Структурные схемы устройств преобразования энергии первичных источников в электрическую. (Лекция 5)

- сжигание в смеси с основным топливом;
- термохимическую переработку (газификация топлива);
- биохимическую конверсию (получение биогаза, спирта, этанола).
Суммарный энергетический потенциал некоммерческого топлива в мире составляет свы-
ше 4 млрд т у.т. в год.
Водородная энергетика.
Главное достоинство водорода как энергетического топлива заключается в том, что удель-
ная теплота его сгорания почти втрое выше, чем у нефти, а продуктом сгорания является во-
да.
Технологический недостаток – его повышенная взрывоопасность и проблематичность хра-нения.
Водород может быть получен:
- электролитическим способом при разложении воды на водород и кислород при пропуска-нии электрического тока;
- плазмохимическим способом, основанном на пропускании электрического тока через иони-
зированный газ, находящийся в магнитном поле;
-при работе топливных элементов с обратимыми химическими реакциями.
Термоядерная энергетика.
Одним из перспективных и практически неисчерпаемых источников энергии считается управляемый термоядерный синтез. Реализация его возможна при температуре плазмы не менее 100 млн оС при высокой напряженности магнитного поля.
В термоядерных реакциях синтеза участвуют тяжелые изотопы водорода – дейтерий (с двумя нейтронами в ядре) и тритий (с тремя нейтронами в ядре). В результате слияния ядер

дейтерия и трития образуется нестабильное ядро гелия-5, распадающееся на стабильное ядро гелия-4 и нейтрон с выделением тепловой энергии. Энергетика на топливных элементах.
Одним из перспективных способов прямого экологически чистого преобразования энергии химических реакций в электрическую является технология с использованием топливных эле-ментов.
2
Топливный элемент («электрохимичес-кий генератор») представляет собой галь-ванический элемент, в котором в качестве химически активного вещества отрица-тельного электрода используется горючее (водород, углеводороды, генераторный газ и др.), а химически активного вещест-ва положительного электрода – окисли-тель (кислород, воздух, хлор и др.).
Рассмотрим как происходит токообра-зующий процесс на примере водородно-кислородного топливного элемента (см. рис.17). Топливный элемент состоит из двух электродов, разделённых между со-бой электролитом - раствором щёлочи (КОН). К отрицательному электроду под-водится водород, к положительному – кис-лород.

Продукт окисления водорода (вода) во время реакции отводится от топливного элемента. Для увеличения поверхности раздела трех фаз (электрод – электролит – газ) электроды изготавливаются пористыми. Подведенный к отрицательному электроду водород адсорбиру-ется на сухой стороне электрода, диссоциирует благодаря его каталитическому действию до атома Н, который и поглощается электродом за счёт химической реакции с металлом элект-рода, образуя соединение Ме-Н. Затем атомы водорода вследствие снижения концентрации диффундируют к границе трёх фаз и переходят в электролит, оставляя по одному электрону согласно реакции
Ме-Н +ОН¯→ Н2О + Ме + ē.
Суммарная реакция на водородном электроде
2Н2 +4ОН¯→ 4Н2О + 4ē.
На положительном электроде кислород адсорбируется, диссоциирует до атомарного состо-яния, диффундирует к границе трёх фаз и переходит в электролит с захватом двух элемен-тарных зарядов, образуя отрицательные ионы согласно реакции
Ме-О + 2ē + Н2О → Ме + 2ОН¯.
Суммарная реакция на кислородном электроде
О2 + 2Н2О + 4ē → 4ОН¯.
Отрицательные ионы ОН¯ проходят через электролит к отрицательному электроду, где со-единяются с положительными ионами водорода, образуя воду.
Общее уравнение токообразующего процесса в кислородно-водородном топливном эле-менте
2Н2 + О2 = 2Н2О + Qр.
Для того, чтобы процесс шел непрерывно, необходимо постоянно подавать топливо (Н2) и окислитель (О2) и отводить продукты реакции (Н2О).

Общий коэффициент полезного действия топливного элемента определяется как
η = ηгηеηi ,
где - ηг - коэффициент использования химической энергии топлива; ηе - КПД по напряже-нию; η i - КПД по току.
Рис. 18. Вольтамперные характеристики топливных элементов.
1 – элемент Бекона (2000С, 28 атм); элемент Юс-ти (800С, 2,5 атм); 3 – низкотемпературный эле-мент «Юнион Карбайд»; 4 – элемент «Электрик Сторэдж Бэттерн»; 5 – элемент Давтяна в схеме Горина (7000С, 1 атм); 6 – редокс-элемент; 7 – элемент Бишоффа (7500С, 1 атм)
На экономичность работы топливного элемента влияют:
- возможность наиболее полного ис-пользования энергии окисления топлива;
- скорость протекания процесса окис-ления;
- отсутствие побочных реакций при протекании процесса окисления.
Классификация топливных
элементов:
1. По агрегатному состоянию топлива (га-зообразное, жидкое, твердое);
2. По типу электролита (щелочной или кислый) или по состоянию (жидкий, твёр-дый);
3. По температурному интервалу работы - низкотемпературные (до 1000 С), сред-нетемпературные (до 3000С) и высоко-температурные (свыше 3000 С);

4. По типу действия – прямого и косвенного; с регенерацией продуктов реакции и без регене-рации; с расходуемыми и нерасходуемыми электродами и т.д.
Рабочее напряжение колеблется в пределах от 0,5 до 0,9В и выше, при плотности тока от 50 до 900 и выше мА/см2 поверхности электрода.
Термоэлектрические генераторы.
Принцип работы основан на использовании эффекта, обнаруженного в середине ІΧΧ века.
Суть открытого эффекта заключается в следующем: при прохождении электрического тока через контакт двух проводников, сделанных из различных материалов, в зависимости от его направления, помимо Джоулева тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название теплота Пельтье. Степень проявления данного эффекта в значи-тельной мере зависит от материалов выбранных проводников и используемых электричес-ких режимов.
Эффект Пельтье, как и многие термоэлектрические явления, выражен особенно сильно в цепях, составленных из полупроводников с электронной (п-тип) и дырочной (р-тип) проводи-мостью.
Рассмотрим термоэлектрические процессы, происходящие в контакте таких полупроводни-ков. Допустим, электрическое поле имеет такое направление, что электроны в полупровод-
нике n-типа и дырки в полупроводнике р-типа будут двигаться навстречу друг другу. Электрон из свободной зоны полупровод-ника n-типа после прохождения через границу раздела попада-ет в заполненную зону полупроводника р-типа и там занимает место дырки. В результате такой рекомбинации освобождается энергия, которая выделяется в контакте в виде теплоты. Этот процесс иллюстрирует рисунок 16.

При изменении полярности электрического поля на противопо-ложное (см. рис.17) электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике р-типа будут двигаться в противоположные стороны. Дырки, уходящие от границы раздела, будут пополнять-ся в резуль-тате образования новых пар электронов и дырок при переходах электронов из заполненной зоны полупроводника р-типа в свободную зону. На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Электроны и дырки, образующиеся при рождении таких
пар, увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через кон-такт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте теплота будет поглощаться.
Использование полупроводников проводимости р- и n-типа в термоэлектрических холодиль-
никах иллюстрирует рисунке 18.
Конструктивное исполнение полупро-водникового термоэлектрического модуля Пельтье - на рисунке 19.

Термоэлектрические характеристики модуля Пельтье представлены на рис. 20.
Термоэлектронные
преобразователи. Теплота может быть превращена не-посредственно в электрическую энер-гию с помощью вакуумных или плаз-менных термоэлектронных диодов. В качестве примера рассмотрим кон-струкцию и принцип действия плаз-менного термоэлектронного прибора. На рис. 21 представлен поперечный разрез цезиевого преобразователя.
Принцип работы термоэлектронного преобразователя заключается в сле-дующем. Концентрируя при помощи параболического зеркала солнечное излучение на катоде установки, произ-водят его разогрев.
Нагретый катод эмитирует электроны, которые собираются на близко расположенной по-верхности холодного анода. Для нейтрализации объёмного заряда в межэлектродном про-странстве, затрудняющего перемещение электронов от катода к аноду, используется цези-евое покрытие анода, способствующее поверхностной ионизации цезия, нейтрализующей за-ряд.

Катодный узел состоит из двух вольфрамовых дисков с танталовой фольгой толщиной 0,025 мм в качестве токоотводящей прокладки, сваренных между собой с помощью платины. Анод изготовлен из никеля и отстоит от катода на расстоянии 0,13 мм.