Реферат Энергетика 2
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Энергетика
Важным вопросом станет обеспечение энергетических потребностей Дальнего Востока. Естественно, что необходимо развивать наиболее экологически чистые энергетические источники. Среди тепловых энергоисточников это прежде всего газ. Газовые месторождения имеются на шельфе Сахалина, а также в Иркутской области. Не исключено открытие в восточносибирском и дальневосточном регионе новых крупных нефте- и газоносных провинций, особенно в зоне полярных морей. Дальний Восток богат гидроэнергетическими ресурсами. Но нужно учитывать весь печальный опыт развития гидроэнергетики в мире и в СССР. Можно использовать энергию рек. Но только очень осторожно, чтобы не создавать гигантских морей там, где их не должно быть, и при тщательном экологическом контроле.
Но нельзя сбрасывать со счета и атомную энергетику. Однако существующая ядерная энергетика, как нам представляется, не может быть использована на Дальнем Востоке.
Вот почему. Существующая энергетика слишком потенциально опасна. Катастрофа типа чернобыльской в ней не может принципиально быть устраненной, хотя вероятность и может быть снижена. Но что значит вселенская катастрофа даже при малой вероятности? Ведь не надо думать, что следующая катастрофа, если она разразится, пойдет по чернобыльскому типу. Она может вновь оказаться совершенно непредвиденной. Жить на пороховом складе, даже принимая все возможные меры безопасности, некомфортно. Ведь могут быть явления и нечеловеческого характера, которые мы вообще не можем предотвратить и даже предвидеть. Например, падение того же метеорита или еще бог знает что.
Представляется, что современная ядерная энергетика пошла по неверному пути развития.
В чем суть самого развития энергетики? В энергетике развитие всегда идет вслед за исходным энергетическим агентом – топливом. Приведем пример из бытовой энергетики.
На первых порах энергетическим агентом был хворост, сушняк, верблюжья колючка, кизяк. И именно для такого вида топлива был разработан специальный бытовой энергетический реактор в виде домашнего очага (фактически, костра в центре юрты, сакли и т.д.). Новый вид топлива – дрова – вызвали и новый бытовой энергетический реактор в виде русской печи. Зольность дров низка, поэтому нет специального золонакопителя. Скорость горения высока, поэтому с целью аккумуляции тепла она делается весьма массивной. Температура горения не очень высока, потому можно готовить прямо в самой печи.
Появляется уголь и с ним новый энергореактор – голландская печь и угольная плита. Здесь уже имеется золонакопитель, имеются колосники для доступа воздуха в зону горения, ввиду большой теплоемкости золы размеры самой печи существенно уменьшаются. Приготовление пищи осуществляется вне печи на специальной плите.
Появляется газ, и новый энергореактор – газовая печь. Хотя ведь можно было бы просто вставить газовую форсунку в обычную плиту, что и делалось в первое время. Но затем была создана специальная газовая печь, которая приспособлена именно под газ, но не под дрова или уголь.
Наконец, появляется атомная энергия и под нее используется специальный энергетический реактор – электроплита. Никто же не додумался сделать маленький атомный реактор для установки в каждой квартире.
Мы видим, что каждый вид топлива требует собственного конструктивно-технологического решения энергетического устройства.
А что же произошло в области промышленной энергетики?
Именно под уголь была разработана существующая тепловая электростанция. Ее можно еще использовать под жидкое топливо. Но уже для газа предпочтительней использовать газотурбинную энергетику.
А когда появилось ядерное топливо, то инженеры ничего не придумали лучше, чем использовать для него обкатанную на угле схему парового котла. Но это совершенно неверное решение. Свойства ядерного топлива и химического топлива настолько различаются, что решение, хорошее для угля, оказывается плохим и даже опасным для ядерного горючего. Вот почему взорвался Чернобыль, почему регулярно происходят аварии на АЭС той или иной степени тяжести, почему в любой момент может случиться новый Чернобыль. Потому что сама схема использования ядерного горючего не органична, не имманентна его свойствам. Ядерная энергетика пошла по ложному пути. К сожалению, денег в этот ложный путь вложено столько, что перейти на верный путь очень сложно, но нужно начинать хотя бы на Дальнем Востоке.
Ядерное горючее требует создания собственного, специфического способа его использования, который бы максимально использовал положительные особенности ядерного топлива и максимально уменьшал вред и опасности его отрицательных сторон.
И такой способ уже предложен, причем в качестве сторонника новой ядерной энергетики выступал выдающий советский ученый академик Андрей Дмитриевич Сахаров.
Это гейзерная ядерная электростанция.
гейзеры – горячие, периодически фонтанирующие (на десятки метров) источники. Великий Гейзер в Исландии (к востоку от Канады). Температура + 75 – 100° С. Существуют гейзерные электростанции в Италии, Исландии, Калифорнии, на Камчатке
Известны хорошо станции на подземных термальных источниках. Где-то в недрах имеются нагретые, например, магмой слои земли. Там образуется горячая вода. Иногда она сама выходит наружу в виде гейзеров. Но если пробурить скважину до этих слоев, то горячая вода сама начнет подыматься вверх, превращаться в пар и этот пар можно пустить для выработки электроэнергии или для тепловых нужд. Такие станции есть на Камчатке, они широко используются в Исландии. Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится-нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов. Маленькая европейская страна Исландия- "страна льда" в дословном переводе- полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами!
Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли- других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла под- земных источников (еще древние римляне к знаменитым баням-термам Каракаллы- подвели воду из-под земли), жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно. Столица - Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников. Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера Лардерелли, который еще в 1827 году составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины-360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе
Вайракеи, ее мощность 160 тысяч кило- ватт. В
Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч кило- ватт.
Гейзерная станция требует тепла от подземных источников. Но почему не создать в глубине земли искусственный тепловой источник? Тогда мы получим ту же самую гейзерную, гидротермальную станцию тепло или электроснабжения, но на топливе.
Понятно, что на угле или даже мазуте такой тепловой источник не создашь, ибо ему требуется большое количество воздуха, нужно подвозить и сгружать вниз громадное количество угля и удалять большое количество золы. Но почему бы ни создать такой источник на ядерном топливе? Воздух ему не нужен, загружать топливом можно раз в год, а то и реже, отходы тоже можно удалять совместно с загрузкой, причем оставлять их там же, под землей на длительное время (сотни лет, пока работает эта станция), а если есть необходимость их перерабатывать, то и перерабатывать можно на месте под землей, даже не вынимая на поверхность и не перевозя в другое место. Так используются достоинства. А недостатки максимально нейтрализуются. Даже самый страшный взрыв на глубине километр под землей вовсе не то, что на поверхности земли. Никакой опасности радиационного заражения поверхности земли. А уровень радиационного заражения подземного пространства при правильной работе не будет превышать уровня радиоактивности на естественных урановых подземных месторождениях. А таковых много, и на жизни на Земле они никак не отражались и не отражаются, а наоборот, многие из них становятся даже курортами.
Здесь нет места техническим деталям. Скажем лишь, что именно гейзерные электростанции с использованием как естественных подземных источников тепла, как, например, на Камчатке, так и искусственных, на основе ядерных реакторов, и должны занять на Дальнем Востоке важнейшее место.
Ядерную гейзерную станцию в качестве станций теплоснабжения можно разместить прямо под городом, на глубине от сотен до двух-трех тысяч метров. Такие станции дадут самое экологически чистое тепло для городов и окажутся самыми дешевыми, что особенно важно северных территорий, в которых проблема тепла самая важная и по стоимости занимает большую часть в жизнеобеспечении и в производственных затратах. Создав такие станции, получив в руки дешевые и экологически чистые источники тепловой энергии, мы решим проблему экономики проживания и производства на Северах.
Только реактор, над которым километр или два земли, может считаться вполне безопасным и укрощенным. А в остальных случаях он опасен.
Общие сведения о термоэлектрических генераторах.
Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) представляют собой полупроводниковые термопары и предназначены для прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию. они используются в передвижных АЭУ , питающих труднодоступные объекты, которые монтируются в отдаленных районах Земли
(автоматические метеостанции, морские маяки и т.п.). В перспективе такие объекты могут монтироваться на Луне или на других планетах. В качестве источников тепла для подвода к горячим спаям ТЭГ : радиоактивные изотопы
(РИТЭГ), ядерные реакторы (ЯРТЭГ), солнечные концентраторы различного исполнения (СТЭГ). Ориентировочно принимают, что при электрических мощностях от 1 до 10 кВт на КЛА целесообразны РИТЭГ и СТЭГ, а при повышенных уровнях мощности - ЯРТЭГ. Последние наиболее перспективны для
АЭУ КЛА.
Достоинства ТЭГ: большой срок службы, высокая надежность, стабильность параметров, вибростойкость. Недостатки ТЭГ: невысокие относительные энергетические показатели: удельная масса 10-15 кг/кВт, поверхностная плотность мощности 10 кВт/м2 (на единицу поперечного сечения элемента ), объемная плотность мощности 200-400 кВт/м3 и сравнительно низкий КПД преобразования энергии (5-8%). Применительно к ЛА ТЭГ представляют собой батареи кремне-германиевых термоэлектрических элементов
(ТЭЭ), которые по матричному принципу соединены в ветвях последовательно, а ветви могут иметь между собой параллельные соединения. Батареи ТЭЭ заключены с герметичные контейнеры, заполненные инертным газом во избежание окисления и старения полупроводников. Плоские или цилиндрические конструкции ТЭГ снабжаются устройствами для подвода тепла на горячих спаях и для его отвода на "холодных" спаях полупроводниковых термостолбиков.
Конструкция силовых электровыводов ТЭГ должна обеспечивать одновременно термоплотность и электрическую изоляцию от корпуса (контейнера), что представляет достаточно сложную техническую задачу.
2) Физические основы работы термоэлектрических генераторов.
В основе действия любого ТЭЭ лежат обратимые термоэлектрические эффекты Пельтье, Томсона (Кельвина) и Зебека. Определяющая роль в ТЭГ принадлежит эффекту термо-ЭДС (Зебека). Преобразование энергии сопровождается необратимыми (диссипативными) эффектами: передачей тепла за счет теплопроводности материала ТЭЭ и протекании тока. Материалы ТЭЭ с приместной электронной и дырочной проводимостью получают введением легирующих добавок в кристаллы основного полупроводника.
[pic]
Рис. 1. Принципиальная схема элементарного полупроводникового ТЭГ
При рабочих температурах Т 900 100 К целесообразны сплавы 20-30% Ge-
Si, а при Т 600 800 К - материалы на основе теллуридов и селенидов свинца, висмута и сурьмы. Схема кремниевого ТЭЭ показана на рис. 1. Тепло
Q1 подводится к ТЭЭ (ТЭГ) через стенку нагревателя 1 с помощью теплоносителя ( например жидкометаллического), тепловой трубы или при непосредственном контакте с зоной тепловыделения реактора. Через стенку 7 холодильника тепло Q2 отводится от ТЭГ (излучением, теплоносителем или тепловой трубой). Спаи полупроводниковых кристаллических термостолбиков 4 и
9 образованы металлическими шинами 3 и 5, 8, которые электрически изолированы от стенок 1 и 7 слоями диэлектрика 2, 6 на основе оксидов температур Т = Т1-Т2.
Эффективность ТЭГ обеспечивается существенной разнородностью структуры ветвей 4 и 9. Ветвь р-типа с дырочной проводимостью получается введением в сплав Si-Ge акцепторных примесей атомарного бора В. Ветвь п- типа с электронной проводимостью образуется при легировании Si-Ge донорными атомами фосфора Р. Из-за повышенной химической активности и малой механической прочности полупроводниковых материалов соединение их с шинами
3, 5, 8 выполняется прослойками из сплава кремний-бор. Для достижения стабильной работы батарея ТЭЭ герметизирована металлической кассетой, заполненной аргоном.
Эффект Пельтье. В пограничной плоскости - спае разнородных полупроводников (или металлов) - при протекании тока I поглощается тепло
Qп, если направление тока I совпадают с направлением результирующего теплового потока ( который возник бы при подогреве спая). Если же направления тока I и этого потока противоположны, Qп происходит от внешнего источника тепла (из нагревателя потребляется дополнительная энергия) либо из внутренних запасов энергии, если внешний источник отсутствует ( в этом случае наблюдается охлаждение спая). В замкнутой на сопротивлении Rп термоэлектрической цепи ТЭГ на горячих спаях столбиков ТЭ тепло Qп поглощается (эндотермический эффект). Это охлаждение Пельтье надо компенсировать дополнительным подводом тепла Qп извне. На холодных спаях тепло Пельтье выделяется (экзотермический эффект). Выделившееся тепло Qп необходимо отводить с помощью внешнего охлаждающего устройства. Указанные явления обуславливаются перераспределением носителей зарядов (электронов) по уровням энергии: при повышении средней энергии электронов ее избыток выделяется в спае. Тепло Пельтье пропорционально переносимому заряду: [pic] где =(Т) - коэффициент Пельтье [pic]
Электрический ток I=dq/dt, следовательно, энергия (за время t )
[pic] а тепловая мощность
[pic]
Обратимость эффекта Пельтье состоит в том, что при питании цепи током I от внешнего источника характер теплового действия I на спай можно изменять реверсированием направления тока . На этом основано создание термоэлектрических нагревателей и холодильников. Последние имеют больше практическое значение.
Эффект Томсона (Кельвина) . Эффект Томсона относится к объемным
(линейным) эффектам в отличие от плоскостного (точечного) эффекта Пельтье. при протекании тока I по термически неоднородному полупроводнику (или проводнику) на его отрезке (х1,х2) с перепадом Т1-Т20 в случае совпадения направлений тока и градиента [pic] выделяется тепло Томсона Qт (нагрев отрезка). При встречных направлениях I и Т тепло Qт поглощается (охлаждение отрезка). Эффект объясняется изменением энергии движущихся электронов при перемещении в область с иным температурным уровнем. При реверсе направления I наблюдается обратимость эффекта Томсона, т.е. перемена экзо- или эндотермического характера теплового действия. Теп ловя энергия пропорциональна току I и перепаду Т т.е. [pic] причем dT=|T|dx. Следовательно (для [pic] на р- и п-участках),
[pic]
Здесь [pic] - среднее значение коэффициента Томсона для данного материала.
В одномерном случае |T|=dT/dx. Тепловая мощность [pic]
Количественное значение эффекта Томсона второстепенно.
Эффект Зебека. В цепи двух разнородных проводников или полупроводников, спай и концы которых имеют перепад температур, возникает элементарная термо-ЭДС dE=Z(T)dT или ЭДС
[pic] причем среднее значение коэффициента Зебека
[pic]
Эффект обратим: если соотношение [pic] заменить на [pic], то направление действия Е меняется, т.е. происходит реверс полярности ТЭЭ. Обратимость эффекта Зебека сопровождается обратимостью эффекта Пельтье.
Принцип работы ТЭЭ. (рис. 1). Кинетическая энергия электронов на конце цепи с [pic] выше, чем на "холодных" концах с Т=Т2 , следовательно, преобладает диффузия электронов от горячего спая к холодным концам. концентрация электронов в р- и п-ветвях различна, поэтому более отрицательный потенциал получает конец термостолбика п-типа, по отношения к которому конец столбика р-типа имеет положительный потенциал. Разность потенциалов Е=Z(T1-T2) обуславливает ток I ( при замыкании цепи на сопротивление Rн нагрузки) и полезную электрическую мощность [pic] Работе ТЭГ сопутствуют обратимые эффекты.
3)Батареи термоэлектрических элементов.
Для получения в ТЭГ характерного напряжения U30 В при ЭДС одного ТЭЭ
Е0,10,3 В требуется последовательно соединить в батарею примерно N102 ТЭЭ. при заданных размерах сечения термостолбика и уровнях тока I нагрузки необходимое число параллельных ветвей в батарее определяется плотностью тока J=I/s10 A/см2. Для КЛА выполняются батареи ТЭГ мощностью от единиц до сотен ватт. В СССР для стационарных и передвижных АЭУ созданы РИТЭГ серии
"Бета" мощностью до 10 Вт на радиоактивном изотопе церия 144Се. Плоские и цилиндрические варианты ТЭГ определяются их компоновкой в блоке. Каскадное соединение ТЭГ позволяет повысить КПД преобразования энергии до 0,13. В целях уменьшения удельной массы ТЭГ разработаны многослойные пленочные ТЭЭ. представляет интерес создание в перспективе ТЭГ в виде экспериментальных реакторов-генераторов на базе интегрального исполнения ТЭЭ и тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) из делящихся соединений типа сульфидов урана или тория, которые обладают полупроводниковыми свойствами.
Литература : Алиевский Б. Л. Специальные электрические машины. М.:
Энергоатомиздат, 1994г.
