Omvandling av termisk energi till elektrisk energi med hög effektivitet: metoder och utrustning

2024 Författare: Howard Calhoun | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-17 19:08

Värmeenergi intar en speciell plats i mänsklig verksamhet, eftersom den används i alla sektorer av ekonomin, åtföljer de flesta industriella processer och människors försörjning. I de flesta fall förloras spillvärme oåterkalleligt och utan någon ekonomisk fördel. Denna förlorade resurs är inte längre värd någonting, så att återanvända den hjälper både att minska energikrisen och skydda miljön. Därför är nya sätt att omvandla värme till elektrisk energi och omvandla spillvärme till el mer relevanta idag än någonsin.

Typer av elproduktion

Att omvandla naturliga energikällor till elektricitet, värme eller kinetisk energi kräver maximal effektivitet, särskilt i gas- och koleldade kraftverk, för att minska CO2-utsläppen_{2. Det finns olika sätt att konverteratermisk energi till elektrisk energi, beroende på typen av primär energi.}

Bland energiresurserna används kol och naturgas för att generera elektricitet genom förbränning (termisk energi), och uran genom kärnklyvning (kärnenergi) för att använda ångkraft för att vända en ångturbin. De tio främsta elproducerande länderna för 2017 visas på bilden.

Tabell över effektiviteten hos befintliga system för omvandling av termisk energi till elektrisk energi.

	Generering av el från värmeenergi	Effektivitet, %
1	Värmekraftverk, kraftvärmeverk	32
2	Kärnkraftverk, kärnkraftverk	80
3	Kondenskraftverk, IES	40
4	Gasturbinkraftverk, GTPP	60
5	Termioniska givare, TEC	40
6	Termoelektriska generatorer	7
7	MHD kraftgeneratorer tillsammans med CHP	60

Välja en metod för att omvandla värmeenergi tillelektriska och dess ekonomiska genomförbarhet beror på behovet av energi, tillgången på naturligt bränsle och byggplatsens tillräcklighet. Typen av produktion varierar runt om i världen, vilket resulterar i ett brett utbud av elpriser.

Problem med traditionell elkraftindustri

Teknik för att omvandla termisk energi till elektrisk energi, såsom värmekraftverk, kärnkraftverk, IES, gasturbinkraftverk, termiska kraftverk, termoelektriska generatorer, MHD-generatorer har olika fördelar och nackdelar. Electric Power Research Institute (EPRI) illustrerar för- och nackdelarna med naturlig energigenereringsteknik, och tittar på kritiska faktorer som konstruktion och kostnader för el, mark, vattenbehov, CO-utsläpp_{2, slöseri, överkomliga priser och flexibilitet.}

EPRI-resultaten visar att det inte finns någon enhetlig metod när man överväger kraftgenereringsteknik, men naturgas gynnas fortfarande mer eftersom det är överkomligt att bygga, har en låg elkostnad, genererar mindre utsläpp än kol. Men alla länder har inte tillgång till riklig och billig naturgas. I vissa fall är tillgången till naturgas hotad på grund av geopolitiska spänningar, vilket var fallet i Östeuropa och vissa västeuropeiska länder.

Förnybar energiteknik som vindturbiner, solcellsmoduler producerar utsläppsel. Men de tenderar att kräva mycket mark, och resultaten av deras effektivitet är instabila och beror på vädret. Kol, den huvudsakliga värmekällan, är den mest problematiska. Den leder i CO-utsläpp_{2, kräver mycket rent vatten för att kyla kylvätskan och upptar en stor yta för konstruktionen av stationen.}

Ny teknik syftar till att minska ett antal problem i samband med kraftgenereringsteknik. Till exempel ger gasturbiner i kombination med ett reservbatteri reservbatteri för beredskap utan att bränna bränsle, och intermittenta problem med förnybara resurser kan mildras genom att skapa prisvärd storskalig energilagring. Det finns alltså idag inget perfekt sätt att omvandla termisk energi till elektricitet, vilket skulle kunna ge tillförlitlig och kostnadseffektiv el med minimal miljöpåverkan.

Värmekraftverk

Vid ett termiskt kraftverk roterar högtrycks- och högtemperaturånga, erhållen från uppvärmning av vatten genom förbränning av fast bränsle (främst kol), en turbin som är ansluten till en generator. Således omvandlar den sin kinetiska energi till elektrisk energi. Driftskomponenter för värmekraftverk:

1. Panna med gasugn.
2. Ångturbin.
3. Generator.
4. Capacitor.
5. Kyltorn.
6. Cirkulerande vattenpump.
7. Matarpumpvatten in i pannan.
8. Tvingade avgasfläktar.
9. Separatorer.

Typiskt diagram över ett värmekraftverk visas nedan.

Ångpannan används för att omvandla vatten till ånga. Denna process utförs genom att värma vatten i rör med uppvärmning från bränsleförbränning. Förbränningsprocesser utförs kontinuerligt i bränsleförbränningskammaren med lufttillförsel utifrån.

Ångturbinen överför ångenergi för att driva en generator. Ånga med högt tryck och temperatur trycker på turbinbladen som är monterade på axeln så att den börjar rotera. I detta fall reduceras parametrarna för överhettad ånga som kommer in i turbinen till ett mättat tillstånd. Den mättade ångan kommer in i kondensorn, och rotationskraften används för att rotera generatorn, som producerar ström. Nästan alla ångturbiner idag är av kondensortyp.

Kondensorer är enheter för att omvandla ånga till vatten. Ångan strömmar utanför rören och kylvattnet strömmar inuti rören. Denna design kallas en ytkondensator. Värmeöverföringshastigheten beror på kylvattnets flöde, rörens yta och temperaturskillnaden mellan vattenångan och kylvattnet. Vattenångbytesprocessen sker under mättat tryck och temperatur, i detta fall är kondensorn under vakuum, eftersom kylvattnets temperatur är lika med yttertemperaturen, kondensatvattnets maximala temperatur är nära yttertemperaturen.

Generatorn omvandlar det mekaniskaenergi till elektricitet. Generatorn består av en stator och en rotor. Statorn består av ett hus som innehåller spolarna, och magnetfältets rotationsstation består av en kärna som innehåller spolen.

Beroende på vilken typ av energi som produceras delas TPPs in i kondenserande IES, som producerar el och kraftvärmeverk, som tillsammans producerar värme (ånga och varmvatten) och el. De senare har förmågan att omvandla termisk energi till elektrisk energi med hög effektivitet.

Kärnkraftverk

Kärnkraftverk använder värmen som frigörs vid kärnklyvning för att värma vatten och producera ånga. Ångan används för att vända stora turbiner som genererar el. Vid fission splittras atomer för att bilda mindre atomer, vilket frigör energi. Processen äger rum inne i reaktorn. I mitten finns en kärna som innehåller uran 235. Bränsle för kärnkraftverk erhålls från uran, som innehåller isotopen 235U (0,7%) och icke-klyvbart 238U (99,3%).

Kärnbränslecykeln är en serie industriella steg involverade i produktionen av el från uran i kärnkraftsreaktorer. Uran är ett relativt vanligt grundämne som finns över hela världen. Det bryts i ett antal länder och bearbetas innan det används som bränsle.

Aktiviteter relaterade till produktion av el kallas gemensamt för kärnbränslecykeln för omvandling av termisk energi till elektrisk energi vid kärnkraftverk. KärnBränslecykeln börjar med uranbrytning och slutar med kärnavfallsförvaring. Vid upparbetning av använt bränsle som ett alternativ för kärnkraft bildar dess steg en veritabel cykel.

Uran-Plutonium Bränslecykel

För att förbereda bränsle för användning i kärnkraftverk genomförs processer för utvinning, bearbetning, konvertering, anrikning och produktion av bränsleelement. Bränslecykel:

1. Uranium 235 utbränning.
2. Slag - 235U och (239Pu, 241Pu) från 238U.
3. Under sönderfallet av 235U minskar dess förbrukning, och isotoper erhålls från 238U vid generering av el.

Kostnaden för bränslestavar för VVR är cirka 20 % av kostnaden för genererad el.

Efter att uranet har tillbringat cirka tre år i en reaktor kan det använda bränslet gå igenom en annan användningsprocess, inklusive tillfällig lagring, upparbetning och återvinning innan avfallshantering. Kärnkraftverk ger direkt omvandling av termisk energi till elektrisk energi. Värmen som frigörs vid kärnklyvning i reaktorhärden används för att omvandla vatten till ånga, som snurrar bladen på en ångturbin och driver generatorer för att generera elektricitet.

Ångan kyls genom att omvandlas till vatten i en separat struktur i ett kraftverk som kallas ett kyltorn, som använder vatten från dammar, floder eller havet för att kyla det rena vattnet i ångkraftkretsen. Det kylda vattnet återanvänds sedan för att producera ånga.

Andelen elproduktion vid kärnkraftverk, i förhållande tillden övergripande balansen i produktionen av deras olika typer av resurser, i vissa länders och i världens sammanhang - på bilden nedan.

Gasturbinkraftverk

Principen för driften av ett gasturbinkraftverk liknar principen för ett ångturbinkraftverk. Den enda skillnaden är att ett ångturbinkraftverk använder komprimerad ånga för att vända turbinen, medan ett gasturbinkraftverk använder gas.

Låt oss överväga principen att omvandla termisk energi till elektrisk energi i ett gasturbinkraftverk.

I ett gasturbinkraftverk komprimeras luft i en kompressor. Sedan passerar denna komprimerade luft genom förbränningskammaren, där gas-luftblandningen bildas, temperaturen på den komprimerade luften stiger. Denna högtemperatur- och högtrycksblandning leds genom en gasturbin. I turbinen expanderar den kraftigt och får tillräckligt med kinetisk energi för att rotera turbinen.

I ett gasturbinkraftverk är turbinaxeln, generatorn och luftkompressorn vanliga. Den mekaniska energin som genereras i turbinen används delvis för att komprimera luften. Gasturbinkraftverk används ofta som en reservenergileverantör till vattenkraftverk. Den genererar hjälpkraft under uppstarten av vattenkraftverket.

Fördelar och nackdelar med gasturbinkraftverk

Designgasturbinkraftverk är mycket enklare än ett ångturbinkraftverk. Storleken på ett gasturbinkraftverk är mindre än ett ångturbinkraftverk. Det finns ingen pannkomponent i ett gasturbinkraftverk och därför är systemet mindre komplext. Ingen ånga, ingen kondensor eller kyltorn krävs.

Design och konstruktion av kraftfulla gasturbinkraftverk är mycket enklare och billigare, kapital- och driftskostnader är mycket lägre än kostnaden för ett liknande ångturbinkraftverk.

De permanenta förlusterna i ett gasturbinkraftverk är avsevärt mindre jämfört med ett ångturbinkraftverk, eftersom pannkraftverket i en ångturbin måste vara i drift kontinuerligt, även när systemet inte förser nätet med någon last. Ett gasturbinkraftverk kan startas nästan omedelbart.

Nackdelar med ett gasturbinkraftverk:

1. Den mekaniska energin som genereras i turbinen används också för att driva luftkompressorn.
2. Eftersom det mesta av den mekaniska energin som genereras i turbinen används för att driva luftkompressorn, är den totala verkningsgraden för ett gasturbinkraftverk inte lika hög som ett motsvarande ångturbinkraftverk.
3. Avgaser i ett gasturbinkraftverk skiljer sig mycket från en panna.
4. Före själva start av turbinen måste luften vara förkomprimerad, vilket kräver en extra kraftkälla för att starta gasturbinkraftverket.
5. Gastemperaturen är tillräckligt hög förgasturbinkraftverk. Detta resulterar i en kortare systemlivslängd än en motsvarande ångturbin.

På grund av sin lägre verkningsgrad kan gasturbinkraftverket inte användas för kommersiell kraftproduktion, det används vanligtvis för att leverera hjälpkraft till andra konventionella kraftverk som vattenkraftverk.

Termiomvandlare

De kallas också termiongenerator eller termoelektrisk motor, som direkt omvandlar värme till elektricitet med hjälp av termisk emission. Termisk energi kan omvandlas till elektrisk energi med mycket hög effektivitet genom en temperaturinducerad elektronflödesprocess som kallas termionisk strålning.

Den grundläggande principen för drift av termionenergiomvandlare är att elektroner förångas från ytan på en uppvärmd katod i vakuum och sedan kondenseras på en kallare anod. Sedan den första praktiska demonstrationen 1957 har termioneffektomvandlare använts med en mängd olika värmekällor, men alla kräver drift vid höga temperaturer - över 1500 K. Medan drift av termioneffektomvandlare vid en relativt låg temperatur (700 K - 900 K) är möjligt, effektiviteten i processen, som vanligtvis är > 50 %, reduceras avsevärt eftersom antalet emitterade elektroner per ytenhet från katoden beror på uppvärmningstemperaturen.

För konventionella katodmaterial som t.exliksom metaller och halvledare är antalet emitterade elektroner proportionellt mot kvadraten på katodtemperaturen. En nyligen genomförd studie visar dock att värmetemperaturen kan minskas med en storleksordning genom att använda grafen som en varm katod. De erhållna data visar att en grafenbaserad katodtermionomvandlare som arbetar vid 900 K kan uppnå en verkningsgrad på 45%.

Schematisk diagram över processen för termionisk elektronemission visas på bilden.

TIC baserat på grafen, där Tc och Ta är katodens temperatur respektive anodens temperatur. Baserat på den nya mekanismen för termionemission, föreslår forskarna att den grafenbaserade katodenergiomvandlaren kan hitta sin tillämpning vid återvinning av industriell spillvärme, som ofta når temperaturintervallet 700 till 900 K.

Den nya modellen som presenterades av Liang och Eng kan gynna den grafenbaserade kraftomvandlardesignen. Solid state-strömomvandlare, som huvudsakligen är termoelektriska generatorer, fungerar vanligtvis ineffektivt i lågtemperaturområdet (mindre än 7 % verkningsgrad).

Termoelektriska generatorer

Återvinning av avfallsenergi har blivit ett populärt mål för forskare och forskare som kommer på innovativa metoder för att uppnå detta mål. Ett av de mest lovande områdena är termoelektriska enheter baserade på nanoteknik, vilketser ut som ett nytt sätt att spara energi. Den direkta omvandlingen av värme till elektricitet eller elektricitet till värme kallas termoelektricitet baserat på Peltier-effekten. För att vara exakt är effekten uppkallad efter två fysiker - Jean Peltier och Thomas Seebeck.

Peltier upptäckte att en ström som skickas till två olika elektriska ledare som är anslutna vid två korsningar kommer att få en korsning att värmas upp medan den andra korsningen svalnar. Peltier fortsatte sin forskning och fann att en droppe vatten kunde fås att frysa vid en vismut-antimon (BiSb) korsning genom att helt enkelt ändra strömmen. Peltier upptäckte också att en elektrisk ström kan flyta när en temperaturskillnad placeras över korsningen mellan olika ledare.

Termoelektricitet är en extremt intressant elkälla på grund av dess förmåga att omvandla värmeflödet direkt till el. Det är en energiomvandlare som är mycket skalbar och inte har några rörliga delar eller flytande bränsle, vilket gör den lämplig för nästan alla situationer där mycket värme tenderar att gå till spillo, från kläder till stora industrianläggningar.

Nanostrukturer som används i halvledartermoelementmaterial hjälper till att upprätthålla god elektrisk ledningsförmåga och minska värmeledningsförmågan. Således kan prestandan hos termoelektriska enheter ökas genom användning av material baserade på nanoteknologi, medmed Peltier-effekten. De har förbättrade termoelektriska egenskaper och god absorptionsförmåga för solenergi.

Tillämpning av termoelektricitet:

1. Energileverantörer och sensorer inom intervall.
2. En brinnande oljelampa som styr en trådlös mottagare för fjärrkommunikation.
3. Applicering av små elektroniska enheter som MP3-spelare, digitala klockor, GPS/GSM-chips och impulsmätare med kroppsvärme.
4. Snabbkylande säten i lyxbilar.
5. Städa upp spillvärme i fordon genom att omvandla den till el.
6. Omvandla spillvärme från fabriker eller industrianläggningar till ytterligare kraft.
7. Termoelektrisk solenergi kan vara effektivare än fotovoltaiska celler för elproduktion, särskilt i områden med mindre solljus.

MHD-kraftgeneratorer

Magnetohydrodynamiska kraftgeneratorer genererar elektricitet genom samverkan mellan en rörlig vätska (vanligtvis en joniserad gas eller plasma) och ett magnetfält. Sedan 1970 har MHD-forskningsprogram genomförts i flera länder med särskilt fokus på användningen av kol som bränsle.

Den underliggande principen för MHD-teknikgenerering är elegant. Typiskt produceras den elektriskt ledande gasen vid högt tryck genom förbränning av fossila bränslen. Gasen riktas sedan genom ett magnetfält, vilket resulterar i en elektromotorisk kraft som verkar inuti det i enlighet med induktionslagenFaraday (uppkallad efter 1800-talets engelska fysiker och kemist Michael Faraday).

MHD-systemet är en värmemotor som inkluderar expansion av gas från högt till lågt tryck på samma sätt som i en konventionell gasturbingenerator. I MHD-systemet omvandlas gasens kinetiska energi direkt till elektrisk energi, eftersom den tillåts expandera. Intresset för att generera MHD väcktes till en början av upptäckten att växelverkan mellan ett plasma och ett magnetfält kan ske vid mycket högre temperaturer än vad som är möjligt i en roterande mekanisk turbin.

Den begränsande prestandan i termer av effektivitet i värmemotorer sattes i början av 1800-talet av den franske ingenjören Sadi Carnot. Uteffekten från en MHD-generator för varje kubikmeter av dess volym är proportionell mot gaskonduktivitetsprodukten, kvadraten på gashastigheten och kvadraten på styrkan på det magnetiska fältet genom vilket gasen passerar. För att MHD-generatorer ska fungera konkurrenskraftigt, med bra prestanda och rimliga fysiska dimensioner, måste plasmans elektriska ledningsförmåga vara i temperaturområdet över 1800 K (cirka 1500 C eller 2800 F).

Valet av typ av MHD-generator beror på vilket bränsle som används och applikationen. Överflödet av kolreserver i många länder i världen bidrar till utvecklingen av MHD-kolsystem för elproduktion.