3tom043

2. WYTWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ 88

wanego z półprzewodników. Sprawność teoretyczna takiego układu jest równa sprawności obiegu Carnota (p. 2.2), a sprawność ogólna elektrowni z generatorem termoelektrycznym jest wyrażona wzorem

2. WYTWARZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ 88

Ul

/(a)7;+ż(7i-r₂)-y^/²

(2.30)

gdzie: P — odbierana moc elektryczna; Qj — dostarczana do elektrowni moc cieplna; 'Iwc — sprawność wytwarzania energii cieplnej; U, I — napięcie i prąd elektryczny; a — współczynnik Seebecka, zależny od rodzaju materiału termoelcmentu oraz temperatury T, i T₂; T,, T₂ — temperatura złącza gorącego i zimnego; ?. — wypadkowa przewodność cieplna materiału termoelementu; R_w — rezystancja wewnętrzna termo-elementu.

Pracujące generatory tego typu osiągają sprawność (nie licząc //»,.) do 10%, a przewiduje się jej zwiększenie do 15-^20% poprzez poprawę parametrów materiałów. Energię cieplną zasilającą generator można czerpać ze spalania paliw organicznych, z reaktorów jądrowych i z energii słonecznej (tabl. 2.5).

Generatory termoemisyjne również wymagają doprowadzenia ciepła na podgrzanie elektrod emitujących elektrony. Sprawność teoretyczna takiego układu jest ograniczona sprawnością obiegu Carnota ą_c. Możliwa do osiągnięcia sprawność maksymalna jest wyrażona wzorem

gdzie: k — stała Boltzmana, k = 1,38-10~²³ J/K; T_k — temperatura katody; <p — potencjał wyjścia elektronu; e — ładunek elektronu, e — 1,6-10 ¹⁹ C.

Dotychczas opracowane rozwiązania tych generatorów pozwalają na osiąganie sprawności do 27%, ale wypadkowa sprawność elektrowni z tymi generatorami jest mniejsza o sprawność wytwarzania energii cieplnej.

W elektrowniach wiatrowych wykorzystuje się część energii naturalnego ruchu powietrza zgodnie z zależnością

P =

aAvⁱ

*iew-z-

(2.32)

w której: P — moc uzyskiwana na zaciskach prądnicy; r\_EW — sprawność ogólna elektrowni wiatrowej (0,2 -4- 0,4); q — gęstość powietrza; A — pole powierzchni omywanej przez wiatr; v — prędkość wiatru.

W elektrowniach słonecznych typu heliotermicznego skoncentrowana energia promieniowania słonecznego jest wykorzystywana do wytworzenia pary zasilającej turbinę napędzającą prądnicę. Czas pracy tego typu elektrowni można wydłużyć na okres przerw w nasłonecznieniu poprzez zastosowanie dodatkowego kotła parowego. Sprawność elektrowni heliotermicznej jest mała (mniejsza niż 30%), ze względu na zastosowany obieg termodynamiczny. Podobną cechę mają elektrownie geotermiczne, które wykorzystują ciepło wnętrza ziemi, zwykle w postaci samoczynnych wypływów pary lub gorącej wody. Oczyszczona para wodna zasila turbiny parowe napędzające prądnice.

Generatory fotoelektryczne zasilane energią promieniowania słonecznego nazywa się helioelektrycznymi (tabl. 2.5). Otrzymywana bezpośrednio na ich zaciskach moc elektryczna jest wyrażona wzorem

(2.33)

P = ti_re,A_f

gdzie: t\_f— sprawność ogólna fotoogniwa (0,12^-0,25); e_s — strumień energii promieniowania słonecznego padającego na 1 m² powierzchni fotoogniwa. A_f— pole powierzchni fotoogniwa.

Klasyczne ogniwa galwaniczne i ogniwa paliwowe przemieniają energię chemiczną bezpośrednio w elektryczną. Najbardziej rozpowszechnione są ogniwa Leclanchćgo (1,5 V z możliwością łączenia w baterie) i indowo-rtęciowe (1,15 V, np. do zasilania zegarków elektronicznych). Ogniwa paliwowe realizują elektrochemiczne reakcje utleniania paliw (wodór, metanol itp.) uzupełnianych w miarę zużycia. Sprawność tych ogniw wynika ze wzoru

(2.34)

tfop

przy czym:    — sprawność elektrochemiczna ogniwa uwzględniająca straty związane

z ubocznymi reakcjami chemicznymi, polaryzacją elektrod, stratami czynnika itp. (0,3 -5- 0,75); tf_u — sprawność teoretyczna procesu elektrochemicznego (0,83 -h 1,0) wyrażonego wzorem

(2.35)

gdzie: T — temperatura reakcji; As — przyrost entropii substancji w wyniku reakcji; A i — zmiana entalpii, równa ciepłu reakcji.

Generatory radioizotopowe wytwarzają energię elektryczną w wyniku promieniowania jądrowego izotopów promieniotwórczych. Istnieje wiele sposobów przemian energii promieniowania jądrowego w elektryczną, począwszy od bezpośrednich po metody wykorzystujące albo zjawiska pośrednie (np. lumincsccncyjne i fotoclcktryczne), albo energię kinetyczną emitowanych cząsteczek jako źródła ciepła dla generatorów termoelektrycznych i tcrmoemisyjnych. Zc względu na cechy tych generatorów (tabl. 2.5), są one rozwijane jako specjalistyczne źródła energii do celów kosmicznych, stacji pomiarowych naziemnych i podwodnych, do zasilania stymulatorów serca itp.

2.1.4. Czynniki kształtujące rozwój elektrowni

0    tempie i kierunkach rozwoju elektrowni decydują różnorodne czynniki, które można podzielić na trzy grupy, dotyczące potrzeb energetycznych, aspektów ekonomicznych

1    ograniczeń.

Moc osiągalna P_a wszystkich krajowych elektrowni i elektrociepłowni w dowolnym roku perspektywy powinna spełniać zależność

(2.36)

^po = P, + P„_m = P_o0 + bP„-P„_y

w której: P_s — szczytowe zapotrzebowanie na moc w danym roku w systemie elektroenergetycznym; P_mm — tzw. margines mocy osiągalnej, czyli nadwyżka mocy niezbędna do utrzymania rezerwy mocy w systemie oraz na pokrycie trwałych ubytków mocy w elektrowniach i elektrociepłowniach; P_o0 — moc osiągalna elektrowni pracujących w roku wykonywania analizy; AP₀ — wymagany przyrost mocy osiągalnej w rozpatrywanym okresie; P_wy — moc, która będzie w rozpatrywanym okresie wycofana ^z eksploatacji w starych elektrowniach.

W prawidłowo rozwijanych systemach elektroenergetycznych (nie deficytowych) ^Pmm (0,2 0,25)P_s. Szczytowe zapotrzebowanie na moc w określonym roku perspektywy określa się zwykle — wykorzystując prognozy wymaganej produkcji brutto energii elektrycznej E, w systemie — z zależności

(2.37)