Повышение КПД преобразования тепловой и ядерной энергии в электрическую

В.Т.Ворогушин, Г.Б.Тельнова, К.А.Солнцев, Институт физико-химических проблем керамических материалов РАН

Увеличение потребности в электроэнергии при неэффективном сжигании топлива приводит к истощению полезных ископаемых и к экологическим проблемам. Поэтому необходимо развивать возобновляемую энергетику и повышать КПД тепловых и атомных электростанций.С начала запусков первых искусственных спутников земли появилась необходимость в создании источников тока, удовлетворяющих требованиям космической энергетики. В конструкторском бюро В.Н.Чаломея совместно с институтом имени И.В.Курчатова в начале шестидесятых годов разрабатывались термоэлектрические генераторы и термоэмиссионные преобразователи с радиоактивными изотопами в качестве источника тепла.


В этих энергоустановках прямого преобразования тепла в электрическую энергию подогреваемые электроды находятся в непосредственной близости с охлаждаемыми электродами, что увеличивает паразитные потери тепла и уменьшает к.п.д. энергоустановки. В это же время начинались грандиозные разработки МГД генераторов для прямого безмашинного преобразования термоядерной энергии в электрическую. Однако способы получения термоядерной энергии до сих пор не разработаны. Кроме того высокая рабочая температура МГД генераторов (несколько тысяч градусов) ставит под сомнение целесообразность их разработки и применения в качестве энергоустановок.

Данная работа рассматривает возможность повышения КПД преобразования тепловой и ядерной энергии в электрическую энергию с помощью термоэлектрохимического генератора ТЭХГ, максимальная температура термодинамического цикла которого всего 800-1000К, а температура холодильника 400К. Такой генератор (рис. 1) содержит анодную полость, парциальное давление натрия в которой определяет температура подогревателя. Она отделена от катодной полости керамическим электролитом на основе натриевого ?-глинозема, покрытым со стороны анодной и катодной полости металлическими пористыми электродами. Давление паров натрия в катодной полости определяет температура холодильника конденсатора.



Для создания в анодной полости давления натрия, превышающего парциальное, можно воспользоваться в условиях Земли гидростатическим столбом натрия (рис.1), а в условиях невесомости необходимы насосные системы.

ТЭХГ работает следующим образом: при замыкании анода и катода через внешнее сопротивление в анодной полости на границе с керамическим электролитом атомы натрия отдают свои валентные электроны и в виде ионов мигрируют через керамический электролит к катоду, захватывают электроны, поступающие через внешнее сопротивление, рекомбинируются в атомы, испаряются под воздействием подводимого тепла и конденсируются в холодильнике конденсаторе. Из холодильника конденсатора дистиллят натрия под давлением поступает в анодную полость. Цикл повторяется. Чем больше разность температур цикла тем больше разность давлений между анодной и катодной полостью и , соответственно ЭДС и потенциальная (свободная) энергия ΔG  данной концентрационной электрохимической системы. (1) Эту зависимость можно представить в виде формулы:




где Р1 - парциальное давление натрия в анодной полости;
Р2 - давление натрия в катодной полости; 
R - постоянная Больцмана 
Т - температура в градусах Кельвина 
Z  -  валентность натрия 
F  -   постоянная Фарадея

На рис.2 представлена, полученная американскими исследователями (2), зависимость напряжения U электрохимической системы от плотности тока при различных значениях температуры подогрева.


Термоэлектрохимический цикл ТЭХГ можно сравнить с термодинамическим циклом турбогенератора, в котором также срабатывается разность давлений. Только в турбине потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию вращения турбины и электрогенератора, а в ТЭХГ прямо преобразуется в электрическую энергию. Процессы, протекающие в ТЭХГ, можно представить в TS диаграмме (температура-энтропия), представленной на рис.3.



Если процессы протекают бесконечно медленно, то их можно считать обратимыми. Для обратимых процессов предельным коэффициентом полезного действия является КПД цикла Карно ηК. Это круговой, тепловой цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Потенциальная энергия этого цикла равна подводимой тепловой энергии (площадь 1 2 20 10) за вычетом отводимой энергии ( площадь 11 21 20 10), тогда ΔG = TгΔS - Тх ΔS. И КПД цикла Карно равен отношению потенциальной энергии к подводимому теплу (отношение площади 1 2 21 11 к площади 12 20 10) или:


В реальных тепловых машинах процессы необратимы. В полезную работу преобразуется не вся потециальная энергия, а со своим коэффициэнтом полезного использования   ηэ.   При этом часть потенциальной энергии, а именно ΔG(1 - ηэ)  переходит в теплоту внутренних потерь Qвн , так называемую теплоту Ленца-Джоуля (1). Эта теплота значительна и в режиме максимальной мощности при  ηэ = 0,5 составляет половину потенциальной энергии. В известных тепловых машинах эта теплота безвоздмездно отводится, уменьшая КПД преобразователя энергии. Полезная работа при этом примет вид:




Тогда предельный КПД теплового цикла без утилизации Qвн можно представить как отношение потенциальной энергии за вычетом теплоты Qвн подводимой энергии:



где Тг - температура подогревателя;
Тх - температура холодильника конденсатора.

На T-S диаграмме предельный КПД этого цикла можно представить как отношение площади 1 А А1 11 к площади 12 20 10.

Поскольку в ТЭХГ анод, керамический электролит и катод могут иметь максимальную температуру цикла Тг, то вся теплота Qвн, выделяемая в процессе генерирования электрической энергии имеет также максимальную температуру цикла и, следовательно, может быть полностью утилизирована в этом термоэлектрохимическом цикле, повышая его КПД. Предельное значение КПД такого цикла можно представить как отношение потенциальной энергии за вычетом теплоты Qвн к подводимой тепловой энергии за вычетом этой же теплоты   Qвн. После преобразования формула предельного значения КПД ТЭХГ примет вид:




На диаграмме T-S предельное значение КПД можно представить как отношение площади 1 А А1 11 к площади 1 А А1 21 20 10 (рис.3).

На рис.4 представлена зависимость значений предельного КПД ТЭХГ с утилизацией и без утилизации теплоты    Qвн   от максимальной температуры при температуре холодильника конденсатора 400К и коэффициента использования потенциальной энергии    ηэ = 0,5  и ηэ = 0,8.  Как видно из рис.4 КПД ТЭХГ с полной утилизацией теплоты Qвн   при максимальной рабочей температуре 900К равен КПД ТЭХГ с рабочей температурой 1100К, но без утилизации теплоты Qвн.





Повышение максимальной температуры существенно снижает надежность работы преобразователя, поэтому очевидно приемущество ТЭХГ с полной утилизацией теплоты  Qвн. Имея высокое значение КПД при умеренной рабочей температуре, ТЭХГ может составить конкуренцию существующим машинным и безмашинным преобразователям. При этом ТЭХГ как и любой тепловой цикл имеет ограничения цикла Карно (3).

Известно, что в существующих АЭС высокопотенциальная ядерная энергия превращается в сравнительно низкопотенциальную тепловую энергию, которая затем преобразуется в электрическую энергию. Со времени создания управляемой ядерной реакции ведутся поиски прямого преобразавания ядерной энергии в электрическую, минуя тепловую фазу. Разрабатывались ядерные батареи, использующие кинетическую энергию заряженных частиц, при совершении ими работы против электрического поля.   Другой тип ядерной батареи работает за счет облучения рп перехода термоэлектрических генераторов. Коэффициент полезного действия указанных батарей меньше 0,1%.(4) Поэтому эти ядерные батареи не могут конкурировать с известными преобразователями тепловой энергии в электрическую, имеющими более высокий к.п.д. В настоящей публикации рассматривается возможность повышения к.п.д. ТЭХГ при воздействии на него ионизующего излучения. (5).

Известно, что энергия ионизующего излучения на несколько порядков больше энергии связи валентных электронов с атомным ядром (6,7). Если в анодную полость ТЭХГ, заполненную натрием поместить радиоактивный изотоп, например, уран-232, то создаваемое им ионизующее излучение высокой энергии будет отрывать валентные электроны от атомного ядра натрия. Большая часть ионов будет рекомбинироваться в нейтральные атомы натрия с выделением тепла, а часть ионов натрия будет проходить через керамический электролит к катоду, куда через полезную нагрузку потекут электроны, создавая электрический ток. Ионы натрия, захватив на катоде электроны, превращаются в нейтральные атомы натрия, которые испаряются с поверхности катода и конденсируются на холодильнике конденсаторе. Затем жидкий натрий под давлением, превышающим его парциальное давление, поступает в анодную полость.

Ядерноэлектрохимический цикл повторяется. Таким образом, часть энергии ионизующего излучения преобразуется в дополнительную потенциальную энергию, которую по аналогии с концентрационными электрохимическими системами можно представить в виде:





где α+1  - активность ионов натрия в анодной полости; 
α+2  - активность ионов натрия в катодной полости;
ΔGg -  часть подводимой ядерной энергии, преобразуемая в дополнительную потенциальную энергию.

Эта дополнительная потенциальная энергия переходит в электрическую энергию с коэффициентом  ηэ. Величина электрической энергии может быть рассчитана по формуле: ΔGg ηэ. Остальная часть подводимой ядерной энергии переходит в тепло, которое преобразуется в термоэлектрохимическом (ТЭХ) цикле в электрическую энергию с КПД



где (I – ΔGg ηэ) - характеризует часть подводимой ядерной энергии, переходящей в тепловую энергию.

Таким образом в рассматриваемом преобразователе протекают два потока энергии ядерноэлектрохимического (ЯЭХ) и ТЭХ циклов, которые изображены на рис.5.



Суммарный КПД этих циклов примет вид:



Значение части подводимой ядерной энергии  ΔGg прямо преобразуемой в дополнительную потенциальную энергию зависит от мощности ионизующего излучения, температуры, ионной проводимости керамического электролита и величины его рабочей поверхности. Чем больше проводимость и рабочая поверхность керамического электролита, тем больше будет поток ионов натрия через керамический электролит и, соответственно, большая часть подводимой ядерной энергии будет преобразована в конечном счете в электрическую энергию, повышая суммарный к.п.д. цикла. Величину ΔGg следует определять экспериментально путем воздействия конкретного радиоактивного изотопа на ТЭХГ. Не имея экспериментальных данных мы в рассчете суммарного КПД ЯЭХ цикла приняли значение ΔGg равным 0,1 и 0,2.

Суммарный КПД ЯЭХ и ТЭХ циклов можно представить в T-S диаграмме (рис.6) как отношение суммарной электрической энергии к подводимой ядерной энергии в виде отношения площади 1АА111 к площади 1А А1 21 20 20.



Сравнение КПД ЯЭХ, ТЭХ циклов и термодинамического цикла Ренкина представлено на рис.7. Как следует из рис. 7, темп роста КПД циклов с увеличением рабочей температуры замедляется. А КПД ТЭХ циклов существенно превосходит КПД термодинамического цикла Ренкена. ТЭХГ не содержит вращающихся деталей, имеет высокое значение КПД. в диапазоне температур 800-1000К, поэтому он, используя тепловую энергию ядерного реактора или радиоизотопного источника, может найти широкое применение в стационарных, морских тяговых и космических энергоустановках.



ЯЭХГ имеет высокое значение КПД в диапазоне температур 800 -1000К, и npи ΔGg =0,2 даже превышает КПД. цикла Карно. Высокое значение КПД ЯЭХ цикла при умеренной рабочей температуре может служить основанием для исследования этого цикла с целью применения его в энергоустановках малой энергетики (8).

назад

Материалы из архива

2.2009 Проект УЭХК доказал свою состоятельность НТС «Роснано»

Дионис Гордин, член правления – управляющий директор госкорпорации "Роснано": - 17 февраля состоялось знаменательное событие – еще один проект из региона прошел научно-технический совет (это самый сложный этап прохождения проекта в госкорпорации), чем доказал свою состоятельность (речь идет о проекте Уральского электрохимического комбината по производству катализаторов для очистки выхлопных газов автомобилей, – прим.).

7.2009 Распорядиться по-хозяйски

И.И.Никитчук, д.т.н., сотрудник РФЯЦ-ВНИИЭФ в 1969—1995 гг., депутат Госдумы РФ 2-го и 3-го созывов                      Природные ресурсы России являются частью ее национального богатства. В России живет менее 3% населения планеты, а сосредоточено на ее территории 35% мировых энергоресурсов и более 50% стратегического сырья. При их суммарной оценке каждый гражданин России оказывается в 3-5 раз богаче американца и в 10-15 раз - любого европейца.

7.2007 "Мы хотим работать на конечный результат"

Подкомиссия по атомной энергетике Совета Федерации организовала совещание на одной из стартовых площадок ФЦП «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года». В совещании участвовал начальник Управления капитального строительства атомной отрасли Федерального агентства по атомной энергии  Алексей Тютяев...