Термодинамические и термоэлектронные преобразователи

В отличие от известных теплоэнергетических установок, в которых химическая энергия топлива сначала превращается в тепловую, затем в механическую и только после этого в электрическую. В настоящее время разработаны методы и устройства прямого преобразования тепловой или химической энергии в электрическую. Эти устройства называются термоэлектрическими установками, термоэлектронными преобразователями и топливными элементами.

Термоэлектрические установки в своем составе имеют термобатареи, набранные из разнородных или полупроводниковых термоэлементов (термопар), соединенных последовательно или параллельно, а также теплообменники горячих и холодных спаев термобатарей (термопар).

Если горячие спаи поместить в источник теплоты с Т₁, а холодные спаи в холодный источник с Т₂, тогда в цепи возникает термоЭДС, а при замыкании на внешнее сопротивление образуется электрический ток (эффект Зеебека) и будет совершаться работа тока, равная произведению разности температур на величину тока, т.е.

L = E ∙ J = α(Т₁ - Т₂)∙J, (4.48)

где Е – термоЭДС;

α – коэффициент термоэлектрической способности термопары, берется из специальных табл. (МкВ/^оС), J –сила тока, А.

Величина Е зависит от температур горячего Т₁ и холодного Т₂ контактов и от материала проводника. Наибольшее значение Е в полупроводниках и их сплавах.

Термический КПД (без учета необратимых тепловых потерь, обусловленных теплопроводностью электродов) определяется по формуле

с учетом потерь (4.49)

где и - абсолютный и относительный электрический КПД;

- учитывает тепловые потери.

При значительно широком диапазоне температур (верхних предел 1300 – 1500 К) значение термоэлектрических устройств не более 15 %. Термоэлектрические устройства подразделяются на низко – 20 ÷ 300 ^оС, средне – 300 ÷ 600 ^оС, высокотемпературные – 600 ÷ 1000 ^оС. А также подразделяются по материалам, области применения, типу источника теплоты.

Достоинства:

- отсутствие движущихся частей;

- высокая надежность;

- простота обслуживания.

Термоэлектронные преобразователи (генератор) энергии (рис. 4.15). Их действие основано на «испарении» (или термоэмиссии) с поверхности нагретого металла катода свободных электронов, которые пролетев межэлектродный промежуток, конденсируются на поверхности холодного металла (анод). В результате в цепи составленной из двух электродов с разными температурами образуется термоэлектрическое поле и после включения между электродами внешнего потребителя создается электрический ток.

Для устранения потерь, обусловленных теплопроводностью, между электродами поддерживается вакуум.

Простейшая схема термоэлектронного преобразователя приведена на рис. 4.15.

Катод и анод изготовлены из тугоплавких металлов (No, W, Re) разделены вакуумным промежутком (несколько десятых долей мм). К катоду подводится теплота, достаточная для возникновения термоэлектронной эмиссии с поверхности металла. Электроны (3) преодолевают межэлектродное пространство попадают на поверхность анода, создавая на нем избыток отрицательных зарядов и увеличивая его отрицательный потенциал.

Если будет непрерывно подводиться теплота к катоду и соответственно охлаждаться анод, тогда во внешней цепи будет поддерживаться электрический ток и совершаться работа. Для получения оптимальной работы выхода на катоде (т.е. ≈ 2,5 ÷ 2,8 эв) и на аноде (≈ 1,0 ÷ 1,7 эв) в зазор между ними вводят легкоионизируемые пары цезия (Cs). Положительные ионы цезия образуются при столкновении атомов цезия с тепловыми электронами на катоде и аноде, что интенсифицирует ионизацию и соответственно работу выхода. В современных термоэлектронных преобразователях при температурах электродов 1700÷2000К на катоде и 800 ÷ 1100 К на аноде; их удельная мощность достигает десятков Вт/см² и («топаз» - 10 кВт) электрический КПД ≈ 20 %.

Рис. 4.15. Схема термоэлектронного генератора энергии:

К – катод, А – анод, R – внешняя нагрузка,

Q_к – теплота, подводимая к катоду, Q_а – теплота, отводимая от анода,

О-1 – атомы; 2 – ионы, Θ 3 - электроны

По роду источника теплоты различают: ядерные, солнечные, газопламенные, на тепле от сжигания органического топлива.

Достоинства:

- отсутствие движущихся деталей;

- компактность;

- высокая надежность.

Топливные элементы (ТЭ) – важнейшая составная часть электрохимического генератора, обеспечивающая прямое преобразование химической энергии топлива и схема ТЭ приведена на рис. 4.16.

Основу ТЭ составляют два каталитически активных пористых электрода (3), разделенные твердым или жидким электролитом (4). Топливо (В) и окислитель (А) подаются в полости (1 и 2), граничащие с электродами соответственно к аноду и катоду.

На поверхности раздела (контакта) электролит – электроды в присутствии катализатора происходят реакции окисления и восстановления. В результате которых на аноде молекулы топлива (В) распадаются на атомы, которые образуют положительные ионы (В⁺), на катоде молекулы окислителя (А^-) также распадаются на атомы, которые соединяются с электронами и образуют отрицательные ионы (А^-). Образовавшиеся (В⁺) и (А^-) устремляются через электролит – первые к катоду, создавая (+) потенциал, а вторые к аноду, создавая (-) потенциал, в результате во внешней цепи образуется электрический ток и конечный продукт реакции АВ (например, нейтральные молекулы воды).

Рис. 4.16. Схема электрохимического генератора энергии:

Суммарная реакция имеет вид

А + В = АВ + Q +Е_пол, (4.50)

где Е_пол – полезная работа.

ТЭ различаются:

- по рабочим температурам от +20 ^оС до 1000 ^оС;

- видам используемого топлива – водород, водородосодержащие вещества, металлы и др;

- то же окислителя – кислород, кислородосодержащие вещества, хлор и др.;

- катализатора – платина, серебро, никель и др.;

- электролита – щелочи, кислоты, окислы металлов, растворы солей и др.

Практически созданы: водородно-кислородные ТЭ с раствором щелочи КОН, работают при температуре ≤ 100 ^оС, рабочее напряжение ≈ 1 В (один вольт), поэтому отдельные ТЭ соединяются в батареи.

Достоинства:

- КПД газовых батарей ≈ 65 %;

- ресурс тысяча часов.

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключаются преимущества установок с МГД -генератором?

2. Каким образом повышается электропроводность плазмы в канале МГД -генератора?

3. Опишите принцип действия топливного элемента.

4. В чем заключается принципиальное преимущество установок прямого преобразования энергии по сравнению с современными теплосиловыми установками?