Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
 Скачать 6.34 Mb.
|
|
6.1. Тепловой режим земной коры Критерием теплового состояния земного шара является поверхностный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценить температурное состояние земной коры. Величина, соответствующая углублению в метрах, при котором температура повышается на 1 С, называется геотермической ступенью. В связи с изменением интенсивности солнечного излучения тепловой режим первых 1,5–40 м земной коры характеризуется суточными и годовыми колебаниями. Далее имеют место многолетние и вековые колебания температуры, которые с глубиной постепенно затухают. Температура горных пород на глубине H приближенно может быть определена по формуле  где tв– средняя температура воздуха данной местности; σ – геотермическая ступень. Средняя величина геотермической ступени равна 33 м, и с углублением от зоны постоянной температуры на каждые 33 м температура повышается на 1С. Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Это связано с геологическим строением того или иного района Земли. Известны случаи, когда увеличение температуры на 1С происходит при углублении на 2–3 м. Эти аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма. На глубине 400–600 м в некоторых районах, например Камчатки, температура доходит до 150–200С и более. Геотермические наблюдения в зоне вечной мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород достигает 1,5 тыс. м. Здесь геотермическая ступень составляет 500 м на 1С. На отдельных платформенных частях территории (на Русской платформе) температура с глубиной примерно следующая: 500 м – не выше 20°С, 1 тыс. м – 25–35С; 2 тыс. м – 40–60С; 3–4 тыс. м – до 100С и более. 6.2. Использования тепла горячих земляных пластов Обычно толщина водоносного слоя h (км) меньше глубины его залегания. Слой имеет пористую структуру – скальные породы имеют поры, заполненные водой (пористость оценивается коэффициентом α). Средняя плотность твердых пород земной коры ргр =2700 кг/м3 , а коэффициент теплопроводности λгр = 2 Вт/(м·К). Изменение температуры грунта по направлению к земной поверхности характеризуется температурным градиентом (dT/dz), измеряемым в С/км или К/км . Наиболее распространены на земном шаре районы с нормальным температурным градиентом (менее 40С/км) с плотностью исходящих в направлении поверхности тепловых потоков ≈ 0,06 Вт/м2 (например Калининградская область). Экономическая целесообразность извлечения тепла из недр Земли здесь маловероятна. В полутермальных районах температурный градиент равен 40–80С/км (например, Северный Кавказ). Здесь целесообразно использовать тепло недр для отопления, в теплицах, в бальнеологии. В гипертермальных районах (вблизи границ платформ земной коры) градиент более 80С/км . Здесь целесообразно строить ГеоТЭС. При известном температурном градиенте можно определить температуру водоносного пласта перед началом его эксплуатации:  ,где Т0 – температура на поверхности Земли, К. В расчетной практике характеристики геотермальной энергетики обычно относят к 1 км 2 поверхности S. Теплоемкость пласта спл (Дж/К) можно определить по уравнению спл = [α·ρв·св+(1 – α)·ρгр·сгр]·h·S, где в и св – соответственно плотность и изобарная удельная теплоемкость воды; гр и сгр – плотность и удельная теплоемкость грунта (пород пласта); обычно сгр = 820–850 Дж/(кг·К). Если задать минимально допустимую температуру, при которой можно использовать тепловую энергию пласта Т1 (К), то можно оценить его тепловой потенциал к началу эксплуатации (Дж): E0 = cпл·(T2 – T1). Постоянную времени пласта τ0 (возможное время его использования, лет) в случае отвода тепловой энергии путем закачки в него воды с объемным расходом V (м3/с) можно определить по уравнению: τ0 = cпл/(V·ρв·св). Считают, что тепловой потенциал пласта во время его разработки изменяется по экспоненциальному закону: E= E0·exp(– τ/τ0), где τ – число лет с начала эксплуатации. Тепловая мощность геотермального пласта в момент времени τ (лет с начала разработки) (Вт):  .В принципе сухие горячие породы, имеющие высокую температуру и являющимися потенциальным источником энергии, можно обнаружить в любой точке земного шара путем бурения достаточно глубоких скважин. Однако на практике с ростом глубины скважин ее стоимость возрастает по экспоненте. в настоящее время глубина скважин не превышает 6000 м (для Беларуси это глубина соответствует температуре грунтов около 150С). Пока не существует экономически выгодного метода извлечения из сухих горячих пород в земной коре. Однако имеются ряд предложений по решению этой задачи. При использовании энергии тепла грунтов возникают следующие проблемы: создание достаточно глубокой скважины, позволяющей достигнуть высоких температур, обеспечение высокой мощности извлечения тепла из скважины. Необходимо еще учитывать, что из-за низких температур грунтов КПД переработка их тепловой энергии в электрическую не превысит 15%. Первая проблема связана с технологией бурения скважин и не будет рассмотрена в рамках данного курса. Однако следует отметить, что на территории Республики Беларусь эта проблема может быть решена за счет использования пустых нефтяных скважин (как правило, при поиске нефти на каждую нефтеносную скважину бурится около десяти пустых). Таких скважин имеется в большом количестве в Припятском районе. Вторая проблема связана с тем, что теплопроводность воды (наиболее дешевого теплоносителя) недостаточно для обеспечения высокой интенсивности извлечения тепла из скважин стандартного диаметра. Бурение скважин большего диаметра не целесообразно, т. к. стоимость скважины будет возрастать прямопропорционально площади поверхности полученной скважины. Эту проблему можно решить путем обнаружения естественных водонепронецаемых полостей в недрах земли на достаточной глубине. В этом случае бурится две скважины соединяющих эту полость с поверхностью Земли. В одну полость с более низким выходом под высоким давлением закачивают холодную воду, а из другой скважины за счет избыточного давления и низкой плотности поступает горячая вода (рис. 6.1). Большой объем скважины позволяет обеспечить высокую интенсивность извлечения тепла. К  сожалению такие водонепранецаемые полости в недрах Земли встречаются редко и их трудно обнаружить. Предложено несколько способов создания искусственных водопроницаемых полостей: последовательное проведение взрывов достаточно мощных ядерных зарядов (организация взрывов взрывчатых веществ малоэффективно и дорого), гидроразрыв.Организация ядерных взрывов помимо опасности, связанной с постоянным наличием радиоактивных обломков, образовавшихся во время этих взрывов, может вызвать серию землетрясений. Поэтому этот способ пока находится на стадии изучения. Гидроразрыв предусматривает использование высоконапорного насоса на поверхности земли для создания в скважине давления жидкости, достаточного для растрескивания породы, образования водонепроницаемых полостей. Это стандартный метод подготовки нефтяной или газовой скважины. Недостатком предложенного способа извлечения тепла является интенсивные минеральные отложения и коррозия на поверхности трубопроводов. Эффективная транспортировка тепла из недр Земли с высокой интенсивностью может осуществляться также с помощью специального устройства – тепловой трубы. 6.3. Тепловая труба Тепловая труба представляет собой замкнутую систему, которая обеспечивает высокую теплопроводность за счет использования теплоты парообразования жидкости. Впервые термин "тепловая труба" был предложен Гровером Г.М. и использован в описании к патенту США и в статье "Устройство, обладающее очень высокой теплопроводностью". Гровер на одной из демонстраций принципа действия тепловой трубы, перед журналистами, показал такой впечатляющий опыт: один конец тепловой трубы ввел в электрическую дугу, второй конец опустил в емкость с водой; вода мгновенно закипела, а поливая конец трубы жидким азотом – заморозил воду. Первая фирма, развернувшая серийное производство тепловых труб в 1964 году. В 1967 тепловая труба была впервые испытана на космическом спутнике на околоземной орбите, а в 1968 – впервые применена для теплового регулирования спутника "Геос – Б" (две тепловые трубы осуществляли снижение до минимума разности температур между датчиками, расположенными в разных частях спутника). В последующие годы сфера применения тепловых труб резко расширилась: от авиации, радиоэлектроники и гелиотехники – до бытовой техники и криохирургии. Это объясняется универсальностью применения теплового поля в современной технике в составе теплофизических структур. Основные достигнутые характеристики современных тепловых труб: рабочий диапазон температур – 4 – 2300°К, скорость теплопередачи – звуковой предел, мощность теплопередачи – до 20 кВт/см2, ресурс работы – 20 000 ч. Таким образом, тепловая труба, являясь высокоэффективной и надежной технической системой, перекрывает весь практически значимый для современной техники диапазон температур. Теплопроводность даже в самых простых тепловых трубах в сотни раз превышает теплопередачу по медному стержню того же диаметра. 6.3.1. Конструкция и принцип действия тепловой трубы Вообще тепловые трубы могут иметь произвольную форму, но обычно при экспериментальных исследованиях и теоретических анализах рассматривается труба в виде прямого цилиндра (рис. 6.2.). Внутрь корпуса диаметром dтр вводят небольшое количество жидкости, создают вакуум (откачивают воздух) и герметизируют. При подводе тепла к зоне испарения 1 жидкость переходит в пар, давление насыщения паров в этой зоне резко повышается, пар 2 движется вверх по центру трубы в коридоре диаметром dп в зону с меньшим давлением, переходит в жидкость в зоне конденсации 3 и конденсат 4 стекает по стенкам вниз. Следует отметить, что тепловая труба способна обеспечить большую мощность теплопередачи даже при малой разности температур между его концами, т.к. скрытая теплота парообразования у жидкостей велика. Т  епловая труба, в которой возврат конденсата в зону испарения осуществляется под действием гравитационного поля, называется термосифоном. Из-за своей особенности принципа работы термосифон может работать только тогда, когда зона испарения находится ниже зоны конденсации (т. е. труба должна располагаться вертикально или с небольшим уклоном). Для обеспечения возврата конденсата в зону испарения при любой ориентации тепловой трубы было предложено заменить гравитационную силу капиллярной, возникающей при смачивании рабочей жидкостью капиллярно-пористого материала – фитиля. Однако классическая тепловая труба с использованием капиллярного эффекта обеспечивает независимость положения зоны испарения в гравитационном поле в ограниченных условиях. Поэтому кроме гравитационных и капиллярных сил в современных тепловых трубах применяют центробежные, электростатические, магнитные и другие виды полей для возврата конденсата. Наиболее распространенный тип тепловой трубы состоит из трех элементов: корпус, рабочая жидкость, КПМ. Корпус обеспечивает изоляцию рабочей жидкости от внешней среды, должен быть герметичным, выдерживать перепад давлений между внутренней и внешней средами, обеспечивать подвод теплоты к рабочей жидкости и отвод теплоты от нее. Выполнять его можно из жестких (медь, стекло, бронза, алюминиевые сплавы) и гибких (пластмасса) материалов, с любым сечением (круглым или прямоугольным). Минимальный диаметр тепловой трубы должен быть таким, чтобы внутренний диаметр зоны транспорта пара исключал действие капиллярных сил, т.е. чтобы паровой канал не превратился в капиллярный. Рабочая жидкость обеспечивает главную функцию системы и должна иметь точку фазового перехода жидкость-пар в требуемом диапазоне рабочих температур, не должна разлагаться при этих температурах, должна обладать достаточно большой скрытой теплотой парообразования, должна хорошо смачивать материал фитиля и корпуса, должна иметь низкое значение вязкости жидкой и паровой фаз, должна иметь высокую теплопроводность и высокое поверхностное натяжение. Большое поверхностное натяжение жидкости необходимо для создания достаточно большого капиллярного напора для хорошей работы против сил гравитации. Для хорошего смачивания корпуса и фитиля жидкость должна иметь краевой угол смачивания близким к нулю. Чем выше скрытая теплота парообразования, тем меньше потребуется жидкости. Жидкость с высокой теплопроводностью сведет к минимуму перепад температур между стенкой и поверхностью испарения (тем меньше вероятность возникновения пузырькового кипения на границе фитиля со стенкой корпуса). Чем меньше вязкость жидкости, тем меньше гидравлическое сопротивление ее течению. В зависимости от интервала температур могут быть использованы самые различные вещества приведенные к жидкой фазе: аммиак (–60 ... +100°C), фреон–11 (–40 ... +120°C), ацетон (0 ... +120°C), вода (30 ... 200°C) и т. д. Капиллярно-пористый материал (фитиль) – обеспечивает создание капиллярного напора для перемещения жидкости из конденсатора в испаритель и равномерного распределения ее по всей зоне испарения. К материалу предъявляются противоречивые требования: он должен быть мелкопористым для создания максимального напора и он должен быть крупнопористым для увеличения проницаемости (по жидкости). В связи с этим в условиях работы против сил гравитации практически не используется тепловая труба длиной более 1 м. Слой КПМ вдоль стенок должен быть толстым для увеличения расхода жидкости (увеличение теплопередачи) и должен быть тонким для уменьшения термического сопротивления фитиля в радиальном направлении (с целью увеличения плотности теплового потока в испарителе). Наиболее часто используют металлические сетки, металлические ткани саржевого плетения, спеченные металлические порошки, металлический войлок. Достоинства тепловой трубы: отсутствие нагнетателей, т.е. нет затрат на перемещение среды; герметичность, позволяющая в качестве рабочей среды использовать агрессивные вещества; легкость регулирования; высокая теплопередача (в сотни раз больше, чем у любого металла). 6.3.2. Энергетический баланс тепловой трубы Энергетический баланс вертикальной капиллярной тепловой трубы состоит из двух уравнений: массового и гидродинамического. Массовое уравнение выражает собой равенство расходов пара  и конденсата   , ,где  ,  – скорость движения пара и конденсата, соответственно.Гидродинамическое уравнение выражает собой равенство перепадов давления по паровому  и конденсационному  пути между зоной испарения и зоной конденсации , ,где  – поверхностное натяжение рабочей жидкости;  – угол смачивания;  – радиус капилляра пористого материала;  ,  – плотность конденсата и пара, соответственно; l – транспортная длина рабочей жидкости, K – проницаемость материала, – коэффициент гидравлического сопротивления среды.Тепловое уравнение представляет собой сумму изменений энергии жидкости и пара Количество передаваемого тепла определяется из уравнения  ,где r– теплота парообразования, зависящая от рода жидкости и давления внутри трубы. 6.3.3. Области работы Для нормальной работы тепловой трубы необходимо, чтобы режимы работы всех ее элементов не достигали критических величии. Зона испарения. Имеются некоторые явления, ограничивающие область работы тепловой трубы. Срыв жидкости. Направление движения пара и жидкости в тепловой трубе противоположны. Поэтому на поверхности раздела фитиль – паровой поток на жидкость действуют касательные напряжения – возможен срыв капель. Унос капель жидкости наступит тогда, когда скоростной напор пара превысит силы поверхностного натяжения жидкости. Установлено, что чем тоньше сетка (чем меньше шаг проволочек), тем менее вероятен унос капель; Ограничение мощности тепловой трубы по вязкости. При низких температурах преобладающими являются силы вязкости в паровом потоке: чем они выше, тем меньше скорость пара и мощность теплопередачи. Установлено, что для увеличения скорости пара достаточно снизить давление (в идеале до нуля) в зоне конденсации, т.е. снизить температуру этого конца тепловой трубы. Звуковой предел. Снижение давления (температуры) в зоне конденсации и повышение температуры в зоне испарения как бы повышает "разность потенциалов" между концами тепловой трубы, тем самым повышая скорость движения пара. Однако существует физический предел – скорость звука – при достижении которого уже никакое увеличение "разности потенциалов" не приводит к увеличению скорости пара. Достигается состояние, которое носит название "запирание" канала Теплова труба. При этом, если продолжать и далее уменьшать температуру в зоне конденсации, то Теплова труба потеряет свойство изотермичности – по ее длине будет наблюдаться значительный градиент температур. Капиллярное ограничение (ограничение по смачиванию фитиля). При возрастании теплового потока в зоне испарения должен возрастать приток жидкости по фитилю. Предельная величина притока жидкости зависит от типа конструкции фитиля. Кризис теплоотдачи. Плотность теплового потока не должна превышать некоторого значения, при котором может наступить кризис теплоотдачи (осушение фитиля, когда КПМ не успевает подавать новые порции жидкости в зону испарения). Для неметаллических жидкостей характерно возникновение пузырькового кипения в фитиле зоны испарения. Это затрудняет отвод образующегося на греющей поверхности пара через толщу фитиля, а, следовательно, ограничивает мощность теплопередачи (например, предел мощности для воды – 130 кВт/м2, для калия – 315 кВт/м2. 6.3.4. Способы регулирования теплопередачи Для осуществления качественного теплоснабжения необходимо поменять регулирование тепловой трубы. Тепловая труба допускает как двухпозиционное (включенно или выключено), так и плавное регулирование. Имеются следующие способы регулирования теплопередачи тепловой трубы: дросселирование потока конденсата, дросселирование парового потока, изменение внешнего термосопротивления тепловых труб, газовое регулирование. Дросселирование потока конденсата осуществляется путем нарушения непрерывности капиллярности пористого материала (например, пережимом фитиля). Т. к. конструктивное воплощение этого способа регулирования довольно сложно, а возможности регулирования ограничены, то он не нашел широкого практического применения. Дросселирование парового потока осуществляется обычными клапанами, управляемыми термочувствительными элементами по температуре пара или источника. Этот способ намного проще, чем дросселирование потока конденсата. Однако диапазон плавного регулирования тепловой трубы путем дросселирования парового потока невелик и применяется только при очень низком давлении теплоносителя, когда большие относительные изменения потери давления в паре невелики по абсолютной величине по сравнению с располагаемым капиллярным напором. Если перепад давления в клапане будет большем, чем капиллярное давление, то пар начнет выдавливать жидкость из фитиля и проходить из испарителя в конденсатор непосредственно через фильтр. Следовательно, перепад температур, соответствующий максимальному каппилярному напору фитиля, исчерпывает диапазон регулирования. Изменения внешнего сопротивления тепловых труб состоит в том, что сама тепловая труба поочередно то подключается, то изолируется от источника или потребителя тепла. Плавное регулирование теплопередающей способности трубы этим способом конструктивно очень сложно и на практике применяется редко. Газовое регулирование осуществляется путем введения в тепловую трубу некоторое количество инертного неконденсирующего газа. Газ скапливается в конце зоны конденсации, вытесняя оттуда пар и, следовательно, выключает занятую часть конденсатора из процесса передачи тепла. Доля длины конденсатора, занятая газом, зависит от физических свойств газа и теплоносителя, размеров трубы и количества газа в ней, а также от температуры. При увеличении температура потребителя тепла объем газа увеличивается, а поверхность теплообмена уменьшается, так что температура пара в трубе остается приблизительно постоянной. Такое регулирование называется пассивным. Этот способ регулирования конструктивно осуществим довольно просто, отличается высокой точностью регулирования и широким диапазоном. Поэтому он наиболее широко используется на практике. 6.4. Подземные термальные воды (гидротермы) В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий энергоноситель – вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних геосфер. Жидкая вода существует только до глубин 10–15 км, ниже при температуре около 700С вода находится исключительно в газообразном состоянии. В любой точке земной поверхности, на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород, содержащие термальные воды (гидротермы). «Гидротермальная оболочка» прослеживается повсеместно по всему земному шару только на разной глубине. В районах современного вулканизма гидротермальная оболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не только горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с температурой 180–200С и выше. Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обусловливая их разнообразнейший химический и газовый состав. Их общая минерализация колеблется от ультрапресных категорий (менее 0,1 г/л) до категорий сверхкрепких рассолов (более 600 г/л). Гидротермы содержат в растворенном состоянии различные газы: активные (агрессивные), такие, как углекислота, сероводород, атомарный водород, и малоактивные – азот, метан, водород. В геотермальной энергетике могут быть использованы практически все виды термальных вод: перегретые воды – при добыче электроэнергии, пресные термальные воды – в коммунальном теплообеспечении, солоноватые воды – в бальнеологических целях, рассолы – как промышленное сырье. Для отопления и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий необходима температура воды не ниже 50–60С. Наиболее рациональное использование термальных вод может быть достигнуто при последовательной их эксплуатации: первоначально в отоплении, а затем в горячем водоснабжении. Но это представляет некоторые трудности, так как потребность в горячей воде по времени года относительно постоянна, тогда как отопление является сезонным. При значительной минерализации термальных вод применяются двухконтурные схемы с промежуточным теплообменником, что исключает образование интенсивных отложений в системах теплоснабжения. При использовании термальной воды с низким тепловым потенциалом (температура ниже 80С) требуется в систему отопления включать дополнительный источник тепла (котлоагрегат или тепловой насос). Температура термальных вод в Беларуси достигает приблизительно 35–50С в Припятской впадине. По степени минерализации они относятся к рассольным с содержанием солей от 350 до 450 г/л, что ограничивает их использование в системах теплоснабжения. Ограничивающими факторами также являются большая глубина залегания термальных вод 2000–3000 м и низкий дебет скважин (100 – 150 м3/сутки). Исходя из характеристик термальных вод Беларуси, можно сделать вывод, что использовать ее для отопления и водоснабжения в больших объемах нецелесообразно. Большие перспективы применения геотермальная вода имеет в медицине и на промышленных предприятиях, использующих в больших объемах рассолы. 7. ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ 7.1. Характеристики электрического поля Земли Планета Земля в электрическом отношении представляет собой подобие сферического конденсатора, заряженного примерно до 300 тысяч вольт. Поверхность Земли заряжена отрицательно, а ионосфера – положительно. Изолятором служит атмосфера Земли (рис. 7.1). О  днако атмосфера не является идеальным изолятором – через нее постоянно протекают ионные и конвективные токи утечки, которые достигают многих тысяч ампер.Существование токов утечек в атмосфере Земли связано в основном с процессами ионизации воздуха и пространственным разделением возникающих при ионизации положительных и отрицательных электрических зарядов. Ионизация воздуха происходит под действием космических лучей ультрафиолетового излучения Солнца; излучения радиоактивных веществ, имеющихся на поверхности Земли и в воздухе; электрических разрядов в атмосфере и т. д. Многие атмосферные процессы: конвекция образование облаков, осадки и другие – приводят к частичному разделению разноименных зарядов и возникновению атмосферных электрических полей. Утечка зарядов в атмосфере также связанна с молниями и отеканием зарядов с остроконечных предметов (острий). Баланс электрических зарядов, приносимых на земную поверхность площадью 1 км2 за год, можно характеризовать следующими данными: ток проводимости + 60 к/(км2·год); токи осадков + 20 к/(км2·год); разряды молний – 20 к/(км2·год); токи с остриев – 100 к/(км2·год). Всего – 40 к/(км2·год). Но, несмотря на имеющиеся токи утечки, разность потенциалов между обкладками конденсатора не уменьшается. Это обусловлено тем, что в солнечной системе существует источник энергии, который постоянно восполняет утечку зарядов с обкладок конденсатора. Таким источником является магнитное поле Земли, которое вращается вместе с планетой в потоке солнечного излучения. Напряженность электрического поля Земли распределяется очень неравномерно по высоте: она максимальна у поверхности Земли и составляет примерно 150 В/м. С высотой она уменьшается приблизительно по закону экспоненты и на высоте 10 км составляет около 3% от значения у поверхности Земли. Таким образом, почти всё электрическое поле сосредоточено в нижнем слое атмосферы, у поверхности Земли. Вектор напряженности электрического поля Земли E направлен в общем случае вниз. Электрическое поле Земли, как и любое электрическое поле, действует на заряды с определенной силой, которая называется кулоновской силой Fкул. Если умножить величину заряда на напряженность электрического поля в этой точке, то получим как раз величину кулоновской силы. Эта кулоновская сила толкает положительные заряды вниз, к земле, а отрицательные – вверх, в облака. 7.2. Технология использования электрического поля Земли Для того чтобы воспользоваться энергией электростатического поля Земли, нужно подключить потребитель энергии к отрицательному полюсу – Земле и к положительному полюсу – ионосфере. К Земле можно подключиться с помощью обычного металлического проводника (заземления), а к ионосфере – с помощью весьма специфического проводника – конвективного тока. Конвективные токи – это электрические токи, обусловленные упорядоченным переносом заряженных частиц. В природе они встречаются часто. Это и обычные конвективные восходящие струи, которые несут отрицательные заряды в облака, это и смерчи (торнадо), которые тащат к земле сильно заряженную положительными зарядами облачную массу, это и восходящие потоки воздуха во внутритропической зоне конвергенции, которые уносят огромное количество отрицательных зарядов в верхние слои тропосферы. И такие токи достигают очень больших значений. Если установить на поверхности Земли металлическую мачту и заземлить ее (рис. 7.2.), то внешнее электрическое поле начнет двигать отрицательные заряды (электроны проводимости) вверх, к верхушке мачты, создавая там избыток отрицательных зарядов. А избыток отрицательных зарядов на верхушке мачты создаст свое электрическое поле, направленное навстречу внешнему полю. Наступает момент, когда эти поля сравняются по величине, и движение электронов прекращается. Это значит, что в проводнике, из которого сделана мачта, электрическое поле равно нулю.  Рис. 7.2. Разность электрических потенциалов между поверхностью Земли и верхушкой мачты Определим примерную разность потенциалов между Землей и верхушкой мачты, наведенную внешним электрическим полем. Положим высота мачты h = 100 м., средняя напряженность по высоте мачты Еср. = 100 В/м. Тогда разность потенциалов (Э.Д.С.) между Землей и верхушкой мачты будет численно равна:  100 м 100 В/м = 10 000 вольт. Это совершенно реальная разность потенциалов, которую можно измерить. Разность потенциалов направлена противоположно вектору напряженности электрического поля Земли и стремится вытолкнуть электроны проводимости из верхушки мачты вверх, в атмосферу. Но этого не происходит, так как у электронов недостаточно энергии для того, чтобы покинуть проводник, из которого сделана мачта. Эта энергия называется работой выхода электрона из проводника и для большинства металлов она составляет менее 5 электронвольт – величина весьма незначительная. Но электрон в металле не может приобрести такую энергию между столкновениями с кристаллической решеткой металла и поэтому остается на поверхности проводника. Помочь избыточным зарядам на верхушке мачты покинуть этот проводник можно с помощью специального устройства – эмиттера. В этом случае отрицательный заряд на верхушке мачты уменьшится, внешнее электрическое поле внутри мачты уже не будет скомпенсировано и начнет снова двигать электроны проводимости вверх к верхнему концу мачты – по мачте потечет ток. Теперь если подключить потребителя энергии между мачтой и заземлением, то получим электростанцию (рис. 7.2). Под действием электрического поля Земли электроны проводимости из земли движутся по мачте через нагрузку и далее вверх по мачте к эмиттеру, который освобождает их из поверхности металла верхушки мачты и отправляет их в виде ионов в свободное плавание по атмосфере. Электрическое поле Земли в полном соответствии с законом Кулона поднимает их вверх до тех пор, пока они на своем пути не будут нейтрализованы положительными ионами, которые всегда опускаются вниз из ионосферы под действием того же поля. Простейшим эмиттером может служить плоский диск из листового металла, имеющий вертикальную ось, с множеством иголок, расположенных по его окружности. При вращении диска набегающий влажный воздух срывает электроны с его иголок и таким образом освобождает их из металла. Этот эффект широко известен. Когда вертолет при монтаже высоких строений несет на длинной металлической стропе металлическую конструкцию, лопасти винтов вертолета, вращающиеся во влажном воздухе, становятся эмиттером. Это приводит к зарядке металлической конструкции и рабочие, которые занимаются монтажом, знают, что прикасаться к ней голыми руками нельзя – «ударит током». Возможны и другие конструкции эмиттеров, более эффективные, основанные на разных принципах и физических эффектах. Наиболее перспективными представляются следующие конструкции эмиттеров. 1. Паровой эммиттер. Молекула воды имеет хорошо выраженную полярность и может легко захватить свободный электрон. Если обдувать паром заряженную отрицательно металлическую пластину, то пар будет захватывать с поверхности пластины свободные электроны и уносить их с собой. Для увеличения энергетической эффективности возможно продувать не пар, а влажный воздух, регулируя его влажность в нужных пределах. 2. Капиллярный эмиттер. Данное устройство представляет собой установленный на вершине мачты металлический сосуд с водой, соединенный с металлом мачты надежным контактом. В середине сосуда установлена одна или несколько стеклянных капиллярных трубок. Так как уровень воды в трубке выше, чем в сосуде, то это создает электростатический эффект острия – в верхней части капиллярной трубки создается максимальная концентрация зарядов и максимальная напряженность электрического поля. Под действием электрического поля вода в капиллярной трубке поднимется и будет распыляться на мелкие капельки, унося с собой отрицательный заряд. При определенной небольшой силе тока вода в капиллярной трубке закипит, и уже пар будет уносить заряды. А это должно увеличить ток эмиттера. 3. Искровой эмиттер. При пробое искрового промежутка вместе с искрой из металла выскакивает облако электронов проводимости. Искровой эмиттер представляет собой генератор высоковольтных импульсов. Отрицательные импульсы поступают на мачту, положительные – на электрод, который образует искровой промежуток с верхушкой мачты. Получается нечто подобное обычной бытовой газовой зажигалки китайского производства с питанием от одной пальчиковой батарейки. Главное достоинство такого устройства – возможность регулировать ток эмиттера с помощью частоты разрядов, величины искрового промежутка, можно сделать несколько искровых промежутков и пр. Но существует один недостаток – искровые разряды создают радиопомехи. Поэтому верхушку мачты с искровыми промежутками нужно экранировать цилиндрической сеткой, изолированной от мачты. 4. Сверхпроводниковый эмиттера. Для того, чтобы создать эмиттер на принципе прямой эмиссии электронов необходим материал с очень низкой работой выхода электрона, например, паста из оксида бария – 0,99 эВ. В идеале это должен быть комнатнотемпературный сверхпроводник (КТСП), которых пока не существует в природе. Но возможно скоро появиться. Достаточно поместить на верхушку мачты КТСП – и эмиттер готов. Проходя по сверхпроводнику, электрон не встречает сопротивления и очень быстро приобретает энергию, необходимую для выхода из металла (около 5 эВ.) По законам электростатики напряженность электрического поля Земли наиболее высока на возвышенностях – на вершинах холмов, сопок, гор и т. п. В низинах, впадинах и углублениях она минимальна. Поэтому такие электростанции лучше строить на самых высоких местах и подальше от высоких строений или же устанавливать их на крышах самых высоких строений. Для увеличения эффективности электростанции возможно поднять проводник с помощью аэростата. Такая установка незаменима в отдаленных поселениях, на метеостанциях и других удаленных от цивилизации местах. К достоинствам электростанции на основе электрического поля Земли можно отнести следующее: установка исключительно проста в изготовлении и эксплуатации, источник вырабатывает самый удобный вид энергии – электроэнергию, источник экологически чист: никаких выбросов, никакого шума и т. п. Однако у этой технологии имеются и недостатки. Установка производит постоянный ток. Электрическое поле Земли подвержено колебаниям: зимой оно сильнее, чем летом, ежедневно оно достигает максимума в 19 часов по Гринвичу, также зависит от состояния погоды. Но эти колебания не превышают 20% от его среднего значения. В некоторых редких случаях при определенных погодных условиях напряженность этого поля может увеличиться в несколько раз. Например, во время грозы электрическое поле изменяется в больших пределах и может изменить направление на противоположное, но это происходит на небольшой площади непосредственно под грозовой ячейкой. 8. АККУМУЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГИИ 8.1. Цель аккумулирования энергии Аккумулирование энергии используется в промышленности уже в течение многих десятилетий. Хотя аккумулирование само по себе не экономит энергию (а наоборот ведет к дополнительным потерям), оно позволяет значительно облегчить управление потреблением энергии и соответственно снизить во многих случаях потребление энергии. Известно, что мощность большинства возобновляемых источников энергии подвержена периодическим и случайным изменениям (солнечная энергия, гидроэнергия, ветроэнергия). При этом скорость потребления энергии также изменяется во времени как в течение года (например, горячее водоснабжение), так и в течение дня (например, искусственное освещение). Приведение в соответствие выработки энергии и потребности в ней во времени может осуществляться аккумулирующей установкой. К другим задачам аккумулирования энергии относятся: обеспечение плавного запуска энергетической установки, обеспечение резерва в случае внезапного прекращения работы энергетической установки. Аккумуляторы по виду аккумулирующей энергии могут быть: тепловые; химические (например, водородный); электрохимические (например, свинцово-кислотные батареи); электрические (индукционный, электромагнитный); механические (гидравлический, пневматический, инерционный, упругий). Выбор типа аккумулятора проводят по трем параметрам: эффективность, характеризуется коэффициентом отдачи энергии и стоимостью аккумулятора (обычно определяющая оценка), габариты, характеризуется объемной плотностью энергии (например, в автомобиле), вес (например, в авиации или космонавтике), характеризуется весовой плотностью энергии. Основные параметры аккумулирующих систем приведены в таблице 8.1. Таблица 8.1 Аккумулирующие системы и их характеристики
8.2. Энергетический баланс аккумулятора Аккумулятор состоит из резервуара для хранения, аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для зарядки и разрядки и вспомогательного оборудования. На рис. 8.1 показан процесс аккумулирование с использованием сосуда-аккумулятора. Баланс энергии для этого процесса в общем виде можно записать Eвх– Eвых = Eак, где Eвх– подведенная энергия (зарядка аккумулятора), Eвых – отведенная энергия (разрядка аккумулятора), Eак – аккумулированная энергия.  Рис. 8.1. Энергетический баланс аккумулятора Применяя первый закон термодинамики для подведенной и отведенной энергии к открытой системе, получим основное уравнение аккумулирования энергии для открытых систем в дифференциальной форме:  где mак – масса аккумулирующей среды; u – внутренняя энергия (отсчитываемая от произвольного нулевого уровня); p – давление;  – скорость течения; – плотность среды; p/ – удельная потенциальная энергия давления, g – ускорение силы тяжести; H – высота (отсчитываемая от произвольного нулевого уровня); gH – удельная потенциальная энергия положения; 2/2– удельная кинетическая энергия; dQ – тепло, подведенное к системе; dL– работа системы, не зависящая от переноса массы (например, при движении стенок системы, электрическая энергия, энергия вала двигателя).Исследование основного уравнения аккумулирования энергии показывает, что аккумулирование энергии может осуществляться в результате изменения: а) удельной внутренней энергии; б) удельной потенциальной энергии давления; в) удельной потенциальной энергией положения, г) удельной кинетической энергии; д) массы системы. К тепловому аккумулированию энергии обычно относят случай (а), а также случай (б), если удельная внутренняя энергия рабочего тела выше, чем окружающей среды. К химическому и электрхимическому аккумулированию относят случай (а), к механическому – случаи (б), (в), (г) и (д). 8.3. Тепловое аккумулирование энергии. Тепловое аккумулирование – это физические процессы, посредством которых происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии. Если накопление и кинетической, и потенциальной энергии исключено (сак = 0, H = 0) и если кинетические и потенциальные энергии подводимых и отводимых масс, пренебрежимо малы, а работа ограничена движением поверхностей, ограничивающих систему, т. е. если  , где Vак – объем аккумулятора; pак– давление в аккумуляторе, то основное уравнение аккумулирования энергии преобразуется к виду, справедливому для аккумулятора тепла:  ,Используя определение энтальпии, имеем h = u + p, и, следовательно, энергетический баланс принимает вид  .Соответственно баланс массы запишется как dmвх– dmвых= dmак. В соответствии с принятыми выше определениями и выводами можно провести классификацию аккумуляторов тепла. По виду аккумулирующей и теплообменной среды: прямое и косвенное аккумулирование. Прямое аккумулирование: аккумулирующей и теплообменной является одна и та же среда. Аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой, газообразной или двухфазной (жидкость плюс газ). Косвенное аккумулирование: энергия аккумулируется только посредством теплообмена (например, теплопроводностью через стенки резервуара) либо в результате массообмена специальной теплообменной среды (в жидком, двухфазном или газообразном состоянии). Собственно аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой или газообразной (процесс может протекать без фазового перехода, с фазовым переходом твердое тело – твердое тело, твердое тело – жидкость или жидкость – пар), Аккумуляторы также могут быть с постоянной или переменной массой, объемом и давлением. При постоянной массе (dmак = 0) обычно происходит косвенное аккумулирование. Однако может иметь место и прямое аккумулирование, если перемещаемая часть массы после охлаждения (при разрядке) или нагрева (при зарядке) полностью возвращается в аккумулятор (вытеснительное аккумулирование). При переменной массе (dmак≠ 0) всегда происходит прямое аккумулирование. Постоянный объем (dVак =0) соответствует аккумулированию в закрытых (или с малым изменением объема) резервуарах. Переменный объем (dVак ≠0) соответствует аккумулированию при атмосферном давлении или со специальным компрессионным оборудованием. | ||||||||||||||||||||||||||||||||