4.4.2. 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,
Qк – теплота, подводимая к катоду, Qа – 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:
1 и 2 – полости для размещения топлива (В) и окислителя (А); 3 – пористые электроды; 4 – электролит; А – окислитель; В – топливо; АВ – продукты реакции окисления и восстановления; R – сопротивление внешней нагрузки; J – электрический ток, совершающий полезную работу; Q – теплота, выделяющаяся (или поглощающаяся) в результате реакции |
Суммарная реакция имеет вид
А + В = АВ + Q +Епол, (4.50)
где Епол – 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.