0. Преобразование световой энергии

Многообещающе прямое превращение солнечной энергии в электрическую с помо- щью солнечных элементов, в которых используется явление фотоэффекта. В настоящее время наиболее совершенны кремниевые фотоэлементы. Их КПД, однако, составляет не более 15%, и они очень дороги. Существуют различные варианты промышленного фото- электрического преобразования энергии, но для реализации этих проектов предстоит про- вести большой объем научных исследований и решить серьезные научно-технические про- блемы.

0. Преобразование химической энергии

Электрохимический генератор. В электрохимических генератоpax происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую, для чего используются водо- родно-кислородные топливные элементы. Последние были применены в космических ко-

раблях серии «Аполлон» для полетов на Луну.

Топливный элемент – это обычный электрохимический элемент, отличающийся тем, что активные вещества к нему подаются извне, а электроды в электрохимических превра- щениях не участвуют.

Почему топливный элемент получил такое название и каков принцип его работы? Можно сжечь водород в атмосфере кислорода. В результате образуется вода и выделя-

ется тепло, которое затем можно использовать в теплосиловом двигателе. В топливном эле- менте также происходит реакция горения водорода, но она разделена на два процесса, в од- ном из которых участвует водород, а в другом - кислород.

На рис. 2.17 представлена схема топ- ливною элемента. Элемент состоит из двух электродов, погруженных в электро- лит. На один из них непрерывно подается водород, а на другой – кислород. Поэтому отличием топливного элемента от элек- трического аккумулятора является то, что запас горючего – водорода и окислителя - кислорода постоянно пополняется. Водо- род, попадая на металлический электрод и

находясь на разделе трех фаз: твердого электрода, электролита, газовой фазы, -

Рис. 2.17 Схема топливного элемента

переходит в атомарное состояние. Его

двухатомная молекула Н₂ разделяется на атомы, а атомы делятся на свободные электроны и ядра атомов - ионы. Электроны уходят в металл, а ядра атомов – в раствор (электролит). В результате электрод насыщается отрицательно заряженными электронами, а электролит – положительно заряженными ионами. Аналогичный процесс происходит на втором электро- де, на который подастся кислород. Вследствие происходящих у поверхности электрода про- цессов на нем появляются положительные электрические заряды. Кроме того, возникают от- рицательно заряженные ионы ОН, которые остаются в электролите и, соединяясь с ионами водорода, образуют воду Н₂О. Если соединить внешней цепью оба электрода, то возникает электрический ток. Таким путем химическая энергия превращается в электрическую.

В топливном элементе отсутствует промежуточная стадия преобразования химической энергии в тепловую, поэтому его КПД не имеет ограничений, присущих тепловому двигате- лю. КПД топливного элемента вполне может достигать 65-70%. К тому же он работает при низкой температуре.

Идея топливного элемента появилась еще в середине XIX в., но по сей день отсутствует подходящая конструкция для широкого применения. Сегодня - начальный этап применения топливных элементов. Они используются, когда не требуется большая мощность, прежде всего как автономные источники тока. Удельная мощность топливных элементов хотя и во много раз больше, чем у электрических аккумуляторов, но еще примерно в 3 раза меньше сравнению с бензиновыми двигателями.

Первыми потребителями топливных элементов будут космические аппараты, нуж- дающиеся в небольших по мощности бортовых источниках тока, и электромобили. В кос- мических аппаратах водородно-кислородные топливные элементы уже находят применение, что же касается электромобилей, то пока создаются опытные образцы.

Использование водорода в качестве топлива сопряжено с высокой стоимостью экс- плуатации топливных элементов, поэтому изучаются возможности применения других ви- дов топлива, в первую очередь природного и генераторного газа, т.к. они относятся к де- шевым видам топлива. Однако для удовлетворительных скоростей протекания реакции окисления газа необходимы высокие температуры – 800-1200 °С, что требует применения твердых электролитов с ионной проводимость

Опыт использования водорода в качестве топлива уже есть. На базе кузова и шасси ав- тобуса MERSEDES-BENZ создан электробус на топливных элементах, получивший название NEBUS. В качестве топлива для него используется водород, который размещается в балло- нах, установленных на крыше автобуса. NEBUS тяжелее базового автобуса на 3500 кг. При этом масса баллонов с водородом составляет 1900 кг. Силовая установка машины разрабо- тана канадской компанией Ballard. По габаритам она примерно соответствует дизелю, при- меняемому на автобусе этого типа. Мощность батареи топливных элементов - 250 кВт, про- бег - 200 км. Для приведения в движение автобуса, рассчитанного на 42 места, применяются асинхронные двигатели мощностью 75 кВт. Количество вредных выхлопных газов, уровень шума у него меньше, чем у автобусов аналогичного класса.