10. Термоэлектрические генераторы

Если взять два разнородных металла, сварить (спаять) их концы, а два других конца присоединить к миллиамперметру, то при нагреве места спая металлов прибор покажет наличие тока в цепи. Совокупность пары металлов, используемая в данном случае, называется термопарой или термоэлементом. Появившийся в цепи ток называется термоэлектрическим, а эдс, порождающая этот ток, называетсятермоэдс.

Таблица .

Термоэдс в вольтах некоторых пар металлов при разности температур спая и окружающей среды в 1000С.

Знак (+) в таблице означает , что ток идет через нагретый спай от первого металла ко второму.

Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека. Качественно его можно объяснить тем, что средняя энергия свободных электронов различна в разных проводниках и по-разному увеличивается с повышением температуры. Если вдоль проводника существует перепад температур, то возникает направленный поток электронов от горячего спая к холодному, вследствие чего у холодного спая образуется избыток отрицательных зарядов, у горячего – избыток положительных. Этот поток более интенсивен в проводниках с большей концентрацией электронов. В простейшем термоэлементе (термопаре), замкнутая цепь состоит из двух проводников с разными концентрациями электронов и спаи поддерживаются при разных температурах, возникает электрический ток. Если цепь термоэлемента разомкнута, то накопление электронов на холодном конце увеличивает его отрицательный потенциал до тех пор, пока не установится динамическое равновесие между электронами, смещающимися к холодному концу, и электронами, уходящими от холодного конца под действием возникающей разности потенциалов. Чем меньше электропроводность материала, тем меньше скорость обратного перетока электронов, тем , следовательно, выше эдс. Поэтому полупроводниковые материалы более эффективны, чем металлы.

В настоящее время широко ведутся исследования по созданию полупроводников, работающих при повышенных температурах (500 – 1000⁰С).

Из всех устройств, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, термоэлектрические генераторы относительно небольшой мощности применяются наиболее широко.

Основные достоинства термоэлектрических генераторов:

1. Отсутствуют движущиеся части;

2. Нет необходимости в высоких давлениях;

3. Могут использовать любые источники теплоты;

4. Имеется большой ресурс работы.

В качестве источников энергии термоэлектрические генераторы широко используют в космических объектах, ракетах, подводных лодках, маяках и других электрических установках.

В зависимости от назначения термоэлектрические генераторы могут преобразовывать в электрическую энергию теплоту, получаемую в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива и т.д.

11. Геотермальные электростанции

Строение земного шара можно схематично представить так: земная кора -глубина от 7 до 130км; мантия -простирается на глубину до 3000км; ядро Земли.

Установлено, что с увеличением глубины температура земных слоев повышается. Так на глубине: 50км ----температура 700-800⁰С; 1 000км --- 1700-2500⁰С; 3 000км ----2000-4700⁰С, т.е. на каждые 30-40м вглубь температура повышается примерно на 1⁰С.

Тепло в земных недрах обусловлено ядерными реакциями.

Под геотермальной энергией понимают тепло глубинных слоев Земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха на поверхности. В качестве носителей этой энергии могут выступать как жидкие флюиды (вода или пароводяная смесь) , так и сухие горные породы, расположенные на соответствующей глубине. Из горячих недр Земли на ее поверхность постоянно поступает тепловой поток, интенсивность которого в среднем составляет 0,03Вт/м². Под воздействием этого потока возникает геотермический градиент. В большинстве мест он составляет не более 2-3⁰С/100м. Известно, что в среднем на каждые 30-40м вглубь Земли температура возрастает на 1⁰С. Следовательно, на глубине 3-4км вода закипает, а на глубине 10-15км температура Земли достигает 1000-1200⁰С.

Однако в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры геотермический градиент увеличивается в несколько раз и уже на глубинах несколько сот метров, находятся либо сухие горные породы, нагретые до 100⁰С и более, либо запасы воды или пароводяной смеси с такими температурами. Эти районы наиболее благоприятные для сооружения геотермальных станций. Так, в Новой Зеландии на геотермальных станциях вырабатывается 40% всей электроэнергии, в Италии -6%.

В России , такие районы как Камчатка и Курильские острова, также являются выгодными для создания геотермальных электростанций.

Рис.165 Принципиальная схема геотермальной электростанции

Рабочим телом в паровой турбине может быть водяной пар, получаемый непосредственно из геотермального флюида. Для производства электроэнергии с приемлемыми технико-экономическими показателями температура геотермального флюида должна быть, как правило, не нижу 150⁰С, в то время как для целей прямого теплоснабжения пригодны флюиды и более низкими температурами (30-100⁰С). В определенных условиях неглубоко залегающие термальные воды с температурой 30-40⁰С могут эффективно использоваться как источник низкопотенциального типа в теплонасосных станциях теплоснабжения.

Основные проблемы геотермального теплоснабжения связаны с солеотложением и коррозионной стойкостью материалов и оборудования, работающих в условиях агрессивной среды.

В настоящее время геотермальные источники больше используются для теплоснабжения, чем для выработки электрической энергии. Это объясняется как техническими трудностями в работе геотермальных электростанций, так и высокой стоимостью их в расчете на единицу установленной мощности.

На Камчатке работает Верхне-Мутновская ГеоЭС мощностью 12 МВт.