12.7 Методы прямого преобразования энергии

Все теплоэнергетические установки, термодинамические основы работы которых были рассмотрены выше, объединяет то обстоятельство, что в них превращение химической энергии топлива в электроэнергию осуществляется ступенчато – сначала получается тепловая энергия, затем – механическая и только после этого – электрическая. Между тем в настоящее время известны и успешно разрабатываются и такие методы, в которых отсутствует промежуточная стадия получения механической энергии, т.е. осуществляется прямое преобразование тепловой или даже химической энергии в электрическую.

К числу устройств, в которых осуществляется прямое превращение тепла в электроэнергию, относятся термоэлектрические установки и термоэлектронные преобразователи; прямое превращение химической энергии топлива в электроэнергию осуществляется в устройствах, называемых топливными элементами.

Принцип действия термоэлектрической установки основан на следующем явлении, известном в физике под названием эффекта Зеебека: если спаять концами два разнородных проводника, в одном из которых имеется разрыв, и поместить спаи в источники тепла с разными температурами Т₁ и Т₂, то между ними возникнет разность потенциалов, равная термоэлектродвижущей силе

, (12.16)

где α –коэффициент пропорциональности.

При замыкании цепи на какое-либо внешнее сопротивление в ней возникнет ток I, поэтому в соответствии с законом Пельтье, также известным из физики, горячий спай будет поглощать из верхнего источника тепло в количестве , а холодный спай – отдавать тепло нижнему источнику в количестве . За счет разности этих теплот во внешнем сопротивлении будет совершаться работа тока, равная произведению разности потенциалов на ток, т.е.

. (12.17)

Если пренебречь необратимыми потерями в установке, то ее термический к.п.д. составит

, (12.18)

т.е. будет равен термическому к.п.д. цикла Карно.

В действительности в установке имеют место необратимые джоулевы потери, а в основном – весьма существеннее потери тепла, обусловленные непосредственным переходом его от верхнего источника к нижнему за счет теплопроводности электродов. Поэтому действительный к.п.д. установки, который по аналогии с теплосиловыми установками может быть назван ее абсолютным электрическим к. п. д., составит:

, (12.19)

где относительный электрический к. п. д. η_оэ учитывает вышеназванные потери.

Величина η_оэ зависит в основном от физических свойств материалов, из которых изготовлены электроды, и при использовании для этих целей чистых металлов или их сплавов не превышает сотых долей процента. Однако, как было обнаружено еще в 1929 г. советским физиком А. Ф. Иоффе, весьма значительный эффект дает применение полупроводников. Для области сравнительно низких температур пригодны легкоплавкие полупроводниковые электроды из соединений теллура (например, Bi₂Te₃ и РbТе); для более высоких температур пригодны тугоплавкие полупроводниковые электроды из соединений кремния (например, MnSi₂, CrSi₂ и MoSi₂) или некоторых окислов и их сплавов (Сг₂О₃, Сг₂О₃ + NiO).

Тем не менее даже при весьма широком диапазоне температур (при верхнем пределе 1300 –1500°К) абсолютный электрический к. п. д. термоэлектрических устройств пока очень мал (1 – 10%). Можно лишь предполагать, что применение других, еще более тугоплавких полупроводниковых материалов, позволит увеличить его до 15 –20% и даст возможность использовать эти устройства в качестве удобных автономных источников электроэнергии для потребителей малой мощности.

Принцип действия термоэлектронного преобразователя основан на том, что, как было установлено еще Т. Эдисоном в конце прошлого века, с поверхности нагретых металлов всегда происходит эмиссия свободных электронов, тем более интенсивная, чем выше температура металла. Это явление используется для создания тока в цепи, составленной из двух электродов с разными температурами и включенного между ними внешнего потребителя в виде электрического сопротивления. Для устранения потерь, обусловленных теплопроводностью, в промежутке между электродами поддерживается вакуум. Электроны эмиттируются с горячего электрода на холодный, поэтому первый из них служит катодом, а второй – анодом.

Абсолютный электрический к. п. д. термоэлектронного преобразователя представляет собой отношение электроэнергии, потребляемой внешним сопротивлением, к теплу, получаемому катодом. Часть этого тепла расходуется на обеспечение эмиссии электронов и является полезно затраченной, остальное тепло, – передаваемое с катода на анод излучением, обусловленным разностью температур, является в соответствии со вторым законом термодинамики необратимой потерей. Такой потерей является и джоулево тепло установки.

По величине к. п. д. термоэлектронных преобразователей несколько выше, чем у термоэлектрических установок, но практическое осуществление их пока еще связано с большими техническими трудностями. Не останавливаясь на этом вопросе подробно, можем лишь отметить, что в принципе представляется возможным использование таких преобразователей как в качестве удобных автономных источников электроэнергии, так и для преобразования в нее тепла отработавших газов реактивных и газотурбинных двигателей или теплоносителя ядерных установок.

Особый интерес с точки зрения энергетики будущего представляют топливные элементы, поскольку прямое преобразование химической энергии топлива в электроэнергию в принципе возможно вообще без потерь, обусловленных вторым законом термодинамики.

Принцип действия этих устройств удобнее всего пояснить на примере водородно-кислородного элемента.

Этот элемент заполнен раствором щелочи КОН, которая является электролитом, а потому ее молекулы расщеплены на положительные ионы калия К и отрицательные ионы гидроксила ОН. Слева и справа в элемент встроены каталитически активные пористые электроды, из которых один служит анодом, а другой катодом. Электроды соединены между собой через внешнее сопротивление, которым является потребитель вырабатываемой электроэнергии.

К аноду, через полость, предусмотренную с его внешней стороны, подается водород, а к катоду аналогичным способом и в эквивалентном количестве подается кислород. На аноде молекулы водорода распадаются на атомы, которые ионизируются, причем освободившиеся электроны устремляются через внешнее сопротивление к катоду, создавая этим во внешней цепи электрический ток, а положительные ионы водорода, встречаясь с ионами гидроксила, образуют нейтральные молекулы воды, поступающие в раствор. На катоде молекулы кислорода также распадаются на атомы, которые присоединяют к себе электроны и таким образом превращаются в отрицательные ионы, устремляющиеся через электролит к аноду. Встречаясь с ионами водорода, они образуют частицы гидроксила, которое также ионизируются и после второй встречи с ионами водорода превращаются в нейтральные молекулы воды.

В результате описанных реакций химическая энергия водорода преобразуется в электроэнергию, потребляемую включенным в цепь внешним сопротивлением. Напряжение тока в такой цепи составляет всего лишь около 1 в, поэтому отдельные элементы соединяются в батареи.

В качестве топлива для таких батарей можно использовать и другие горючие газы, более доступные и дешевые, чем водород; в качестве электролита можно применять расплавленные соли, что позволяет повысить температуру, а следовательно, и скорость химического процесса.

В настоящее время уже имеются лабораторные установки, в которых к. п. д. газовых батарей достигает 65%, но применению их в промышленности препятствуют малая удельная мощность и короткий срок службы (всего несколько месяцев). Когда эти препятствия будут устранены, техника обогатится новым видом энергетических установок, принципиально более совершенным, чем существующие в настоящее время.

Тема № 13

Циклы холодильных установок и тепловых насосов