Преобразуване на топлинна енергия в електрическа енергия с висока ефективност: методи и оборудване

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-02 13:50

Топлинната енергия заема специално място в човешката дейност, тъй като се използва във всички сектори на икономиката, съпътства повечето индустриални процеси и поминъка на хората. В повечето случаи отпадната топлина се губи безвъзвратно и без икономическа изгода. Този загубен ресурс вече не струва нищо, така че повторното му използване ще помогне както за намаляване на енергийната криза, така и за опазване на околната среда. Ето защо новите начини за преобразуване на топлина в електрическа енергия и преобразуване на отпадната топлина в електричество са по-актуални днес от всякога.

Видове производство на електроенергия

Преобразуването на природни енергийни източници в електричество, топлина или кинетична енергия изисква максимална ефективност, особено в електроцентралите на газ и въглища, за намаляване на емисиите на CO2_{2. Има различни начини за преобразуванетоплинна енергия в електрическа енергия, в зависимост от видовете първична енергия.}

Сред енергийните ресурси въглищата и природният газ се използват за генериране на електричество чрез изгаряне (топлинна енергия) и уран чрез ядрено делене (ядрена енергия) за използване на парна енергия за завъртане на парна турбина. Десетте най-големи производители на електроенергия за 2017 г. са показани на снимката.

Таблица на ефективността на съществуващите системи за преобразуване на топлинна енергия в електрическа енергия.

	Производство на електроенергия от топлинна енергия	Ефективност, %
1	Топлоелектрически централи, когенерационни централи	32
2	Атомни централи, атомни електроцентрали	80
3	Кондензационна електроцентрала, IES	40
4	Газотурбинна електроцентрала, GTPP	60
5	Термионни преобразуватели, TEC	40
6	Термоелектрически генератори	7
7	MHD генератори на енергия заедно с CHP	60

Избор на метод за преобразуване на топлинна енергия велектрическата и икономическата осъществимост зависят от нуждата от енергия, наличието на естествено гориво и достатъчността на строителната площадка. Видът на генерирането варира по света, което води до широк диапазон от цени на електроенергията.

Проблеми на традиционната електроенергийна индустрия

Технологии за преобразуване на топлинна енергия в електрическа енергия, като топлоелектрически централи, атомни електроцентрали, IES, газотурбинни електроцентрали, топлоелектрически централи, термоелектрически генератори, MHD генератори имат различни предимства и недостатъци. Изследователският институт за електроенергия (EPRI) илюстрира предимствата и недостатъците на технологиите за производство на естествена енергия, като разглежда критични фактори като строителство и разходи за електроенергия, земя, изисквания за вода, емисии на CO_{2, отпадъци, достъпност и гъвкавост.}

EPRI Резултатите подчертават, че няма универсален подход, когато се разглеждат технологиите за производство на електроенергия, но все пак природният газ все още има повече ползи, тъй като е достъпен за строителство, има ниска цена на електроенергия, генерира по-малко емисии от въглища. Въпреки това, не всички страни имат достъп до богат и евтин природен газ. В някои случаи достъпът до природен газ е застрашен поради геополитическо напрежение, какъвто беше случаят в Източна Европа и някои западноевропейски страни.

Технологии за възобновяема енергия като вятъратурбини, слънчеви фотоволтаични модули произвеждат емисионна електроенергия. Те обаче са склонни да изискват много земя, а резултатите от тяхната ефективност са нестабилни и зависят от времето. Въглищата, основният източник на топлина, са най-проблематичният. Той води до емисии на CO_{2, изисква много чиста вода за охлаждане на охлаждащата течност и заема голяма площ за изграждането на станцията.}

Новите технологии имат за цел да намалят редица проблеми, свързани с технологиите за производство на електроенергия. Например газовите турбини, комбинирани с резервна батерия, осигуряват резервно копие при извънредни ситуации без изгаряне на гориво, а периодичните проблеми с възобновяемите ресурси могат да бъдат смекчени чрез създаване на достъпно мащабно съхранение на енергия. По този начин днес няма един перфектен начин за преобразуване на топлинна енергия в електрическа, който би могъл да осигури надеждно и рентабилно електричество с минимално въздействие върху околната среда.

Топлоелектрически централи

В ТЕЦ пара с високо налягане и висока температура, получена от загряване на вода чрез изгаряне на твърдо гориво (главно въглища), върти турбина, свързана с генератор. Така той преобразува кинетичната си енергия в електрическа енергия. Работни компоненти на топлоелектрическата централа:

1. Котел с газова пещ.
2. Парова турбина.
3. Генератор.
4. Кондензатор.
5. Охладителни кули.
6. Циркулираща водна помпа.
7. Захранваща помпавода в бойлера.
8. Вентилатори с принудително изпускане.
9. Разделители.

Типична диаграма на топлоелектрическа централа е показана по-долу.

Паровият котел се използва за преобразуване на вода в пара. Този процес се осъществява чрез нагряване на вода в тръби с нагряване от изгаряне на гориво. Горивните процеси се извършват непрекъснато в горивната камера на горивото с подаване на въздух отвън.

Парната турбина прехвърля парна енергия за задвижване на генератор. Парата с високо налягане и температура избутва лопатките на турбината, монтирани на вала, така че тя да започне да се върти. В този случай параметрите на прегрята пара, влизаща в турбината, се намаляват до наситено състояние. Наситената пара влиза в кондензатора, а ротационната мощност се използва за завъртане на генератора, който произвежда ток. Почти всички парни турбини днес са от тип кондензатор.

Кондензаторите са устройства за преобразуване на пара във вода. Парата тече извън тръбите, а охлаждащата вода тече вътре в тръбите. Този дизайн се нарича повърхностен кондензатор. Скоростта на пренос на топлина зависи от потока на охлаждащата вода, повърхността на тръбите и температурната разлика между водната пара и охлаждащата вода. Процесът на смяна на водната пара протича при наситено налягане и температура, в този случай кондензаторът е под вакуум, тъй като температурата на охлаждащата вода е равна на външната температура, максималната температура на кондензатната вода е близо до външната температура.

Генераторът преобразува механичнияенергия в електричество. Генераторът се състои от статор и ротор. Статорът се състои от корпус, който съдържа бобините, а ротационната станция с магнитно поле се състои от сърцевина, която съдържа бобината.

Според вида на произведената енергия ТЕЦ се разделят на кондензационни IES, които произвеждат електричество и комбинирани топлоенергийни централи, които съвместно произвеждат топлина (пара и топла вода) и електричество. Последните имат способността да преобразуват топлинната енергия в електрическа енергия с висока ефективност.

Атомни електроцентрали

Атомните електроцентрали използват топлината, освободена по време на ядрено делене, за загряване на вода и производство на пара. Парата се използва за завъртане на големи турбини, които генерират електричество. При делене атомите се разделят, за да образуват по-малки атоми, освобождавайки енергия. Процесът се извършва вътре в реактора. В центъра му е ядро, съдържащо уран 235. Горивото за атомни електроцентрали се получава от уран, който съдържа изотопа 235U (0,7%) и неделящия се 238U (99,3%).

Ядреният горивен цикъл е поредица от промишлени стъпки, участващи в производството на електроенергия от уран в ядрени енергийни реактори. Уранът е сравнително разпространен елемент, който се среща в целия свят. Добива се в редица страни и се преработва, преди да се използва като гориво.

Дейностите, свързани с производството на електроенергия, се наричат общо ядрено-горивен цикъл за преобразуване на топлинна енергия в електрическа енергия в атомни електроцентрали. ядренГоривният цикъл започва с добив на уран и завършва с изхвърляне на ядрени отпадъци. Когато се преработва използвано гориво като опция за ядрена енергия, неговите стъпки образуват истински цикъл.

Уран-плутоний горивен цикъл

За приготвяне на гориво за използване в атомни електроцентрали се извършват процеси за извличане, преработка, преобразуване, обогатяване и производство на горивни елементи. Горивен цикъл:

1. Изгаряне на уран 235.
2. Slag - 235U и (239Pu, 241Pu) от 238U.
3. По време на разпадането на 235U консумацията му намалява и изотопи се получават от 238U при генериране на електричество.

Цената на горивните пръти за VVR е приблизително 20% от цената на произведената електроенергия.

След като уранът е прекарал около три години в реактор, използваното гориво може да премине през друг процес на използване, включително временно съхранение, преработка и рециклиране преди изхвърляне на отпадъци. Атомните електроцентрали осигуряват директно преобразуване на топлинната енергия в електрическа енергия. Топлината, отделена по време на ядреното делене в активната зона на реактора, се използва за превръщане на водата в пара, която върти лопатките на парна турбина, задвижвайки генератори за генериране на електричество.

Парата се охлажда чрез превръщане във вода в отделна структура в електроцентрала, наречена охладителна кула, която използва вода от езера, реки или океана, за да охлади чистата вода от веригата за парна енергия. След това охладената вода се използва повторно за производство на пара.

Делът на производството на електроенергия в атомните електроцентрали, по отношение наобщият баланс на производството на различните им видове ресурси, в контекста на някои страни и в света - на снимката по-долу.

Електроцентрала с газова турбина

Принципът на работа на газотурбинна електроцентрала е подобен на този на електроцентрала с парна турбина. Единствената разлика е, че електроцентрала с парна турбина използва компресирана пара за завъртане на турбината, докато електроцентрала с газова турбина използва газ.

Нека разгледаме принципа на преобразуване на топлинната енергия в електрическа енергия в електроцентрала с газова турбина.

В електроцентрала с газова турбина въздухът се компресира в компресор. След това този сгъстен въздух преминава през горивната камера, където се образува газовъздушната смес, температурата на сгъстения въздух се повишава. Тази смес с висока температура и високо налягане се прекарва през газова турбина. В турбината тя се разширява рязко, получавайки достатъчно кинетична енергия, за да завърти турбината.

В електроцентрала с газова турбина валът на турбината, алтернаторът и въздушният компресор са често срещани. Механичната енергия, генерирана в турбината, се използва частично за компресиране на въздуха. Газовите турбинни електроцентрали често се използват като резервен доставчик на спомагателна енергия за водноелектрически централи. Той генерира спомагателна мощност по време на пускането на водноелектрическата централа.

Предимства и недостатъци на газотурбинната електроцентрала

Дизайнгазотурбинната електроцентрала е много по-проста от електроцентрала с парна турбина. Размерът на електроцентрала с газова турбина е по-малък от този на електроцентрала с парна турбина. В газовата турбинна електроцентрала няма котелен компонент и следователно системата е по-малко сложна. Не се изисква пара, не се изисква кондензатор или охладителна кула.

Проектирането и изграждането на мощни газови турбинни електроцентрали е много по-лесно и по-евтино, капиталовите и оперативните разходи са много по-малко от цената на подобна електроцентрала с парна турбина.

Постоянните загуби в електроцентрала с газова турбина са значително по-малки в сравнение с електроцентрала с парна турбина, тъй като в парна турбина котелната електроцентрала трябва да работи непрекъснато, дори когато системата не доставя товар към мрежата. Газова турбинна електроцентрала може да бъде стартирана почти мигновено.

Недостатъци на електроцентрала с газова турбина:

1. Механичната енергия, генерирана в турбината, също се използва за задвижване на въздушния компресор.
2. Тъй като по-голямата част от механичната енергия, генерирана в турбината, се използва за задвижване на въздушния компресор, общата ефективност на електроцентрала с газова турбина не е толкова висока, колкото на еквивалентна електроцентрала с парна турбина.
3. Изгорелите газове в електроцентрала с газова турбина са много различни от котела.
4. Преди действителното стартиране на турбината, въздухът трябва да бъде предварително компресиран, което изисква допълнителен източник на енергия за стартиране на газовата турбина.
5. Температурата на газа е достатъчно висока загазотурбинна електроцентрала. Това води до по-кратък живот на системата от еквивалентна парна турбина.

Поради по-ниската си ефективност газотурбинната електроцентрала не може да се използва за търговско производство на електроенергия, обикновено се използва за доставка на спомагателна мощност на други конвенционални електроцентрали, като например водноелектрически централи.

Термионни преобразуватели

Те също се наричат термоелектронен генератор или термоелектричен двигател, които директно преобразуват топлината в електричество, използвайки топлинни емисии. Топлинната енергия може да бъде преобразувана в електрическа енергия с много висока ефективност чрез процес, предизвикан от температурата на електронен поток, известен като термионно излъчване.

Основният принцип на работа на термоелектронните преобразуватели на енергия е, че електроните се изпаряват от повърхността на нагрят катод във вакуум и след това кондензират върху по-студен анод. От първата практическа демонстрация през 1957 г. термоелектронните преобразуватели на енергия се използват с различни източници на топлина, но всички те изискват работа при високи температури - над 1500 K. Докато работата на термоелектронни преобразуватели на мощност при относително ниска температура (700 K - 900 K), ефективността на процеса, която обикновено е > 50%, е значително намалена, тъй като броят на излъчените електрони на единица площ от катода зависи от температурата на нагряване..

За конвенционални катодни материали като напрподобно на металите и полупроводниците, броят на излъчените електрони е пропорционален на квадрата на температурата на катода. Въпреки това, едно скорошно проучване показва, че топлинната температура може да бъде намалена с порядък чрез използване на графен като горещ катод. Получените данни показват, че катоден термионен преобразувател на базата на графен, работещ при 900 K, може да постигне ефективност от 45%.

На снимката е показана схематична диаграма на процеса на електронна термионна емисия.

TIC на базата на графен, където Tc и Ta са съответно температурата на катода и температурата на анода. Въз основа на новия механизъм на термионни емисии, изследователите предполагат, че катоден енергиен преобразувател на базата на графен може да намери своето приложение при рециклирането на промишлена отпадна топлина, която често достига температурния диапазон от 700 до 900 K.

Новият модел, представен от Liang и Eng, може да бъде от полза за дизайна на преобразувателя на мощност, базиран на графен. Силовите преобразуватели в твърдо състояние, които са предимно термоелектрически генератори, обикновено работят неефективно в ниския температурен диапазон (по-малко от 7% ефективност).

Термоелектрически генератори

Рециклирането на отпадъчна енергия се превърна в популярна цел за изследователи и учени, които измислят иновативни методи за постигане на тази цел. Една от най-обещаващите области са термоелектрическите устройства, базирани на нанотехнологии, коитоизглежда като нов подход за пестене на енергия. Директното преобразуване на топлина в електричество или електричество в топлина е известно като термоелектричество въз основа на ефекта на Пелтие. За да бъдем точни, ефектът е кръстен на двама физици - Жан Пелтие и Томас Зеебек.

Пелтие открива, че ток, изпратен към два различни електрически проводника, които са свързани в две кръстовища, ще доведе до нагряване на единия възел, докато другият възел се охлажда. Пелтие продължи изследванията си и установи, че една капка вода може да замръзне на бисмут-антимон (BiSb) кръстовище чрез просто промяна на тока. Пелтие също така открива, че електрически ток може да тече, когато температурната разлика е поставена през кръстовището на различни проводници.

Термоелектричеството е изключително интересен източник на електричество поради способността му да преобразува топлинния поток директно в електричество. Това е енергиен преобразувател, който е силно мащабируем и няма движещи се части или течно гориво, което го прави подходящ за почти всяка ситуация, при която много топлина обикновено се губи, от дрехи до големи промишлени съоръжения.

Наноструктурите, използвани в материали за полупроводникови термодвойки, ще помогнат за поддържането на добра електрическа проводимост и ще намалят топлопроводимостта. По този начин производителността на термоелектрическите устройства може да се увеличи чрез използването на материали, базирани на нанотехнологии, сизползвайки ефекта на Пелтие. Те имат подобрени термоелектрични свойства и добър капацитет за поглъщане на слънчева енергия.

Прилагане на термоелектричество:

1. Доставчици на енергия и сензори в диапазони.
2. Гаряща маслена лампа, която управлява безжичен приемник за отдалечена комуникация.
3. Прилагане на малки електронни устройства като MP3 плейъри, цифрови часовници, GPS/GSM чипове и импулсни измервателни уреди с телесна топлина.
4. Бързо охлаждащи седалки в луксозни автомобили.
5. Почистете отпадната топлина в превозните средства, като я преобразувате в електричество.
6. Преобразувайте отпадната топлина от фабрики или промишлени съоръжения в допълнителна мощност.
7. Слънчевите термоелектрици може да са по-ефективни от фотоволтаичните клетки за генериране на енергия, особено в райони с по-малко слънчева светлина.

MHD генератори на енергия

Магнитохидродинамичните генератори на енергия генерират електричество чрез взаимодействието на движеща се течност (обикновено йонизиран газ или плазма) и магнитно поле. От 1970 г. в няколко страни се провеждат изследователски програми за MHD с особен акцент върху използването на въглища като гориво.

Основният принцип на генерирането на MHD технология е елегантен. Обикновено електропроводимият газ се произвежда при високо налягане чрез изгаряне на изкопаеми горива. След това газът се насочва през магнитно поле, което води до електродвижеща сила, действаща вътре в него в съответствие със закона на индукциятаФарадей (кръстен на английския физик и химик от 19-ти век Майкъл Фарадей).

Системата MHD е топлинен двигател, който включва разширяване на газ от високо към ниско налягане по същия начин, както при конвенционален генератор на газова турбина. В системата MHD кинетичната енергия на газа се преобразува директно в електрическа енергия, тъй като се позволява да се разширява. Интересът към генерирането на MHD първоначално беше предизвикан от откритието, че взаимодействието на плазма с магнитно поле може да се случи при много по-високи температури, отколкото е възможно при въртяща се механична турбина.

Ограничаването на ефективността по отношение на ефективността на топлинните двигатели е поставено в началото на 19-ти век от френския инженер Сади Карно. Изходната мощност на MHD генератор за всеки кубичен метър от неговия обем е пропорционална на продукта на проводимостта на газа, квадрата на скоростта на газа и квадрата на силата на магнитното поле, през което газът преминава. За да могат MHD генераторите да работят конкурентно, с добра производителност и разумни физически размери, електрическата проводимост на плазмата трябва да бъде в температурния диапазон над 1800 K (около 1500 C или 2800 F).

Изборът на тип MHD генератор зависи от използваното гориво и приложението. Изобилието от запаси от въглища в много страни по света допринасят за развитието на MHD въглеродни системи за производство на електроенергия.