Реферат: Использование альтернативных источников энергии
Физическая сущность рабочего процесса ЭВГ весьма проста и является логическим развитием известных физических опытов Толмена и Стюарта, осуществленных ими в 1916 году. Известно, что электролит при растворении диссоциирует на ионы, которые гидратируются молекулами воды. В результате вокруг них образуются гидратные оболочки различной прочности . Энергия взаимодействия гидратированных разноименных ионов друг с другом резко уменьшается и становится близкой энергии броуновского движения молекул воды. Если концентрированный раствор диссоциированного электролита, имеющего значительную разницу масс аниона и катиона, поместить в сильное искусственное гравитационное (инерционное) поле, например, вращать его в емкости ЭВГ (расчетная частота вращения для различных электролитов и параметров устройства 1500-25000 об/мин), то ионы будут отчасти сепарироваться/
Тяжелые ионы, воздействуя друг на друга своим электрическим полем, сместятся к периферии емкости. Крайние прижмутся к ее внутренней поверхности (на Рис.2 к аноду) и создадут пространственный концентрационный электрический потенциал. При этом результирующая центробежная сила, действующая на прижатые к аноду ионы (анионы) разрушит их гидратные оболочки, как наиболее слабые. Легкие ионы менее отзывчивы к гравитации и окружены более прочными оболочками, поэтому не могут отдать тяжелым ионам свои молекулы гидратной воды. В силу этих обстоятельств они сосредоточатся над тяжелыми ионами и в области оси вращения (у катода), образуя электрический потенциал противоположного знака. Свободные электроны в аноде под действием пространственного (объемного) заряда анионов переместятся на катод (свойство цилиндра Фарадея).
При достижении необходимой минимальной (пороговой) частоты вращения емкости с данным электролитом и принятыми конструктивными параметрами устройства (см. формулу для ее расчета на Рис.2), т.е. критической величины электрических потенциалов на электродах, равновесие зарядов нарушится. Электроны выйдут из катода и ионизируют молекулы гидратных оболочек, а те передадут заряды катионам . Иначе. говоря, как бы произойдет пробой своеобразного электролитического конденсатора и начнется разряд ионов с образованием на катоде свободного водорода, а на аноде кислорода и анодных газов (осадка). Напряжение электрического тока будет зависеть от разности скоростей химических реакций на катоде и аноде.
Таким образом, вследствие действия физического принципа обратимости энергии гравитационное поле породит энергетически адекватное ему электрическое поле, которое преодолеет энергию гидратации и осуществит электролиз. Этот процесс протекает с поглощением раствором через теплообменник теплоты и требует постоянного разбавления его водой до начальной концентрации. Его принципиальная энергетическая схема во многом схожа со схемой традиционного электролиза, но в ней не применяется внешний дорогостоящий электрический ток, а используется более дешевая теплота окружающей среды или иных источников.
Здесь следует отметить четыре весьма существенные особенности гравитационного электролиза.
Во-первых, работа механического инерционного поля, затрачиваемая им на осаждение молекул воды, легких и особенно тяжелых ионов, практически полностью восполняется кинетической энергией всплывающих к оси емкости водорода, кислорода и анодных газов, поскольку их плотность меньше, чем плотность раствора. В результате сумма моментов количества движения начальных и конечных продуктов электролиза становится близкой нулю, т.е. механическая работа в растворе почти не производится. Она в ЭВГ затрачивается в основном только на его приводе против сил трения. Анодный осадок и всплывшие газы вступают во вторичные химические реакции с водой и кислородом, образуя исходный состав раствора.
Во-вторых, интенсивное самоохлаждение раствора обеспечивает условия для поглощения им тепла из окружающей среды или от других источников на компенсацию эндотермического эффекта реакции разложения воды , т.е. работу в режиме высокоэффективного теплового насоса.
В-третьих, он способен вырабатывать постоянный электрический ток на внешней нагрузке в том случае, если частота вращения емкости будет больше минимально необходимой (пороговой). Тогда ЭВГ проявляет свойства электрогенератора с вольт-амперной характеристикой конденсаторного типа (напряжение на зажимах прямо пропорционально внешней нагрузке).
В-четвертых, ЭВГ одновременно в одном аппарате совмещает и выполняет функции сразу двух устройств - электрогенератора постоянного тока и электролизера.
Все эти особенности обеспечивают гравитационному электролизу несравненно более высокую эффективность преобразования теплоты в химическую энергию восстановленных из воды водорода и кислорода, а, следовательно, большую экономичность.
Электроводородный генератор конструктивно прост, органично вписывается в компоновку различных силовых двигательных установок транспортных средств, например, автомобиля, автобуса, сельхозмашины или трактора и хорошо с ними агрегатируется, особенно с тепловыми турбинами. При этом наряду с решением основной технико-экономической задачи, обусловленной двукратным повышением топливной экономичности за счет полезного использования теплопотерь ДВС, а в результате снижения его токсичности и увеличения общего КПД до 68-70 % , создается предпосылка для создания уже в ближайшем будущем принципиально нового, более совершенного транспортного средства - массового электромобиля с большим запасом хода, работающим на тепломеханическом источнике тока.
Внедрение ЭВГ в качестве утилизатора тепла на многочисленных компрессорных станциях магистральных газопроводов позволит повысить в 2-2,5 раза топливную экономичность турбоагрегатов за счет использования их теплопотерь и выделяющейся теплоты при компрессии природного газа на выработку водорода, которым можно на 60 % восполнить расход углеводородного топлива и тем самым обеспечить его ощутимую экономию, т.е. увеличить объем продажи без приращения добычи.
Многообещающей представляется идея охлаждения с помощью ЭВГ транспортируемого природного газа до минусовой температуры. Это позволит применить элеваторный (газостати-ческий) принцип создания дополнительного избыточного давления в магистрали (приблизительно на 6-8 %), а также увеличить пропускную способность и срок службы трубопровода. Извлеченная из природного газа теплота может быть преобразована и использована на нужды хозяйственных объектов, расположенных вдоль трассы газопровода. Энергетические преимущества такого способа очевидны, особенно в горных условиях прокладки газопровода.
Оснащение приводов буровой и дорожно-строительной техники, различных самоходных машин ЭВГ снизит в 1,7-2 раза потребление дизельного или газообразного топлива, что повлечет за собой уменьшение себестоимости газодобычи.
Перевод железнодорожного транспорта на тепловозную тягу с применением ЭВГ сулит резкое снижение эксплуатационных издержек на техническом обслуживании электрических сетей и существенную экономию электроэнергии.
ЭВГ на морских и речных судах может использовать тепло забортной воды, что даст возможность заменить атомные энергоустановки, многократно сократить запасы перевозимого углеводородного топлива, а тем самым повысить полезную грузоподъемность и экологическую безопасность эксплуатации судов при фактически неограниченной автономности плавания. Наряду с этим вместо традиционного винта может осуществляться непосредственное прямое преобразование химической энергии сжигаемых водорода и кислорода в механическую кинетическую энергию в прямоточных реактивных водометных движителях, что упростит конструкцию главного двигателя судна. Плавающие мобильные электрогазогенераторные станции смогут снабжать фактически даровой тепловой и электрической энергией крупные прибрежные населенные пункты, промышленные или сельскохозяйственные объекты. Расчетная стоимость производства МДж тепла в российских условиях при этом составит 0,027-0,04 цента США, а электроэнергии 0,08-0,11 цента.
Схема применения ЭВГ на воздушных судах вместе с теплообменниками, осуществляющими энергетическую связь между ними и турбинными двигателями, дополнительно должна содержать бортовой конденсатор водяного пара вспомогательных газовых турбовинтовых ДВС, работающих на чистой водородно-кислородной смеси, что даст возможность многократно использовать минимальный запас оборотной воды в замкнутом цикле, а также в достатке обеспечить транспортное средство электроэнергией. Такое конструктивное решение повлечет за собой снижение полетного веса за счет уменьшения запаса топлива, а, следовательно, увеличит грузоподъемность самолета в зависимости от его класса и дальности полета на несколько десятков тонн, что резко сократит себестоимость перевозок.
На космических станциях ЭВГ может заменить гироскопы и традиционные солнечные батареи, а также обеспечить ориентационные двигатели эффективным, многократно более дешевым и безопасным топливом.
Утилизация избыточного тепла в угольных шахтах ликвидирует острую проблему безопасности угледобычи, а подземное выжигание остатков угля неперспективных шахт и использование полученного тепла на производство водородного топлива и электроэнергии решит социальные проблемы угледобывающих регионов.
Различные модификации мощностного ряда ЭВГ могут найти свое применение в малой стационарной и мобильной энергетике, особенно в сфере энергообеспечения удаленных поселений, промышленных объектов, экспедиций, фермерских хозяйств, сушилок, тепличных комплексов и т.д. . В последнем случае станет возможным круглогодичное валовое производство дешевой растениеводческой продукции в районах с холодным климатом. Энергетическим источником для ЭВГ при этом может служить теплота любых водоемов, промышленных и бытовых стоков, от сжигания мусора и органических отходов, наружного или внутреннего воздуха (например, метрополитена, шахт, жилых и общественных зданий), различных промышленных паров и газов, в том числе в металлургии, химии и теплоэнергетике, компостных ям в сельском хозяйстве, а также солнечная, ветровая и геотермальная энергия.
Применение изобретения на действующих тепловых и атомных электростанциях существенно повысит их рентабельность за счет полезного использования теплопотерь. Существует реальная возможность перевода тепловых станций на использование в качестве топлива водорода, полученного при преобразовании теплоты близлежащих водоемов. В этом случае себестоимость производства электроэнергии снизится в 1,5 раза.
В черной металлургии водород заменит дорогостоящий и дефицитный кокс, позволит вести более эффективный внедоменный процесс получения стали, отапливать печи и применять в конвекторах побочно выделяющийся при разложении воды кислород, а не производить его для этой цели специально. При этом трубы металлургических заводов прекратят выбрасывать в атмосферу сотни тысяч тонн углекислоты.
Особый интерес изобретение представляет для специалистов, занимающихся проблемами сепарации различных неорганических веществ, например, обогащением урана. Предлагаемый способ позволяет просто и эффективно непрерывно разделять изотопы U235 и U238 , одновременно выделяя их из водного раствора в виде металлического порошка, то есть объединить эти два различных процесса в одном высокопроизводительном малогабаритном аппарате.
Простота конструкции ЭВГ для промышленных предприятий дает возможность в течение нескольких месяцев освоить серийный выпуск некоторых наиболее простых модификаций генератора для нужд малой энергетики без особых организационно-технических усилий и значительных капиталовложений. Модернизация действующего грузового автомобильного и автобусного парков в стране может являться первым этапом широкомасштабного внедрения изобретения на транспорте. Несколько больших затрат средств и времени потребуется на разработку ЭВГ для других видов транспорта и мощных энергетических комплексов, но и конечные качественные результаты будут здесь несопоставимо выше. При серийном выпуске генератора в специфичных российских условиях себестоимость производства этого изделия оценивается порядка 15-25 $/кВт тепловой мощности. Расчетная рентабельность капиталовложений в освоение новации составляет более 60 % при сроке окупаемости менее 1,5 лет. Годовой экономический эффект применения генератора в среднем порядка 40-60 долл. на киловатт его тепловой мощности. Кроме того, промышленная продукция, включающая в себя ЭВГ, повышает экспортные возможности предприятий-производителей. Первоначальные затраты на изготовление действующего макета ЭВГ даже при накладных расходах предприятия 1200-1500 % не превышают 6000$.
«Водородный» автомобиль
Французский автомобильный концерн Renault совместно с компанией Nuvera Fuel Cells планирует разработать серийный автомобиль, использующий в качестве топлива водород, уже к 2010 г.
|
|
Nuvera — небольшая американская компания, с 1991 года занимающаяся разработкой двигателей, альтернативных доминирующим сейчас бензиновым и дизельным. В основе разработок Nuvera лежит так называемый "топливный элемент" (Fuel Cell).
Топливный элемент — устройство, не имеющее движущихся частей, в котором происходит химическая реакция водорода и кислорода, в результате которой вырабатывается электричество. Побочными продуктами реакции является выделяемое тепло и некоторое количество воды.
Принцип "топливного элемента" в корне отличается от обычного процесса электролиза, применяемого сейчас в батареях и аккумуляторах. Разработчики утверждают, что их продукция — это по сути дела "вечная батарейка", имеющая весьма значительный срок службы. Кроме того, в отличие от обычной батареи, "топливный элемент" не нуждается в подзарядке.
Подписав соглашение о партнёрстве с Renault, специалисты Nuvera планируют уже к 2004 году полностью завершить разработку системы, производящей из водорода специальное "топливо" для новых двигателей в промышенных масштабах. Renault, в свою очередь, сразу же возьмёт на вооружение новые технологии и будет использовать их в производстве своих автомобилей.
Вообще-то усилия Nuvera направлены на создание водородного двигателя, который бы был полноценной альтернативой традиционным бензиновым и дизельным моторам. А автомобили с такими двигателями по своим техническим характеристикам ни в чём не уступали обычным машинам. Но это — планы на будущее, хоть и не очень далёкое.
Пока же речь идёт только о гибридных двигателях, способных работать и на обычном топливе.
Toyota Highlander с гибридной силовой установкой FCHV-4.
Тем временем другой автогигант — японская Toyota — уже к концу 2002 года планирует выпустить в продажу небольшое количество внедорожников Highlander. Эти автомобили оборудованы гибридной силовой установкой FCHV-4, использующей в качестве топлива и бензин, и водород.
Впрочем, Toyota не ожидает бешеного спроса на экспериментальные модели. Отсутствие сегодня "водородных заправок" и сервисной инфраструктуры — основное препятствие для широкого распространения новинки.
Пока же специалисты сходятся во мнении, что массового "наступления" автомобилей на гибридных, а затем и чисто водородных двигателях, следует ожидать не раньше 2010 года.
В общем, поживём — увидим. Если к тому времени сквозь выхлопные газы хоть что-нибудь удастся разглядеть.
«Водородные батарейки»
Группа инженеров из технологического института штата Массачусетс (Massachusetts Institute of Technology) совместно со специалистами других университетов и компаний разрабатывает миниатюрный топливный двигатель, который в будущем сможет заменить батареи и аккумуляторы.
Журнал Popular Science, опубликовавший статью об исследованиях американских учёных, не удержался от восторга: "Вы только представьте себе жизнь без батареи! Когда топливо заканчивается в вашем ноутбуке, вы "заливаете полный бак" — и вперёд!"
Двигатель этот — размером с десятицентовую монету, но чуть толще её, а работает так: водород сжигается в камере сгорания, а затем газ поступает в турбину. Все крошечные компоненты выгравированы с высокой точностью на кремниевых платах точно так же, как компьютерные чипы на интегральных микросхемах. Опытный образец состоит из пяти сложенных плат, а поскольку такие платы могут быть изготовлены тем же способом, что и компьютерные, их производство не потребует больших затрат.
