книги из ГПНТБ / Губарев В.С. Электрификация опережающая

Система топка—котел—турбина—генератор нуждает­ ся в коренном изменении. Сейчас мыстоим на пороге не­ посредственного превращения тепловой и химической энергии в электрическую, минуя промежуточные стадии. Здесь будущее энергетики. Возможен .вариант полного исключения вращательного .движения, на котором осно­ вано сегодняшнее получение электроэнергии.

■ Если говорить о ближайших перспективах, то пальму первенства здесь следует отдать так называемому магнитогидродинамическому .методу получения электроэнер­ гии.

Принцип .работы обычного генератора известен даже школьнику: металлический проводник движется ,в магнит­ ном поле, и по нему идет ток. Магнитогидродинамический генератор отличается тем, что через магнитное поле про­ пускается струя ионизированного газа (так называемая плазма, то есть «смесь» не связанных между собой ядер и электронов), обладающего большой электропроводно­ стью. В газе под действием магнитного поля возникает электрический ток, который отводится при помощи элек­ тродов.

Это принцип. А теперь представим себе МГД-установ-

ку‘ В топке сжигается дешевое топливо. Продукты сгора­ ния нагреваются до очень высокой температуры, порядка 2500—3000 градусов. Газ становится слабоионизиро,ван­ ной плазмой, которая через сопло подается в МГД-гене- ратор.

Скорость струи газа достигает нескольких тысяч мет­ ров в .секунду. Плазма пролетает сквозь мощное магнит­ ное поле, пересекая магнитные силовые линии. Электро­ ны, которые под действием высокой температуры покину­ ли ядра и стали свободными, начинают двигаться строго в одном направлении. На выходе из камеры газ «подсте-

40

регаюг» два электрода, через которые и идет электриче­ ский ток.

Пройдя МГД-генератор, газ имеет очень высокую тем­ пературу и (большой запас энергии. Не использовать ее нельзя. И поэтому часть газа вновь (Возвращают к входу е установку и подогревают следующие «парнии» топлива, а другую часть направляют в обычную паросиловую уста­ новку, которая монтируется рядом с МГД-генератором. Таким образом, будущая магнитогидродинамическая электростанция — это органическое соединение МГД-ге- нератора и обыкновенной тепловой станции.

Новые станции будут чрезвычайно экономичны, ведь энергетическая способность топлива используется в них почти полностью. Коэффициент полезного действия МГДстанций, по подсчетам специалистов, приблизится к 55— 60 процентам. Такой резкий скачок эффективности рабо­ ты электростанции позволит сохранить тысячи тайн угля, нефти и других видав природного топлива, добыча кото­ рых обходится очень дорого. Притом стоимость МГДстанций не будет превышать обычных тепловых...

На первый взгляд магнитогидродинамическая уста­ новка довольно проста. Некоторые горячие головы могут оказать: надо делать такие станции, а не писать о них. Что ж, замечание правильное, однако осуществить такую установку в (настоящее время невозможно.

Недавно в США был построен МГД-генератор мощ­ ностью 10 киловатт. (На испытаниях, как сообщает зару­ бежная печать, он проработал всего несколько секунд. Температура в нем достигала 3000 градусов, и материалы, из которых генератор был сделан, не выдержали и рас­ плавились.

Решение проблемы создания МГД-тенераторов сейчас упирается в отоутствие термостойких материалов. Здесь необычайные возможности для различных исследований,

41

и «аши ученые настойчиво ищут новые сплавы, которые могли бы сопротивляться таким температурам. Это напо­ минает поиски иголки в стоге сена при твердой уверенно­ сти, что такая иголка существует. Но, без сомнения, в ближайшие годы физики и металлурги представят в рас­ поряжение энергетиков такие материалы. И тогда появят­ ся первые промышленные образцы МГД-установак.

Но поиски термостойких материалов — это еще не все. Необходимо создать и очень устойчивую ионизацию газа. Однако вторая проблема может решиться только после получения новых материалов. Стойкий к высокой темпе­ ратуре корпус МГД-генератора позволит ученым после непродолжительных исследований найти устойчивый и наиболее выгодный режим работы установки...

Машинным генераторам, основанным на вращатель­ ном движении и длительных преобразованиях химиче­ ской энергии топлива в электрическую, в будущем, види­ мо, тоже придется основательно потесниться и уступить место своему младшему собрату — магнитагидродинамическому генератору. Много задач предстоит решить ученым и инженерам, прежде чем МГД-установка будет работать с высокой эффективностью, прежде чем она по­ лучит промышленное крещение.

Вторая молодость «пенсионера»

Длинные ряды трансформаторов. Колеблются стрелки вольтметров и амперметров на щите управления. Неуже­ ли это электростанция? Но почему мы не слышим работы турбин?

Наверху ярко вспыхивает красная лампочка: где-то во втором ряду трансформаторов случилась авария, тре­ буется вмешательство человека. На пункте аварийной помощи, который находится в нескольких километрах от

4й

станции, раздается резкий звонок — это сработала систе­ ма предупреждения. Через несколько минут бригада электриков отправляется на станцию.

Инженер включает телевизионный экран и начинает внимательно присматриваться к хитроумному 'переплете­ нию .'проводов и каких-то ттолуфантаотических сооруже­ ний, которые напоминают щупальцы опрута.

— Там, глубоко под землей, — поясняет он, — на­ ходятся наши агрегаты, — топливные блоки. Так как они работают бесшумно, мы не слышим привычного пула турбин. Топливные блоки очень просты в работе, и нам удалось полностью автоматизировать электростанцию. Только на диспетчерском пункте энергетической системы оператор контролирует подачу горючего в ванны сгора­ ния. Почему ванны? Да потому, что под землей соору­ жены огромные резервуары, наполненные специальным раствором.

Эти резервуары напоминают гальванические элемен­ ты, которые были незаменимы в прошлом веке. Сейчас они начинают вторую жизнь. Работы ученых в области непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую натолкнули на мысль, что принцип дейст­ вия гальванического элемента позволит отказаться на электростанции от турбин и котлов. И вот первая такая электростанция построена. Ее мощность два миллиона киловатт. Она начала работать 26 августа 197... 'года.

...Сейчас, когда на страницах газет крупнейшие совет­ ские ученые рассказывают о перспективах энергетики, они неизменно говорят о топливных элементах. Это объ­ ясняется тем, что в их лабораториях уже получены не­ которые результаты, позволяющие делать вывод, что электростанции, подобные только что описанной, 'По­ явятся. Правда, сегодня трудно назвать точно срок, когда мы приступим к их строительству, но такой день придет.

43

На Американской .промышленной выставке в Москве на одном из стендов горела маленькая электрическая лампочка. Она была соединена проволочками с крошеч­ ной батарейкой.

— Это топливный элемент, — объяснил гид, — его мощность два ватта.

Когда же специалисты хотели познакомиться с топ­ ливным элементом поближе и внимательно присмотре­ лись к схеме, то один из них заметил вторую пару про­ водов. Оказалось, что лампочка была включена в... обыч­ ную электрическую сеть.

Американец не смутился и попытался оправдаться:

— О, к сожалению, сейчас элемент не работает, но во время испытаний он действовал исправно, и мы надея­ лись, что в Москве он не откажет...

Это, конечно, курьезный случай. Однако возможность создания миниатюрных топливных элементов, которые питали бы в дальнем походе радиостанцию геологов, обеспечивали совхозные фермы и колхозные тока элек­ троэнергией, когда рядом нет ТЭС и ГЭС, не исключена.

Каков же принцип работы топливного элемента? Батарейкой для карманного фонаря пользовался каж­

дый. Когда она дает ток, в ней протекает химическая ре­ акция— цинк «сгорает». Если электрохимический про­ цесс прекратится, батарейка «садится», и мы ее выбрасы­ ваем. Но если бы мы постоянно пополняли батарейку ис­ ходными веществами, участвующими в процессе, то она могла бы служить как угодно долго. В автомобильных свинцовых аккумуляторах мы так и делаем, и поэтому они не выходят из строя. Однако для того чтобы запра­ вить аккумулятор, необходимо его снять с машины, от­ везти на специальную заправочную станцию. Короче го­ воря, для восполнения его сил нужен внешний источник тока.

44

Принцип работы топливного элемента основан на пос­ тоянной подаче в него веществ, участвующих в электро­ химическом процессе. В качестве горючего можно исполь­ зовать 'природное топливо — уголь, нефть, газ и продукты их переработки.

Инженеры и ученые стремятся создать «несадящуюся» батарейку, чтобы котел тепловой станции, на подо­ прев которого уходит опромнюе количество топлива, заме­ нить своеобразным высокоэффективным гальваниче­ ским элементом.

Однако исследователи столкнулись здесь с целым ря­ дом труднорешимых технических проблем, и поэтому они на некоторое время переключились на работу с газооб­ разным горючим. Это тактика полководца, который гото­ вит наступление: сначала провести детальную разведку тылов врага, а потом уже, зная расположение всех укреп­ лений, стремительно ударить по передовым позициям. Ис­ следования процессов, происходящих в топливных эле­ ментах при газовом горючем, без сомнения, -помогут ре­ шить проблему применения твердого топлива.

Как же работает топливный элемент?

В раствор, проводящий ток, погружаются два электро­ да, к которым подводятся водород и кислород. Образуют­ ся положительные ионы водорода и отрицательные ионы гидроксила, которые, соединяясь, дают воду. Однако, для того чтобы соединиться, ионы водорода должны «пропу­ тешествовать» по раствору от водородного электрода к кислородному. В это время по внешней цепи идет ток.

Это работа так называемого низкотемпературного топливного элемента. Теоретически в такой установке можно почти полностью использовать горючее, однако при техническом решении, как всегда, потери неизбежны. И все же коэффициент полезного действия некоторых схем топливных установок достигает 70 процентов и да­

45

же выше. Основная трудность создания подобных элемен­ тов— подбор электродов, которые обеспечивали бы боль­ шую скорость образования ионов на их поверхности... .

Водород очень дорогое топливо, и поэтому сейчас уче-, ные пытаются заменить его дешевыми горючими, вещест­ вами— летучими углеводородами и другими соединени­ ями, которые получаются в результате переработки твердого топлива.

Есть и другой вид топлив1ных элементов—высокотем­ пературные. Они работают при температурах порядка 1000 градусов. Вместо водного раствора в таком топлив­ ном элементе применяется определенный проводник тока, который может .находиться как в расплавленном, так и в твердом состоянии. Если в водной среде роль носителей тока выполняют ионы, то в высокотемпературном элемен­ тен— атомы или группа атомов.

Здесь основная трудность — подбор электролита, ко­ торый должен обладать совершенно особыми свойствами, плохо сочетающимися друг с другом. Поиски ученых на­ поминают попытки «примирения» двух непримиримых врагов. Создать высокотемпературный элемент несрав­ ненно труднее, чем низкотемпературный, однако возмож­ ности использования в них различных горючих веществ гораздо шире. Вполне вероятно, в будущем удастся по­ лучить топливный элемент, который работал бы непос­

редственно на угле.

Высокая эффективность, бесшумность работы, отно­ сительная простота и «всеядность» топливных элементов делают их незаменимыми для техники будущего. Они, возможно, будут широко применяться для питания аппа­ ратуры космических кораблей, в автомобильном и же­ лезнодорожном транспорте, в авиации, на строительстве, и в сельском хозяйстве. Вероятно, в будущем появятся и мощные электрические станции, сердцем которых ста-

46

«ут блоки топливных элементов. На такой станции не будет ни котлов, ни генераторов, ни сложного и дорого­ го оборудования атомных станций. Автоматизировать электростанции, на которых нет машин и механизмов, основанных на вращательном движении и требую­ щих постоянного надзора, гораздо легче, чем обычные тепловые и гидравлические станции. Это будут электро­ станции-автоматы, о которых сегодня можно только мечтать.

Трудностей в этой области энергетики еще очень мно­ го, но наши ученые успешно их преодолевают, и можно надеяться, что в ближайшие годы энергетика на базе топ­ ливных элементов получит «визу» на широкое примене­ ние в народном хозяйстве.

Электростанция в ...пустыне

Город Солнца Гелиоград. Еще вчера здесь господст­ вовали пески и знойное дыхание самумов выжигало все живое. А сегодня широкие проспекты раскинулись вдоль искусственного озера, тянущегося к горизонту, земля рас­ цвела садами и парками, на окраинах города выросли заводы и фабрики...

Мертвую пустыню вернула к жизни наша дневная звезда, то самое Солнце, которое безжалостно уничтожа­ ло здесь малейший признак жизни. Человек «приручил» его, превратил из своего врага в преданного и всемогуще­ го друга.

Солнечные лучи начали нагревать котлы с водой. Во­ да по трубам побежала к турбинам и привела их в движение. С помощью электроэнергии геологи пробили многокилометровый панцирь земли и вывели на поверх­ ность подземное озеро. Энергия, которой щедро снабжа­ ет человека в этих краях Солнце, властно начала прео­

бразовывать природу. Голубые ленты каналов отвели во­ ду далеко в сторону, потянулись из земли стройные де­ ревца, поля покрылись белым одеялом хлопка...

Однако гелиопаровые станции — давно пройденный этап для инженеров и ученых, которые проектировали и строили Гелиоград. Ведь еще в тридцатых годах в Турк­ менской OOP начала работать баня, не требующая в летнее время ни грамма топлива. Сейчас в Гелиограде широко используются так называемые солнечные бата­ реи, родные сестры тех маленьких «электростанций», ко­ торые снабжали энергией первые советские космические спутники и лунники.

В лабораториях же Гелиограда изучаются новые виды солнечных батарей — термоионные. Если коэффициент по­ лезного действия кремниевых батарей равен всего десяти процентам, то новых — в три раза больше! Принцип ра­ боты их довольно прост. В_вакуум помещаются две плас­ тинки. Небольшое сферическое зеркало направляет пучок света на одну из них. Из пластинки выбиваются электро­ ны. Своеобразное «электронное облако» с большой ско­ ростью устремляется к другой пластинке. Если подобрать соответствующие материалы, то обе пластинки можно со­ единить проводником, по которому потечет ток.

Но это лишь исследования, а пака в Гелиограде широ­ ко применяются обычные кремниевые батареи...

— Постойте, — остановит нас читатель, — я что-то не слышал о таком городе. Посмотрел для проверки карту, но там тоже Гелиоград не обозначен.

Предупреждаем менее расторопных: действительно, такого города Солнца пока не существует. Подчеркиваем: пока. Но он будет построен! Можно даже указать точное место — пустыня КаранКум.

Гелиоград — город мечты. Правда, мечты осуществи­ мой. Уже сегодня можно начать его строительство, но та­

48

кой город слишком дорого обойдется государству. В бу­ дущем же, когда стоимость чистого кремния снизится в несколько раз, Гелиоград станет реальностью.

Солнце и кремний.,. Почему мы ставим их рядом, ког­ да начинаем разговор об использовании энергии солнеч­ ных лучей?

Солнце ежесекундно выбрасывает в пространство огромное количество энергии. [Нашей планете достается лишь незначительная ее часть—.«всего» около 17 000 мил­ лиардов киловатт. Но эта «капелька» в десять тысяч раз превышает количество электроэнергии, которое выраба­ тывают все электростанции земного шара!

Не удивительно, что ученые на протяжении многих лет пытаются использовать эту поистине неисчерпаемую кла­ довую природы. Однако простых и надежных гелиоуста­ новок получить не удавалось, пока...пока тридцать лет назад замечательный советский физик академик Абрам Федорович Иоффе не предложил использовать в качестве «трансформаторов» солнечных лучей материалы, облада­ ющие .полупроводниковыми свойствами, то есть они не проводят тока и не могут служить изоляторами.

Но «равнодушие» проводников к электрическому току оказалось мнимым. .После долгих исследований и мно­ гочисленных опытов удалось установить, что полупровод­ ники способны преобразовывать тепло в электричество.

Ученые начали внимательно присматриваться к крис­ таллам чистых полупроводников, особенно кремнию. И оказалось, что при обработке кремниевой пластинки с одной стороны фтором такой элемент становится своеоб­ разным аккумулятором. Одна сторона у него под дейст­

вием солнечных лучей накапливает электроны,	а дру­
гая в это время заряжается положительно.	При сое­

динении их проводником цепь замыкается и возникает электродвижущая сила.

4 Зак. 67

49