Pretvorba toplinske energije u električnu energiju s visokom učinkovitošću: metode i oprema

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-02 13:56

Toplinska energija zauzima posebno mjesto u ljudskoj djelatnosti, budući da se koristi u svim sektorima gospodarstva, prati većinu industrijskih procesa i egzistenciju ljudi. U većini slučajeva, otpadna toplina se gubi nepovratno i bez ikakve ekonomske koristi. Ovaj izgubljeni resurs više ne vrijedi ništa, pa će njegova ponovna upotreba pomoći u smanjenju energetske krize i zaštiti okoliša. Stoga su novi načini pretvaranja topline u električnu energiju i pretvaranja otpadne topline u električnu energiju danas relevantniji nego ikad.

Vrste proizvodnje električne energije

Transformacija prirodnih izvora energije u električnu, toplinsku ili kinetičku energiju zahtijeva maksimalnu učinkovitost, posebno u elektranama na plin i ugljen, kako bi se smanjile emisije CO2_{2. Postoje različiti načini pretvaranjatoplinsku energiju u električnu energiju, ovisno o vrsti primarne energije.}

Među energetskim resursima, ugljen i prirodni plin koriste se za proizvodnju električne energije izgaranjem (toplinska energija), a uran nuklearnom fisijom (nuklearna energija) za korištenje snage pare za okretanje parne turbine. Prvih deset zemalja proizvođača električne energije za 2017. prikazano je na fotografiji.

Tablica učinkovitosti postojećih sustava za pretvorbu toplinske energije u električnu energiju.

	Proizvodnja električne energije iz toplinske energije	Učinkovitost, %
1	Termoelektrane, CHP elektrane	32
2	Nuklearne elektrane, nuklearne elektrane	80
3	Kondenzacijska elektrana, IES	40
4	elektrana na plinsku turbinu, GTPP	60
5	termioničke sonde, TEC	40
6	Termoelektrični generatori	7
7	MHD generatori energije zajedno s CHP	60

Odabir metode za pretvaranje toplinske energije uelektrična i njena ekonomska isplativost ovise o potrebi za energijom, dostupnosti prirodnog goriva i dovoljnosti gradilišta. Vrsta proizvodnje varira diljem svijeta, što rezultira širokim rasponom cijena električne energije.

Problemi tradicionalne elektroprivrede

Tehnologije za pretvaranje toplinske energije u električnu energiju, kao što su termoelektrane, nuklearne elektrane, IES, plinskoturbinske elektrane, termoelektrane, termoelektrični generatori, MHD generatori imaju različite prednosti i nedostatke. Institut za istraživanje električne energije (EPRI) ilustrira prednosti i nedostatke prirodnih tehnologija za proizvodnju energije, gledajući kritične čimbenike kao što su izgradnja i troškovi električne energije, zemljišta, potrebe za vodom, emisije CO_{2, otpad, pristupačnost i fleksibilnost.}

EPRI rezultati ističu da ne postoji pristup koji odgovara svima kada se razmatraju tehnologije proizvodnje energije, ali prirodni plin i dalje ima više koristi jer je pristupačan za izgradnju, ima nisku cijenu električne energije, stvara manje emisija od ugljen. Međutim, nemaju sve zemlje pristup bogatom i jeftinom prirodnom plinu. U nekim slučajevima, pristup prirodnom plinu je ugrožen zbog geopolitičkih napetosti, kao što je bio slučaj u istočnoj Europi i nekim zapadnoeuropskim zemljama.

Tehnologije obnovljive energije kao što je vjetarturbine, solarni fotonaponski moduli proizvode emisionu električnu energiju. Međutim, oni imaju tendenciju da zahtijevaju mnogo zemlje, a rezultati njihove učinkovitosti su nestabilni i ovise o vremenskim prilikama. Najproblematičniji je ugljen, glavni izvor topline. Vodi u emisijama CO_{2, zahtijeva puno čiste vode za hlađenje rashladne tekućine i zauzima veliko područje za izgradnju stanice.}

Nove tehnologije imaju za cilj smanjiti niz problema povezanih s tehnologijama proizvodnje energije. Na primjer, plinske turbine u kombinaciji s rezervnom baterijom pružaju rezervnu kopiju bez izgaranja goriva, a povremeni problemi s obnovljivim resursima mogu se ublažiti stvaranjem pristupačne velike pohrane energije. Dakle, danas ne postoji savršen način pretvaranja toplinske energije u električnu, koji bi mogao osigurati pouzdanu i isplativu električnu energiju s minimalnim utjecajem na okoliš.

Termoelektrane

U termoelektrani visokotlačna i visokotemperaturna para, dobivena zagrijavanjem vode izgaranjem krutog goriva (uglavnom ugljena), okreće turbinu spojenu na generator. Tako svoju kinetičku energiju pretvara u električnu. Radne komponente termoelektrane:

1. Kotao s plinskom peći.
2. Parna turbina.
3. Generator.
4. Kondenzator.
5. Razhladni tornjevi.
6. Cirkulacijska pumpa za vodu.
7. Napojna pumpavodu u bojler.
8. Prisilni ispušni ventilatori.
9. Razdjelnici.

Tipični dijagram termoelektrane prikazan je ispod.

Parni kotao se koristi za pretvaranje vode u paru. Ovaj se proces provodi zagrijavanjem vode u cijevima uz zagrijavanje od izgaranja goriva. Proces izgaranja se kontinuirano odvija u komori za izgaranje goriva uz dovod zraka izvana.

Parna turbina prenosi energiju pare za pogon generatora. Para pod visokim tlakom i temperaturom gura lopatice turbine postavljene na osovinu tako da se ona počinje okretati. U tom slučaju, parametri pregrijane pare koja ulazi u turbinu se svode na zasićeno stanje. Zasićena para ulazi u kondenzator, a snaga rotacije se koristi za rotaciju generatora koji proizvodi struju. Gotovo sve parne turbine danas su kondenzatorskog tipa.

Kondenzatori su uređaji za pretvaranje pare u vodu. Para teče izvan cijevi, a rashladna voda teče unutar cijevi. Ovaj dizajn naziva se površinski kondenzator. Brzina prijenosa topline ovisi o protoku rashladne vode, površini cijevi i temperaturnoj razlici između vodene pare i vode za hlađenje. Proces promjene vodene pare odvija se pod zasićenim tlakom i temperaturom, u ovom slučaju kondenzator je pod vakuumom, jer je temperatura rashladne vode jednaka vanjskoj temperaturi, maksimalna temperatura kondenzatne vode je blizu vanjske temperature.

Generator pretvara mehaničkienergije u električnu energiju. Generator se sastoji od statora i rotora. Stator se sastoji od kućišta koje sadrži zavojnice, a rotirajuća stanica magnetskog polja sastoji se od jezgre koja sadrži zavojnicu.

Prema vrsti proizvedene energije, TE se dijele na kondenzacijske IES koje proizvode električnu energiju i kombinirane toplinske i elektrane koje zajednički proizvode toplinu (para i topla voda) i električnu energiju. Potonji imaju sposobnost pretvaranja toplinske energije u električnu energiju s visokom učinkovitošću.

Nuklearne elektrane

Nuklearne elektrane koriste toplinu oslobođenu tijekom nuklearne fisije za zagrijavanje vode i proizvodnju pare. Para se koristi za okretanje velikih turbina koje proizvode električnu energiju. U fisiji, atomi se cijepaju i tvore manje atome, oslobađajući energiju. Proces se odvija unutar reaktora. U njegovom središtu je jezgra koja sadrži uran 235. Gorivo za nuklearne elektrane dobiva se iz urana, koji sadrži izotop 235U (0,7%) i nefisilni 238U (99,3%).

Ciklus nuklearnog goriva je niz industrijskih koraka uključenih u proizvodnju električne energije iz urana u nuklearnim energetskim reaktorima. Uran je relativno čest element koji se nalazi u cijelom svijetu. Iskopava se u brojnim zemljama i prerađuje prije nego što se koristi kao gorivo.

Aktivnosti vezane uz proizvodnju električne energije zajednički se nazivaju ciklus nuklearnog goriva za pretvorbu toplinske energije u električnu energiju u nuklearnim elektranama. NuklearniGorivni ciklus počinje iskopavanjem urana, a završava odlaganjem nuklearnog otpada. Prilikom prerade korištenog goriva kao opcije za nuklearnu energiju, njegovi koraci čine pravi ciklus.

Uran-plutonij ciklus goriva

Za pripremu goriva za upotrebu u nuklearnim elektranama provode se procesi ekstrakcije, obrade, konverzije, obogaćivanja i proizvodnje gorivnih elemenata. Ciklus goriva:

1. Uranium 235 burnup.
2. Zgura - 235U i (239Pu, 241Pu) od 238U.
3. Tijekom raspada 235U, njegova potrošnja se smanjuje, a izotopi se dobivaju iz 238U pri generiranju električne energije.

Cijena gorivnih šipki za VVR je približno 20% cijene proizvedene električne energije.

Nakon što je uran proveo oko tri godine u reaktoru, korišteno gorivo može proći kroz drugi proces upotrebe, uključujući privremeno skladištenje, ponovnu obradu i recikliranje prije odlaganja otpada. Nuklearne elektrane omogućuju izravnu pretvorbu toplinske energije u električnu energiju. Toplina oslobođena tijekom nuklearne fisije u jezgri reaktora koristi se za pretvaranje vode u paru, koja vrti lopatice parne turbine, pokrećući generatore za proizvodnju električne energije.

Para se hladi pretvaranjem u vodu u zasebnoj strukturi u elektrani zvanoj rashladni toranj, koji koristi vodu iz ribnjaka, rijeka ili oceana za hlađenje čiste vode parnog kruga. Ohlađena voda se zatim ponovno koristi za proizvodnju pare.

Udio proizvodnje električne energije u nuklearnim elektranama, u odnosu naukupna ravnoteža proizvodnje njihovih različitih vrsta resursa, u kontekstu nekih zemalja iu svijetu - na fotografiji ispod.

elektrana na plinsku turbinu

Princip rada plinske turbinske elektrane sličan je onom kod parnoturbinske elektrane. Jedina razlika je u tome što elektrana s parnom turbinom koristi komprimiranu paru za okretanje turbine, dok elektrana na plinsku turbinu koristi plin.

Razmotrimo princip pretvaranja toplinske energije u električnu energiju u elektrani s plinskom turbinom.

U elektrani s plinskom turbinom, zrak se komprimira u kompresoru. Zatim ovaj komprimirani zrak prolazi kroz komoru za izgaranje, gdje nastaje mješavina plina i zraka, temperatura komprimiranog zraka raste. Ova visokotemperaturna smjesa pod visokim tlakom prolazi kroz plinsku turbinu. U turbini se naglo širi, primajući dovoljno kinetičke energije za rotaciju turbine.

U elektrani s plinskom turbinom, osovina turbine, alternator i zračni kompresor su uobičajeni. Mehanička energija proizvedena u turbini dijelom se koristi za komprimiranje zraka. Plinskoturbinske elektrane često se koriste kao rezervni opskrbljivač pomoćnom energijom hidroelektrana. Generira pomoćnu snagu tijekom pokretanja hidroelektrane.

Prednosti i nedostaci plinskoturbinske elektrane

Dizajnplinskoturbinska elektrana je mnogo jednostavnija od parne turbinske elektrane. Veličina plinskoturbinske elektrane je manja od veličine elektrane s parnom turbinom. U plinskoj turbinskoj elektrani nema komponente kotla, pa je stoga sustav manje složen. Nije potrebna para, kondenzator ili rashladni toranj.

Projektiranje i izgradnja moćnih plinskih turbinskih elektrana puno je lakše i jeftinije, kapitalni i operativni troškovi su puno manji od cijene slične parne turbinske elektrane.

Trajni gubici u elektrani na plinsku turbinu znatno su manji u odnosu na elektranu s parnom turbinom, budući da u parnoj turbini kotlovska elektrana mora raditi kontinuirano, čak i kada sustav ne opskrbljuje mrežu. Elektrana s plinskom turbinom može se pokrenuti gotovo trenutno.

Nedostaci plinske turbinske elektrane:

1. Mehanička energija proizvedena u turbini također se koristi za pogon zračnog kompresora.
2. Budući da se većina mehaničke energije proizvedene u turbini koristi za pogon zračnog kompresora, ukupna učinkovitost elektrane s plinskom turbinom nije tako visoka kao ekvivalentna elektrana s parnom turbinom.
3. Ispušni plinovi u elektrani s plinskom turbinom vrlo se razlikuju od kotla.
4. Prije stvarnog pokretanja turbine, zrak mora biti prethodno komprimiran, što zahtijeva dodatni izvor energije za pokretanje plinske turbine.
5. Temperatura plina je dovoljno visoka zaplinskoturbinska elektrana. To rezultira kraćim vijekom trajanja sustava od ekvivalentne parne turbine.

Zbog niže učinkovitosti, plinska turbina ne može se koristiti za komercijalnu proizvodnju električne energije, obično se koristi za opskrbu pomoćnom energijom drugim konvencionalnim elektranama kao što su hidroelektrane.

Termionski pretvarači

Oni se također nazivaju termoelektrični generator ili termoelektrični motor, koji izravno pretvaraju toplinu u električnu energiju koristeći toplinsku emisiju. Toplinska energija može se pretvoriti u električnu energiju uz vrlo visoku učinkovitost kroz proces protoka elektrona izazvan temperaturom poznat kao termoionsko zračenje.

Osnovni princip rada termoelektronskih pretvarača energije je da elektroni ispare s površine zagrijane katode u vakuumu, a zatim se kondenziraju na hladnijoj anodi. Od prve praktične demonstracije 1957. godine, termoelektrični pretvarači snage koriste se s raznim izvorima topline, ali svi oni zahtijevaju rad na visokim temperaturama - iznad 1500 K. Dok termoelektrični pretvarači energije rade na relativno niskoj temperaturi (700 K - 900 K) je moguće, učinkovitost procesa, koja je tipično > 50%, značajno je smanjena jer broj emitiranih elektrona po jedinici površine s katode ovisi o temperaturi zagrijavanja.

Za konvencionalne katodne materijale kao što supoput metala i poluvodiča, broj emitiranih elektrona proporcionalan je kvadratu temperature katode. Međutim, nedavna studija pokazuje da se temperatura topline može smanjiti za red veličine korištenjem grafena kao vruće katode. Dobiveni podaci pokazuju da katodni termionski pretvarač na bazi grafena koji radi na 900 K može postići učinkovitost od 45%.

Šematski dijagram procesa termoionske emisije elektrona prikazan je na fotografiji.

TIC na bazi grafena, gdje su Tc i Ta temperatura katode i temperatura anode, respektivno. Na temelju novog mehanizma termoionske emisije, istraživači sugeriraju da bi katodni pretvarač energije na bazi grafena mogao pronaći svoju primjenu u recikliranju industrijske otpadne topline, koja često doseže temperaturni raspon od 700 do 900 K.

Novi model koji su predstavili Liang i Eng mogao bi imati koristi od dizajna pretvarača napajanja na bazi grafena. Poluvodni pretvarači energije, koji su uglavnom termoelektrični generatori, obično rade neučinkovito u području niskih temperatura (manje od 7% učinkovitosti).

Termoelektrični generatori

Recikliranje otpadne energije postalo je popularna meta istraživača i znanstvenika koji smišljaju inovativne metode za postizanje ovog cilja. Jedno od područja koja najviše obećava su termoelektrični uređaji temeljeni na nanotehnologiji, kojiizgledaju kao novi pristup uštedi energije. Izravna pretvorba topline u električnu energiju ili električne energije u toplinu poznata je kao termoelektrična energija na temelju Peltierovog efekta. Točnije, efekt je nazvan po dvojici fizičara - Jeanu Peltieru i Thomasu Seebecku.

Peltier je otkrio da će struja poslana na dva različita električna vodiča koja su spojena na dva spoja uzrokovati zagrijavanje jednog spoja dok se drugi hladi. Peltier je nastavio svoje istraživanje i otkrio da se kap vode može zamrznuti na spoju bizmut-antimon (BiSb) jednostavnom promjenom struje. Peltier je također otkrio da električna struja može teći kada se temperaturna razlika postavi na spoj različitih vodiča.

Termoelektrična energija je izuzetno zanimljiv izvor električne energije zbog svoje sposobnosti pretvaranja toplinskog toka izravno u električnu energiju. To je pretvarač energije koji je vrlo skalabilan i nema pokretnih dijelova ili tekućeg goriva, što ga čini prikladnim za gotovo svaku situaciju u kojoj mnogo topline odlazi u otpad, od odjeće do velikih industrijskih objekata.

Nanostrukture koje se koriste u materijalima poluvodičkih termoparova pomoći će u održavanju dobre električne vodljivosti i smanjenju toplinske vodljivosti. Dakle, performanse termoelektričnih uređaja mogu se povećati korištenjem materijala temeljenih na nanotehnologiji, uzkoristeći Peltierov učinak. Imaju poboljšana termoelektrična svojstva i dobar kapacitet apsorpcije sunčeve energije.

Primjena termoelektrične energije:

1. Davatelji energije i senzori u rasponima.
2. Užarena svjetiljka koja upravlja bežičnim prijemnikom za daljinsku komunikaciju.
3. Primjena malih elektroničkih uređaja kao što su MP3 playeri, digitalni satovi, GPS/GSM čipovi i mjerači impulsa s tjelesnom toplinom.
4. Brzo hlađena sjedala u luksuznim automobilima.
5. Očistite otpadnu toplinu u vozilima pretvarajući je u električnu energiju.
6. Pretvorite otpadnu toplinu iz tvornica ili industrijskih objekata u dodatnu snagu.
7. Solarni termoelektrici mogu biti učinkovitiji od fotonaponskih ćelija za proizvodnju energije, posebno u područjima s manje sunčeve svjetlosti.

MHD generatori

Magnetohidrodinamički generatori energije generiraju električnu energiju interakcijom pokretnog fluida (obično ioniziranog plina ili plazme) i magnetskog polja. Od 1970. istraživački programi MHD-a provode se u nekoliko zemalja s posebnim naglaskom na korištenje ugljena kao goriva.

Temeljni princip generacije MHD tehnologije je elegantan. Obično se električno vodljivi plin proizvodi pod visokim tlakom izgaranjem fosilnih goriva. Plin se zatim usmjerava kroz magnetsko polje, što rezultira elektromotornom silom koja djeluje unutar njega u skladu sa zakonom indukcijeFaraday (nazvan po engleskom fizičaru i kemičaru Michaelu Faradayu iz 19. stoljeća).

MHD sustav je toplinski stroj koji uključuje ekspanziju plina s visokog na niski tlak na isti način kao u konvencionalnom generatoru plinskih turbina. U MHD sustavu kinetička energija plina se pretvara izravno u električnu energiju, jer se ona može širiti. Interes za stvaranje MHD-a u početku je potaknut otkrićem da se interakcija plazme s magnetskim poljem može dogoditi na mnogo višim temperaturama nego što je to moguće u rotirajućoj mehaničkoj turbini.

Ograničavajući učinak u smislu učinkovitosti toplinskih motora postavio je početkom 19. stoljeća francuski inženjer Sadi Carnot. Izlazna snaga MHD generatora za svaki kubični metar njegovog volumena proporcionalna je proizvodu vodljivosti plina, kvadratu brzine plina i kvadratu jakosti magnetskog polja kroz koje plin prolazi. Da bi MHD generatori radili konkurentno, s dobrim performansama i razumnim fizičkim dimenzijama, električna vodljivost plazme mora biti u temperaturnom rasponu iznad 1800 K (oko 1500 C ili 2800 F).

Izbor tipa MHD generatora ovisi o korištenom gorivu i primjeni. Obilje rezervi ugljena u mnogim zemljama svijeta doprinosi razvoju MHD ugljičnih sustava za proizvodnju električne energije.