Энергетическую эффективность

Причиной образования атомного ферромагнитного порядка является наличие в ферромагнетиках электростатической энергии взаимодействия между микрочастицами, не имеющей аналога в классической физике. Поскольку эта энергия была выявлена в процессе решения задачи об энергетическом состоянии ферромагнетика путем использования математической операции обмена электронами между соседними атомами, она получила название обменной энергии А. Состоянию А >0 (и достаточно большой по значению) соответствует параллельное расположение спинов, а состоянию А < 0 — антипараллельное. Наилучшим образом условию А > 0 удовлетворяют Fe, Ni, Co и Gd. Вопросы, связанные с существованием, условиями возникновения, количественными оценками атомного магнитного порядка (атомный магнетизм) относятся к теоретической физике и в данной книге рассмотрены не будут.

В общем виде анализ температурной зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике представляет собой сложную задачу. Полупроводник может содержать несколько видов донор-ных и акцепторных примесей, что соответствует определенной степени его компенсации. Некоторые примеси могут отдавать или присоединять не один, а несколько электронов. Примесный атом может находиться не только в основном энергетическом состоянии, но и в возбужденном. Основное и возбужденное состояния характеризуются соответствующими факторами спинового вырождения. В некоторых полупроводниковых материалах валентная зона в центре зоны Бриллюэна оказывается вырожденной, что проявляется в увеличении фактора вырождения акцепторного состояния. Поэтому в каждом конкретном случае следует решить, чем можно пренебречь.

Согласно современным физическим представлениям, условия выхода электрона из катода определяются энергетическим уровнем, который он занимает, находясь на соответствующей орбите в атоме. По законам квантовой статистики, в каждом энергетическом состоянии находится не более одного электрона. При температуре абсолютного нуля электрон занимает энергетический уровень, называемый уровнем Ферми. Но в металлах имеется энергетическая зона с уровнями выше уровня Ферми, которые остаются

Классическая статистика была создана ранее квантовой механики. Поэтому представления классической статистики не учитывают квантовомеханических свойств частиц и особенностей их взаимодействия. Р1апример, классическая статистика не учитывает принцип Паули, так как допускает, что в любом энергетическом состоянии возможно размещение любого количества частиц.

Описание природы носителей заряда в полупроводниках и законов их движения производят с помощью зонной теории твердого тела. Электроны в полупроводнике могут иметь некоторые фиксированные значения энергии или, как говорят, занимают определенные энергетические уровни, образующие области близкорасположенных дискретных значений полной энергии электронов — разрешенные энергетические зоны. Разрешенные энергетические зоны разделены интервалами энергий, которыми электроны не могут обладать и которые называются запрещенными энергетическими зонами. При абсолютном нуле температуры электроны заполняют самые нижние разрешенные уровни, где их энергия минимальна. Согласно принципу Паули в каждом энергетическом состоянии может находиться только один электрон. Поэтому электроны заполняют несколько нижних зон, а вышележащие зоны остаются пустыми. Верхняя из полностью заполненных электронами разрешенных зон полупроводника называется валентной, а следующая за ней незаполненная — зоной проводимости. Структура энергетических зон дана на 1.1, где обозначено <§с — энергия дна зоны проводимости, <§„— энергия потолка валентной зоны, <§о=<§с—<§ч— ширина запрещенной зоны.

где Вп — вероятность лазерного перехода; <2Вын — энергия вынуждающего излучения; N2 — концентрация атомов в энергетическом состоянии (§2-

где Bz\ — вероятность квантового перехода с поглощением излучения; N\ — концентрация атомов в энергетическом состоянии
Классическая статистика была создана ранее квантовой механики. Поэтому представления классической статистики не учитывают квантовомеханических свойств частиц и особенностей их взаимодействия. Р1апример, классическая статистика не учитывает принцип Паули, так как допускает, что в любом энергетическом состоянии возможно размещение любого количества частиц.

Энергия, которой может располагать совокупность атомов, в заданном интервале принимает только определенный набор дискретных значений. Для каждого элемента имеется свой набор таких значений энергии. Энергетические состояния атома или совокупности атомов можно характеризовать либо квантовыми числами,-либо значениями энергии. Степени свободы (физические) — вращательная, колебательная, спин и т. д. — характеризуются квантовыми числами. Не существует систем с идентичными квантовыми числами. Это, в частности, означает, что в одном и том же энергетическом состоянии могут находиться только два электрона и только при условии, что их спины имеют противоположную ориентацию.

Атом любого вещества обычно находится в наинизшем энергетическом состоянии, которое называют основным 2. Этому атому нельзя сообщить произвольное количество дополнительной энергии. Энергетические состояния, в которых может находиться, например, атом водорода, были определены экспериментальным и расчетным путем; минимальное количество энергии, которое способен поглотить атом

Здесь Д? — неопределенность в значении энергии; Д< — время, в течение которого микрочастица обладает энергией Е ± Д?. Из (3.19) видно, что неопределенность в энергии может достигать существенного значения лишь в том случае, если время пребывания частицы в данном энергетическом состоянии мало.

Кроме того, поскольку электромеханические ПЭ (электродвигатели и электрогенераторы) имеют КПД порядка 95—98%, исследование ЭУ можно ограничить «термодинамической» частью их ПЭ, применяя для их оценки термодинамические характеристики. Последние могут основываться на методах классической, неравновесной и статистической термодинамики и др. Однако «в подавляющем большинстве случаев^анализ необратимых циклов можно проводить методом классической термодинамики, которая способна дать важные для практики прогнозы в начальной стадии проектирования, когда исследуется ожидаемый действительный цикл установки. При этом удается не только предопределить энергетическую эффективность, но и составить представление о ряде инженерных факторов, таких, как вес теплообменных аппаратов, качество материалов, габариты отдельных узлов, и даже, в некоторых случаях, оценить сложность их изготовления» [76].

Применение в качестве РТ паров низкокипящих жидкостей упростит установку и повысит ее энергетическую эффективность. Строительство подобных ЭУ проектируется в некоторых странах.

Новые энергосберегающие технологии, рассмотренные в исследовании, были сгруппированы в две категории: технологии, повышающие энергетическую эффективность (тепловые насосы, экономия энергии в промышленности, повышение КПД транспортных средств), и технологии, позволяющие заменить установки, работающие на нефти, устройствами, использующими другие энергоносители (электромобили, например). 26

Значительная исследовательская работа во многих странах направлена на повышение энергетической эффективности работы бензинового автомобиля, несмотря на внедрение мероприятий по уменьшению загрязнения воздуха, которые обычно снижают энергетическую эффективность. Можно упомянуть такие мероприятия по улучшению эффективности работы транспорта, как электромобили в ФРГ, скоростные поезда во Франции, управляемые системы уличного движения и многие другие. В этом отношении имеются значительные различия между странами. Так, в Лондоне на общественный транспорт приходится 90 % всех городских поездок. В одной из американских работ [9] утверждалось, что увеличение доли компактных машин в автомобильном парке США с 30 % (современный уровень) до 50 % к 1985 г. (при суммарном пробеге автомобилей, что и в 1973 г.) приведет к экономии примерно 75 млн. т нефти в год, а с учетом мероприятий по усовершенствованию двигателей, суммарная экономия нефти в США за счет улучшения работы автомобильного транспорта к 1985 г. может достигнуть 100 млн. т в год. В Ве,ли-кобритании результаты работы бюро по изучению централизации были представлены в докладе премьер-министру в 1974 г., в котором отвергалась необходимость таких мер по экономии энер-

На следующем этапе осуществляют варьирование параметров Х, Х2, .... Х2А в соответствии с выбранным алгоритмом оптимизации и вычисляют для каждой их совокупности значения целевых функций Вир и С1ф. Процесс вычисления осуществляют до тех пор, пока В„р или С„р не достигнут минимального значения. Соответствующие им значения параметров являются оптимальными для данной ТЭС МК, определяют вид тепловой схемы ТЭС МК, имеющей наибольшую энергетическую эффективность.

Глубина выгорания и неравномерность энерговыделения в активной зоне. Из-за неравномерности нейтронного потока и несовершенства регулирования в активных зонах ядерных реакторов имеет место значительная неравномерность энерговыделения по высоте и диаметру зоны и по отдельным ТВС и твэлам. Поэтому локальные значения глубины выгорания топлива различаются между собой в несколько раз. Предельные (максимальные) значения амакс, на которые должна быть рассчитана работоспособность твэлов и ТВС, определяются с учетом неравномерности энерговыделения по активной зоне в целом. Отличие амакс от а в выгружаемом топливе зависит также от размера одновременно выгружаемой партии. Если будет выгружаться одновременно вся активная зона, тогда коэффициент неравномерности выгорания* топлива в чей будет максимальным. Но практически перегружается лишь часть активной зоны (например, в реакторах ВВЭР-440 1/3 зоны в год). В реакторах канального типа одновременно перегружается только несколько каналов. В этом случае неравномерность выгорания топлива в выгружаемых ТВС будет минимальной (~ 1,1—1,2) и величина амакс будет определяться в основном неравномерностью выгорания по высоте ТВС. В ТВС мощных реакторов типа PWR или ВВЭР, содержащих большое число твэлов (свыше 200), в отдельных группах твэлов проявляется не только осевая, но и радиальная неравномерность выгорания топлива, связанная с их расположением в сборке. Таким образом, средняя глубина выгорания является расчетной величиной, характеризующей энергетическую эффективность использования топлива в данном реакторе. Она может существенно отличаться от фактического максимального (минимального) значения а. Максимальная глубина выгорания амакс — это величина, определяющая требования к надежности и работоспособности твэлов и ТВС.

Глубина выгорания и неравномерность энерговыделения в активной зоне. Из-за неравномерности нейтронного потока и несовершенства регулирования в активных зонах ядерных реакторов имеет место значительная неравномерность энерговыделения по высоте и диаметру зоны и по отдельным ТВС и твэлам. Поэтому локальные значения глубины выгорания топлива различаются между собой в несколько раз. Предельные (максимальные) значения амакс, на которые должна быть рассчитана работоспособность твэлов и ТВС, определяются с учетом неравномерности энерговыделения по активной зоне в целом. Отличие амакс от а в выгружаемом топливе зависит также от размера одновременно выгружаемой партии. Если будет выгружаться одновременно вся активная зона, тогда коэффициент неравномерности выгорания * топлива в чей будет максимальным. Но практически перегружается лишь часть активной зоны (например, в реакторах ВВЭР-440 1/3 зоны в год). В реакторах канального типа одновременно перегружается только несколько каналов. В этом случае неравномерность выгорания топлива в выгружаемых ТВС будет минимальной (~ 1,1—1,2) и величина амакс будет определяться в основном неравномерностью выгорания по высоте ТВС. В ТВС мощных реакторов типа PWR или ВВЭР, содержащих большое число твэлов (свыше 200), в отдельных группах твэлов проявляется не только осевая, но и радиальная неравномерность выгорания топлива, связанная с их расположением в сборке. Таким образом, средняя глубина выгорания является расчетной величиной, характеризующей энергетическую эффективность использования топлива в данном реакторе. Она может существенно отличаться от фактического максимального (минимального) значения а. Максимальная глубина выгорания амакс — это величина, определяющая требования к надежности и работоспособности твэлов и ТВС.

Применение трехтрубной системы позволяет повысить энергетическую эффективность теплофикации. Вместе с тем она требует организации раздельного подогрева воды на ТЭЦ до температуры I" и /гв, а в открытой системе усложняется и схема химической подготовки и деаэрации подпи-точной воды.

Экономичность — комплексный показатель, состоящий из многих компонентов. Часто под экономичностью понимают энергетическую эффективность устройства, т.е. цикловой КПД, или отно-

Описанный процесс рекуперации возможен только при соблюдении условия С/я < UK c. В противном случае 1Я будет расти и при замкнутом, и при разомкнутом состоянии ТП, т.е. произойдет неконтролируемый рост /я до аварийных значений. Практически {/я должно быть меньше UK c на 20 %, что существенно снижает энергетическую эффективность импульсной рекуперации по сравнению с классической. Если же считать, как это и делалось при обосновании эффективности импульсного управления, что разность UKC— Ux пренебрежимо мала и действуют все рассмотренные при описании

Зависимость Я(С/^) тиристорных электровозов характеризуется кривыми 4 и 5 (ВИП, РТ) на 62.50. В реальной эксплуатации средневзвешенное значение К при рекуперации составляет около 0,52. Это резко снижает ее энергетическую эффективность вследствие снижения напряжения и увеличения потерь энергии в контактной сети, а так же из-за достигающих 20 % выработанной ТМ энергии потерь в балластном резисторе. Последние, кроме ограничения разброса нагрузок ТМ, выполняют вторую функцию — обеспечивают возможность работы ВИП с постоянным 5min. Без балластного резистора случайные отклонения ld от установившегося значения /уст ( 62.68, в) приводили бы к лавинообразному изменению Id в том же направлении. Это объясняется тем, что при увеличении Ij увеличивается угол у, что при постоянном 5 вынуждает увеличивать угол Р, а это приво-