2.6 Магнитно-гидродинамические установки (мгду)
Перспективным также является использование электростанций на базе магнитогидродинамического генератора. Цикл МГДУ такой же как ГТУ, т.е адиабатное сжатие и расширение рабочего тела, изобарный подвод и отвод теплоты, но в отличии от ГТУ на этих установках осуществляется безмашинное преобразование тепловой энергии в электрическую
Сжатый в компрессоре воздух и подогретый в вохдухоподогревателе до 1100-1200С и топливо поступают в КС. Образовавшиеся продукты сгорания с температурой 2500-2700С становятся ионизированными вследствие диссоциации некоторой части газов с высокой температурой. Для увеличения концентрации ионизированных частиц газа вводят легко ионизированные присадки (соликарды). Ионизированный поток газа попадает в МГД канал и движетсяся со скоростью около 700м/с. В МГД канале с помощью электромагнита создается мощное магнитное поле. Под его действием частицы изменяют прямолинейное направление движения и движутся в направлении перпендикулярном траектории и вектору магнитной индукции. Они попадают на электроды и в цепи возникает постоянный электрический ток. Газовыходящие из МГД каналы имеют температуру 1800-2000С. Поэтому их тепло используют не только для подогрева воздуха сжимаемого компрессора, но и для получения пара, используемого в паровой турбине. КПД в МГДУ может достигать 50-55%. Около 50% мощности генерируется в МГД канал, остальное в паровой турбине. Элетростанции на базе МГДУ значительно < загрязнение окруж. среды. 1ый полномасштабный опытный образец МГДУ впервые был построен в СССР. В наст.время такие установки пока не используются, т.к существует проблема материалов, которые могли бы длительное время работать при высоких температурах, не разрушаясь. В качестве таких материалов можно использовать оксиды металлов, например, диоксид циркония. Предполагается, что МГД генераторы будут использоваться на АЭС. Камеру сгорания может заменить атомный реактор. В качестве рабочего тела можно использовать легкоионизирующейся газ, например, гелий. В качестве присадки можно использовать более дорогой но значительно увеличивающий электропроводность металл – цезий. Мах температура гелиево-цезиевой установки должна составить около 1500С. Пока ядерных реакторов, в которых можно получить такую температуру не существует, но вполне вероятно, что они появятся в недалеком будущем.
2.7 Топливные элементы
В настоящее время для выработки электрической энергии для выработки электроэнергии используют топливные элементы. Эти элементы преобразуют энергию химических реакций в электрическую энергию. Химическая реакция представляет собой перераспределение электронов между атомами. Если разделить в пространстве выделение электронов на аноде и их поглощение на катоде, то можно получить электрический ток в проводнике, следовательно происходит непосредственное превращение химической энергии в электрическую. Этот процесс осуществляют в топливном элементе. Это обычный электрохимический элемент, в котором активные вещества (H2, O2) подаются из вне, а материал электрода в электрохимической реакциях не расходуется. Впервые такой элемент был разработан в Англии в 1938 году Беконом.
Схема топливного элемента
Топливный элемент имеет два пластинчатых электрода из пористого губчатого никеля. Между электродами находится электролит. Электроды омываются газами: анод – водородом; катод – кислородом. Молекулы Н2 сначала диссоциируют на атомы, а атомы на ионы и электроны. Электроны уходят из анода по внешней цепи к катоду и возникает электрический ток.
Ионы водорода проходят через электролит к катоду. На катоде они вступают в реакцию с кислородом и поглощаются им. Из внешней цепи также поступают электроны, в процессе реакции образуется вода. Величина напряжения в топливном элементе в среднем 1В, поэтому для получения тока высокого напряжения требуется соединить большое количество топливных элементов. Рассмотренный топливный элемент работает только на чистом водороде, т.к. электролит пропускает ионы водорода. Водород обычно получают из природного газа.
В настоящее время разработаны топливные элементы, работающие на природном газе. В этих топливных элементах используется твердый электролит, например, пористый оксид циркония, который с двух сторон покрыт электродами. Т.к. в топливном элементе через твердый электролит диффундируют ионы кислорода, то на катоде они могут окислять не только водород, но и различные углеводороды из которых состоит природный газ.
Скорости хим. реакций увеличиваются с повышением рабочей температуры, поэтому разрабатывают не только низкотемпературные топливные элементы с t=80-100C, но и среднетемпературные ТЭ с t=200С и высокотемпературные t=650-1000С.
К низкотемпературным ТЭ относятся: ТПТЭ (твердополимерные) и ЩТЭ (щелочные)
К среднетемпературным ТЭ относятся: ФКТЭ (фосфорокислые)
К высокотемпературным ТЭ относятся: РКТЭ (с расплавленным карбонатом) и ТОТЭ (твердоксидные)
Т.к. процесс превращения хим. энергии топлива в электрическую не связан с превращением ее в теплоту, поэтому КПД ТЭ примерно равняется 70-80%.
Работа ТЭ связана с выделением тепла. Низкотемпературные ТЭ работают на чистом водороде и дают дистиллированную воду с температурой 60-80С. Тепловыми отходами высокотемпературных ТЭ, которые работают на природном газе являются влажный газ с температурой 650С и выше. Отходы с такой температурой можно использовать не только для нагрева воды, но и для получения пара.
В настоящее время при разработке ТЭ стараются уменьшить размеры ТЭ за счет увеличения температурных скоростей, а также диффузии ионов методом подбора электролитов и катализаторов.
В настоящее время электрогенераторы на базе ТЭ значительно дороже генераторов с паротурбинным или приводом от ДВС такой же мощности. Но совершенствование ТЭ и увеличение их выпуска должно привести к снижению их стоимости.