Konvertering av termisk energi til elektrisk energi med høy effektivitet: metoder og utstyr

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sist endret: 2024-01-17 19:03

Varmeenergi inntar en spesiell plass i menneskelig aktivitet, siden den brukes i alle sektorer av økonomien, følger med de fleste industrielle prosesser og menneskers levebrød. I de fleste tilfeller går spillvarme tapt ugjenkallelig og uten økonomisk fordel. Denne tapte ressursen er ikke lenger verdt noe, så gjenbruk av den vil bidra til både å redusere energikrisen og beskytte miljøet. Derfor er nye måter å konvertere varme til elektrisk energi og konvertere spillvarme til elektrisitet mer aktuelle i dag enn noen gang.

Typer elektrisitetsproduksjon

Å transformere naturlige energikilder til elektrisitet, varme eller kinetisk energi krever maksimal effektivitet, spesielt i gass- og kullkraftverk, for å redusere CO2-utslipp_{2. Det er ulike måter å konvertere påtermisk energi til elektrisk energi, avhengig av typen primærenergi.}

Blant energiressursene brukes kull og naturgass til å generere elektrisitet ved forbrenning (termisk energi), og uran ved kjernefysisk fisjon (atomenergi) for å bruke dampkraft til å snu en dampturbin. De ti beste elektrisitetsproduserende landene for 2017 er vist på bildet.

Tabell over effektiviteten til eksisterende systemer for konvertering av termisk energi til elektrisk energi.

	Generering av elektrisitet fra termisk energi	Effektivitet, %
1	Varmekraftverk, kraftvarmeverk	32
2	Atomkraftverk, kjernekraftverk	80
3	Kondenskraftverk, IES	40
4	Gassturbinkraftverk, GTPP	60
5	Termioniske transdusere, TEC-er	40
6	Termoelektriske generatorer	7
7	MHD kraftgeneratorer sammen med CHP	60

Velge en metode for å konvertere termisk energi tilelektrisk og økonomisk gjennomførbarhet avhenger av behovet for energi, tilgjengeligheten av naturlig brensel og byggeplassens tilstrekkelighet. Typen produksjon varierer rundt om i verden, noe som resulterer i et bredt spekter av strømpriser.

Problemer med tradisjonell elektrisk kraftindustri

Teknologier for å konvertere termisk energi til elektrisk energi, som termiske kraftverk, kjernekraftverk, IES, gassturbinkraftverk, termiske kraftverk, termoelektriske generatorer, MHD-generatorer har forskjellige fordeler og ulemper. Electric Power Research Institute (EPRI) illustrerer fordeler og ulemper med naturlig energigenereringsteknologi, og ser på kritiske faktorer som konstruksjon og kostnader for elektrisitet, land, vannbehov, CO-utslipp_{2, avfall, rimelig og fleksibilitet.}

EPRI-resultater fremhever at det ikke finnes en helhetlig tilnærming når man vurderer kraftproduksjonsteknologier, men naturgass har fortsatt større fordeler fordi den er rimelig for bygging, har lave strømkostnader, genererer mindre utslipp enn kull. Imidlertid har ikke alle land tilgang til rikelig og billig naturgass. I noen tilfeller er tilgangen til naturgass truet på grunn av geopolitiske spenninger, slik tilfellet var i Øst-Europa og noen vesteuropeiske land.

Fornybare energiteknologier som vindturbiner, solcellemoduler produserer emisjonselektrisitet. Imidlertid har de en tendens til å kreve mye land, og resultatene av deres effektivitet er ustabile og avhenger av været. Kull, den viktigste varmekilden, er den mest problematiske. Det fører i CO-utslipp_{2, krever mye rent vann for å avkjøle kjølevæsken og opptar et stort område for byggingen av stasjonen.}

Nye teknologier tar sikte på å redusere en rekke problemer knyttet til kraftproduksjonsteknologier. For eksempel gir gassturbiner kombinert med et reservebatteri beredskapsbackup uten å brenne drivstoff, og periodiske problemer med fornybare ressurser kan reduseres ved å lage rimelig energilagring i stor skala. Derfor er det i dag ingen perfekt måte å konvertere termisk energi til elektrisitet, som kan gi pålitelig og kostnadseffektiv elektrisitet med minimal miljøpåvirkning.

Varmekraftverk

Ved et termisk kraftverk roterer høytrykks- og høytemperaturdamp, hentet fra oppvarming av vann ved forbrenning av fast brensel (hovedsakelig kull), en turbin koblet til en generator. Dermed konverterer den sin kinetiske energi til elektrisk energi. Driftskomponenter til termisk kraftverk:

1. Kjel med gassovn.
2. Dampturbin.
3. Generator.
4. kondensator.
5. Kjøletårn.
6. Sirkulerende vannpumpe.
7. Fôrpumpevann inn i kjelen.
8. Forserte eksosvifter.
9. Separatorer.

Typisk diagram over et termisk kraftverk er vist nedenfor.

Dampkjelen brukes til å omdanne vann til damp. Denne prosessen utføres ved å varme opp vann i rør med oppvarming fra brenselforbrenning. Forbrenningsprosesser utføres kontinuerlig i drivstoffforbrenningskammeret med lufttilførsel utenfra.

Dampturbinen overfører dampenergi for å drive en generator. Damp med høyt trykk og temperatur skyver turbinbladene som er montert på akselen slik at den begynner å rotere. I dette tilfellet reduseres parametrene for overopphetet damp som kommer inn i turbinen til en mettet tilstand. Den mettede dampen kommer inn i kondensatoren, og rotasjonskraften brukes til å rotere generatoren, som produserer strøm. Nesten alle dampturbiner i dag er av kondensatortypen.

Kondensatorer er enheter for å konvertere damp til vann. Dampen strømmer utenfor rørene og kjølevannet strømmer inne i rørene. Denne designen kalles en overflatekondensator. Varmeoverføringshastigheten avhenger av strømningen av kjølevannet, overflatearealet til rørene og temperaturforskjellen mellom vanndampen og kjølevannet. Vanndampskifteprosessen skjer under mettet trykk og temperatur, i dette tilfellet er kondensatoren under vakuum, fordi temperaturen på kjølevannet er lik utetemperaturen, er maksimumstemperaturen til kondensatvannet nær utetemperaturen.

Generatoren konverterer det mekaniskeenergi til elektrisitet. Generatoren består av en stator og en rotor. Statoren består av et hus som inneholder spolene, og magnetfeltrotasjonsstasjonen består av en kjerne som inneholder spolen.

I henhold til hvilken type energi som produseres, deles TPP-er inn i kondenserende IES, som produserer elektrisitet og kraftvarmeverk, som i fellesskap produserer varme (damp og varmtvann) og elektrisitet. Sistnevnte har evnen til å konvertere termisk energi til elektrisk energi med høy effektivitet.

Atomkraftverk

Kjernekraftverk bruker varmen som frigjøres under kjernefysisk fisjon til å varme opp vann og produsere damp. Dampen brukes til å snu store turbiner som genererer elektrisitet. Ved fisjon splittes atomer for å danne mindre atomer, og frigjør energi. Prosessen foregår inne i reaktoren. I midten er det en kjerne som inneholder uran 235. Drivstoff til kjernekraftverk er hentet fra uran, som inneholder isotopen 235U (0,7%) og ikke-fissilt 238U (99,3%).

Kjernebrenselssyklusen er en serie industrielle trinn involvert i produksjon av elektrisitet fra uran i kjernekraftreaktorer. Uran er et relativt vanlig grunnstoff som finnes over hele verden. Det utvinnes i en rekke land og behandles før det brukes som drivstoff.

Aktiviteter knyttet til produksjon av elektrisitet omtales samlet som kjernefysisk brenselssyklus for konvertering av termisk energi til elektrisk energi ved kjernekraftverk. KjernefysiskDrivstoffsyklusen starter med uranutvinning og slutter med deponering av kjernefysisk avfall. Ved reprosessering av brukt brensel som et alternativ for kjernekraft, danner trinnene en veritabel syklus.

Uran-Plutonium drivstoffsyklus

For å klargjøre brensel for bruk ved kjernekraftverk, gjennomføres det prosesser for utvinning, prosessering, konvertering, anrikning og produksjon av brenselelementer. Drivstoffsyklus:

1. Uranium 235-utbrenning.
2. Slag - 235U og (239Pu, 241Pu) fra 238U.
3. Under forfallet av 235U synker forbruket, og isotoper oppnås fra 238U når det genereres elektrisitet.

Kostnaden for drivstoffstaver for VVR er omtrent 20 % av kostnaden for generert elektrisitet.

Etter at uranet har tilbrakt rundt tre år i en reaktor, kan drivstoffet som brukes gå gjennom en annen bruksprosess, inkludert midlertidig lagring, reprosessering og resirkulering før avfallshåndtering. Kjernekraftverk gir direkte konvertering av termisk energi til elektrisk energi. Varmen som frigjøres under kjernefysisk fisjon i reaktorkjernen brukes til å gjøre vann om til damp, som spinner bladene til en dampturbin, og driver generatorer til å generere elektrisitet.

Dampen avkjøles ved å bli til vann i en separat struktur i et kraftverk som kalles et kjøletårn, som bruker vann fra dammer, elver eller havet til å kjøle ned det rene vannet i dampkraftkretsen. Det avkjølte vannet blir deretter gjenbrukt for å produsere damp.

Andelen elektrisitetsproduksjon ved kjernekraftverk, iftden generelle balansen i produksjonen av deres forskjellige typer ressurser, i sammenheng med enkelte land og i verden - på bildet nedenfor.

gassturbinkraftverk

Prinsippet for drift av et gassturbinkraftverk ligner på et dampturbinkraftverk. Den eneste forskjellen er at et dampturbinkraftverk bruker komprimert damp for å snu turbinen, mens et gassturbinkraftverk bruker gass.

La oss vurdere prinsippet om å konvertere termisk energi til elektrisk energi i et gassturbinkraftverk.

I et gassturbinkraftverk komprimeres luft i en kompressor. Deretter passerer denne komprimerte luften gjennom forbrenningskammeret, hvor gass-luftblandingen dannes, temperaturen på komprimert luft stiger. Denne høytemperatur- og høytrykksblandingen føres gjennom en gassturbin. I turbinen utvider den seg kraftig, og mottar nok kinetisk energi til å rotere turbinen.

I et gassturbinkraftverk er turbinakselen, dynamoen og luftkompressoren vanlige. Den mekaniske energien som genereres i turbinen brukes delvis til å komprimere luften. Gassturbinkraftverk brukes ofte som reservehjelpeenergileverandør til vannkraftverk. Den genererer hjelpekraft under oppstart av vannkraftverket.

Fordeler og ulemper med gassturbinkraftverk

Designgassturbinkraftverk er mye enklere enn et dampturbinkraftverk. Størrelsen på et gassturbinkraftverk er mindre enn et dampturbinkraftverk. Det er ingen kjelekomponent i et gassturbinkraftverk, og systemet er derfor mindre komplekst. Ingen damp, ingen kondensator eller kjøletårn nødvendig.

Design og bygging av kraftige gassturbinkraftverk er mye enklere og billigere, kapital- og driftskostnader er mye mindre enn kostnadene for et tilsvarende dampturbinkraftverk.

De permanente tapene i et gassturbinkraftverk er betydelig mindre sammenlignet med et dampturbinkraftverk, siden i en dampturbin må kjelekraftverket være i drift kontinuerlig, selv når systemet ikke leverer en last til nettet. Et gassturbinkraftverk kan startes nesten umiddelbart.

Ulemper med et gassturbinkraftverk:

1. Den mekaniske energien som genereres i turbinen brukes også til å drive luftkompressoren.
2. Fordi mesteparten av den mekaniske energien som genereres i turbinen brukes til å drive luftkompressoren, er den totale effektiviteten til et gassturbinkraftverk ikke så høy som et tilsvarende dampturbinkraftverk.
3. Eksosgasser i et gassturbinkraftverk er veldig forskjellige fra en kjele.
4. Før selve start av turbinen må luften være forhåndskomprimert, noe som krever en ekstra kraftkilde for å starte gassturbinkraftverket.
5. Gasstemperaturen er høy nok tilgassturbinkraftverk. Dette resulterer i kortere systemlevetid enn en tilsvarende dampturbin.

På grunn av sin lavere effektivitet kan ikke gassturbinkraftverket brukes til kommersiell kraftproduksjon, det brukes vanligvis til å levere hjelpekraft til andre konvensjonelle kraftverk som vannkraftverk.

Termioniske omformere

De kalles også termionisk generator eller termoelektrisk motor, som direkte konverterer varme til elektrisitet ved hjelp av termisk emisjon. Termisk energi kan omdannes til elektrisk energi med svært høy effektivitet gjennom en temperaturindusert elektronstrømningsprosess kjent som termionisk stråling.

Det grunnleggende prinsippet for drift av termionenergiomformere er at elektroner fordamper fra overflaten av en oppvarmet katode i et vakuum og deretter kondenserer på en kaldere anode. Siden den første praktiske demonstrasjonen i 1957 har termioniske kraftomformere blitt brukt med en rekke varmekilder, men alle krever drift ved høye temperaturer - over 1500 K. Mens drift av termioniske kraftomformere ved en relativt lav temperatur (700 K - 900 K) er mulig, effektiviteten til prosessen, som typisk er > 50 %, reduseres betydelig fordi antall utsendte elektroner per arealenhet fra katoden avhenger av oppvarmingstemperaturen.

For konvensjonelle katodematerialer som f.ekssom metaller og halvledere, er antall elektroner som sendes ut proporsjon alt med kvadratet på katodetemperaturen. En fersk studie viser imidlertid at varmetemperaturen kan reduseres med en størrelsesorden ved å bruke grafen som en varm katode. Dataene som er oppnådd viser at en grafenbasert katodetermionomformer som opererer ved 900 K kan oppnå en effektivitet på 45%.

Skjematisk diagram av prosessen med termionisk elektronemisjon er vist på bildet.

TIC basert på grafen, der Tc og Ta er henholdsvis katodens temperatur og anodens temperatur. Basert på den nye mekanismen for termionisk utslipp, foreslår forskerne at den grafenbaserte katodeenergiomformeren kan finne sin anvendelse i resirkulering av industriell spillvarme, som ofte når temperaturområdet 700 til 900 K.

Den nye modellen presentert av Liang og Eng kan være til nytte for den grafenbaserte kraftomformerdesignen. Solid state kraftomformere, som hovedsakelig er termoelektriske generatorer, fungerer vanligvis ineffektivt i lavtemperaturområdet (mindre enn 7 % effektivitet).

Termoelektriske generatorer

Resirkulering av avfallsenergi har blitt et populært mål for forskere og forskere som kommer opp med innovative metoder for å nå dette målet. Et av de mest lovende områdene er termoelektriske enheter basert på nanoteknologi, somser ut som en ny tilnærming til energisparing. Den direkte konverteringen av varme til elektrisitet eller elektrisitet til varme er kjent som termoelektrisitet basert på Peltier-effekten. For å være presis er effekten oppk alt etter to fysikere - Jean Peltier og Thomas Seebeck.

Peltier oppdaget at en strøm som sendes til to forskjellige elektriske ledere som er koblet sammen i to kryss, vil føre til at det ene krysset varmes opp mens det andre krysset avkjøles. Peltier fortsatte sin forskning og fant ut at en dråpe vann kunne fryses ved et vismut-antimon (BiSb)-kryss ved ganske enkelt å endre strømmen. Peltier oppdaget også at en elektrisk strøm kan flyte når en temperaturforskjell plasseres over krysset mellom forskjellige ledere.

Termoelektrisitet er en ekstremt interessant kilde til elektrisitet på grunn av dens evne til å konvertere varmestrøm direkte til elektrisitet. Det er en energiomformer som er svært skalerbar og har ingen bevegelige deler eller flytende drivstoff, noe som gjør den egnet for nesten alle situasjoner der mye varme har en tendens til å gå til spille, fra klær til store industrianlegg.

Nanostrukturer brukt i halvledertermoelementmaterialer vil bidra til å opprettholde god elektrisk ledningsevne og redusere termisk ledningsevne. Dermed kan ytelsen til termoelektriske enheter økes ved bruk av materialer basert på nanoteknologi, medved å bruke Peltier-effekten. De har forbedrede termoelektriske egenskaper og god absorpsjonskapasitet for solenergi.

Anvendelse av termoelektrisitet:

1. Energileverandører og sensorer i rekkevidde.
2. En brennende oljelampe som styrer en trådløs mottaker for fjernkommunikasjon.
3. Bruk av små elektroniske enheter som MP3-spillere, digitale klokker, GPS/GSM-brikker og impulsmålere med kroppsvarme.
4. Raskkjølende seter i luksusbiler.
5. Rydd opp spillvarme i kjøretøy ved å konvertere den til elektrisitet.
6. Forvandle spillvarme fra fabrikker eller industrianlegg til ekstra kraft.
7. Termoelektrisk solenergi kan være mer effektiv enn solcelleceller for kraftproduksjon, spesielt i områder med mindre sollys.

MHD-strømgeneratorer

Magnetohydrodynamiske kraftgeneratorer genererer elektrisitet gjennom samspillet mellom en bevegelig væske (vanligvis en ionisert gass eller plasma) og et magnetfelt. Siden 1970 har MHD-forskningsprogrammer blitt gjennomført i flere land med særlig fokus på bruk av kull som brensel.

Det underliggende prinsippet for generering av MHD-teknologi er elegant. Vanligvis produseres den elektrisk ledende gassen ved høyt trykk ved å brenne fossilt brensel. Gassen ledes deretter gjennom et magnetfelt, noe som resulterer i at en elektromotorisk kraft virker inne i den i samsvar med induksjonslovenFaraday (oppk alt etter den engelske fysikeren og kjemikeren Michael Faraday fra 1800-tallet).

MHD-systemet er en varmemotor som inkluderer ekspansjon av gass fra høyt til lavt trykk på samme måte som i en konvensjonell gassturbingenerator. I MHD-systemet omdannes den kinetiske energien til gassen direkte til elektrisk energi, ettersom den får utvide seg. Interessen for å generere MHD ble opprinnelig utløst av oppdagelsen av at samspillet mellom et plasma og et magnetfelt kan skje ved mye høyere temperaturer enn det som er mulig i en roterende mekanisk turbin.

Den begrensende ytelsen når det gjelder effektivitet i varmemotorer ble satt på begynnelsen av 1800-tallet av den franske ingeniøren Sadi Carnot. Utgangseffekten til en MHD-generator for hver kubikkmeter av volumet er proporsjonal med gassledningsproduktet, kvadratet på gasshastigheten og kvadratet på styrken til magnetfeltet som gassen passerer gjennom. For at MHD-generatorer skal fungere konkurransedyktig, med god ytelse og rimelige fysiske dimensjoner, må den elektriske ledningsevnen til plasmaet være i temperaturområdet over 1800 K (ca. 1500 C eller 2800 F).

Valget av type MHD-generator avhenger av drivstoffet som brukes og applikasjonen. Overfloden av kullreserver i mange land i verden bidrar til utviklingen av MHD-karbonsystemer for elektrisitetsproduksjon.