Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии эффективного преобразования энергии. Учебное пособие
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
__________________________________________________________________________
А. В. БЕЛОГЛАЗОВ
ТЕХНОЛОГИИ ЭФФЕКТИВНОГО
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2023
УДК 621.314(075.8)
Б435
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент Г. В. Глазырин
канд. техн. наук А. И. Дехтерев
Работа подготовлена кафедрой электрических станций
для магистрантов ФЭН, обучающихся по дисциплине
«Технологии эффективного преобразования энергии»
по направлению 13.04.02 – Электроэнергетика и электротехника
Белоглазов А. В.
Б435 Технологии эффективного преобразования энергии: учебное
пособие / А. В. Белоглазов
. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2023. –
87 с.
ISBN 978-5-7782-4974-5
В энергосистеме России и энергосистемах других стран работают
различные типы электростанций. Технологии преобразования энергии
на электростанциях, использующих различные источники энергии, отличаются друг от друга. В настоящем учебном пособии рассмотрены
источники энергии, основные принципы преобразования энергии и некоторые технологии преобразования энергии, главным образом связанные с производством электрической энергии.
Пособие
дисциплины «Технологии эффективного преобразования энергии», а
также может быть полезно при выполнении научно-исследовательских
работ.
предназначено для студентов и магистрантов при изучении
УДК 621.314(075.8)
ISBN 978-5-7782-4974-5 © Белоглазов А. В., 2023
© Новосибирский государственный
технический университет, 2023
Список сокращений и условных обозначений ..................................................... 5
Введение .................................................................................................................. 6
1. Источники энергии ........................................................................................... 7
2. Технологии преобразования энергии химических связей
в электрическую энергию .............................................................................. 10
2.1. Классификация технологий преобразования энергии химических
связей ........................................................................................................... 10
2.2. Основы технологий с применением химических электрогенераторов ... 11
2.3. Повышение эффективности топливных элементов за счет выбора
топлива ........................................................................................................ 22
2.4. Энергетические характеристики топливных элементов ......................... 24
3. Технологии преобразования тепловой энергии в электрическую
энергию ............................................................................................................. 29
3.1. Классификация технологий преобразования тепловой энергии
в электрическую энергию .......................................................................... 29
3.2. Основы технологии непосредственного преобразования тепловой
энергии в электрическую за счет термоэлектрического эффекта .......... 30
3.3. Основы технологии с использованием движения сплошной
электропроводящей среды в сплошном поле .......................................... 32
3.3.1. Общая характеристика технологии ................................................ 32
3.3.2. Разновидность и характеристики рабочего тела МГДГ ................ 38
3.3.3. Реализация технологии непосредственного преобразования
тепловой энергии в МГДГ
3.3.4. Повышение эффективности МГД-установок ................................ 40
4. Технологии преобразования энергии на основе использования
возобновляемых источников энергии ......................................................... 42
4.1. Технологии непосредственного превращения солнечной энергии
в электрическую энергию .......................................................................... 42
Общие сведения ......................................................................................... 42
ОГЛАВЛЕНИЕ
............................................................... 39
3
4.2. Основы технологии непосредственного преобразования солнечной
энергии в электрическую энергию ........................................................... 43
4.2.1. Элементы зонной теории твердых тел ........................................... 44
4.2.2. Принцип действия солнечных электрогенераторов ...................... 49
4.2.3. Технология каскадных солнечных элементов ............................... 51
4.2.4. Вычисление КПД преобразователей солнечной энергии ............. 53
4.3. Основы технологий преобразования энергии ветра в электрическую
энергию ....................................................................................................... 56
4.3.1. Общие сведения ................................................................................ 56
4.3.2. Характеристика технологий и принцип действия
преобразователей ............................................................................. 58
4.3.3. Определение мощности воздушного
4.4. Преобразователи энергии волн океана в электрическую энергию ........ 62
5. Технология преобразования энергии в процессе ядерных реакций ..... 64
5.1. Общие сведения ......................................................................................... 64
5.2. Основы технологии преобразования ядерной энергии
в электрическую энергию .......................................................................... 64
5.2.1. Реакции, протекающие при работе ядерных преобразователей ....... 64
5.2.2. Описание преобразователя энергии ядерных реакций
в электрическую энергию ................................................................ 67
5.2.3. Реализации технологий преобразования ядерной энергии
в электрическую энергию
6. Технология преобразования энергии в процессе термоядерных
реакций ............................................................................................................. 72
6.1. Общие сведения ......................................................................................... 72
6.2. Основы технологии преобразования термоядерной энергии
в электрическую энергию .......................................................................... 74
6.2.1. Физические основы управляемого термоядерного синтеза ......... 74
6.2.2. Топливный цикл термоядерного реактора ..................................... 76
6.2.3. Системы для удержания плазмы ..................................................... 78
6.2.4. Современные разработки в области термоядерного синтеза ....... 80
7. Другие перспективные технологии преобразования энергии ................ 82
Библиографический список ................................................................................. 84
................................................................ 69
потока ................................. 60
4
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АТЭЦ – атомная теплоэлектроцентраль
АЭС – атомная электростанция
ВЗ – валентная зона
ГТП – газотурбинный преобразователь
ЗП – зона проводимости
КС – камера сгорания
КПД – коэффициент полезного действия
МАГАТЭ – Международное агентство по атомной энергии
МГДГ – магнитогидродинамиический электрогенератор
МГДЭС – магнитогидродинамическая электростанция
ПТП – паротурбинный преобразователь
СБ – солнечная батарея
СВЧ – сверхвысокая частота
ТВЭЛ –
Токамак – тороидальная камера с магнитными катушками
ТТ – твердое тело
ТЭ – топливный элемент
ТЭГ – термоэлектрогенератор
ТЭП – термоэмиссионные преобразователи
ФЭ – фотоэлемент
ХИТ – химические источники тепла
ХЭГ – химический электрогенератор
ЭДС – электродвижущая сила
ЯДМ – ядерный делящийся материал
ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor
HSX – Helically Symmetric Stellarator
тепловыделяющий элемент
ВВЕДЕНИЕ
В энергосистеме России, как и в энергосистемах других стран, функционируют различные типы электростанций: одни используют традиционные виды топлива (уголь, нефть и газ), а другие – возобновляемые
источники энергии (солнце, ветер, воду). При этом технологии преобразования энергии также различны.
Преобразование одного вида энергии в другой происходит и в природе, но нас в курсе «Технологии эффективного преобразования энергии» будут больше интересовать искусственно созданные человеком
установки, которые называются преобразователями энергии.
Окружающий нас материальный мир существует в двух формах:
в форме вещества и в форме физического поля сил. Материя характеризуется двумя основными величинами: массой и энергией. Масса служит мерой
инерции и гравитации, а энергия – скалярной мерой движения материи.
В зависимости от видов движения различают виды энергии: механическую, тепловую, электрическую, химическую, световую, ядерную
и термоядерную.
Получение электрической энергии обеспечивается различными преобразователями. Химическая энергия, запасенная в топливе, энергия падения воды, световая энергия от Солнца и другие ее виды
тельно преобразовываются в тепловую, механическую и в электрическую энергию. Различные преобразователи энергии были подробно рассмотрены в учебном пособии «Преобразователи энергии» [1], подготовленном на кафедре электрических станций НГТУ.
В предлагаемом учебном пособии будут рассмотрены некоторые технологии преобразования энергии, главным образом связанные с производством электрической энергии. Необходимость в
нологий преобразования связана с тем, что нам не всегда нужна энергия в
том виде, в котором она существует в природе. Например, для развития всех
сфер экономики необходима электрическая энергия и тепловая энергия.
Периодически появляются новые технологии преобразования энергии и
совершенствуются существующие с целью повышения их эффективности.
Знание
для будущих специалистов в сфере электроэнергетики и электротехники.
всех этих технологий преобразования в высокой степени актуально
разработке различных тех-
последова-
1. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Главным источником всех видов энергии на земле служит излучение
Солнца, которое посылает на землю свои лучи. Однако концентрация
энергии в лучах небольшая, и поэтому необходимо разрабатывать специальные технологии преобразования энергии, а также использовать
для этого искусственные и естественные преобразователи.
Естественное средство концентрации солнечной энергии – это процесс превращения ее
в растениях.
К искусственным способам следует отнести преобразование путем
концентрации энергии с помощью линз и зеркал при одновременном
превращении ее в тепло или в электрическую энергию с помощью
тепло- и фотоэлементов.
Носителями высококонцентрированной энергии являются сложные
частицы вещества: молекулы, атомы и ядра. Внутренняя энергия этих
частиц
чаев проходит этап превращения во внутреннюю энергию тел (тепло
или электричество), которая затем в двигателях превращается в механическую.
энергии, заключенной в веществе:
ческих реакций;
лых ядер при ядерных реакциях деления (ядерная энергия) или соединения нуклонов легких ядер при ядерных реакциях синтеза (термоядерная
энергия).
табл. 1.1 [2].
в процессе ее освобождения в подавляющем большинстве слу-
В настоящее время используют следующие способы освобождения
1) за счет изменения электронных связей атомов в процессе хими-
2)
за счет разрушения и изменения связей между нуклонами тяже-
Запасы различных источников энергии на Земле приведены в
во внутреннюю энергию вещества, происходящий
7
Таблица 1.1
∙
Я
р
Запасы различных источников энергии на Земле
Общие запасы,
кВт
ч ∙ 1012
55 000
Невозобновляемые
источники энергии
Ежегодно возобновляемые
Источники энергии
дерная энергия деления 547 000
Химическая энергия горючих веществ
Внутреннее тепло Земли 134
гия солнечных лучей 580 000
Эне
Энергия морских приливов 70 000
Энергия ветра 1700
Энергия рек 18
Из табл. 1.1 видно, что на нашей планете имеются большие запасы
энергии солнечных лучей и ядерной энергии деления. Можно также отметить энергию морских приливов. Использование ядерной энергии
и энергии возобновляемых источников в будущем будет только увеличиваться с учетом того, что запасы источников химической энергии с
каждым годом сокращаются, а
их использование загрязняет окружаю-
щую среду.
Увеличение использования ядерной энергии и возобновляемых источников энергии очень актуально, поскольку с каждым годом растет
общее потребление электроэнергии в мире. Данные электропотребления с 1990 по 2021 год приведены на рис. 1.1 [3].
Рис. 1.1. Электропотребление в мире по годам
8
Из рис. 1.1 видно, что основной рост электропотребления приходится на Азию. Страны с высоким спросом на электроэнергию в этом
регионе: Китай, Япония, Индия и Южная Корея.
Большое электропотребление в Северной Америке обеспечивается
за счет США, которые занимают второе место в мире по этому показателю после Китая. Следующим крупным потребителем в
Северной Аме-
рике является Канада и только затем – Мексика.
В Южной Америке основными потребителями являются Бразилия
и Аргентина. На африканском континенте можно отметить Египет
и Южно-Африканскую республику. Среди стран Ближнего Востока
наибольшее потребление у Саудовской Аравии, Ирана и Турции. В Европе по итогам 2021 года основные потребители – это Германия,
Фран-
ция, Италия, Великобритания и Испания.
Среди стран Содружества Независимых Государств основное потребление электроэнергии у России. По итогам 2021 года потребление
в России составило 963 ТВт ∙ ч. Это на 54 ТВт ∙ ч больше, чем в
2020 году.
Практически для всех стран мира можно отметить снижение потребления в 2020 году из-за пандемии COVID-19. Исключением был Китай,
где электропотребление не уменьшилось, а только замедлился его рост.
Электропотребление остается стабильным в Европейском Союзе.
Все эти данные подтверждают необходимость развивать энергетику
в направлении большего использования ядерной энергии и возобновляемых источников. В 2021 году наблюдалось восстановление электропотребления, что связано с оживлением экономики в странах. Например,
в России в 2021 году оно
выросло на 6 % по сравнению с 2020 годом.
9
2. ТЕХНОЛОГИИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ЭНЕРГИИ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ
2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ЭНЕРГИИ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ
Химической энергией называется энергия, возникающая при движе-
нии зарядов или при химических реакциях.
Рассмотрим технологии с применением химических электрогенераторов (ХЭГ). В основе этих технологий лежит использование окислительно-восстановительных реакций. Среди химических электрогенераторов выделяют первичные элементы, вторичные элементы и топливные элементы.
а вторичные – аккумуляторами.
В гальванических элементах необходимо периодически заменять израсходованные материалы новыми, вследствие чего в эксплуатации они
дороги и неудобны. Альтернативой им являются аккумуляторы или регенерируемые гальванические элементы, которые позволяют восстанавливать израсходованные материалы при пропускании через элемент
тока в обратном направлении.
Технологии преобразования
ванием топливных элементов (ТЭ) очень разнообразны, и их число продолжает увеличиваться [1, 2, 4–12].
В настоящее время различают следующие виды топливных элементов.
1. В зависимости от того, протекает ли в ТЭ прямая реакция между топливом (горючим) и окислителем или топливо используется для получения
продуктов, которые затем
ский ток, бывают прямые и непрямые (косвенные) или первичные и вторичные топливные элементы (уголь, нефть или водород и окись углерода).
Первичные элементы называют также гальваническими,
энергии химических связей с использо-
и окисляются в элементе, генерируя электриче-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]