топливные элементы

3.6
ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Топливным элементом называется гальванический элемент, преобразующий
химическую энергию реагирующих между собой веществ в электрическую
энергию, но отличающийся от первичного гальванического элемента тем, что
реагенты вводятся в него постоянно, по мере расходования. В простейшем
топливном элементе происходит электролитическое соединение водорода с
кислородом, которые предварительно ионизируются на катализаторных
электродах (рис. 3.6.1,a). Эта реакция являеться обратным процессом
электролиза воды (рис. 3.6.1,b). Топливный элемент и устройство электролиза
отличаются друг от друга еще тем, что электролиз воды может происходить на
электродах из любого материала, а в топливном элементе требуются
электроды с ионизирующими (каталитическими) свойствами, изготовленные из
платины, из пористых специальных сплавов или из других специальных
материалов. Напряжение на зажимах топливного элемента составляет обычно
0,8…1 V, и для получения более высокого напряжения используются батареи,
состоящие из нескольких десятков или сотен последовательно соединенных
элементов.
a
b
I
I
O2
2H2
″
O→
←H+
←H+
2H 2 + O2 → 2H 2O + электроэнергия
+
–
2H2
O2
←O
″
H+→
H+→
2H 2O + электроэнергия → 2H 2 + O2
Рис. 3.6.1. Принцип работы простейшего водородно-кислородного
топливного элемента (a) и устройства электролиза воды (b)
Топливный элемент, как показано на рис. 3.6.1, может иметь жидкий
электролит, в качестве которого могут примененяться, например, растворы
гидроокиси калия (KOH) или фосфорной кислоты (H3PO4 ). Однако в настоящее
время чаще применяются не электролиты, а твердые ионообменные
мембраны, пропускающие ионы либо водорода, либо кислорода. Как мембрана,
так и электроды в таком случае очень тонки (вместе не более нескольких
десятых долей миллиметра), что приводит к конструкции элемента в виде
некоторого тонкого листа. На рис. 3.6.2 представлен принцип устройства
низкотемпературного топливного элемента с полимерной мембраной, а на рис.
3.6.3 – высокотемпературного элемента с мембраной из окиси циркония.
121
1
H2
2
O2 или воздух
3
4
+
H
O″
H+
–
+
H2O
25…50
∼200
∼2000
5…20
Рис. 3.6.2. Принцип устройства топливного элемента с полимерной
протонообменной мембраной. 1 полимерная мембрана, например, из
пропитанного водой пористого политетрафторэтилена (нафлиона),
2 катализаторный электрод (пористый углерод, содержащий
наночастицы платины), 3 сверхпористая углеродная бумага,
4 графитная пластинка с газовыми пазами. Размеры даны в микрометрах
O2
1
2
3
H2
4
H+
″
+
O
–
H+
H2O
50 100 50 ∼1500
Рис. 3.6.3. Принцип устройства высокотемпературного топливного
элемента с оксидной ионообменной мембраной. 1 пористый
керамический катод (например, из LaMnO3 с добавкой стронция),
2 мембрана из окиси циркония, пропускающая ионы кислорода,
3 пористый керамический анод (например, из ZrO2 с добавками никеля и
цинка), 4 пластинка из сплава хрома, с газовыми пазами. Размеры даны
в микрометрах
Рабочая температура мембраны и электродов топливного элемента с
полимерной мембраной составляет 70…90 oC, но некоторые новые полимеры
допускают температуру до 220 oC. Электрический кпд этих элементов
составляет обычно приблизительно 60 %, но если полезно использовать и
выделяющееся в элементе тепло, то суммарный кпд может быть
приблизительно 90 %. Батареи таких элементов могут изготовляться с
различной номинальной мощностью – от нескольких десятых долей ватта до
нескольких сотен киловатт, благодаря чему они находят преимущественное
применение для электропитания как переносных электронных устройств (ЭВМ,
калькуляторов, мобильных телефонов и т. п.), так и средств наземного
122
передвижения, подводных лодок и малых зданий. Выпускаются и топливные
элементы, работающие не на водороде, а на метаноле (CH3OH). Кпд таких
элементов ниже (20…30 %) и стоимость выше, но эти недостатки
компенсируются простотой хранения и простой системой подачи жидкого
топлива. Срок службы полимерной мембраны и, следовательно, всего
топливного элемента составляет обычно до 5000 часов.
Топливные элементы с оксидной мембраной (твердооксидные топливные
элементы) работают при температуре 800…1000 oC и могут в качестве топлива,
кроме водорода, использовать и метан (или природный газ), который при такой
температуре реагирует с водяным паром, в результате чего возникают водород
и двуокись углерода:
CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2 .
В топливном элементе водород соединяется с кислородом согласно реакции
4H2 + 2O2 → 4H2O ,
при которой водяного пара возникает в два раза больше, чем нужно для
продолжения реакции разложения метана. Часть водяного пара может,
следовательно, использоваться в круговом процессе, а часть – для получения
тепла.
Высокая температура твердооксидного топливного элемента позволяет
встроить в него дополнительный контур для получения пара, который может
использоваться в теплообменнике или в паровой турбине. Электрический кпд
этих топливных элементов находится в пределах 60…70 %, но
топливоэлементные ТЭЦ могут иметь кпд даже более 90 %, благодаря чему
могут найти применение в качестве местных малых электростанций зданий и
сооружений. Батареи таких элементов мощностью до нескольких сотен
киловатт производятся серийно во многих странах. Срок службы топливного
элемента составляет обычно от 20 000 до 30 000 часов, что позволяет
использовать их в длительном режиме работы. В случае отключения
необходимо при помощи соответствующего отопительного устройства
сохранить батарею топливных элементов при нормальной рабочей
температуре, так как процесс нагрева ее из холодного состояния может длиться
несколько дней.
На более дешевых материалах основывается и другой высокотемпературный
топливный элемент, в котором в качестве электролита используются
расплавленные углекислые калий или литий (K2CO3 или Li2CO3) в пористой
окиси лития и алюминия (LiAlO2 ) (расплавной карбонатный топливный
элемент). Рабочая температура такого топливного элемента находится в
пределах от 600 oC до 660 oC Электролит пропускает карбонатные ионы CO3´,
возникающие на стороне катода при соединении двуокиси углерода с
кислородом. В качестве топлива и в этом топливном элементе может
использоваться природный газ, но кроме того еще и углевой или биогаз,
благодаря чему он может найти применение на местных малых
электростанциях мощностью от 10 kW до 1 MW, а также на судах и рельсовых
средствах передвижения. Кпд этих топливных элементов несколько ниже, чем
твердооксидных (60…65 %), но срок службы длиннее (от 30 000 до 40 000
123
часов), и по своей стоимости они более конкурентоспособны по сравнению с
другими местными устройствами энергопитания.
Классический щелочной топливной элемент (на гидроокиси калия)
характеризуется высокой надежностью, низкой рабочей температурой (ниже
100 oC) и высоким кпд (приблизительно 70 %), но в нем приходится
использовать электроды, содержащие дорогостоящие благородные металлы
(обычно платину) или специальные каталитические сплавы, из-за чего он
применяется лишь в исключительных случаях – в космических аппаратах, в
военном оборудовании и в энергоаккумуляторах мощностью 5…150 kW. В
качестве топлива используется водород или гидразин (N2H4).
Рабочая температура фосфорнокислого топливного элемента равна
160…220 oC, что может считаться идеальной, если топливные элементы
предназначены для применения в местных ТЭЦ. Кислота (H3PO4 ) введена в
качестве пропитки в пористую кремнекарбидно-тефлоновую мембрану;
содержание благородных металлов в электродах меньше, чем у щелочных
топливных элементов, но кпд значительно ниже (приблизительно 55 %). В
качестве топлива используется чистый водород, который можно получить также
из природного или углевого газа в реформере, подключенном перед батареей
топливных элементов (рис. 3.6.4). Батареи таких топливных элементов
изготовлялись до мощности 11 MW.
Тепло
CO2
2
1
CH4
Горячий
водяной пар
H2
Электроэнергия
O2
H2O
Рис. 3.6.4. Пример использования реформера (1), производящего водород
для топливного элемента (2)
Процессы в реформере на самом деле сложнее, чем показано на рис. 3.6.4 и
происходят в несколько ступеней. Кроме двуокиси углерода, в первой ступени реакций
возникает и окись углерода СО, попадание которой в реформер необходимо исключить,
так как она может вывести из строя катализатор, содержащий платину или
специальные сплавы. Газ, вводимый в реформер, необходимо очистить от серы, так как
и она может вывести топливный элемент из строя.
Кроме вышеприведенных пяти видов, существуют и другие системы топливных
элементов. Среди них можно отметить разработанный в 2006 году
безмембранный миниатюрный топливный элемент, в котором раствор
метанола и обогащенная кислородом вода текут в капиллярной трубке
параллельно друг другу. Толщина обоих слоев жидкости составляет несколько
микрометров, и ионы OH′ без препятствий передвигаются к аноду (рис. 3.6.5).
124
O2 + H2O
CH3OH + H2O
+
–
Рис. 3.6.5. Принцип устройства безмембранного безэлектродного
топливного элемента
Преимущества топливных элементов перед бензиновыми и дизельными
двигателями, а также перед паровыми и газовыми турбинами заключаются
в более высоком кпд (см. рис. 3.6.6),
в большей длительности работы без обслуживания (от 10 000 до 40 000
часов)
в отсутствии движущихся частей (за исключением насосов и вентиляторов),
в отсутствии выброса вредных выхлопных газов,
в более простой возможности одновременного получения электроэнергии и
тепла,
в бесшумной и безвибрационной работе.
100 %
η
80
1
60
2
5
3
40
20
4
Pn
0
1
10
100 kW
1
10
100
1000 MW
Рис. 3.6.6. Зависимость кпд (η) от номинальной мощности (Pn) некоторых
преобразователей энергии (весьма упрощенно). 1 высокотемпературные
и щелочные топливные элементы, 2 низкотемпературные топливные
элементы, 3 дизельные двигатели, 4 бензиновые двигатели, 5 паровые
и газовые турбины
Несмотря на то, что батареи топливных элементов при одинаковой мощности в
2–3 раза дороже, чем другие вышеназванные преобразователи энергии, а
занимаемое ими пространство в несколько раз больше, чем, например, в
125
случае дизель-генераторных агрегатов, в первые годы 21-го века область их
применения стала быстро расширяться. Прогнозируется, что после 2010 года
начнется массовое производство топливных элементов как для стационарных
установок, так и для средств передвижения, в связи с чем и их стоимость будет
существенно снижаться.
Электролитическое (беспламенное) соединение водорода с кислородом первым
обнаружил в 1838 году профессор химии Базельского университета (Швейцария)
Христиан Фридрих Шэнбейн (Christian Friedrich Schönbein, 1799–1868); при дальнейшем
исследовании этого явления в 1839 году он открыл озон. Ознакомившись со статьей
Шэнбейна, посвященной этому явлению, в 1839 году электролитическое окисление
водорода стал исследовать его друг, английский адвокат и физик Уильям Роберт Гроув
(William Robert Grove, 1811–1896), которому с использованием платиновых и золотых
электродов удалось изготовить источник электрического тока, названный им газовой
батареей. Из-за очень малой мощности этот источник не мог найти технического
применения, однако интерес к прямому преобразованию химической энергии топлива в
электрическую сохранился, и в 1889 году английские физики Людвиг Монд (Ludwig
Mond) и Чарлз Лангер (Charles Langer) изготовили более эффективное устройство
преобразования энергии, который они назвали топливным элементом (fuel cell)
[3.19]. Теорию топливных элементов представил в 1894 году профессор электрохимии
Лейпцигского университета, выпускник Тартуского университета Вильгельм Фридрих
Оствальд (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1853–1932), который заодно доказал, что их кпд
может теоретически быть даже более 90 %. Практическое применение топливных
элементов началось в 1950-х годах, когда профессор технической физики
Брауншвейгского университета Эдуард Юсти (Eduard Justi, 1904–1986) и научный
сотрудник Кембриджского Королевского колледжа (King’s College, Cambridge,
Великобритания) Фрэнсис Томас Бэкон (Francis Thomas Bacon, 1904–1992) стали в
щелочных топливных элементах в качестве материала электродов применять не
платину, а более дешевый пористый карбониловый никель. В 1955 году Юсти добился у
своего лабораторного топливного элемента кпд 76 %, а в 1959 году Бэкон изготовил
батарею с несколько меньшим кпд, но с мощностью 6 kW. В том же году фирма ЭллисЧелмерс (Allis-Chalmers, США) установила батарею топливных элементов мощностью
15 kW на тракторе, а другие американские фирмы Прэтт и Уитни Эркрафт (Pratt &
Whitney Aircraft) и Дженерал Электрик (General Electric) разработали топливный
элемент с полимерной мембраной, который в 1965 году использовался на космическом
корабле Джемини-5 (Gemini 5). В 1968 году на космическом корабле Аполло (Apollo)
установили батарею щелочных топливных элементов Бэкона, которая снабжала
корабль не только электроэнергией, но и питьевой водой. Твердооксидный топливный
элемент (с мембраной из окиси циркония ZrO2 ) разработала в 1958 году фирма
Вестингхауз Электрик (Westinghouse Electric, США). В 1970-ые годы началось
применение топливных элементов на малых электростанциях, и в 1983 году фирма
Юнайтед Текнолоджис (United Technologies Corp.) построила две одинаковые
электростанции (в Нью-Йорке и Токио) с фосфорнокислыми топливными элементами. В
1994 году фирма Мерседес-Бенц (Mercedes-Benz) выпустила подготовленные для
серийного производства первые легковые автомобили, а в 1997 году – первые
автобусы на топливных элементах. В качестве топлива в них используется водород; в
легковых автомобилях находит применение и метанол. В 2006 году в Японии построили
первые электровозы, а в Германии – первые малые суда на топливных элементах. На
подводных лодках топливные элементы стали использоваться уже в 1980-ых годах.
126
3.7
МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ
В 1970-ые и 1980-ые годы в мире (наиболее интенсивно в США и в Советском Союзе)
исследовались и испытывались возможности непосредственного преобразования
энергии, возникающей при сгорании топлива, в электрическую энергию при помощи
магнитогидродинамических (МГД-) генераторов, основанных на возникновении
электродвижущей силы (ЭДС) в ионизированном газовом потоке, когда этот поток
проходит через сильное постоянное магнитное поле. Принцип устройства и работы
такой преобразовательной установки представлен на рис. 3.7.1.
o
Давление (например, 0,3 MPa) и высокая температура (например, 3000 C) на выходе
камеры сгорания создают поток высокотемпературного газа, протекающего с большой
скоростью (до 1000 m/s) в сильном магнитном поле, создаваемом ферромагнитной
системой (до 2 T) или сверхпроводящими катушками (до 8 T). В таких условиях в
газовом потоке может индуцироваться ЭДС, приблизительно до 20 kV. Так как скорость
и температура газа на выходе газового канала еще весьма высоки, то кпд
магнитогидродинамического генератора, изображенного на рис. 3.7.1, относительно
мал (10…15 %). Чтобы использовать энергию отходящего газа, можно отапливать им
парогенератор и направлять получаемый пар в паровую турбину (рис. 3.7.2). Кпд такой
комбинированной системы, в которой доля МГД-генератора в генерировании
электроэнергии составляет 40…50 %, а доля блока турбина-генератор – 60…50 %,
может достигать приблизительно 60 %. Еще более высокий кпд может достигаться при
комбинированной выработке электроэнергии и тепла.
Воздух или кислород
1
2
6
o
∼ 2000 C
7
+
5
Топливо
3
4
7
K2CO3
–
Рис. 3.7.1. Принцип устройства и работы магнитогидродинамического
генератора. 1 компрессор воздуха или кислорода, 2 электрическое или другое
устройство предварительного подогрева, 3 насос для впрыскивания топлива
(в случае газового топлива – компрессор), 4 устройство для ввода ионизатора
(например, калия), 5 камера сгорания, 6 газовый канал, находящийся между
полюсами электромагнита, 7 электроды. Магнитное поле перпендикулярно
плоскости рисунка, над рисунком находится северный полюс. Стрелками между
электродами показано направление ЭДС
127
2
9
F
Воздух
1
3
4
Топливо
G
Ионизатор
8
7
5
6
Рис. 3.7.2. Принципиальная схема энергоблока, состоящего из
магнитогидродинамического генератора, парового котла и паровой турбины.
1 магнитогидродинамический генератор, 2 инвертор, 3 паровой котел,
4 паровая турбина, 5 электромашинный генератор, 6 конденсатор,
7 водяной бак, 8 питательный насос парового котла, 9 фильтр для
улавливания ионизатора
Основными преимуществами МГД-генераторов следует считать их компактность и
быстрый запуск (2…5 s), благодаря чему их предполагалось использовать, в основном,
в качестве резервных агрегатов электростанций. Они строились в свое время до
мощности 25 MW, но срок службы их конструктивных элементов, соприкасающихся с
горячими газами, (внутренней обкладки газового канала, электродов и др.) оказался
слишком коротким (не более 1000 h). Их недостатками являются также
дороговизна сверхтеплостойких материалов, необходимых, в частности, для
покрытия внутренней поверхности газового канала, (окисей иттрия или циркония),
дороговизна магнитных систем со сверхпроводящими обмотками,
слишком малые показатели надежности МГД-генератора в целом.
По всем этим причинам от работ по дальнейшему развитию МГД-генераторов,
основанных на сжигании топлива, отказались. Изготовлялись и генераторы,
основанные на применении жидких металлов (например, натрия; соответствующие
исследовательские и конструкторские работы проводились и в институте теплотехники
Таллиннского технического университета), но и они не создали конкуренции другим
генераторам электроэнергии.
Идею магнитогидродинамического генератора впервые высказал Майкл Фарадей
(Michael Faraday), который в 1832 году утверждал даже, что между берегами реки
Темзы (Thames), протекающей в магнитном поле Земли, должна возникать эдс.
Измерить этот эффект ему, однако, не удалось, что вполне объясняется слишком
малой чувствительностью электроизмерительных приборов того времени, так как
вышеназванная эдс составляет всего около 30 mV. В 1959 году в США был изготовлен
первый опытный МГД-генератор мощностью 10 kW, способный работать в течение 10
секунд. Первый такой генератор, установленный на электростанции (30 kW), был
создан в 1967 в Москве, и в 1976 году начались совместные исследования СССР и
США по разработке мощных МГД-генераторов. В результате этих работ
предполагалось установить на Рязанской теплоэлектростанции энергоблок, состоящий
из четырех МГД-генераторов общей мощностью 270 MW и из паротурбинного блока с
генератором мощностью в 310 MW. Паротурбинная часть этого блока была построена,
но МГД-часть из-за прекращения исследований осталась нереализованной.
128
ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ
3.8
За исключением небольшого числа опытных реакторов, все установленные в
настоящее время в мире ядерные реакторы основаны на использовании тепла,
освобождаемого в результате цепной реакции деления изотопа урана 235U.
Чаще всего эта реакция происходит следующим образом. С ядром атома урана
сталкивается замедленный (тепловой, движущийся со скоростью
приблизительно 2 km/s) нейтрон, в результате чего атом разделяется на два
более легких элемента, а в каждом акте деления, кроме того, освобождается в
среднем 2,5 новых быстрых нейтрона, движущихся со скоростью
приблизительно 2⋅104 km/s. При стабильной работе реактора часть быстрых
нейтронов замедляется до скорости, необходимой для повышения вероятности
попадания их на ядра атомов урана, при помощи замедлителя (например
воды, тяжелой воды или графита). После этого одни из замедленных нейтронов
сталкиваются с новыми ядрами урана, приводя их к делению. Остальные
нейтроны поглощаются в стержнях ядерного топлива, в замедлителе и в других
частях реактора, отдавая им свою энергию, которая превращается в тепло.
Замедление происходит из-за многократного (обычно от восьми- до
десятикратного) сталкивания нейтронов с ядрами атомов замедлителя. Чтобы
добиться стабильной цепной реакции, относительное содержание урана 235U в
ядерном урановом топливе должно находиться в определенных пределах
(обычно 2…5 %) и весь процесс должен поддаваться эффективному
регулированию при помощи веществ, активно поглощающих нейтроны
(например, бора, кадмия или гафния). Наглядно и сильно упрощенно цепная
реакция, происходящая в таком ядерном реакторе, представлена на рис. 2.8.1.
В русской технической литературе ядерный реактор прежде назывался менее точно
атомным реактором. Сейчас стали применяться также термины ядерная энергия,
ядерная энергетика, ядерные установки, ядерная технология, ядерное оружие и
другие, однако электростанции и суда, на которых применяются ядерные реакторы,
продолжают по традиции называть атомными. Слово атомный применяется также в
названиях российских учреждений, действующих в области ядерной энергетики. Эта
особенность русской энергетической терминологии учитывается и в настоящей книге.
143
Xe
235
U
235
U
n
n
n
~2·104 km/s
~2·104 km/s
~2 km/s
~2 km/s
90
Sr
1…2 n
1...2 n
Замедлитель
200 MeV
( 1,6⋅⋅ 10–13 J )
200 MeV
( 1,6⋅⋅ 10–13 J )
Рис. 3.8.1. Цепная реакция в ядерном реакторе, основанном на тепловых
нейтронах. Вместо ксенона и стронция, представленных в качестве
примера, при делении атома урана могут возникать и другие атомы, от
цинка до гадолиния
129
238
При поглощении нейтронов в ядрах урана U и в результате вызванных этим ядерных
239
процессов некоторая часть урана превращается в плутоний Pu, который может
использоваться в качестве ядерного топлива в реакторах другого типа, а также для
изготовления ядерного оружия.
Энергия, освобождающаяся при делении каждого атома урана 235U и
превращающаяся в тепло, составляет 200 MeV или 1,6⋅10–13 J. Так как 1 g урана
содержит 2,6⋅1021 атома, то энергия, получаемая при вышеописанной цепной
реакции на единицу массы, равна 8,3⋅1010 J (830 GJ), или 23 MWh, или
приблизительно 1 MWd. Для сравнения можно отметить, что при сжигании 1 g
условного топлива (1 gce) можно получить тепло в количестве 8,14 Wh.
Природный уран содержит лишь 0,7 % изотопа 235U (см. раздел 2.5), и поэтому
при производстве ядерного топливо требуется обогащение урана этим
изотопом. На соответствующих обогатительных фабриках это производится
обычно путем испарения гексафторида урана UF6 (температура плавления
которого равна 64 оС) и его последующего центрифугирования или
диффузионной обработки.
Ядерное топливо (обогащенный уран) вводится в реактор обычно в виде
двуокиси урана UO2 , так как высокая температура плавления этого соединения
(2850 oC) повышает надежность реактора (температура плавления самого
урана составляет 1132 oC). Из порошка UO2 прессуются при высокой
температуре керамические цилиндрики диаметром приблизительно 1 cm и
высотой в 2…3 cm, которые затем вводятся в трубки длиной 3,5…4,5 m,
изготовленные из циркония или циркониевого сплава. Получаемые таким
способом стержни (рис. 3.8.2) называются тепловыделяющими элементами
(твэлами). Из них составляются сборки квадратного или кругового сечения,
содержащие от 70 до 300 твэлов и размещаемые в реакторе обычно
параллельно друг другу в вертикальном положении.
Цирконий (Zr) является серебристо-белым пластичным металлом плотностью 6,5 Mg/m
o
с температурой плавления 1855 C. Цирконий не поглощает тепловых нейтронов.
~ 1 cm
UO2
Zr
Рис. 3.8.2. Принцип устройства тепловыделяющего элемента реактора,
основанного на тепловых нейтронах
Пространство между твэлами и их сборками заполнено замедлителем
(модератором), в качестве которого обычно применяют воду. Та часть
130
3
реактора, в которой располагаются твэлы и в которой происходит
энергетическая цепная реакция, называется активной зоной. В реакторах
такого вида вода является одновременно и теплоносителем, при помощи
которого тепло передается из реактора в парогенератор или, если вода в
реакторе превращается в пар, в паровую турбину. Кроме твэлов в активной
зоне предусмотрены управляющие (тормозные) стержни, содержащие
соединения бора (реже – кадмия или гафния), обладающие высокой
температурой плавления и эффективно поглощающие нейтроны. Путем
частичного или полного ввода таких стержней в активную зону или вывода из
нее можно регулировать мощность реактора и при необходимости остановить в
нем цепную реакцию. Однако в водяных реакторах процессы ядерного распада
продолжаются и после остановки реактора и приводят к тепловыделению,
составляющему приблизительно до 7 % номинальной тепловой мощности
реактора; это считается одним из недостатков этого типа реакторов. Во
избежание перегрева активной зоны (что в худшем случае может привести к
расплавлению твэлов) необходимо продолжать охлаждение реактора и после
его остановки. Несмотря на то, что соответствующие автоматические защитные
меры практически исключают расплавление ядерного топлива, вокруг водяных
реакторов и относящихся к ним парогенераторов (если таковые имеются)
всегда предусматриваются прочные металлические и бетонные оболочки,
исключающие в случае аварий попадание радиоактивных веществ в наружную
среду ( см. раздел 6.3).
Мощность ядерных реакторов лучше всего выражается тепловой мощностью,
отводимой из реактора при помощи теплоносителя. Однако так как тепло затем
используется, в конечном итоге, для приведения в движение турбинногенераторного агрегата ядерной электростанции, то в энергетике взяли за
правило характеризовать реактор номинальной мощностью электрического
генератора, называя ее (довольно-таки условно) электрической мощностью
реактора.
В водо-водяном реакторе (рис. 3.8.3), именуемом также реактором с водой
под давлением, вода служит как замедлителем, так и теплоносителем, а
количество твэлов в каждой сборке квадратного сечения составляет от 14 × 14
до 17 × 17. В крупных реакторах с тепловой выходной мощностью от 4 GW до
6 GW (с электрической мощностью от 900 MW до 1600 MW) таких сборок
обычно от 150 до 250, и они содержат от 80 t до 100 t урана. Для стержней
управления (регулирования), которые вводятся в реактор сверху через крышку
корпуса, в середине каждой сборки предусмотрен соответствующий канал.
Мощность реактора может регулироваться также путем добавления в воду
борной кислоты (H3BO3) и изменения ее концентрации, оставляя расход воды
постоянным. Давление воды в реакторе может быть до 16 MPa, а температура
воды, выходящей из реактора, – приблизительно до 315 oC. В парогенераторе
при таких параметрах поступающей в него воды можно получить пар с
давлением около 6 MPa и температурой около 275 oC. Параметры пара,
следовательно, намного ниже, чем в паровых котлах, основанных на сжигании
топлива (см. раздел 3.2), вследствие чего преобразование тепла в
электроэнергию в ядерных энергоблоках происходит с более низким кпд – от
25 % до 30 %.
Если считать, что на атомной электростанции в электроэнергию превращается не
менее 25 % тепла, то для получения 1 MWd электроэнергии необходимо использовать
235
приблизительно 4 g урана U или 0,6 kg природного урана. Для получения того же
количества электроэнергии на электростанциях, сжигающих минеральное топливо,
131
необходимо сжигать приблизительно 8 t каменного угля или 16 t высококачественного
горючего сланца.
Водо-водяной реактор является самой распространенной разновидностью
ядерных реакторов. На атомных электростанциях мира таких реакторов
установлено около 300, а на военных кораблях, подводных лодках и ледоколах
– еще приблизительно 220. От других типов реакторов они выгодно отличаются
простотой обеспечения стабильной работы, так как при случайном повышении
мощности реактора температура воды повышается, а ее плотность и вместе с
тем и способность замедлить быстрые нейтроны уменьшаются, что приводит к
понижению мощности реактора (отрицательная обратная связь по
температуре). Такой же процесс возникает и при случайном закипании воды
(отрицательный пузырьковый эффект). Преимуществом таких реакторов
должно считаться и то, что слабо радиоактивная охладительная вода реактора
циркулирует в замкнутом контуре, а пар, выходящий из парогенератора, не
является радиоактивным.
2
5
4
1
3
Рис. 3.8.3. Принцип устройства водо-водяного реактора. 1 сборки
твэлов, 2 стержни управления, 3 корпус реактора, 4 питательный
насос, 5 регулятор давления. Приводы стержней управления не
показаны
Концернами Арева (Areva NP, Франция) и Сименс (Siemens AG, Германия)
вместе с энергосистемой Франции (Électricité de France) в 2000…2004 годах
был разработан сверхнадежный европейский водо-водяной реактор третьего
поколения (Evolutionary Pressurized Reactor, EPR) электрической мощностью
1600 MW, у которого среди защитных мер предусмотрены
132
четыре независимые системы охлаждения, каждая из которых способна
охлаждать реактор после отключения,
дополнительная плотная защитная оболочка вокруг реактора,
специальное углубление и система охлаждения для приема жидкого
металла в случае расплавления твэлов реактора,
двойной защитный купол из предварительно напряженного бетона с
суммарной толщиной стенок в 2,6 m.
Реактор может работать на двуокиси урана (со степенью обогащения в 5 %)
или на смеси двуокисей урана и плутония. Сооружение первого реактора такого
типа началось в 2005 году на атомной электростанции Олкилуодо (Olkiluoto) в
Финляндии. Ввод всего энергоблока в эксплуатацию предусмотрен в 2011 году.
Второй такой энергоблок сооружается на атомной электростанции Фламанвиль
(Flamanville) во Франции и должен войти в строй в 2012 году.
Первый водо-водяной реактор был изготовлен в США в 1953 году для использования
на подводной лодке. После проведения многосторонних испытаний он в 1955 году был
установлен на первой в мире атомной подводной лодке Наутилус (Nautilus). На
атомных электростанциях водо-водяные реакторы стали применяться в 1957 году;
первый из них (электрической мощностью 90 MW) был установлен на электростанции
Шиппингпорт (Shippingport, США).
В настоящей книге рассматриваются только реакторы, применяемые на атомных
электростанциях. Реакторы, предусмотренные для энергопитания приводов
подводных лодок и надводных судов, должны отвечать другим требованиям и поэтому
имеют существенные различия, как то:
меньшую тепловую мощность (20…200 MW);
относительно большее количество и более высокую степень обогащения урана
235
(с относительной долей U от 20 % до 96 %), что может обеспечить работу
реактора в течение всего его срока службы без замены ядерного топлива;
применение в реакторе не двуокиси урана, а сплава урана с цирконием;
регулирование расхода водяного теплоносителя.
В кипящих реакторах (рис. 3.8.4) тепловыделяющие сборки состоят из 74…100
твэлов. В мощных реакторах (с электрической мощностью энергоблока
1000…1300 MW) таких сборок может быть до 800, и они содержат в
совокупности до 140 t урана. В качестве теплоносителя используется чистая
вода (без добавления борной кислоты), которая в реакторе испаряется, а
получаемый пар после перегрева направляют в паровую турбину. Таким
образом отпадает необходимость в парогенераторе, который требовался в
случае водо-водяных реакторов, что упрощает устройство энергоблока и
повышает его эффективность. В то же время пар, подаваемый в турбину,
является в некоторой степени (главным образом из-за содержания азота 16N,
возникшего при преобразовании кислорода) радиоактивным, что требует
применения вокруг турбины экрана радиационной защиты. Однако ввиду того,
что время полураспада радиоактивного изотопа 16N весьма мало (7 s), турбину
можно считать свободной от радиоактивности практически сразу после
прекращения подачи пара.
Давление в реакторе обычно равно приблизительно 7,5 MPa, и температура
кипения воды, следовательно – около 285 oC. Уровень воды в активной зоне
обычно на 12…15 % ниже верхних концов твэлов, благодаря чему в верхней
части активной зоны возникает меньше медленных нейтронов, и интенсивность
цепной реакции там меньше, чем в нижней части. Как в водо-водяном реакторе,
133
так и здесь повышение температуры и возникновение пузырей приводят к
отрицательной стабилизирующей обратной связи. Мощность реактора в
пределах 70…100 % регулируют изменением расхода теплоносителя, а для
более сильного снижения мощности в активную зону вводят управляющие
стержни. Регулирование мощности реактора выполняется, следовательно,
проще и удобнее, чем в случае водо-водяных реакторов, но для стабилизации
давления требуются несколько более сложные программы управляющих ЭВМ.
В начале 2008 года на атомных электростанциях мира действовали 73 кипящих
реактора (из них 28 в Японии). Их недостатками считаются меньшая мощность
на единицу объема и, следовательно, бóльшие размеры, чем у водо-водяных
реакторов той же мощности. Их основным преимуществом считается лучшая
регулируемость, что особенно важно тогда, когда в энергосистеме преобладают
ядерные электростанции. Меры безопасности против расплавления активной
зоны такие же, как у водо-водяных реакторов.
Вероятность неисправностей, которые могли бы привести к расплавлению твэлов, у
современных водо-водяных и кипящих реакторов очень мала – обычно не превышет
–6
10 1/a (одной опасной неисправности за миллион лет).
Первый опытный кипящий реактор электрической мощностью 5 MW был построен в
1956 году в научно-исследовательской лаборатории ядерной техники в Аргонне
(Argonne, США). Первый промышленный реактор этого типа (электрической мощностью
200 MW) был установлен в 1960 году на атомной электростанции в Дрездене (Dresden,
штат Illinois, США).
5
4
1
3
2
Рис. 3.8.4. Принцип устройства кипящего реактора. 1 твэлы,
2 управляющие стержни, 3 корпус реактора, 4 питательный насос,
5 паропровод. Встроенные циркуляционные насосы, сепаратор пара,
система перегрева пара и приводы управляющих стержней не показаны
134
Кроме водо-водяных и кипящих реакторов на атомных электростанциях
различных стран мира применяются или разрабатываются и другие типы
реакторов. Ниже рассматриваются некоторые из них.
Тяжеловодных ядерных реакторов (реакторов типа CANDU) в начале 2008
года находилось в эксплуатации по всему миру 31 единица. Они разработаны в
Канаде (название CANDU происходит от слов Canada Deuterium Uranium) и
позволяют, благодаря лучшим замедляющим свойствам тяжелой воды D2O ,
использовать в качестве ядерного топлива природный (необогащенный) уран.
Каждая сборка твэлов, имеющая диаметр 10 cm, содержит, в зависимости от
разновидности реактора, от 28 до 43 твэлов и разделена в продольном
направлении на 12 секций длиной 0,5 m. Каждая сборка находится в отдельной
трубе, изготовленной из сплава циркония, по которой протекает теплоноситель
под давлением 7,5…10 MPa. Трубы размещаются в горизонтальном положении
в общем баке, заполненном замедлителем низкого давления (рис. 3.8.5).
Теплоноситель выходит из реактора при температуре 280…290 oC и
направляется, как и в случае других водо-водяных реакторов, в парогенератор.
Реактор характеризуется высокой надежностью, дешевизной применяемого
ядерного топлива и простотой замены сборок твэлов без остановки реактора.
Реактор, кроме того, позволяет намного лучше использовать природное
урановое сырье.
2
3
1
4
5
Рис. 3.8.5. Принцип устройства тяжеловодного реактора. 1 твэлы,
2 управляющие стержни, 3 бак реактора, 4 замедлитель (тяжелая вода),
5 питательный насос теплоносителя (тяжелой воды). Приводы
управляющих стержней не показаны
Первый опытный тяжеловодный реактор электрической мощностью 22 MW был
изготовлен в Канаде в 1962 году. До настоящего времени (в 2008 году) все атомные
электростанции Канады основаны на таких реакторах, преимущественно с
электрической мощностью 540…935 MW. В результате ядерных процессов в
тяжеловодном реакторе, среди других изотопов, образуется тритий (сверхтяжелый
водород), имеющий время полураспада в 12,6 года и используемый прежде всего в
ядерном оружии, а также в медицине и для изготовления радиолюминесцентных ламп.
В будущем он может найти применение в термоядерных реакторах (см. раздел 9.4).
135
Канальные кипящие графито-водяные реакторы были разработаны в
Советском Союзе и первоначально предназначались для установки на судах.
Первый реактор такого типа AM-1 (атомный морской) с электрической
мощностью в 5 MW установили, однако, в 1954 году на первой в мире атомной
электростанции в Обнинске. В 1973 на Ленинградской атомной электростанции
(вблизи города Сосновый Бор) был запущен первый крупный реактор этого типа
РБМК (реактор большой мощности канальный) с электрической мощностью
1000 MW (рис. 3.8.6).
2
6
1
8
3
4
7
5
Рис. 3.8.6. Принцип устройства реактора РБМК. 1 твэлы, 2 управляющие
стержни, 3 графитовый замедлитель, 4 оболочка реактора, 5 каналы
для твэлов и охлаждающей воды, 6 паровой барабан,
7 циркуляционный насос, 8 питательный насос. Крышки и запирающие
вентили каналов, а также приводы управляющих стержней не показаны
Реактор РБМК-1000 представляет собой цилиндрическую кладку графитовых
блоков в стальной оболочке высотой 7 m и диаметром 11,8 m; общая масса
графита составляет 1850 t. Через графит проходят 1693 топливных канала, в
каждом из которых размещаются последовательно две сборки по 18 твэлов
длиной 3,5 m; всего в реакторе 192 t урана со степенью обогащения 2 %.
Каждый канал может отдельно открываться, что позволяет заменять сборки
твэлов без остановки реактора. Через канал протекает теплоноситель (вода)
под давлением 6,5 MPa, который в реакторе испаряется; температура
выходящего пара равна 280 oC. Система теплообмена реактора похожа на
барабанный паровой котел – в нее входят 4 барабана и 8 циркуляционных
насосов (каждый мощностью 5,6 MW); в соответствии с этим каналы разделены
на группы и подгруппы. Мощность реактора может регулироваться при помощи
211 стержней управления.
По сравнению с водяными реакторами, графитовый реактор РБМК имеет ряд
отличительных свойств, среди которых наиболее существенными могут
считаться
136
более интенсивное превращение урана 238U в плутоний, который может
удаляться из отработанных твэлов и использоваться для производства
ядерного оружия;
поглощение лишних нейтронов теплоносителем (водой); отсюда вытекает,
что в случае перегрева воды или при ее более интенсивном закипании
количество тепловых нейтронов, участвующих в цепной реакции,
увеличивается и мощность реактора растет (положительные
температурное и пузырьковое явления обратной связи); возможность
возникновения нестабильности реактора должна исключаться при помощи
автоматической системы защиты, основанной на вводе управляющих
(тормозных) стержней, причем, некоторая часть этих стержней
(приблизительно 10 %) должна постоянно находиться в активной зоне
реактора;
отсутствие прочного корпуса, исключающего попадание радиоактивных
веществ в окружающую среду при возможных авариях.
В ночь с 25 по 26 апреля 1986 года на 4-ом реакторе Чернобыльской атомной
электростанции (на Украине) проводились опыты по изучению переходных процессов, в
ходе которых некомпетентно создавались опасные режимы работы реактора и
отключались системы автоматической защиты [3.20]. По этой причине во время опытов
начался лавинообразный рост мощности реактора, расплавление твэлов, интенсивное
разложение воды на водород и кислород, что в конечном счете привело к взрыву
гремучего газа и разрушению реактора. Во время возникшего пожара в окружающую
среду было выброшено приблизительно 120 t испарившихся радиоактивных веществ и
приблизительно 700 t радиоактивного графита; общее количество радиоактивного
загрязнения (50 MCi) превышало приблизительно в 50 раз уровень, возникший при
взрыве ядерной бомбы, сброшенной на город Хиросиму в 1945 году. По различным
оценкам предполагается, что в течение 20 лет после этой катастрофы вследствие
радиоактивного облучения погибло от 10 000 до 30 000 человек. После катастрофы
разрушившийся реактор Чернобыльской атомной электростанции был окружен
бетонным саркофагом, сооружение двух строящихся реакторов было прекращено,
сохранившиеся три реактора были отключены; производство таких реакторов в СССР
прекратилось. Системы защиты имеющихся 12 реакторов такого типа на других
электростанциях (Ленинградской, Курской и Смоленской) были усовершенствованы.
Реакторы такого типа еще большей мощности (1500 MW) были установлены в
1977…1987 годах на Игналинской атомной электростанции (Ignalina) в Литве, но
фактически они работали с мощностью 1300 MW. Из-за того, что эти реакторы не
соответствуют европейским требованиям безопасности, первый из них был отключен в
декабре 2004 года, а второй подлежит отключению в 2009 году.
Кюри (Ci) является единицей активности радиоактивных веществ. Активность
10
совокупности таких вещеста равна 1 Ci, если в ней в течение 1 s делятся 3,700⋅10
атомных ядер.
Графито-газовые реакторы были разработаны в начальные годы развития
ядерной энергетики в Великобритании, и некоторые из них эксплуатируются
поныне. Трубки твэлов этих реакторов изготовлены из сплава магния, из-за
чего они называются и реакторами типа магнокс (magnox, от слов magnesium
non-oxidising). В качестве топлива используется природный (необогащенный)
уран, в качестве теплоносителя – двуокись углерода (СО2). В этих реакторах
также можно эффективно получать плутоний. Так как коррозия стального
корпуса двуокисью углерода, а также риск возникновения радиоактивного
излучения в этих реакторах оказались слишком большими, то оставшиеся еще
в эксплуатации 4 реактора предусматривается отключить к 2010 году.
На первой в мире коммерческой атомной электростанции в Колдер-Холле (Calder Hall,
Великобритания), запущенной 27 августа 1956 года, были установлены графито-
137
газовые реакторы электрической мощностью 60,5 MW. Основной функцией этих и
других, более поздних, реакторов такого типа было, однако, получение не
электроэнергии, а оружейного плутония.
Реакторы-размножители отличаются от всех вышерасмотренных реакторов
тем, что они основаны на быстрых нейтронах и что в них в результате
ядерных реакций возникает в виде плутония больше ядерного топлива, чем
расходуется в реакторе. По своему физическому принципу их называют также
реакторами на быстрых нейтронах или быстрыми реакторами. Отношение
энергии, содержащейся в получаемом ядерном топливе, к энергии
использованного топлива называется коэффициентом размножения. Обычно
этот коэффициент находится в пределах от 1,2 до 1,4, а ее возможной верхней
границей в тех разновидностях реакторов, которые известны в настоящее
время, считают 1,8.
Как уже отмечено, плутоний возникает и в неразмножающих реакторах. В реакторах с
водным замедлителем коэффициент размножения находится обычно в пределах от 0,4
до 0,5, а в реакторах с графитовым замедлителем доходит до 0,8.
В качестве ядерного топлива в реакторах-размножителях обычно используется
смесь двуокисей урана и плутония (до 20 % PuO2 и не менее 80 % UO2). Кроме
твэлов в этих реакторах имеются размножительные стержни, размещаемые в
активной зоне или в виде специального слоя за пределами активной зоны.
Встречаются также реакторы, в которых использованы оба принципа
размещения размножительных стержней. Эти стержни содержат природный
или обедненный уран (возникающий как отход при обогащении урана) и под
воздействием быстрых нейтронов, и в результате других ядерных процессов
(прежде всего бета-минус-распада) уран 238U превращается в них в плутоний
239
Pu.
Так как реактор-размножитель основан на быстрых нейтронах, то в качестве
теплоносителя в нем нельзя использовать воду, действующую замедлителем
нейтронов. Обычно используют жидкий натрий, температура которого на
выходе из реактора находится в пределах от 500 до 600 oC. В малых опытных
реакторах примененялись также ртуть и эвтектика натрий-калий, так как они
находятся в жидком состоянии при комнатной температуре. Высокая
температура теплоносителя, выходящего из реактора, позволяет получить в
парогенераторе, относящемся к реактору, перегретый пар высокого давления
(например, 14 MPa, 510 oC) и тем самым повысить кпд ядерной электростанции.
Один из возможных принципов устройства размножительного реактора
представлен на рис. 3.8.7. Выходящий из реактора теплоноситель является
относительно сильно радиоактивным (содержит изотоп натрия 24Na), и поэтому
его направляют в промежуточный теплообменник, где он отдает тепло
натриевому теплоносителю второго контура, соединенного с парогенератором.
Реактор и теплообменник первого контура могут находиться и в общем корпусе.
Существуют и другие принципы работы таких реакторов, в том числе,
например, использование тория в качестве исходного сырья и гелия в качестве
теплоносителя. Достижение высокой надежности реакторов на быстрых
нейтронах оказалось намного труднее, чем в случае водо-водяных и кипящих
реакторов. Кроме того, получаемый в них плутоний намного дороже, чем
обычный обогащенный уран, а его производство потеряло актуальность в связи
с возможностью получения большого количества плутония из ликвидируемого
ядерного оружия. Поэтому на ядерных электростанциях общего применения в
138
начале 2008 года во всем мире действовали только два реактора такого типа
(во Франции и в России). Крупнейший в мире реактор на быстрых нейтронах
Супер Феникс (Super Phénix) около города Крей-Мальвиль (Creys-Malville,
Франция) электрической мощностью 1200 MW был выведен из эксплуатации в
1997 году из-за слишком больших эксплуатационных расходов, а также по
политическим соображениям ядерной безопасности.
Первый опытный реактор-размножитель на быстрых нейтронах был построен в 1951
году в США, и 20 декабря 1951 года он впервые в мире был использован для получения
электроэнергии. В первый день мощность питаемой электрической цепи (четырех ламп
накаливания) составляла 800 W, а на следующий день была достигнута полная
мощность в 100 kW.
3
1
2
4
5
Рис. 3.8.7. Принцип устройства реактора-размножителя (пример).
1 твэлы, 2 размножительные стержни, 3 стержни управления, 4 корпус
реактора, 5 натриевый насос
Есть и другие виды ядерных реакторов, которые, однако, еще не нашли
экономически оправданного применения в энергетике.
В результате деления урана и других ядерных процессов в твэлах ядерных
реакторов возникает большое количество различных радиоактивных и
нерадиоактивных химических элементов. В качестве примера в таблице 3.8.1
представлено количество таких веществ (всего по массе 45 kg) после
получения из одной тонны обогащенного урана (3,3 % 235U) энергии в 34 GWd
[3.21].
Среди продуктов, возникающих в результате деления урана, особую опасность
для людей и животных представляют
плутоний, все соединения которого ядовиты,
цезий 137Cs, который ведет себя в организме подобно калию и участвует в
процессах обмена веществ всех клеток организма,
стронций 90Sr, который ведет себя в организме подобно кальцию и
откладывается в костях, оставаясь в них до конца жизни,
139
иод 131I, накапливающийся в щитовидной железе и являющийся
канцерогенным (вызывающим рак) веществом.
Таблица 3.8.1. Продукты распада, возникающие в одной тонне
обогащенного урана (3,3 % 235U) при получении энергии в 34 GWd
Вещество
Время
полураспада
Масса
kg
Плутоний 239Pu
Легкие радиоактивные
изотопы:
цезий 137Cs
технеций 97Tc
цирконий 95Zr
стронций 90Sr
рубидий 87Rb
иод 131I
европий 152Eu
самарий 151Sm
криптон 85Kr
рутений 106Ru
Нерадиоактивные
изотопы:
Xe, Nd, Mo, Zr, Ru
Ba, Pd, La, Pr, Cs
Sm, Te, Y, Rh, Sr
Kr, Eu, Gd, Rb, I
2,46⋅104 a
∼ 10
33 a
26⋅106 a
65 d
28 a
5⋅1010 a
8,04 d
9,3 h
90 a
10,6 a
1,0 a
1,768
0,865
0,796
0,533
0,246
0,237
0,045
0,042
0,026
0,022
Всего
Химический
аналог
Степень
опасности
••••
K
Mn
Ca
K
Rh
•••
•••
•••
••••
•••
•••
•••
•••
•
••
21,18
6,66
2,605
0,745
∼ 45
При нормальной эксплуатации атомных электростанций и при надлежащих
способах транспортировки и складирования отработанных твэлов эти вещества
не могут попасть в окружающую среду. Короткоживущие радиоактивные
изотопы разлагаются во время хранения в специальных бассейнах этих
электростанций, плутоний отделяется на заводах утилизации, а долгоживущие
радиоактивные изотопы складируются после этого в контейнерах или
заливаются в искусственные каменные блоки в конечных хранилищах,
сооруженных в скальных породах на глубине 1…2 km. Имеются и наземные
конечные хранилища, преимуществом которых считается удобный надзор.
Ранее ядерные отходы и даже целые реакторы выбрасывались в море
(особенно в большом количестве в Баренцево море).
Деление уранового ядра при бомбардировке нейтронами открыли 22 декабря 1938 года
директор Берлинского института химии имени кайзера Вильгельма (Kaiser-WilhelmInstitut für Chemie) Отто Ган (Otto Hahn, 1879–1968) и научный сотрудник того же
института Фриц Штрассман (Fritz Straßmann, 1902–1980). В 1939 году бывшая
сотрудница О. Гана, эмигрировавшая в Швецию австрийский физик Лизе Мейтнер (Lise
Meitner, 1878–1968) выяснила, что в результате деления урана должна освобождаться
ядерная энергия. После этого в Германии и США, а затем и в других государствах
начались интенсивные исследования ядерных процессов, главным образом в целях
разработки ядерного оружия. Первый опытный реактор (с графитовым замедлителем)
был построен по патенту итальянского физика Энрико Ферми (Enrico Fermi, 1901–1954)
140
и венгерского физика Лео Силарда (Leo Szilard, 1898–1964), эмигрировавших в США, в
спортивном зале Чикагского университета и запущен 2 декабря 1942 года.
В Эстонии, в учебном центре военно-морского флота СССР в городе Палдиски
(Paldiski), действовали два реактора подводных лодок тепловой мощностью 70 MW и
90 MW, которые были остановлены после вывода войск России из Эстонии. Ядерное
топливо из них удалено, но их безопасный демoнтаж может начаться только через
несколько десятков лет.
3.9
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ТУРБИНЫ
Гидротурбина преобразовывает кинетическую энергию воды в механическую
энергию вращения. На современных гидроэлектростанциях (ГЭС)
используются, главным образом, три типа гидротурбин:
радиально-осевые турбины (турбины Френсиса),
поворотно-лопастные турбины (турбины Каплана),
ковшовые турбины (турбины Пелтона).
Первые две относятся к реактивным, третья – к активным турбинам.
Радиально-осевую турбину (рис. 3.9.1) разработал в 1849 году, исходя из
более раннего патента, выданного в 1838 году Семюэлю Хоуду (Samuel B.
Howd), главный инженер Компании шлюзов и каналов Лоуэлла (Locks and Canal
Company of Lowell) штата Массачусетс (Massachusetts) США Джеймс Бишено
Френсис (James Bicheno Francis, 1815–1892). Вал турбины обычно вертикален,
и рабочие лопасти (обычно в количестве от 9 до 19) жестко соединены с валом.
У мелких турбин вал может быть и горизонтальным. Вода входит в турбину из
водохранилища ГЭС через спиральный канал, обеспечивающий равномерное
поступление воды по всему периметру рабочего колеса турбины. Вода
проходит при этом через направляющий аппарат, состоящий из поворотных
управляющих лопастей (их обычно от 16 до 32), позволяющих регулировать
мощность турбины. Вода выходит из турбины в осевом направлении в
отсасывающую трубу.
4
2
1
3
5
Рис. 3.9.1. Принцип устройства радиально-осевой турбины.
1 спиральная камера, 2 направляющий аппарат, 3 рабочее колесо,
4 вал, 5 отсасывающая труба
141
Устройство турбины весьма просто и надежно, и такие турбины находят
применение при напоре от 30 до 650 m. Выпускаются, однако, турбины и для
меньшего напора, даже для 3 м. Номинальная мощность радиально-осевых
турбин может составлять от 1 до 800 MW, и применяются они, в первую
очередь, на реках с большим уклоном (например, на горных реках), где могут
быть сооружены высокие плотины. Частота вращения турбины зависит от
высоты давления и составляет обычно от 80 r/min до 200 r/min.
Поворотно-лопастную турбину, работающую при более низком напоре (рис.
3.9.2), разработал для равнинных рек по примеру судовых винтов в 1912 году
ассистент технического университета Брно (Brno) Виктор Каплан (Viktor Kaplan,
1876–1934). Устройство этой турбины не менее просто и надежно, и его
используют при напоре от 2 до 45 m. Такие турбины могут изготовляться в
широком диапазоне номинальных мощностей – от 10 kW до 150 MW. Крупные
турбины исполняются с вертикальной осью, малые турбины могут быть
горизонтальными или наклонными. Число рабочих лопастей составляет обычно
4 или 6, диаметр рабочего колеса крупных турбин может доходить до 10 m.
Частота их вращения обычно меньше, чем у радиально-осевых турбин той же
мощности, и обычно не превышает 100 r/min.
4
2
1
3
5
Рис. 3.9.2. Принцип устройства поворотно-лопастной турбины.
1 спиральная камера, 2 направляющий аппарат, 3 рабочее колесо,
4 вал, 5 отсасывающая труба
Пропеллерная турбина относительно мало отличается от поворотнолопастной турбины. Основное различие заключается в том, что лопасти этой
турбины неподвижно связаны с валом, что существенно упрощает устройство
турбины. Такие турбины выпускаются в том же диапазоне номинальных
мощностей и частот вращения, что и поворотно-лопастные турбины.
На эстонских небольших гидроэлектростанциях используются почти без исключений
поворотно-лопастные турбины. Турбины такого типа мощностью по 40 MW установлены
и на Нарвской ГЭС России.
Ковшовая турбина (турбина Пельтона) представляет собой
высокоэффективную разновидность водяного колеса, отличающуюся тем, что
плоские лопасти обычного водяного колеса заменены двойными ковшовыми
142
(рис. 3.9.3), на которые направляется свободная струя воды. Струя своей
кинетической энергией приводит во вращение рабочее колесо турбины.
Оптимальная линейная скорость ковша равна приблизительно половине
скорости направленной на него воды.
1
Рис. 3.9.3. Принцип конструкции ковша ковшовой турбины (вид спереди и
сбоку). 1 направление струи воды
Первую ковшовую турбину изготовил на основании своих наблюдений над водяными
колесами плотник одного из золотых приисков в Калифорнии Лестер Аллен Пельтон
(Lester Allan Pelton, 1829–1908), который получил на это в 1889 году патент США.
1
5
4
2
3
Рис. 3.9.4. Принцип устройства ковшовой турбины. 1 труба подведения
воды, 2 устройство регулирования расхода воды, 3 струя воды,
4 рабочее колесо, 5 вал
Вал ковшовой турбины чаще всего горизонтален, но изготовляются турбины и с
вертикальным валом. На рабочее колесо может действовать одна струя, но
применяются и две струи или больше. Такие турбины используются при
высоком напоре воды (100…1800 m), и их номинальная мощность может
доходить до 450 MW. Благодаря большему энергосодержанию воды они имеют
меньшие размеры и бóльшую частоту вращения (обычно 500…1500 r/min), чем
радиально-осевые и поворотно-лопастные турбины. Такие турбины
используются прежде всего на горных реках, когда водохранилище
гидростанции может располагаться намного выше ее машинного зала.
Гидравлические турбины характеризуются высоким кпд, который обычно
находится в пределах от 90 % до 96 %. Мощность на валу турбины может
выражаться через напор и расход воды очень простой формулой
P=ηρgHQ
P мощность на валу турбины W
η кпд турбины
ρ плотность воды kg/m3
g ускорение тяжести m/s2
H напор m,
Q расход воды m3/s
143
Предшественником гидротурбины является водяное колесо, о котором имеются
письменные сведения из греческих колоний Малой Азии с 230 года д. р. Х. Первые
примитивные водяные колеса располагались над рекой и приводились в движение
снизу естественным водным потоком, но вскоре для них стали прокладывать
специальные каналы (рис. 3.9.5), обеспечивающие их кпд приблизительно до 30 %.
Более совершенное водяное колесо, использующее как кинетическую энергию, так и
тяжесть воды, поступающей на колесо сверху, появилось в Европе в средние века; кпд
такого водяного колеса мог достигать уже приблизительно 70 %.
Рис. 3.9.5. Водяные колеса с нижним (слева) и верхним (справа) потоком воды
Мощнейшая в мире система водяных колес 17-го века была построена в 1685 году для
привода насосов водоснабжения Версальского дворца (Versailles, Франция); система
состояла из 14 водяных колес диаметром по 12 m, а ее общая мощность –
приблизительно 80 л. с. Наиболее крупные в мире водяные колеса (каждое мощностью
500 л. с.) были установлены в 1858 году на Кренгольмской мануфактуре (Kreenholm) у
Нарвского водопада в Эстонии.
Принцип гидравлической турбины изобразил на одном из своих эскизов
приблизительно в 1500 году Леонардо да Винчи (Leonardo da Vinci), но первое подобие
турбины – водяной сосуд с тангенциальными выходными трубками, который
приводился во вращение реактивной силой вытекающей воды (рис. 3.9.6) – изготовил в
1750 году немецкий физик Йоганн Андреас фон Зегнер (Johann Andreas von Segner,
1707–1777).
1
2
Рис. 3.9.6. Колесо Зегнера. 1 приток воды, 2 направление вытекания воды
В 1760 году колесо Зегнера нашло применение на одной из мукомольных мельниц,
после чего швейцарский математик Леонард Эйлер (Leonhard Euler, 1707–1783),
который в 1756 году математически исследовал ветряные турбины, счел необходимым
разработать и математическую теорию реактивных гидротурбин. В начале 1820-х годов
во Франции стали искать более эффективные возможности использования энергии
144
воды, и в 1826 году была объявлена премия в сумме 6000 франков тому, кому удастся
разработать более производительную, чем водяное колесо, и достаточно мощную
энергетическую машину, пригодную для применения в промышленности. Аналогичные
исследования в это время уже вели профессор Высшего горного училища в городе
Сент-Этьен (École des Mines de Saint-Étienne) Клод Бурден (Claude Burdin, 1790–1873) и
его ученик Бенуа Фурнейрон (Benoît Fourneyron, 1802–1867); причем, первая машина,
которую Бурден назвал турбиной, была изготовлена в 1824 году. Однако эта машина
еще не удовлетворяла условиям конкурса и в 1827 году Фурнейрон представил ее
усовершенствованный, пригодный для практического применения вариант мощностью 6
л. с. с весьма высоким для того времени кпд – 80…85 %. Фурнейрону и была выдана
объявленная премия [1.16]. Турбина Бурдена и Фурнейрона (рис. 3.9.7) основана на
таком же принципе, что и радиально-осевая турбина, но ее устройство
противоположно: вода поступает в турбину в осевом направлении, а выходит
радиально, через внешнее рабочее колесо.
5
1
2
3
4
6
Рис. 3.9.7. Принцип устройства турбины Бурдена и Фурнейрона. 1 поступление
воды, 2 направляющий аппарат, 3 многолопастное рабочее колесо, 4 выход
воды, 5 вал, 6 подпятник
В 1838 году французский математик и военный инженер Жан-Виктор Понселе (Jean
Victor Poncelet, 1788–1867) разработал основы математического расчета гидротурбин;
после этого стали появляться и другие различные их типы. Относительно быстро
гидротурбины внедрялись и в Эстонии. Так, в 1860 году вышеупомянутые мощные
водяные колеся Кренгольмской мануфактуры были заменены турбинами мощностью
500 л. с., а в 1868 там же была установлена самая мощная в мире турбина того
времени – мощностью 1300 л. с. В 1890 году общая мощность кренгольмских турбин
составляла 6880 л. с. и мануфактура в целом относилась к самым крупным по
использованию гидроэнергии предприятиям мира [3.22].
Использование гидротурбин для получения электроэнергии началось в 1878 году (см.
раздел 6.4).
145
3.10 ВЕТРЯНЫЕ ТУРБИНЫ
Ветряная турбина (ветродвигатель) преобразовывает кинетическую энергию
ветра в механическую энергию вращения. На современных ветряных
электростанциях находят применение, главным образом, два вида ветряных
турбин:
крыльчатые турбины (с горизонтальной осью вращения),
карусельные турбины (с вертикальной осью вращения).
Крыльчатые турбины среди ветряных турбин являются преобладающими –
более 99 % всех установленных в мире ветряных турбин относится к этому
типу. В настоящее время они выпускаются с номинальной мощностью от
нескольких десятков ватт до нескольких мегаватт, а на ветряных
электростанциях обычно устанавливаются турбины мощностью 0,1…6 MW.
Номинальную мощность ветряных турбин выражают не в виде мощности на валу, как,
например, в случае паровых, газовых или гидравлических турбин, а через номинальную
мощность электрического генератора, вращаемого турбиной.
Мощные (предназначенные для ветроэлектростанций) турбинные установки
состоят из следующих частей (см. рис. 3.10.1):
ротор (ветроколесо), который, в свою очередь, состоит из лопастей
(крыльев), ступицы, вала и часто также из системы поворота лопастей
относительно направления ветра;
гондола (головка) с подшипником вала, тормозным устройством и
механизмом поворота; в гондоле находятся также редуктор (если он
предусмотрен) и электрический генератор;
башня (опора), которая чаще всего выполняется в виде трубы из стали или
железобетона; внутри башни предусматривается лестница; при малой
мощности турбин (мощностью приблизительно до 100 kW) могут
использоваться и решетчатые опоры.
1
A
v2
v1
2
3
Рис. 3.10.1. Принцип устройства ветряной турбины крыльчатого типа.
1 ротор, 2 гондола, 3 башня. A площадь, охватываемая ротором,
v1 скорость ветра перед ротором, v2 скорость ветра за ротором
146
Ротор имеет обычно три лопасти, но известны также двух- и (весьма редко)
однолопастные турбины. Линейная скорость движения конца лопасти у
современных мощных ветряных турбин в 6…8 раз превышает скорость ветра,
из-за чего крыльчатые турбины называются скороходными. Номинальная
частота вращения турбины находится обычно в пределах от 20 r/min до
40 r/min.
Если скорость ветра перед ротором (без учета влияния ротора) равна v1 , то
мощность ветра перед ротором равна
P1 = ½ m v12 / t = ½ γ A v13
P1 мощность набегающего воздушного потока W
m = γ A v1 t масса воздуха, действующая на площадь ротора kg
γ плотность воздуха (приблизительно 1,2 kg/m3)
A площадь, охватываемая вращающимся ротором m2
v1 скорость воздуха m/s
t время s
Из этой формулы вытекает, что мощность воздушного потока перед ротором
пропорциональна третьей степени скорости ветра. С уменьшением скорости
ветра эта величина быстро уменьшается, и ниже некоторой малой скорости
применение ветряных турбин становится нецелесообразным. Обычно они и
устанавливаются в местах, где среднегодовая скорость ветра составляет, как
минимум, 5 m/s (см. раздел 2.7). Большинство выпускаемых в настоящее время
ветряных турбин рассчитано в номинальном режиме на скорость ветра от 12
m/s до 16 m/s, причем, турбина включается в работу при скорости ветра
2…4 m/s и отключается при скорости 25…35 m/s.
Если скорость ветра за ротором равна v2 и если мощность, отбираемая от
движущегося воздуха, полностью преобразуется в мощность вращения ротора,
то эта величина определяется теоретической формулой
P2 = ½ γ (v12 – v22 ) × ½ (v1 + v2 ) A
P2 мощность, передаваемая ротору W
v2 скорость воздуха за ротором m/s
Если ввести сокращение
v2 / v1 = x ,
то, после математических преобразований, можем выразить теоретический
коэффициент использования энергии ветра сteor формулой
c teor = P2 / P1 = ½ (1 + x ) (1 – x2 ) .
Отношение P2 / P1 в данном случае не может называться коэффициентом полезного
действия, так как часть воздушного потока мощностью P1 неизбежно проходит мимо
ротора и не может преобразоваться в мощность вращения.
147
Легко доказать, что коэффициент использования имеет максимум при
x=1/3 ,
а именно
c teor = 16 / 27 ≈ 0,593 .
Наибольший теоретически возможный коэффициент использования энергии
ветра равен, следовательно, приблизительно равен 59 %. Фактически же он
находится обычно в пределах от 40 % до 50 %.
Понятие коэффициента использования энергии ветра (нем. Leistungsbeiwert, англ.
coefficient of power) ввел в ветроэнергетику в 1919 году директор Аэродинамического
института Геттингена (Göttingen, Германия) Альберт Бец (Albert Betz, 1885–1968). Он же
вывел и формулу теоретически возможного максимального значения этой величины,
из-за чего эта формула называется и формулой Беца.
Чтобы ротор вращался с постоянной (или приблизительно постоянной)
скоростью, необходимо регулировать силу, действующую на лопасти, в
зависимости от скорости ветра. У относительно малых турбин (мощностью
приблизительно до 500 kW) лопасти могут иметь жесткое крепление к ступице,
но их профиль выбран таким, что в случае превышения скоростью ветра
определенного значения происходит аэродинамическое опрокидывание, и сила,
действующая на лопасти, уменьшается. Такое саморегулирование очень
просто, но может вызывать недопустимо большие колебания мощности и
напряжения соединенного с турбиной электрогенератора, и поэтому этот
способ применяется редко. В случае крупных турбин для регулирования
используются
метод активного изменения условий возникновения опрокидывания путем
некоторого поворота лопастей в направлении ветра,
метод изменения угла атаки набегающего ветра, путем поворота лопасти
против ветра.
Все три способа регулирования упрощенно изображены на рис. 3.10.2.
Система поворота лопастей находится в ступице ротора. Поворот лопастей, а
также изменение ориентации гондолы в зависимости от направления ветра
происходит автоматически при помощи соответствующих установочных
приводов.
148
a
b
c
Рис. 3.10.2. Способы регулирования силы, действующей на лопасти
ротора. a с использованием явления опрокидывания,
b с использованием активного изменения условий опрокидывания,
c путем изменения угла атаки. Стрелками показано направление ветра
Мощность ветряной турбины, как уже сказано, пропорционально площади
ротора. Размеры мощных ветряных турбин поэтому весьма велики. Для
получения представления о них, в таблице 3.10.1 приведены некоторые
соответствующие приблизительные данные.
Таблица 3.10.1. Некоторые размеры крыльчатых ветряных турбин
Номинальная мощность
MW
0,5…0,6
1,5…2
4,5…6
Размах лопастей
m
∼ 40
∼ 70
112…126
Высота оси вращения
m
40…65
65…115
120…130
Чтобы добиться достаточной механической прочности лопастей без
чрезмерного увеличения их веса, их изготовляют из синтетических материалов,
армированных стекловолокном (в последнее время находят применение и
углеродные волокна), с использованием технологии литья для точного
формирования лопастей.
Предшественницей крыльчатой ветряной турбины является ветряная мельница,
история развития которой рассмотрена в разделе 1.4. Коэффициент использования
энергии ветра мельницы относительно низок (приблизительно 0,2), и скорость крыльев
ее мала, вследствие чего она не подходит для энергетического пользования.
Аэродинамические закономерности движения крыльев мельницы или турбины изучал
уже в 1738 году профессор физики Базельского университета (Basel, Швейцария)
Даниель Бернулли (Daniel Bernoulli, 1700–1782), а оптимизацию формы крыла
выполнил в 1756 году Леонард Эйлер (Leonhard Euler). В 1903 году, на основе этих
работ, используя и результаты собственных теоретических и экспериментальных
149
исследований, датский метеоролог Поуль Ла Кур (Poul La Cour, 1846–1908) разработал
быстроходную трехлопастную турбину, лопасти которой были жестко связаны с осью
вращения. Такие датские турбины мощностью от нескольких киловатт до нескольких
десятков киловатт сразу стали использовать как в Дании, так и в других странах для
получения электроэнергии в местах, куда не доходили сети энергосистем.
Использование ветряных турбин для отдачи энергии в энергосистемы началось после
наступления энергетического кризиса в 1973 году, когда во многих промышленно
развитых странах находили целесообразным стимулировать развитие ветряной
энергетики при помощи льгот и субсидий. В то же время это привело к росту
номинальных мощностей ветряных турбин, к повышению их надежности и к снижению
как их стоимости, так и эксплуатационных расходов. По всем этим причинам значение
ветряных турбин в энергетике за последние годы стало быстро расти (см. раздел 6.5).
Среди карусельных турбин (турбин с вертикальной осью вращения) чаще
всего находит применение турбина с двумя или тремя дугообразными (точнее –
имеющими форму цепной линии) лопастями (рис. 3.10.3), которую запатентовал
в 1931 году французский инженер-электрик Жорж Дарье (Georges Darrieus,
1888–1979).
1
2
3
4
Рис. 3.10.3. Принцип устройства ветряной турбины Дарье. 1 вал,
2 лопасть, 3 электрогенератор, 4 подпятник
Преимуществами этой турбины считаются отсутствие башни, расположение
электрогенератора около уровня земли, а также то, что турбина не нуждается в
ориентации по направлению ветра. Турбина обладает также большей, чем
крыльчатые турбины, прочностью при шторме. В то же время у турбины Дарье
имеются существенные недостатки, в том числе
меньшая скорость ветра, действующая на турбину, так как его лопасти
находятся ближе к поверхности земле, чем у крыльчатых турбин,
меньший коэффициент использования энергии ветра (предельное значение
этого коэффициента приблизительно 0,4),
меньшая скороходность (обычно не более 5),
нерегулируемая скорость,
более сложные опорные конструкции (особенно это относится к турбинам
большой мощности),
150
больший расход конструкционных материалов и бóльшая удельная
стоимость.
Из-за вышеназванных недостатков эти турбины не нашли широкого
применения, хотя их изготовляли на номинальную мощность даже до 4 MW.
Всего на ветряных электростанциях мира было установлено только около 20
турбин такого типа, причем, некоторые из них впоследствии были заменены
крыльчатыми турбинами. Они лучше подходят для использования в качестве
местных энергоагрегатов мощностью от нескольких киловатт до нескольких
десятков киловатт.
Существуют и другие типы ветряных турбин, но их технические показатели обычно
ниже, чем у двух вышерассмотренных типов. Среди них заслуживает внимание
многолопастная тихоходная турбина (рис. 3.10.4), которую изобрел в 1854 году
американский механик Даниель Хеллади (Daniel Hallady). Такие турбины изготовлялись
мощностью от 0,5 kW до 6 kW и использовались в качестве водокачек на американских
фермах. Зимой 1887/1888 года американский изобретатель и предприниматель Чарлз
Френсис Браш (Charles Francis Brush, 1849–1929) построил основанную на такой
турбине первую в мире ветряную электростанцию мощностью 12 kW.
Рис. 3.10.4. Принцип устройства ротора многолопастной ветряной турбины
В Эстонии малые ветряные турбины датского типа вместе с пристроенными
генераторами постоянного тока мощностью от нескольких сотен ватт до нескольких
киловатт стали применяться в 1920-х годах в качестве местных малых источников
электропитания (для освещения, для зарядки аккумуляторов и т. п.). Первая более
крупная ветроэлектростанция (с одной турбиной, 150 kW) была построена в 1997 году
на полуострове Тахкуна (Tahkuna) острова Хийумаа (Hiiumaa).
3.11 ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
К фотоэлектрическим преобразователям относятся
вентильные фотоэлементы,
вакуумные и газонаполненные (ламповые) фотодиоды,
фототранзисторы и фототиристоры,
электрохимические (жидкостные) фотоэлементы.
В энерготехнике находят применение только первые из них, так как у остальных
кпд преобразования с точки зрения энергетики слишком низок (они могут,
однако, применяться в измерительной технике и в качестве датчиков в
устройствах автоматики). Важнейшей областью применения вентильных
фотоэлементов является преобразование солнечного излучения в
151
электроэнергию, но кроме этого они могут эффективно использоваться для
световых измерений, в фотоавтоматике и в информационной технике.
В энергетике могут оказаться приемлемыми и электрохимические фотоэлементы, но их
развитие находится еще в начальной стадии.
В вентильных фотоэлементах чаще всего используется кремний –
полупроводник, атом которого состоит из ядра и трех слоев электронов, причем
внешний слой состоит из четырех электронов (рис. 3.11.1). Если ввести в
кристаллическую решетку кремния атомы фосфора, у которого внешний
электронный слой состоит из пяти электронов, то в таком полупроводнике
(n-полупроводнике) могут в определенных условиях возникать свободные
электроны; в полупроводниковых приборах он служит поэтому эмиттером. При
добавке к кремнию атомов бора, имеющих во внешнем электронном слое три
электрона, получается p-полупроводник, который в полупроводниковых
приборах может служить коллектором. Между двумя тонкими слоями p- и
n-полупроводников (толщиной в несколько микрометров) образуется
pn-переход или зона объемного заряда. Если в эту зону через прозрачный,
обращенный к источнику излучения электрод попадают фотоны, обладающие
достаточно большой энергией, то они вызывают разделение отрицательных и
положительных зарядов и движение носителей заряда (электронов и дырок) к
противоположным электродам. В результате этого возникает электродвижущая
сила, составляющая в бестоковом состоянии приблизительно 0,6 V; если
внешняя электрическая цепь замкнута, то в ней возникает электрический ток.
При нормальной токовой нагрузке напряжение фотоэлемента равно
приблизительно 0,5 V.
B
Si
P
1
2
3
Рис. 3.11.1. Принципиальное устройство атомов бора, кремния и фосфора.
1 ядро, 2 внутренние электронные слои, 3 внешний электронный слой
На рис. 3.11.2 изображен принцип устройства наиболее распространенного
кремниевого фотоэлемента. Чтобы предотвращать нежелательное отражение
излучения с поверхности фотоэлемента, ее покрывают антиотражающим
слоем, в качестве которого обычно используют двуокись титана TiO2 .
Суммарная толщина фотоэлемента находится в настоящее время обычно в
пределах от 0,2 mm до 0,3 mm, а его площадь может достигать
15 cm × 15 cm. Для получения подходящего напряжения и тока, фотоэлементы
объединяют путем комбинирования последовательного и параллельного
соединений в модули, а те, в свою очередь, в батареи или их секции.
152
7
1
–
2
3
4
5
6
+
Рис. 3.11.2. Принцип устройства кремниевого фотоэлемента.
1 антиотражающий слой, 2 нихромовый (NiCr-) электрод, состоящий из
узких полос, 3 n-полупроводник (например, кремний с добавкой
фосфора) толщиной приблизительно 2 µm, 4 pn-переход,
5 p-полупроводник (например, кремний с добавкой бора),
6 металлический электрод, 7 фотон и возникающая под его действием
пара носителей заряда
Так как коэффициент преобразования кремниевого фотоэлемента зависит от
длины волны принимаемого излучения, а максимум спектрального
коэффициента преобразования не совпадает с максимумом спектрального
распределения солнечного излучения (рис. 3.11.3), то часть фотонов
поглощается в фотоэлементе без генерации носителей зарядов (превращаясь
в тепло). Так как возникают и другие потери энергии, то теоретическое
предельное значение электрического кпд монокристаллического кремниевого
фотоэлемента равно приблизительно 28 %. На лабораторных опытных
образцах фактически получен кпд до 24 %, а на фотоэлементах
промышленного производства – 14…17 %. В соответствии с этим плотность
тока на электродах при облученностм в 1 kW/m2 составляет приблизительно
300…400 A/m2.
1
1
2
λ
0
0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8 µm
Рис. 3.11.3. Сравнение относительного спектрального распределения
излучения Солнца на поверхности Земли (1, упрощенно; см. также рис.
2.2.1) и относительного спектрального коэффициента преобразования
типичного кремниевого фотоэлемента (2). λ длина волны
153
Если вместо монокристаллического использовать более дешевый
поликристаллический кремний, то возникают дополнительные потери на
дефектах кристаллической решетки, и кпд промышленных фотоэлементов в
таком случае находится обычно в пределах от 13 % до 15 %. Еще меньше кпд в
случае использования аморфного кремния (5…7 %), но тогда фотоэлемент
может создаваться путем осаждения кремния тонким слоем (менее 1 µm) на
стекло, что существенно снижает расход материалов и стоимость
фотоэлемента. В качестве электродов в этом случае могут использоваться
пленки из окислов металлов, в которые для увеличения электрической
проводимости добавлены подходящие химические элементы (например,
SnO2:F или ZnO:Al). Так как электроды и полупроводниковые слои предельно
тонки, то они относительно мало уменьшают прозрачность стекла, что
позволяет эффективно использовать такое стекло, например, в световых
фонарях зданий.
Условные обозначения фотоэлемента и вентильного полупроводникового
фотодиода представлены на рис. 3.11.4 [3.1], а фотоэлектрического модуля –
на рис. 3.11.5 [3.23].
+
–
Рис. 3.11.4. Условные обозначения фотоэлемента (слева) и вентильного
фотодиода (справа)
Рис. 3.11.5. Условные обозначения фотоэлектрического модуля
Кроме кремния в фотоэлементах используются и другие полупроводниковые
материалы – наиболее часто арсенид галлия (GaAs), теллурид кадмия (CdTe) и
диселенид меди и индия (CuInSe2 ). Каждый из них имеет различный
спектральный коэффициент преобразования и, если создать комплексный
элемент, в котором последовательно соединены два или три фотоэлемента,
чувствительных к различным спектральным полосам солнечного излучения, то
суммарная полоса чувствительности расширяется и кпд соответственно
повышается. Такие фотоэлектрические преобразователи называются
тандемными фотоэлементами, и их кпд может достигать 40 %.
154
Количество дорогого полупроводникового материала в фотоэлементах можно
уменьшить путем применения концентраторов излучения (например, линз),
которые могут увеличить облученность на поверхности фотоэлемента до
нескольких десятков раз. Кпд батарей тандемных фотоэлементов, снабженных
концентраторами излучения, в настоящее время доходит приблизительно до
35 %. Однако при использовании концентраторов модуль или батарею
фотоэлементов необходимо снабжать автоматическим приводом,
поворачивающим их всегда перпендикулярно лучам солнца.
Модули фотоэлементов могут изготовляться мощностью от нескольких
милливатт до нескольких сотен ватт. Модули малой мощности находят
применение для электропитания мелких электроприемников (часов, карманных
калькуляторов и т. п.), а более крупные – для питания осветительных
устройств, световых дорожных знаков и светосигальных систем. Чтобы
обеспечить непрерывность электропитания, к фотоэлементным модулям
подключают аккумуляторы. Модули могут соединяться и в батареи мощностью
до нескольких десятков (иногда и до нескольких сотен) киловатт, используемые
в качестве местных источников электропитания, обычно соединенных с
электрической сетью. Такие батареи устанавливаются обычно на крышах или
на южных наружных стенах зданий. Солнечными батареями снабжаются и все
искусственные спутники Земли и космические станции. На фотоэлектрических
электростанциях суммарная мощность солнечных батарей может достигать
10 MW и более (см. раздел 6.7). В опытном порядке солнечные батареи
используются и как источники питания электромобилей и электрических лодок.
Преимущества фотоэлементов как источников электропитания заключаются в
отсутствии подвижных частей, в отсутствии вредного действия на окружающую
среду, в простоте обслуживания и в высокой надежности. Их срок службы
находится обычно в пределах от 30 до 40 лет. Их недостатками считают
высокую удельную стоимость (1500…4000 €/kW), низкий коэффициент
использования максимальной мощности (даже в регионах с большим числом
солнечных дней солнечная батарея мощностью 1 kW может генерировать
только 1000…2400 kWh электроэнергии в год) и, следовательно, высокую
себестоимость электроэнергии (обычно 10…50 евроцентов на 1 kWh).
Так как облученность от солнечного излучения составляет на уровне земли
приблизительно 1 kW/m2, то площадь фотоэлектрических модулей, при их кпд
от 5 % до 15 %, должна быть приблизительно 6…20 m2/kW. Солнечные батареи
требуют, следовательно, для своего размещения относительно больших
земельных участков. Если солнечные батареи должны присоединяться к
электрическим сетям или если они должны питать электроприемники
переменного тока, то их следует снабжать инверторами. Автономные
солнечные батареи, чтобы обеспечить при их прерывистой работе
беспрерывное питание электроприемников, должны, кроме того, снабжаться
аккумуляторными батареями (рис. 3.11.6).
155
1
2
3
Рис. 3.11.6. Принципиальная схема установки, состоящей из солнечной
батареи (1), инвертора (2) и аккумулятора (3). Коммутационные и другие
вспомогательные аппараты не показаны
Фотоэлектрический эффект (в электропроводящей жидкости) открыл в 1839 году
молодой французский физик Александр Эдмонд Беккерель (Alexandre Edmond
Becquerel, 1820–1891). В 1877 году английские физики Уильям Грильс Адамс (William
Grylls Adams, 1836–1915) и Р. Э. Дей (R. E. Day) изготовили первый (селеновый)
вентильный фотоэлемент, и в 1883 году американский изобретатель Чарлз Фриттс
(Charles Fritts) добился на нем кпд около 1 %. В 1940 году физик американского научноисследовательского института Bell Laboratories Рассель Оль (Russell Ohl) открыл в
кремнии p-n-переход и происходящие в нем фотоэлектрические явления, но и в этом
случае кпд преобразования излучения в электроэнергию оставался первоначально
ниже 1 %. В 1954 году в том же институте при целенаправленном вводе в кремний
различных добавок удалось изготовить фотоэлемент с кпд приблизительно 6 %,
пригодный для практического применения, и 4 октября 1955 года там же была собрана
первая в мире солнечная батарея. В июле 1962 года солнечная батарея, состоящая из
3600 фотоэлементов, была установлена на искусственном спутнике связи Телстар-1
(Telstar 1), после чего началось использование фотоэлементов как на искусственных
спутниках Земли, так и в качестве источников электропитания различных наземных
установок. В конце 2006 года общая мощность наземных энергетических солнечных
батарей составляла приблизительно 8 GW, и ежегодный прирост их мощности в
настоящее время равен приблизительно 60 %.
Кремниевые фотоэлементы, снабженные точными светофильтрами, используются и в
качестве эффективных светотехнических измерительных преобразователей, например,
в люксметрах и яркомерах.
156