Šiluminės energijos pavertimas didelio efektyvumo elektros energija: metodai ir įranga

2024 Autorius: Howard Calhoun | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-17 19:00

Šilumos energija žmogaus veikloje užima ypatingą vietą, nes ji naudojama visuose ūkio sektoriuose, lydi daugumą pramonės procesų ir žmonių pragyvenimo š altinį. Daugeliu atvejų atliekinė šiluma prarandama negrįžtamai ir be jokios ekonominės naudos. Šis prarastas resursas jau nieko vertas, todėl pakartotinis jo panaudojimas padės ir sumažinti energetinę krizę, ir apsaugoti aplinką. Todėl nauji būdai šilumą paversti elektros energija ir panaudotą šilumą paversti elektra šiandien yra aktualesni nei bet kada.

Elektros gamybos tipai

Natūralių energijos š altinių pavertimas elektra, šiluma ar kinetine energija reikalauja maksimalaus efektyvumo, ypač dujomis ir anglimi kūrenamose elektrinėse, siekiant sumažinti CO2 emisiją_{2. Yra įvairių būdų konvertuotišiluminė energija virsta elektros energija, priklausomai nuo pirminės energijos rūšių.}

Nr. 2017 m. elektrą gaminančių šalių dešimtukas parodytas nuotraukoje.

Esamų sistemų, skirtų šilumos energijai paversti elektros energija, efektyvumo lentelė.

	Elektros gamyba iš šiluminės energijos	Efektyvumas, %
1	Šiluminės elektrinės, kogeneracinės elektrinės	32
2	Atominės elektrinės, atominės elektrinės	80
3	Kondensacinė elektrinė, IES	40
4	Dujų turbinų jėgainė, GTPP	60
5	Termioniniai keitikliai, TEC	40
6	Termoelektriniai generatoriai	7
7	MHD elektros generatoriai kartu su CHP	60

Šiluminės energijos konvertavimo į metodą pasirinkimaselektros ir jos ekonominis pagrįstumas priklauso nuo energijos poreikio, natūralaus kuro prieinamumo ir statybvietės pakankamumo. Gamybos tipas skiriasi visame pasaulyje, todėl elektros kainos yra įvairios.

Tradicinės elektros energijos pramonės problemos

Šiluminės energijos pavertimo elektros energija technologijos, tokios kaip šiluminės elektrinės, atominės elektrinės, IES, dujų turbinų elektrinės, šiluminės elektrinės, termoelektriniai generatoriai, MHD generatoriai turi skirtingus privalumus ir trūkumus. Elektros energijos tyrimų institutas (EPRI) iliustruoja natūralių energijos gamybos technologijų privalumus ir trūkumus, nagrinėdamas tokius svarbius veiksnius kaip statyba ir elektros sąnaudos, žemės, vandens poreikis, CO emisija_{2, švaistymas, įperkamumas ir lankstumas.}

EPRI rezultatai rodo, kad svarstant energijos gamybos technologijas nėra universalaus požiūrio, tačiau gamtinės dujos vis tiek naudingesnės, nes jas galima įsigyti statyboms, jų elektros kaina yra maža, išmetama mažiau nei anglis. Tačiau ne visos šalys turi prieigą prie gausių ir pigių gamtinių dujų. Kai kuriais atvejais prieigai prie gamtinių dujų kyla grėsmė dėl geopolitinės įtampos, kaip buvo Rytų Europoje ir kai kuriose Vakarų Europos šalyse.

Atsinaujinančios energijos technologijos, pvz., vėjasturbinos, saulės fotovoltiniai moduliai gamina emisijos elektros energiją. Tačiau jiems paprastai reikia daug žemės, o jų efektyvumo rezultatai yra nestabilūs ir priklauso nuo oro sąlygų. Labiausiai problematiška yra anglys, pagrindinis šilumos š altinis. Tai lemia CO emisijų kiekį_{2, aušinimo skysčiui atvėsinti reikia daug švaraus vandens, o stoties statybai jis užima didelį plotą.}

Naujomis technologijomis siekiama sumažinti daugybę problemų, susijusių su energijos gamybos technologijomis. Pavyzdžiui, dujų turbinos, sujungtos su atsargine baterija, suteikia atsarginę atsargą nenumatytiems atvejams nedeginant kuro, o protarpines atsinaujinančių išteklių problemas galima sušvelninti sukuriant įperkamą didelio masto energijos saugyklą. Taigi šiandien nėra vieno tobulo būdo šiluminę energiją paversti elektra, kuri galėtų užtikrinti patikimą ir ekonomišką elektros energiją su minimaliu poveikiu aplinkai.

Šiluminės elektrinės

Šiluminėje elektrinėje aukšto slėgio ir aukštos temperatūros garai, gaunami kaitinant vandenį deginant kietąjį kurą (daugiausia anglį), suka prie generatoriaus prijungtą turbiną. Taigi jis paverčia savo kinetinę energiją į elektros energiją. Šiluminės elektrinės darbiniai komponentai:

1. Katilas su dujine krosnele.
2. Garo turbina.
3. Generatorius.
4. Kondensatorius.
5. Aušinimo bokštai.
6. Cirkuliacinis vandens siurblys.
7. Padavimo siurblysvandens į katilą.
8. Priverstinės išmetimo ventiliatoriai.
9. Skyrikliai.

Tipinė šiluminės elektrinės schema parodyta žemiau.

Garų katilas naudojamas vandeniui paversti garais. Šis procesas atliekamas šildant vandenį vamzdžiuose su šildymu deginant kurą. Degimo procesai nuolat vykdomi kuro degimo kameroje su oro tiekimu iš išorės.

Garų turbina perduoda garo energiją generatoriui varyti. Aukšto slėgio ir temperatūros garai stumia ant veleno sumontuotas turbinos mentes taip, kad ji pradėtų suktis. Tokiu atveju perkaitinto garo, patenkančio į turbiną, parametrai sumažinami iki prisotintos būsenos. Sotieji garai patenka į kondensatorių, o sukimosi galia naudojama generatoriaus sukimui, kuris gamina srovę. Beveik visos garo turbinos šiandien yra kondensatoriaus tipo.

Kondensatoriai yra įrenginiai, skirti garą paversti vandeniu. Garai teka už vamzdžių, o aušinimo vanduo – vamzdžių viduje. Ši konstrukcija vadinama paviršiniu kondensatoriumi. Šilumos perdavimo greitis priklauso nuo aušinimo vandens srauto, vamzdžių paviršiaus ploto ir vandens garų bei aušinimo vandens temperatūrų skirtumo. Vandens garų kaitos procesas vyksta esant prisotintam slėgiui ir temperatūrai, šiuo atveju kondensatorius yra vakuume, nes aušinimo vandens temperatūra lygi lauko temperatūrai, maksimali kondensato vandens temperatūra yra artima lauko temperatūrai.

Generatorius paverčia mechaninįenergiją į elektros energiją. Generatorius susideda iš statoriaus ir rotoriaus. Statorių sudaro korpusas, kuriame yra ritės, o magnetinio lauko sukamoji stotis susideda iš šerdies, kurioje yra ritė.

Pagal gaminamos energijos rūšį TE skirstomi į kondensacines IES, gaminančias elektrą, ir kogeneracines elektrines, kurios kartu gamina šilumą (garą ir karštą vandenį) bei elektrą. Pastarieji turi galimybę didelio efektyvumo šiluminę energiją paversti elektros energija.

Atominės elektrinės

Atominės elektrinės naudoja šilumą, išsiskiriančią branduolio dalijimosi metu, kad šildytų vandenį ir gamintų garą. Garai naudojami didelėms turbinoms, gaminančioms elektros energiją, sukti. Dalijimosi metu atomai skyla, sudarydami mažesnius atomus, išskirdami energiją. Procesas vyksta reaktoriaus viduje. Jo centre yra šerdis, kurioje yra urano 235. Kuras branduolinėms elektrinėms gaunamas iš urano, kuriame yra izotopas 235U (0,7 %) ir neskilusis 238 U (99,3 %).

Branduolinio kuro ciklas yra pramoninių žingsnių serija, susijusi su elektros energijos gamyba iš urano branduoliniuose reaktoriuose. Uranas yra gana dažnas elementas, randamas visame pasaulyje. Jis išgaunamas daugelyje šalių ir apdorojamas prieš naudojant kaip kuras.

Veikla, susijusi su elektros gamyba, bendrai vadinama branduolinio kuro ciklu, kuriuo šiluminė energija paverčiama elektros energija atominėse elektrinėse. BranduolinėsKuro ciklas prasideda nuo urano kasybos ir baigiasi branduolinių atliekų šalinimu. Perdirbant panaudotą kurą kaip alternatyvą branduolinei energijai, jo etapai sudaro tikrą ciklą.

Urano ir plutonio kuro ciklas

Ruošiant kurą naudoti atominėse elektrinėse, vykdomi kuro elementų gavybos, perdirbimo, konversijos, sodrinimo ir gamybos procesai. Kuro ciklas:

1. Urano 235 sudegimas.
2. Šlakas – 235U ir (239Pu, 241Pu) nuo 238U.
3. Skilimo metu 235U jo suvartojimas mažėja, o izotopai gaunami iš 238U gaminant elektros energiją.

VVR kuro strypų kaina sudaro maždaug 20 % pagamintos elektros kainos.

Uranui praleidus maždaug trejus metus reaktoriuje, panaudotas kuras gali būti naudojamas kitu būdu, įskaitant laikiną saugojimą, perdirbimą ir perdirbimą prieš atliekų šalinimą. Atominės elektrinės užtikrina tiesioginį šilumos energijos pavertimą elektros energija. Šiluma, išsiskirianti vykstant branduolio dalijimuisi reaktoriaus aktyvioje teritorijoje, naudojama vandeniui paversti garu, kuris sukasi garo turbinos mentes ir generatorius generuoja elektros energiją.

Garai aušinami paverčiant vandeniu atskiroje elektrinėje, vadinamoje aušinimo bokštu, kuri naudoja tvenkinių, upių ar vandenyno vandenį, kad aušintų švarų garo maitinimo grandinės vandenį. Tada atšaldytas vanduo pakartotinai naudojamas garams gaminti.

Elektros gamybos dalis atominėse elektrinėse, palyginti subendras jų skirtingų rūšių išteklių gamybos balansas kai kurių šalių ir pasaulio kontekste – toliau esančioje nuotraukoje.

Dujų turbinų elektrinė

Dujų turbininės elektrinės veikimo principas panašus į garo turbininės elektrinės. Vienintelis skirtumas yra tas, kad garo turbinos jėgainėje turbinai sukti naudojami suslėgti garai, o dujų turbinų jėgainėje – dujos.

Panagrinėkime šilumos energijos pavertimo elektros energija principą dujų turbininėje elektrinėje.

Dujų turbininėje elektrinėje oras suspaudžiamas kompresoriuje. Tada šis suspaustas oras praeina per degimo kamerą, kurioje susidaro dujų-oro mišinys, suslėgto oro temperatūra pakyla. Šis aukštos temperatūros ir aukšto slėgio mišinys praleidžiamas per dujų turbiną. Turbinoje ji staigiai plečiasi, gaudama pakankamai kinetinės energijos turbinai pasukti.

Dujų turbinų elektrinėje turbinos velenas, generatorius ir oro kompresorius yra įprasti. Turbinoje susidaranti mechaninė energija iš dalies panaudojama orui suspausti. Dujų turbininės elektrinės dažnai naudojamos kaip rezervinė pagalbinė hidroelektrinių energijos tiekėja. Jis generuoja pagalbinę energiją paleidžiant hidroelektrinę.

Dujų turbininės jėgainės privalumai ir trūkumai

Dizainasdujų turbinų jėgainė yra daug paprastesnė nei garo turbininė jėgainė. Dujų turbinos jėgainės dydis yra mažesnis nei garo turbininės elektrinės. Dujų turbininėje elektrinėje nėra katilo komponento, todėl sistema yra mažiau sudėtinga. Nereikia nei garų, nei kondensatoriaus, nei aušinimo bokšto.

Galingų dujų turbinų elektrinių projektavimas ir statyba yra daug paprastesnė ir pigesnė, kapitalo ir eksploatavimo sąnaudos yra daug mažesnės nei panašios garo turbininės elektrinės savikaina.

Nuolatiniai nuostoliai dujų turbininėje elektrinėje yra žymiai mažesni, lyginant su garo turbinine jėgaine, nes garo turbinoje katilinė elektrinė turi veikti nuolat, net kai sistema neteikia apkrovos tinklui. Dujų turbinos jėgainę galima paleisti beveik akimirksniu.

Dujų turbininės elektrinės trūkumai:

1. Turbinoje generuojama mechaninė energija taip pat naudojama oro kompresoriui varyti.
2. Kadangi didžioji dalis mechaninės energijos, pagamintos turbinoje, naudojama oro kompresoriui varyti, bendras dujų turbinos jėgainės efektyvumas nėra toks didelis, kaip lygiavertės garo turbinos jėgainės.
3. Dujų turbininės elektrinės išmetamosios dujos labai skiriasi nuo katilo.
4. Prieš faktinį turbinos paleidimą oras turi būti iš anksto suspaustas, todėl dujų turbininei jėgainei paleisti reikia papildomo maitinimo š altinio.
5. Dujų temperatūra pakankamai aukštadujų turbinų elektrinė. Dėl to sistemos tarnavimo laikas trumpesnis nei lygiavertės garo turbinos.

Dėl mažesnio efektyvumo dujų turbinos elektrinė negali būti naudojama komercinei elektros energijos gamybai, ji dažniausiai naudojama pagalbinei energijai tiekti kitoms įprastinėms elektrinėms, pavyzdžiui, hidroelektrinėms.

Termioniniai keitikliai

Jie taip pat vadinami termogeneratoriais arba termoelektriniais varikliais, kurie šilumą tiesiogiai paverčia elektros energija naudojant šiluminę emisiją. Šiluminė energija gali būti labai efektyviai paversta elektros energija per temperatūros sukeltą elektronų srauto procesą, žinomą kaip terminė spinduliuotė.

Pagrindinis termojoninių energijos keitiklių veikimo principas yra tas, kad elektronai išgaruoja nuo įkaitinto katodo paviršiaus vakuume ir kondensuojasi ant š altesnio anodo. Nuo pat pirmojo praktinio demonstravimo 1957 m. termioniniai galios keitikliai buvo naudojami su įvairiais šilumos š altiniais, tačiau juos visus reikia veikti aukštoje – virš 1500 K – temperatūroje. 900 K) yra įmanomas, proceso efektyvumas, kuris paprastai yra > 50%, žymiai sumažėja, nes iš katodo išspinduliuojamų elektronų skaičius ploto vienete priklauso nuo kaitinimo temperatūros.

Įprastoms katodinėms medžiagoms, pvz.,kaip ir metalai ir puslaidininkiai, išspinduliuotų elektronų skaičius yra proporcingas katodo temperatūros kvadratui. Tačiau neseniai atliktas tyrimas rodo, kad šilumos temperatūrą galima sumažinti naudojant grafeną kaip karštą katodą. Gauti duomenys rodo, kad grafeno pagrindu pagamintas katodinis termokonverteris, veikiantis 900 K temperatūroje, gali pasiekti 45 % efektyvumą.

Nuotraukoje parodyta elektronų terminės emisijos proceso schema.

TIC, pagrįstas grafenu, kur Tc ir Ta yra atitinkamai katodo ir anodo temperatūra. Remdamiesi nauju terminės emisijos mechanizmu, mokslininkai teigia, kad grafeno pagrindu pagamintas katodinis energijos keitiklis galėtų būti pritaikytas perdirbant pramoninę atliekų šilumą, kuri dažnai pasiekia 700–900 K temperatūros diapazoną.

Naujasis modelis, kurį pristatė Liang ir Eng, gali būti naudingas grafeno pagrindu veikiančiam galios keitikliui. Kietojo kūno galios keitikliai, kurie daugiausia yra termoelektriniai generatoriai, paprastai veikia neefektyviai žemoje temperatūroje (mažesnis nei 7 % efektyvumas).

Termoelektriniai generatoriai

Atliekos energijos perdirbimas tapo populiariu tyrėjų ir mokslininkų, kurie sugalvoja novatoriškų metodų šiam tikslui pasiekti, tikslu. Viena perspektyviausių sričių – nanotechnologijų pagrindu pagaminti termoelektriniai prietaisai, kurieatrodo kaip naujas požiūris į energijos taupymą. Tiesioginis šilumos pavertimas elektra arba elektros pavertimas šiluma yra žinomas kaip termoelektra, pagrįsta Peltier efektu. Tiksliau sakant, efektas pavadintas dviejų fizikų – Jeano Peltier ir Thomaso Seebecko – vardu.

Peltier išsiaiškino, kad srovė, siunčiama į du skirtingus elektros laidininkus, sujungtus dviejose sankryžose, viena jungtis įkais, o kita atvės. Peltier tęsė savo tyrimus ir išsiaiškino, kad vandens lašas gali užš alti bismuto ir stibio (BiSb) sandūroje tiesiog pakeitus srovę. Peltier taip pat atrado, kad elektros srovė gali tekėti, kai skirtingų laidininkų sandūroje yra temperatūrų skirtumas.

Termoelektra yra nepaprastai įdomus elektros energijos š altinis, nes jis gali šilumos srautą tiesiogiai paversti elektra. Tai labai keičiamo dydžio energijos keitiklis, kuriame nėra judančių dalių ar skystojo kuro, todėl jis tinka beveik bet kokioms situacijoms, kai daug šilumos linkusi eikvoti, pradedant drabužiais ir baigiant dideliais pramoniniais objektais.

Puslaidininkinėse termoporos medžiagose naudojamos nanostruktūros padės išlaikyti gerą elektros laidumą ir sumažinti šilumos laidumą. Taigi, termoelektrinių prietaisų našumas gali būti padidintas naudojant nanotechnologijomis pagrįstas medžiagasnaudojant Peltier efektą. Jie turi geresnes termoelektrines savybes ir gerą saulės energijos sugėrimo gebą.

Termoelektros taikymas:

1. Energijos tiekėjai ir jutikliai diapazone.
2. Dega alyvos lempa, valdanti belaidį imtuvą nuotoliniam ryšiui palaikyti.
3. Smulkių elektroninių prietaisų, pvz., MP3 grotuvų, skaitmeninių laikrodžių, GPS / GSM lustų ir impulsų matuoklių, pritaikymas kūno šilumai.
4. Greitai aušinamos sėdynės prabangiuose automobiliuose.
5. Išvalykite šilumą transporto priemonėse paversdami ją elektra.
6. Paverskite fabrikų ar pramonės objektų atliekų šilumą į papildomą energiją.
7. Saulės termoelektra gali būti efektyvesnė už fotovoltinius elementus gaminant energiją, ypač tose vietose, kur mažiau saulės.

MHD energijos generatoriai

Magnetohidrodinaminiai energijos generatoriai generuoja elektros energiją sąveikaujant judančiam skysčiui (dažniausiai jonizuotoms dujoms arba plazmai) ir magnetiniam laukui. Nuo 1970 m. MHD tyrimų programos buvo vykdomos keliose šalyse, ypatingą dėmesį skiriant anglies kaip kuro naudojimui.

Pagrindinis MHD technologijos generavimo principas yra elegantiškas. Paprastai elektrai laidžios dujos susidaro aukštu slėgiu deginant iškastinį kurą. Tada dujos nukreipiamos per magnetinį lauką, todėl jo viduje veikia elektrovaros jėga pagal indukcijos dėsnį. Faradėjus (pavadintas XIX a. anglų fiziko ir chemiko Michaelo Faradėjaus vardu).

MHD sistema yra šilumos variklis, apimantis dujų išplėtimą nuo aukšto iki žemo slėgio taip pat, kaip ir naudojant įprastą dujų turbinos generatorių. MHD sistemoje dujų kinetinė energija tiesiogiai paverčiama elektros energija, nes jai leidžiama plėstis. Susidomėjimą generuoti MHD iš pradžių paskatino atradimas, kad plazmos sąveika su magnetiniu lauku gali vykti daug aukštesnėje temperatūroje nei įmanoma besisukančioje mechaninėje turbinoje.

Šiluminių variklių efektyvumo ribą XIX amžiaus pradžioje nustatė prancūzų inžinierius Sadi Carnot. MHD generatoriaus išėjimo galia kiekvienam jo tūrio kubiniam metrui yra proporcinga dujų laidumo sandaugai, dujų greičio kvadratui ir magnetinio lauko, per kurį praeina dujos, stiprumo kvadratui. Kad MHD generatoriai veiktų konkurencingai, su geru našumu ir pagrįstais fiziniais matmenimis, plazmos elektrinis laidumas turi būti aukštesnėje nei 1800 K (apie 1500 C arba 2800 F) temperatūroje.

MHD generatoriaus tipo pasirinkimas priklauso nuo naudojamo kuro ir pritaikymo. Anglies atsargų gausa daugelyje pasaulio šalių prisideda prie MHD anglies sistemų kūrimo elektros energijos gamybai.