Рис. 35. Схема термоэлектрического генератора:
1 — горячий слой; 2 — холодный слой
НЕМАШИННЫЕ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ
Большой ресурс энергоустановок, предназначаемых для ОКС, требует максимального повышения надежности всех систем. Одним из путей повышения надежности является уменьшение вращающихся, трущихся и других напряженных в тепловом и механическом отношении узлов и агрегатов. Во всех рассмотренных нами после аккумуляторов и солнечных батарей схемах наиболее напряженными узлами являются турбина и электрогенератор. Но турбогенераторная установка — не единственный принципиальный способ получения электричества из тепловой энергии.
На рис. 35 показана схема термоэлектрического генератора с ядерным реактором. Работа его основана на получении термической электродвижущей силы (или термо-э.д.с.), т.е. на том же принципе, на котором работает обычная термопара, применяемая при измерениях температур.
Рис. 35. Схема термоэлектрического генератора: 1 — горячий слой; 2 — холодный слой |
Чем выше температура горячего спая, тем совершеннее термоэлектрический генератор. Поэтому одной из основных проблем осуществления такой схемы является подбор пар материалов, обладающих высокой жаропрочностью и высокими термоэлектрическими свойствами: малыми электросопротивлением и теплопроводностью материалов. Рекомендуется применять материалы с большим атомным весом, например свинец, теллур, висмут, у которых наилучшим образом сочетаются высокая термо-э.д.с. с минимальными электросопротивлением и теплопроводностью, что позволяет получить низкое рассеивание электрической мощности и небольшиe потери тепла.
К.п.д. термопар невелик. Так, по сообщениям иностранной печати, при максимальной температуре горячего спая 1100° С и температуре холодного спая 550° С к.п.д. не превышает 2%. Экспериментальные термопары, например висмут плюс теллур, никель плюс серебро, дают к.п.д. до 5-7%. В перспективе к. п. д. термоэлектрических установок может быть доведен до 15%.
После выхода на основной режим ядерная термоэлектрическая система не нуждается в системе регулирования, так как соответствующее конструирование системы «реактор — термопара — излучатель» дает возможность получить автоматическое саморегулирование перепада температур в течение нескольких лет [31].
Термоэлектрический преобразователь может быть с успехом использован также в солнечной или в радиоизотопной энергетических установках. Теплоноситель горячего спая в такой установке вообще не нужен. Нагрев будет осуществляться непосредственно сфокусированным пучком солнечных лучей или изотопом. К.п.д. таких установок будет выше, а удельный вес меньше.
Значительно лучшие характеристики дает другой немашинный способ генерирования электроэнергии — термоэлектронный. Принцип работы ядерной энергосистемы с таким генератором показан на рис. 36. Катод получает постоянный приток тепла от ядерного реактора, анод же отдает тепло во внешнюю среду с помощью радиационного излучателя. Нагретый до высокой температуры катод эмитирует, т.е. излучает электроны, которые попадают на холодный анод. Таким образом, возникает э.д.с., т.е. разность потенциалов. Пространство между анодом и катодом представляет собой глубокий вакуум. Подобное устройство напоминает простейшую электpоннyю лампу — диод.
 Рис. 36. Схема термоэлектронного генератора: 1 — горячий катод; 2 — холодный анод |
В таком генераторе параметры тока также зависят от максимальной температуры катода. К.п.д. термоэлектронного устройства может достигать довольно больших величин. Так, при температуре, катода 1250° С и анода 550°С был получен к.п.д. преобразования, равный 13%. Считается, что к.п.д., равный 30%, далеко не предел для термоэлектронных генераторов. Удельный вес таких преобразователей оценивается в 50-100 кг/квт без защиты, но в будущем предполагается получить 10 кг/квт, что позволит успешно применить термоэлектронные установки для энергоснабжения ОКС.
Хорошие весовые данные можно получить и от солнечной энергоустановки с термоэлектронным преобразователем, а также от установки, работающей на химическом топливе.
В настоящее время в зарубежной печати появляются сообщения о разработке принципиально новых, еще более эффективных бестурбинных электросистем с высоким к.п.д., например магнитогидродинамического генератора с к. п. д. 60% и выше при относительно небольшом удельном весе.
Кроме немашинных схем получения электроэнергия, которые основаны на преобразовании тепловой энергии, существует еще один довольно перспективный способ получения небольших мощностей тока, основанный на применении так называемого топливного элемента, который является непосредственным преобразователем химической энергии в электрическую. В этом отношении данный способ во многом напоминает действие аккумулятора. Устройство топливного элемента схематически показано на рис. 37. Через емкость, заполненную электролитом, например раствором едкого калия, проходят электроды — полые стержни из специального пористого материала, например графита.
 Рис. 37. Схема топливного элемента: 1 — пористые графитовые трубки; 2 — электролит |
Через внутренние полости электродов под давлением пропускаются газы — водород и кислород. Диффундируя через пористую поверхность, они вступают в контакт с электролитом. На водородном электроде в результате химической реакции освобождаются электроны, которые по внешней электрической цепи поступают на кислородный электрод. Движущиеся между электродами ионы замыкают цепь, причем образующаяся в результате химической реакции вода уходит через полый электрод вместе со струей водорода.
Топливные элементы могут дать очень высокий к.п.д. — до 80% (теоретически до 100%) при мощности в несколько киловатт. Удельная мощность и расходы газов через топливный элемент зависят от температуры электролита и давления газов. Расход газообразного водорода через один элемент с напряжением 0,8 в — около 1100 л/час на каждый киловатт мощности. Удельный вес топливных элементов при мощности 1 квт оценивается в 30-60 кг/квт [32].
Как видим, в качестве основных рабочих компонентов для топливного элемента (а также для рассмотренных ранее химических источников энергии) применяются водород и кислород. Транспортировать эти газы в жидком состоянии на орбиту и хранить их на борту ОКС — весьма сложная задача. Но в этом и нет необходимости. Существует целый ряд способов получения газообразных водорода и кислорода непосредственно на орбите из различных «полуфабрикатов», транспортировка и хранение которых не представляют трудностей и не требуют очень больших емкостей. Водород, например, можно получать из воды разложением ее с помощью гидрида кальция или гидрида лития, а также разложением аммиака или углеводородов с помощью катализаторов. Очень выгодно получать сразу оба компонента — и кислород, и водород. Как известно, если воду подвергать фотоэлектролизу, то она будет разлагаться, выделяя газообразный водород и кислород. Этот способ очень удобен для применения на ОКС, так как солнечных лучей, ультрафиолетовая часть спектра которых служит отличным средством электролиза, на орбите вполне достаточно. При этом запасы воды на борту ОКС практически не расходуются, так как в результате реакции в топливном элементе снова образуется вода. Чувствительность исходного продукта — воды — к ультрафиолетовым лучам Солнца может быть повышена более чем в 10 раз специальными светочувствительными добавками — сенсибилизаторами.