах. Однако можно надеяться, что человечество не остановится на пути прогресса, связанного с потреблением энергии во всевозрастающих количествах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Литература 
 

1. Самойлов  М.В. Основы энергосбережения: Учебное  пособие/М.В. Самойлов, В.В. Паневчик, А.Н. Ковалев, 2-е изд., стереотип. – МН.: БГЭУ, 2002;
2. Стырикович М.А., Шпильрайн Э.Э. Энергетика. Проблемы и перспективы. – М.: Энергия, 1981;
3. Коровин Н.В. Топливные элементы и электрохимические энергоустановки. – М.: Издательство МЭИ, 2005. – 280
4. Аваков В.Б., Зинин В.И., Ландграф И.К. Автономные энергоустановки на основе высокотемпературных электрохимических генераторов для промышленных и коммунальных объектов // Теплоэнергоэффективные технологии. – 1997. – № 4. – С. 25–29.
5. Аваков В. Б., Зинин В. И., Ландграф И.К. Пути разработки и перспективы создания экономичной экологически чистой энергетики на топливных элементах // Российский химический журнал, т. XXXVIII. – 1994. – № 3. – С. 55–60.
6. Худяков С.А. Энергоустановки на основе топливных элементов для пилотируемых космических кораблей // Известия РАН. Энергетика. – 2003. – № 5. – С. 48–60.
7. Ландграф И.К. Система получения и аккумулирования водорода и генерирования энергии на основе топливных элементов с твердополимерным электролитом как составная часть автономных источников энергоснабжения, использующих возобновляемую энергию ветра // Материалы III международного семинара «Топливные элементы и энергоустановки на их основе»/г. Екатеринбург, 31.01 – 03.02. 2006 г.