Перспективные энергетические установки

МИНИСТЕРСТВО   ОБРАЗОВАНИЯ   РЕСПУБЛИКИ   БЕЛАРУСЬ

Белорусский государственный экономический  университет 
 

Кафедра технологий важнейших 

отраслей  промышленности 

РЕФЕРАТ

        по дисциплине «Основы энергосбережения»

        на тему: «Перспективные энергетические установки»

         
 
 

Студент группы РФМ, 1курс, факультет ФФБД                 Н.И. Кобикова

Преподаватель                                                                         И.С. Михаловский 

  
 
 
 

                                                                                                                                                  
 
 

Минск

2011 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     Удорожание  и сокращение легкодоступных запасов  органического топлива на Земле заставляют энергетиков и ученых задумываться о более эффективном использовании для получения электрической и тепловой энергии не только традиционных, но и нетрадиционных энергоресурсов.

       Традиционные газопоршневые, дизельные и газотурбинные установки имеют множество недостатков, главными из которых являются довольно низкий КПД и экологический вред.

       В качестве наиболее перспективных  энергетических установок для  малой энергетики могут быть рассмотрены получающие всё большее распространение в мире установки на основе топливных элементов.

     Основными преимуществами установок на основе топливных элементов по сравнению с традиционными по экономическим и потребительским качествам являются:

     -значительно меньшие выбросы вредных веществ в окружающую среду;

     -значительно меньшие показатели уровня шума и вибрации;

     -эффективное использование топлива и высокий КПД;

     -низкие затраты на эксплуатацию (не требуются замена масла, присутствие оператора);

     -плавные вольт-амперные характеристики, высокая маневренность и эффективность во всем диапазоне нагрузок.

       Сегодняшний уровень потребления энергии весьма велик. Дальнейший рост потребления и производства энергии потребует большого напряжения экономики всех стран. Человечество нуждается в энергии для самых различных целей. Создание комфортных условий в жилищах и производственных помещениях, приготовление пищи, промышленность, сельское хозяйство, транспорт, связь – все эти сферы жизни и деятельности человека требуют разнообразных форм энергии. В данной работе в виде конечного вида энергии нас интересует электроэнергия. Наиболее распространенные сегодня тепловые электростанции вырабатывают электроэнергию путем многих последовательных ступеней преобразования, причем всякая ступень преобразования энергии характеризуется большими или меньшими потерями, и ясно, что число промежуточных ступеней преобразования желательно по возможности уменьшить.

        Установки, преобразующие теплоту  в электроэнергию, минуя стадию  механической энергии, принято называть установками прямого преобразования энергии. Основным достоинством этих установок является их статичность - отсутствие движущихся частей. Поэтому системы прямого преобразования энергии наиболее целесообразно применять там, где от установки требуется простота, надежность, возможность работы в автономном режиме без какого-либо обслуживания.

     Сегодня пока трудно прогнозировать, займут ли эти установки заметное место в крупной энергетике, но по мере улучшения их показателей и совершенствования конструкции этот вопрос должен вновь и вновь тщательно изучаться. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Магнитогидродинамические  генераторы

 

        Магнитогидродинамические (МГД) преобразователи  энергии – особый тип преобразователей  тепловой энергии в электрическую.  Они сочетают в себе тепловой  двигатель, преобразующий теплоту  в кинетическую энергию струи рабочего тела, и электродинамическую машину, преобразующую эту кинетическую энергию непосредственно в электрическую.

        Наиболее существенным элементом МГД преобразователя энергии является магнитогидродинамический (МГД) генератор. Принцип его работы по существу идентичен принципу работы обычного электромеханического генератора. Так же как и в электромеханическом, в МГД генераторе электродинамические силы (ЭДС) генерируется в проводнике, который с некоторой скоростью пересекает силовые линии магнитного поля. Однако если в обычных генераторах проводники твердые, то в МГД генераторе они представляют собой поток электропроводной жидкости или газа (плазмы).

        В зависимости от вида рабочего  тела в МГД генераторе различают  плазменные и жидкометаллические МГД установки. Сегодня наибольшее распространение получили плазменные установки.

        Плазменные МГД установки могут  быть открытого и замкнутого  цикла. Во- первых, как правило, рабочим телом в МГД генераторе служит плазма, полученная на основе продуктов сгорания природных топлив; во вторых – плазма какого-либо инертного газа (гелия, аргона или неона).

        Плазма (ионизированный газ) с добавкой легко ионизирующего вещества (1% Na или К) поступает в канал МГД-генератора при 3000°С и разгоняется в нем. Электропроводная плазма пересекает силовые линии магнитного поля, при этом положительные ионы отклоняются в одну сторону, а отрицательные – в другую. Концентрация положительных и отрицательных ионов на металлических пластинах придает им положительный или отрицательный потенциал; пластины становятся источником ЭДС. При замыкании электродов на внешнюю цепь возникает ток. КПД ТЭС с МГД-генератороми приблизительно 60%.

        Пуск первой в мире опытно-промышленной МГД электростанции открытого цикла осуществлен в СССР в 1971 году (мощность МГД генератора 20 000 кВт (установка У-25)).

     Условия работы МГД генератора весьма сложны. Материалы его стенок должны находиться в контакте с очень горячей  плазмой, содержащей агрессивные щелочные металлы, одновременно между электродами генератора существуют высокие напряжения. Положение осложняется ещё рядом обстоятельств.

        Очень важным для МГД генератора  является выбор температуры его  стенок. Температура плазмы, как  уже говорилось, должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить необходимую электропроводность. Можно ли при этом поддерживать стенку генератора, соприкасающуюся с плазмой при сравнительно низкой температуре, чтобы обеспечить ее прочность и химическую стойкость? Технически это возможно. Если использовать в канале металлические электроды и интенсивно охлаждать их с внешней стороны (например, водой), то на поверхности, обращенной к плазме, можно поддерживать температуру, не превышающую несколько сот градусов. Однако эта низкая температура, привлекательная с точки зрения прочности и стойкости материала, таит в себе и много неприятностей.

        Во-первых, низкая температура стенки  означает, что сквозь стенку канала  будет теряться много теплоты, а это понизит КПД установки.

        Во-вторых, при низкой температуре  стенки на ней начнет конденсироваться присадка, содержащаяся в плазме. Обычно температура конденсации присадки составляет около 1000°С. Следовательно, чтобы не допустить конденсации температура стенки должна быть во всяком случае не ниже.

        В-третьих, низкая температура  стенки приводит к тому, что и прилегающий к ней пограничный слой плазмы будет иметь существенно более низкую температуру, чем ядро потока. А это означает, что электропроводность в пограничных слоях будет значительно меньше, чем в основной плазме, а значит, при протекании через плазму тока на этих слоях будут возникать большие потери напряжения, что приводит к понижению эффективности генератора.

        В-четвертых, ток из плазмы  на достаточно холодный металлический  электрод поступает в виде электрической дуги. Такие дуги горят в отдельных точках электрода и приводят к разрушению (эрозии) его материала.

        В связи со сказанным, конструкторы  МГД генератора стремятся обеспечить  температуру стенок генератора на уровне не ниже 1500°С, а желательно и 2000°С. При такой температуре использование металлических электродов практически исключается, ибо тугоплавкие металлы, способные в принципе обеспечить такую температуру, оказываются химически нестойкими в потоке плазмы, содержащей агрессивную присадку.

        Поэтому сейчас большое внимание  уделяется керамическим электродам, которые при высоких температурах могут иметь достаточную проводимость. К этим материалам относится, например, двуокись циркония с некоторой добавкой окиси кальция или окиси иттрия. Эти материалы пока достаточно дороги и требуют дополнительной работы для усовершенствования технологии и улучшения их свойств.

        Несколько более простой, но  не менее ответственной является  проблема изоляционной стенки  МГД генератора. Изоляторами при  высоких температурах могут являться чистые окислы металлов, например, окись магния. Однако изготовление изделий из этих материалов представляет собой весьма сложную задачу.

        Важное значение для МГД-установки имеет магнитная система. В МГД- установках в качестве магнитных систем применяются электромагниты различных типов. Индукция, создаваемая постоянными магнитами, слишком мала, и сами эти магниты чересчур дороги.

        Наиболее простым типом электромагнита  является магнит с железным  сердечником. Он требует относительно меньших затрат энергии на поддержание магнитного поля, чем так называемые безжелезные магниты, но только, если его индукция не превышает индукцию насыщения сердечника.

        В безжелезном магните можно  в принципе получить значительно  большую индукцию, но при этом  затраты энергии оказываются  очень большими и сам магнит приходится интенсивно охлаждать. Поэтому безжелезные магниты целесообразно использовать в установках кратковременного действия (несколько секунд), когда общие затраты энергии на создание магнитного поля не имеют решающего значения, а вся выделяющаяся в магните теплота может быть поглощена самой обмоткой магнита за счет ее теплоемкости.

        Наконец, наиболее перспективным  для МГД установок является  сверхпроводящий магнит. Явление сверхпроводимости состоит в способности металлов обладать практически нулевым сопротивлением при температурах, приближающихся к абсолютному нулю.

        Сегодня сверхпроводящие материалы  и проводники из них ещё  очень дороги. Но технология их непрерывно совершенствуется, и есть основания считать, что перспективные промышленные МГД установки будут использовать сверхпроводящие магнитные системы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2. Электрохимический  генератор 

     Процессы  прямого преобразования химической энергии в электрическую и  наоборот осуществляются в электрохимических элементах (ячейках).

     Простейшая  электрохимическая ячейка состоит  из двух электродов, разделенных проводником второго рода (ионным проводником или электролитом). Электрод – проводник первого рода, находящийся в контакте с ионным проводником. На границе между этими проводниками возникает скачок потенциала, называемый электродным потенциалом. На электродах протекают реакции окисления восстановителя (на анодах) и восстановления окислителя (на катодах).Совокупность окислителя, восстановителя и ионного проводника называется электрохимической системой ячейки или элемента.

     Топливный элемент (ТЭ) – одна из разновидностей электрохимических элементов, существенным преимуществом которой является то, что в отличие от гальванических (первичных) элементов и аккумуляторов электроды в ТЭ в процессе выработки электрической энергии не изменяются, так как химические реагенты (топливо и окислитель) в их состав не входят, а подаются в ТЭ в момент его работы. Таким образом, схема обеспечения реагентами ТЭ подобна схемам топливоснабжения тепловых машин, однако в них достигается более высокий КПД за счет прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию.