Pretvorba toplotne energije v električno energijo z visokim izkoristkom: metode in oprema

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-02 14:02

Toplotna energija zavzema posebno mesto v človekovi dejavnosti, saj se uporablja v vseh sektorjih gospodarstva, spremlja večino industrijskih procesov in preživetja ljudi. V večini primerov se odpadna toplota izgubi nepreklicno in brez gospodarske koristi. Ta izgubljeni vir ni več vreden ničesar, zato bo njegova ponovna uporaba pomagala zmanjšati energetsko krizo in zaščititi okolje. Zato so novi načini pretvarjanja toplote v električno energijo in pretvorbe odpadne toplote v električno energijo danes pomembnejši kot kdaj koli prej.

Vrste proizvodnje električne energije

Pretvorba naravnih virov energije v električno, toplotno ali kinetično energijo zahteva največjo učinkovitost, zlasti v elektrarnah na plin in premog, za zmanjšanje emisij CO2_{2. Obstajajo različni načini za pretvorbotoplotno energijo v električno energijo, odvisno od vrste primarne energije.}

Med energetskimi viri se premog in zemeljski plin uporabljata za proizvodnjo električne energije z zgorevanjem (toplotna energija), uran pa z jedrsko cepijo (jedrska energija) za uporabo parne moči za vrtenje parne turbine. Prvih deset držav proizvajalk električne energije za leto 2017 je prikazanih na fotografiji.

Tabela učinkovitosti obstoječih sistemov za pretvorbo toplotne energije v električno energijo.

	Proizvodnja električne energije iz toplotne energije	Učinkovitost, %
1	Termoelektrarne, SPTE	32
2	Nuklearne elektrarne, jedrske elektrarne	80
3	kondenzacijska elektrarna, IES	40
4	Plinskoturbinska elektrarna, GTPP	60
5	termionski pretvorniki, TEC	40
6	Termoelektrični generatorji	7
7	MHD generatorji energije skupaj s SPTE	60

Izbira metode za pretvorbo toplotne energije velektrična in njena ekonomska izvedljivost sta odvisna od potreb po energiji, razpoložljivosti naravnega goriva in zadostnosti gradbišča. Vrsta proizvodnje se po svetu razlikuje, kar ima za posledico širok razpon cen električne energije.

Problemi tradicionalne elektroenergetike

Tehnologije za pretvorbo toplotne energije v električno energijo, kot so termoelektrarne, jedrske elektrarne, IES, plinskoturbinske elektrarne, termoelektrarne, termoelektrični generatorji, MHD generatorji imajo različne prednosti in slabosti. Raziskovalni inštitut za električno energijo (EPRI) ponazarja prednosti in slabosti tehnologij za proizvodnjo naravne energije, pri čemer upošteva kritične dejavnike, kot so gradnja in stroški električne energije, zemljišča, potrebe po vodi, emisije CO_{2, odpadki, cenovna dostopnost in prilagodljivost.}

Rezultati EPRI poudarjajo, da pri obravnavi tehnologij za proizvodnjo električne energije ni pristopa, ki bi ustrezal vsem, vendar ima zemeljski plin še vedno več koristi, ker je cenovno ugoden za gradnjo, ima nizke stroške električne energije, ustvarja manj emisij kot premog. Vendar pa vse države nimajo dostopa do bogatega in poceni zemeljskega plina. V nekaterih primerih je dostop do zemeljskega plina ogrožen zaradi geopolitičnih napetosti, kot je bilo to v vzhodni Evropi in nekaterih zahodnoevropskih državah.

Tehnologije obnovljive energije, kot je veterturbine, solarni fotovoltaični moduli proizvajajo emisijsko električno energijo. Vendar pa običajno zahtevajo veliko zemlje, rezultati njihove učinkovitosti pa so nestabilni in odvisni od vremena. Premog, glavni vir toplote, je najbolj problematičen. Vodi pri emisijah CO_{2, zahteva veliko čiste vode za hlajenje hladilne tekočine in zavzema veliko površino za gradnjo postaje.}

Nove tehnologije si prizadevajo zmanjšati številne težave, povezane s tehnologijami za proizvodnjo električne energije. Na primer, plinske turbine v kombinaciji z rezervno baterijo zagotavljajo varnostno kopijo v nepredvidljivih dogodkih brez izgorevanja goriva, občasne težave z obnovljivimi viri pa je mogoče ublažiti z ustvarjanjem cenovno dostopnega velikega skladišča energije. Tako danes ni enega popolnega načina za pretvorbo toplotne energije v električno energijo, ki bi lahko zagotovil zanesljivo in stroškovno učinkovito električno energijo z minimalnim vplivom na okolje.

Termoelektrarne

V termoelektrarni visokotlačna in visokotemperaturna para, pridobljena iz ogrevanja vode s sežiganjem trdega goriva (predvsem premoga), vrti turbino, priključeno na generator. Tako svojo kinetično energijo pretvarja v električno energijo. Delovne komponente termoelektrarne:

1. Kotel s plinsko pečjo.
2. Parna turbina.
3. generator.
4. Kondenzator.
5. hladilni stolpi.
6. Crpalka za obtočno vodo.
7. Napajalna črpalkavoda v bojler.
8. Prisilni izpušni ventilatorji.
9. Separatorji.

Tipičen diagram termoelektrarne je prikazan spodaj.

Parni kotel se uporablja za pretvorbo vode v paro. Ta postopek se izvaja s segrevanjem vode v ceveh z ogrevanjem iz zgorevanja goriva. Procesi zgorevanja se neprekinjeno izvajajo v zgorevalni komori goriva z dovodom zraka od zunaj.

Parna turbina prenaša parno energijo za pogon generatorja. Para z visokim tlakom in temperaturo potisne lopatice turbine, nameščene na gredi, tako da se ta začne vrteti. V tem primeru se parametri pregrete pare, ki vstopa v turbino, zmanjšajo na nasičeno stanje. Nasičena para vstopi v kondenzator, vrtilna moč pa se uporablja za vrtenje generatorja, ki proizvaja tok. Skoraj vse parne turbine so danes kondenzatorskega tipa.

Kondenzatorji so naprave za pretvorbo pare v vodo. Para teče izven cevi, hladilna voda pa teče znotraj cevi. Ta zasnova se imenuje površinski kondenzator. Hitrost prenosa toplote je odvisna od pretoka hladilne vode, površine cevi in temperaturne razlike med vodno paro in hladilno vodo. Proces spreminjanja vodne pare poteka pod nasičenim tlakom in temperaturo, v tem primeru je kondenzator pod vakuumom, ker je temperatura hladilne vode enaka zunanji temperaturi, najvišja temperatura kondenzatne vode je blizu zunanje temperature.

Generator pretvarja mehanskoenergije v elektriko. Generator je sestavljen iz statorja in rotorja. Stator je sestavljen iz ohišja, ki vsebuje tuljave, in vrtljiva postaja magnetnega polja je sestavljena iz jedra, ki vsebuje tuljavo.

Glede na vrsto proizvedene energije se TE delijo na kondenzacijske IES, ki proizvajajo električno energijo, ter soproizvodnje toplotne in elektrarne, ki skupaj proizvajajo toploto (para in topla voda) in električno energijo. Slednji imajo zmožnost pretvarjanja toplotne energije v električno energijo z visokim izkoristkom.

Nuklearne elektrarne

Nuklearne elektrarne uporabljajo toploto, ki se sprosti med jedrsko cepitev, za ogrevanje vode in proizvodnjo pare. Para se uporablja za obračanje velikih turbin, ki proizvajajo električno energijo. Pri cepitvi se atomi razcepijo, da nastanejo manjši atomi, pri čemer se sprosti energija. Postopek poteka znotraj reaktorja. V njegovem središču je jedro, ki vsebuje uran 235. Gorivo za jedrske elektrarne se pridobiva iz urana, ki vsebuje izotop 235U (0,7%) in necepljivi 238U (99,3%).

Cikel jedrskega goriva je niz industrijskih korakov, ki so vključeni v proizvodnjo električne energije iz urana v jedrskih reaktorjih. Uran je razmeroma pogost element, ki ga najdemo po vsem svetu. Kopajo ga v številnih državah in predelajo, preden se uporabijo kot gorivo.

Dejavnosti, povezane s proizvodnjo električne energije, se skupno imenujejo jedrski gorivni cikel za pretvorbo toplotne energije v električno energijo v jedrskih elektrarnah. jedrskiGorivni cikel se začne z rudarjenjem urana in konča z odlaganjem jedrskih odpadkov. Pri predelavi uporabljenega goriva kot možnosti za jedrsko energijo njeni koraki tvorijo pravi cikel.

gorivni cikel urana-plutonija

Za pripravo goriva za uporabo v jedrskih elektrarnah se izvajajo postopki za pridobivanje, predelavo, pretvorbo, obogatitev in proizvodnjo gorivnih elementov. Gorivni cikel:

1. Izgorevanje urana 235.
2. žlindra - 235U in (239Pu, 241Pu) od 238U.
3. Med razpadom 235U se njegova poraba zmanjša, izotopi pa se pridobijo iz 238U pri proizvodnji električne energije.

Stroški gorivnih palic za VVR znašajo približno 20% stroškov proizvedene električne energije.

Po tem, ko je uran preživel približno tri leta v reaktorju, lahko uporabljeno gorivo preide skozi drug postopek uporabe, vključno z začasnim skladiščenjem, predelavo in recikliranjem pred odlaganjem odpadkov. Jedrske elektrarne zagotavljajo neposredno pretvorbo toplotne energije v električno energijo. Toplota, ki se sprosti med jedrsko cepijo v jedru reaktorja, se uporablja za pretvorbo vode v paro, ki vrti lopatice parne turbine in poganja generatorje za proizvodnjo električne energije.

Para se ohladi s pretvorbo v vodo v ločeni strukturi v elektrarni, imenovani hladilni stolp, ki uporablja vodo iz ribnikov, rek ali oceana za hlajenje čiste vode iz tokokroga parne energije. Ohlajena voda se nato ponovno uporabi za proizvodnjo pare.

Delež proizvodnje električne energije v jedrskih elektrarnah glede nacelotno ravnovesje proizvodnje njihovih različnih vrst virov, v kontekstu nekaterih držav in v svetu - na spodnji fotografiji.

elektrarna na plinske turbine

Načelo delovanja plinskoturbinske elektrarne je podobno kot pri parnoturbinski elektrarni. Edina razlika je v tem, da parnoturbinska elektrarna uporablja stisnjeno paro za vrtenje turbine, medtem ko plinskoturbinska elektrarna uporablja plin.

Razmislimo o principu pretvorbe toplotne energije v električno energijo v plinskoturbinski elektrarni.

V plinskoturbinski elektrarni se zrak stisne v kompresorju. Nato ta stisnjen zrak prehaja skozi zgorevalno komoro, kjer nastane mešanica plina in zraka, temperatura stisnjenega zraka se dvigne. Ta visokotemperaturna in visokotlačna mešanica poteka skozi plinsko turbino. V turbini se močno razširi in prejme dovolj kinetične energije za vrtenje turbine.

V plinskoturbinski elektrarni so turbinska gred, alternator in zračni kompresor pogosti. Mehanska energija, ki nastane v turbini, se delno uporablja za stiskanje zraka. Plinskoturbinske elektrarne se pogosto uporabljajo kot rezervni dobavitelj pomožne energije hidroelektrarnam. Proizvaja pomožno moč med zagonom hidroelektrarne.

Prednosti in slabosti plinskoturbinske elektrarne

Oblikovanjeplinskoturbinska elektrarna je veliko enostavnejša od parne turbinske elektrarne. Velikost plinskoturbinske elektrarne je manjša od velikosti parne turbinske elektrarne. V plinskoturbinski elektrarni ni komponente kotla, zato je sistem manj zapleten. Ne potrebujete pare, kondenzatorja ali hladilnega stolpa.

Načrtovanje in gradnja močnih plinskoturbinskih elektrarn je veliko enostavnejša in cenejša, kapitalski in obratovalni stroški so veliko nižji od stroškov podobne parnoturbinske elektrarne.

Trajne izgube v plinskoturbinski elektrarni so bistveno manjše v primerjavi s parnoturbinsko elektrarno, saj mora v parni turbini kotlovska elektrarna delovati neprekinjeno, tudi če sistem ne obremenjuje omrežja. Plinskoturbinsko elektrarno je mogoče zagnati skoraj v trenutku.

Slabosti plinskoturbinske elektrarne:

1. Mehanska energija, ki nastane v turbini, se uporablja tudi za pogon zračnega kompresorja.
2. Ker se večina mehanske energije, proizvedene v turbini, uporablja za pogon zračnega kompresorja, splošna učinkovitost plinskoturbinske elektrarne ni tako visoka kot enakovredne parne turbine.
3. Izpušni plini v plinskoturbinski elektrarni se zelo razlikujejo od kotla.
4. Pred dejanskim zagonom turbine mora biti zrak predkomprimiran, kar zahteva dodaten vir energije za zagon plinskoturbinske elektrarne.
5. Temperatura plina je dovolj visoka zaplinskoturbinska elektrarna. To ima za posledico krajšo življenjsko dobo sistema kot enakovredna parna turbina.

Plinskoturbinske elektrarne zaradi manjše učinkovitosti ni mogoče uporabiti za komercialno proizvodnjo električne energije, običajno se uporablja za oskrbo s pomožno energijo drugim običajnim elektrarnam, kot so hidroelektrarne.

termionski pretvorniki

Imenujejo jih tudi termoelektrični generator ali termoelektrični motor, ki neposredno pretvarjajo toploto v električno energijo s toplotno emisijo. Toplotno energijo je mogoče pretvoriti v električno energijo z zelo visokim izkoristkom s temperaturno induciranim postopkom pretoka elektronov, znanim kot termionsko sevanje.

Osnovno načelo delovanja termionskih pretvornikov energije je, da elektroni izhlapijo s površine ogrete katode v vakuumu in nato kondenzirajo na hladnejši anodi. Od prve praktične demonstracije leta 1957 se termoelektrični pretvorniki uporabljajo z različnimi viri toplote, vendar vsi zahtevajo delovanje pri visokih temperaturah - nad 1500 K. Medtem ko termoelektrični pretvorniki delujejo pri relativno nizki temperaturi (700 K -). 900 K), je učinkovitost postopka, ki je običajno > 50%, znatno zmanjšana, ker je število oddanih elektronov na enoto površine iz katode odvisno od temperature segrevanja.

Za običajne katodne materiale, kot je nprtako kot kovine in polprevodniki, je število oddanih elektronov sorazmerno s kvadratom temperature katode. Vendar pa je nedavna študija pokazala, da je mogoče temperaturo toplote zmanjšati za red velikosti z uporabo grafena kot vroče katode. Dobljeni podatki kažejo, da lahko katodni termionski pretvornik na osnovi grafena, ki deluje pri 900 K, doseže izkoristek 45%.

Shematski diagram procesa elektronske termionske emisije je prikazan na fotografiji.

TIC na osnovi grafena, kjer sta Tc in Ta temperatura katode oziroma temperatura anode. Raziskovalci na podlagi novega mehanizma termoionske emisije predlagajo, da bi katodni pretvornik energije na osnovi grafena našel svojo uporabo pri recikliranju industrijske odpadne toplote, ki pogosto doseže temperaturno območje od 700 do 900 K.

Novi model, ki sta ga predstavila Liang in Eng, bi lahko koristil zasnovi pretvornika moči, ki temelji na grafenu. Polprevodniški močnostni pretvorniki, ki so večinoma termoelektrični generatorji, običajno delujejo neučinkovito v nizkem temperaturnem območju (manj kot 7-odstotni izkoristek).

Termoelektrični generatorji

Recikliranje odpadne energije je postalo priljubljena tarča raziskovalcev in znanstvenikov, ki izumljajo inovativne metode za dosego tega cilja. Eno najbolj obetavnih področij so termoelektrične naprave na osnovi nanotehnologije, kivideti kot nov pristop k varčevanju z energijo. Neposredna pretvorba toplote v električno energijo ali električne energije v toploto je znana kot termoelektrika, ki temelji na Peltierjevem učinku. Če smo natančni, je učinek poimenovan po dveh fizikih - Jeanu Peltierju in Thomasu Seebecku.

Peltier je odkril, da bo tok, ki se pošlje na dva različna električna vodnika, ki sta povezana na dveh stičiščih, povzročil, da se eno stičišče segreje, medtem ko se drugo stičišče ohladi. Peltier je nadaljeval svoje raziskave in ugotovil, da lahko kapljico vode zamrznemo na stičišču bizmut-antimon (BiSb) s preprosto spremembo toka. Peltier je tudi odkril, da lahko električni tok teče, ko je temperaturna razlika postavljena čez stičišče različnih prevodnikov.

Termoelektrika je izjemno zanimiv vir električne energije zaradi svoje sposobnosti pretvarjanja toplotnega toka neposredno v električno energijo. Je pretvornik energije, ki je zelo prilagodljiv in nima gibljivih delov ali tekočega goriva, zaradi česar je primeren za skoraj vse situacije, kjer gre veliko toplote v odpadke, od oblačil do velikih industrijskih objektov.

Nanostrukture, ki se uporabljajo v materialih za polprevodniške termoelemente, bodo pomagale ohranjati dobro električno prevodnost in zmanjšati toplotno prevodnost. Tako se lahko učinkovitost termoelektričnih naprav poveča z uporabo materialov, ki temeljijo na nanotehnologiji, zz uporabo Peltierjevega učinka. Imajo izboljšane termoelektrične lastnosti in dobro absorpcijsko sposobnost sončne energije.

Uporaba termoelektrike:

1. Ponudniki energije in senzorji v razponih.
2. Goreča oljna svetilka, ki nadzoruje brezžični sprejemnik za oddaljeno komunikacijo.
3. Uporaba majhnih elektronskih naprav, kot so predvajalniki MP3, digitalne ure, GPS/GSM čipi in merilniki impulzov s telesno toploto.
4. Sedeži za hitro hlajenje v luksuznih avtomobilih.
5. Očistite odpadno toploto v vozilih tako, da jo pretvorite v električno energijo.
6. Pretvorite odpadno toploto iz tovarn ali industrijskih objektov v dodatno energijo.
7. Sončni termoelektriki so lahko učinkovitejši od fotovoltaičnih celic za proizvodnjo energije, zlasti na območjih z manj sončne svetlobe.

MHD generatorji

Magnetohidrodinamični generatorji električne energije proizvajajo električno energijo z interakcijo gibljive tekočine (običajno ioniziranega plina ali plazme) in magnetnega polja. Od leta 1970 se v več državah izvajajo raziskovalni programi MHD s posebnim poudarkom na uporabi premoga kot goriva.

Osnovno načelo generacije MHD tehnologije je elegantno. Običajno se električno prevodni plin proizvaja pri visokem tlaku z zgorevanjem fosilnih goriv. Plin se nato usmeri skozi magnetno polje, kar povzroči, da v njem deluje elektromotorna sila v skladu z zakonom indukcije. Faraday (imenovan po angleškem fiziku in kemiku Michaelu Faradayu iz 19. stoletja).

Sistem MHD je toplotni motor, ki vključuje ekspanzijo plina z visokega na nizek tlak na enak način kot pri običajnem generatorju plinske turbine. V sistemu MHD se kinetična energija plina pretvori neposredno v električno energijo, saj se lahko širi. Zanimanje za ustvarjanje MHD je sprva sprožilo odkritje, da se interakcija plazme z magnetnim poljem lahko zgodi pri veliko višjih temperaturah, kot je to mogoče pri vrteči se mehanski turbini.

Omejitev učinkovitosti toplotnih motorjev je na začetku 19. stoletja postavil francoski inženir Sadi Carnot. Izhodna moč MHD generatorja za vsak kubični meter njegove prostornine je sorazmerna produktu prevodnosti plina, kvadratu hitrosti plina in kvadratu jakosti magnetnega polja, skozi katerega plin prehaja. Da bi MHD generatorji delovali konkurenčno, z dobro zmogljivostjo in razumnimi fizičnimi dimenzijami, mora biti električna prevodnost plazme v temperaturnem območju nad 1800 K (približno 1500 C ali 2800 F).

Izbira tipa MHD generatorja je odvisna od uporabljenega goriva in uporabe. Številne zaloge premoga v mnogih državah sveta prispevajo k razvoju ogljičnih sistemov MHD za proizvodnjo električne energije.