78

вания городских и промышленных сточных вод (более 100 новейших установок);

–на мощных комбинированных установках (фабриках) по переработке отходов продукции сельского хозяйства, животновод-

ства и пр. (в Дании находятся 18 таких установок из 50-ти во всей Европе).

Биогаз используется в быту, в водонагревателях, паровых котлах, дизель-генераторах, производящих электроэнергию и др.

Широкое распространение получили электростанции (США, Дания), на которых сжигаются твердые бытовые производственные отходы (ТБО) городов, а также электростанции, работающие на биогазе свалок (Италия, Франция).

Начинают внедряться электростанции, в топках которых сжигается древесина, отходы лесопереработки (страны Скандинавии) как при прямом сжигании этих отходов, так и через их газификацию с последующим сжигание полученного газа.

В России уже несколько лет ведется подготовка инженеров – специалистов по возобновляемым источникам энергии – в МЭИ, МГТУ им. Баумана, МГУ, СПбГПУ, вузах Екатеринбурга, Новосибирска, Хабаровска и др.

3.5.3. Перспективные источники электроэнергии

Термоядерный реактор – ТОКАМАК

В процессе исследования ядерных реакций было обнаружено, что целесообразно не только делить атомное ядро урана или плутония, но также и соединять тяжелые атомы водорода (дейтерий, тритий). При этом образуется благородный газ – гелий. При слиянии (синтезе) тяжелых ядер водорода высвобождается громадная тепловая энергия, превышающая энергию деления атомного ядра в расчете на 1 кг атомов.

Принципиально возможно создание реакторов на водородном топливе, при этом в качестве отхода этой реакции будет газ гелий. Такие реакторы называются термоядерными и носят название ТОКАМАК (рис. 53) – тороидальная камера с магнитными катушками. Термоядерный процесс был открыт и осуществлен в водородной бомбе, но там он протекает мгновенно и неуправляем, а для использования в энергетике он должен протекать медленно и быть управ-

79

ляемым (этот процесс протекает при температурах около 100 млн градусов).

Установку ТОКАМАК можно сравнить с трансформатором, у которого вторичная обмотка выполнена в виде замкнутого полого кольца – тора. Заполнение такой кольцевой камеры тяжелыми ядрами водорода – дейтерием осуществляется в глубоком вакууме. При пропускании тока по первичной обмотке в камере происходит пробой в газе, газ ионизируется и нагревается до высокой темпе-

ратуры.

Конечно, здесь возникает

много проблем, среди них Рис. 53. Установка ТОКАМАК создание устройств, выдержи-

вающих температуру многих миллионов градусов. Это можно сделать при помощи магнитного поля, которое способно удержать плазму (ионизированный газ) от соприкосновения со стенками устройства, предохраняя их от температурного разрушения. Существует и еще много проблем, которые пытаются решить и постепенно разрешают ученые всего мира.

МГД – генератор

Это магнитогидродинамический генератор, который может тепло превращать непосредственно в электричество. При этом существенно повышается КПД, так как нет промежуточных преобразований, а значит, нет "лишних" потерь.

В МГД-генераторах газ, представляющий собой плазму, состоящую из множества положительно и отрицательно заряженных частиц (электронов и ионов), пропускается между магнитами, которые "сортируют" заряженные частицы. Положительные отклоняются в одну сторону, а отрицательные – в другую. Эти частицы накапливаются на двух пластинах – электродах и создают разность потенциалов, т.е. создают электрический источник энергии (рис. 54).

Напомним, что закон Фарадея об электромагнитной индукции говорит, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется электродвижущая сила. При этом проводник может быть твер-

80

дым, жидким или газообразным. В нашем случае плазма является газообразным проводником.

Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостями и газами, называется магнитогидродинамикой. Поэтому генераторы, работающие на плазменном проводнике, получили название магнитогидродинамических генераторов – МГД.

Но! Здесь имеется много своих проблем, которые нужно решать совместными усилиями физиков, энергетиков, материаловедов и др. Трудно превратить большие массы газа в плазму. Для этого нужна высокая температура и высококалорийное топливо. При высокой температуре трудно сохранить материалы, из которых построен генератор. Существуют и другие подобные трудности.

Ионосферный МГД-генератор

Жизнь на Земле во всем ее многообразии непосредственно связана с деятельностью Солнца. Миллиарды лет гигантские потоки солнечной энергии устремляются к Земле. Уже несколько веков насчитывает гелиотехника, занимающаяся вопросами использования солнечной энергии.

Не так давно возникла заманчивая перспектива: найти способ использования той части солнечной энергии, которая не доходит до нашей планеты, рассеивается в космосе.

1. Физические исследования в космосе показали, что за счет поглощения рентгеновского и ультрафиолетового излучения Солнца в ионосфере Земли непрерывно вырабатывается (генерируется) электрический ток. Он проходит (течет) вокруг Земли в западном направлении в области экватора на удалении нескольких земных радиусов от поверхности Земли. Его энергия в виде джоулева тепла рассеивается в окружающем пространстве.

81

2.Земля обладает магнитным полем, а плазма ионосферы пересекает силовые линии этого поля и поэтому в плазме, как в проводнике, находится электродвижущая сила.

3.В теневой части, где Солнце в данное время не освещает Землю, плазма ионосферы охлаждается, концентрация ее частиц уменьшается за счет рекомбинации – образования из электронов и ионов нейтральных атомов, а из атомов – молекул. Через плазму ионосферы протекает круговой электрический ток, взаимодействующий с магнитным полем Земли, при этом происходит разделение зарядов: часть положительных ионов концентрируется на внутренней оболочке ионосферы, а часть электронов – на внешней. В результате на поверхности Земли создается отрицательный заряд.

Электропроводные Земля и ионосфера, разделенные между собой диэлектриком – слоем неэлектропроводного воздуха, представляют собой гигантский сферический конденсатор. При толщине слоя воздуха примерно в 100 км постоянно генерируемая разность потенциалов между Землей и ионосферой достигает примерно 100 млн вольт.

Поскольку в ионосфере существует круговой электрический ток, то можно сделать вывод, что в различных ее точках всегда существует разность потенциалов. Она равна произведению напряженности поля на расстояние между этими точками. Для использования этой разности потенциалов для совершения полезной работы на Земле необходимо иметь всего два проводника, соединяющих участки ионосферы с соответствующими точками на поверхности Земли, и полезную нагрузку, подключенную к этим проводникам.

Основной проблемой для такого способа использования энергии Солнца является создание проводников, соединяющих полезную нагрузку с ионосферой.

Водородная энергетика

Термин «водородная энергетика» предполагает широкое использование водорода в энергетических системах и других секторах ближайшего будущего.

Для того, чтобы оценить преимущества водорода по сравнению с другими видами топлив приведем следующие данные.

Рассмотрим в качестве примера использование водорода в топливных элементах для получения электрической энергии. В отличие от тепловых электростанций, которые химическую энергию топлива вначале преобразуют в тепло, а уж затем в электроэнергию, в топливном элементе происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую. Основная сложность состоит в том, что и топливо, и окислитель должны быть вначале превращены в ионы. Топливом в этих элементах служит водород, а окислителем – либо кислород, либо воздух.

Принципиальная схема включает водородный анод, кислородный катод и электролит, проводящий ионы.

Например, в топливном элементе (со щелочным электролитом), который служит источником энергии для космических аппаратов, происходит на аноде диссоциация и ионизация молекулярного водорода:

H2 =2H+ +2e−

В качестве электролита обычно используется раствор щелочи KOH. Ионы водорода H + под действием разности потенциалов между анодом и катодом диффундируют через слой электролита к катоду. Электроны, образовавшиеся на аноде e− при замыкании внешней электрической цепи перетекают к катоду, совершая полезную работу. На катоде происходит реакция:

4H+ +4e-+O2 =2H2O

Единственным продуктом реакции в этом процессе оказывается водяной пар или просто вода.

В топливных элементах ионизация происходит при умеренных температурах в присутствии катализаторов, включающих металлы платиновой группы. КПД таких элементов составляет от 40 до 70 процентов.