Omskakeling van termiese energie in elektriese energie met hoë doeltreffendheid: metodes en toerusting

2024 Outeur: Howard Calhoun | [email protected]. Laas verander: 2024-01-02 13:48

Hitte-energie neem 'n spesiale plek in menslike aktiwiteite in, aangesien dit in alle sektore van die ekonomie gebruik word, vergesel die meeste industriële prosesse en mense se lewensbestaan. In die meeste gevalle gaan afvalhitte onherroeplik en sonder enige ekonomiese voordeel verlore. Hierdie verlore hulpbron is niks meer werd nie, dus sal die hergebruik daarvan help om die energiekrisis te verminder en die omgewing te beskerm. Daarom is nuwe maniere om hitte in elektriese energie om te skakel en afvalhitte in elektrisiteit om te skakel vandag meer relevant as ooit.

Soorte elektrisiteitopwekking

Om natuurlike energiebronne in elektrisiteit, hitte of kinetiese energie te transformeer vereis maksimum doeltreffendheid, veral in gas- en steenkool-aangedrewe kragsentrales, om CO2-vrystellings te verminder_{2. Daar is verskeie maniere om te bekeertermiese energie in elektriese energie, afhangende van die tipes primêre energie.}

Onder die energiebronne word steenkool en aardgas gebruik om elektrisiteit op te wek deur verbranding (termiese energie), en uraan deur kernsplyting (kernenergie) om stoomkrag te gebruik om 'n stoomturbine te draai. Die top tien elektrisiteitproduserende lande vir 2017 word op die foto gewys.

Tabel van die doeltreffendheid van bestaande stelsels vir die omskakeling van termiese energie in elektriese energie.

	Opwekking van elektrisiteit uit termiese energie	Doeltreffendheid, %
1	Termiese kragsentrales, WKK-aanlegte	32
2	Kernkragsentrales, kernkragsentrales	80
3	Kondenserende kragsentrale, IES	40
4	Gasturbine-kragstasie, GTPP	60
5	Termioniese transducers, TEC's	40
6	Termo-elektriese kragopwekkers	7
7	MHD kragopwekkers saam met CHP	60

Kies 'n metode vir die omskakeling van termiese energie inelektries en die ekonomiese haalbaarheid daarvan hang af van die behoefte aan energie, die beskikbaarheid van natuurlike brandstof en die genoegsaamheid van die konstruksieterrein. Die tipe opwekking verskil regoor die wêreld, wat lei tot 'n wye reeks elektrisiteitspryse.

Probleme van tradisionele elektriese kragbedryf

Tegnologieë vir die omskakeling van termiese energie in elektriese energie, soos termiese kragsentrales, kernkragsentrales, IES, gasturbine kragsentrales, termiese kragsentrales, termiese kragopwekkers, MHD kragopwekkers het verskillende voordele en nadele. Die Electric Power Research Institute (EPRI) illustreer die voor- en nadele van natuurlike energieopwekkingstegnologieë, deur te kyk na kritieke faktore soos konstruksie en koste van elektrisiteit, grond, watervereistes, CO-emissies_{2, vermorsing, bekostigbaarheid en buigsaamheid.}

EPRI-resultate beklemtoon dat daar geen een-grootte-pas-almal-benadering is wanneer kragopwekkingstegnologieë oorweeg word nie, maar aardgas baat steeds meer omdat dit bekostigbaar is vir konstruksie, 'n lae koste van elektrisiteit het, minder emissies genereer as steenkool. Nie alle lande het egter toegang tot oorvloedige en goedkoop aardgas nie. In sommige gevalle word toegang tot aardgas bedreig weens geopolitieke spanning, soos die geval was in Oos-Europa en sommige Wes-Europese lande.

Hernubare energietegnologieë soos windturbines, sonkrag fotovoltaïese modules produseer emissie-elektrisiteit. Hulle is egter geneig om baie grond te benodig, en die resultate van hul doeltreffendheid is onstabiel en hang af van die weer. Steenkool, die hoofbron van hitte, is die mees problematies. Dit lei in CO-vrystellings_{2, vereis baie skoon water om die koelmiddel af te koel en beslaan 'n groot area vir die bou van die stasie.}

Nuwe tegnologieë het ten doel om 'n aantal probleme wat met kragopwekkingstegnologieë verband hou, te verminder. Gasturbines gekombineer met 'n rugsteunbattery bied byvoorbeeld gebeurlikheidsrugsteun sonder om brandstof te verbrand, en intermitterende hernubare hulpbronprobleme kan versag word deur bekostigbare grootskaalse energieberging te skep. Daar is dus vandag nie een perfekte manier om termiese energie in elektrisiteit om te skakel nie, wat betroubare en kostedoeltreffende elektrisiteit met minimale omgewingsimpak kan verskaf.

Termiese kragsentrales

By 'n termiese kragsentrale draai 'n turbine wat aan 'n kragopwekker gekoppel is, 'n hoëdruk- en hoëtemperatuurstoom, verkry uit die verhitting van water deur vaste brandstof (hoofsaaklik steenkool) te verbrand. Dit skakel dus sy kinetiese energie om in elektriese energie. Bedryfskomponente van termiese kragsentrale:

1. Ketel met gasoond.
2. stoomturbine.
3. Generator.
4. Kapasitor.
5. Koeltorings.
6. Sirkulerende waterpomp.
7. Voerpompwater in die ketel.
8. Geforseerde uitlaatwaaiers.
9. Separators.

Tipiese diagram van 'n termiese kragsentrale word hieronder getoon.

Die stoomketel word gebruik om water in stoom om te skakel. Hierdie proses word uitgevoer deur water in pype te verhit met verhitting van brandstofverbranding. Verbrandingsprosesse word deurlopend in die brandstofverbrandingskamer uitgevoer met lugtoevoer van buite.

Die stoomturbine dra stoomenergie oor om 'n kragopwekker aan te dryf. Stoom met hoë druk en temperatuur druk die turbinelemme wat op die as gemonteer is, sodat dit begin draai. In hierdie geval word die parameters van oorverhitte stoom wat die turbine binnedring tot 'n versadigde toestand verminder. Die versadigde stoom kom die kondensor binne, en die draaikrag word gebruik om die kragopwekker te draai, wat stroom produseer. Byna alle stoomturbines vandag is van die kondensor tipe.

Kondensators is toestelle om stoom in water om te skakel. Die stoom vloei buite die pype en die koelwater vloei binne die pype. Hierdie ontwerp word 'n oppervlakkapasitor genoem. Die tempo van hitte-oordrag hang af van die vloei van die verkoelingswater, die oppervlakte van die pype en die temperatuurverskil tussen die waterdamp en die verkoelingswater. Die waterdampveranderingsproses vind plaas onder versadigde druk en temperatuur, in hierdie geval is die kondensor onder vakuum, want die temperatuur van die verkoelingswater is gelyk aan die buitetemperatuur, die maksimum temperatuur van die kondensaatwater is naby die buitetemperatuur.

Die kragopwekker skakel die meganiese omenergie in elektrisiteit. Die kragopwekker bestaan uit 'n stator en 'n rotor. Die stator bestaan uit 'n behuising wat die spoele bevat, en die magneetveld-draaistasie bestaan uit 'n kern wat die spoel bevat.

Volgens die tipe energie wat geproduseer word, word TPP'e verdeel in kondenserende IES'e, wat elektrisiteit produseer en gekombineerde hitte- en kragsentrales, wat gesamentlik hitte (stoom en warm water) en elektrisiteit produseer. Laasgenoemde het die vermoë om termiese energie met hoë doeltreffendheid in elektriese energie om te skakel.

Kernkragsentrales

Kernkragsentrales gebruik die hitte wat tydens kernsplyting vrygestel word om water te verhit en stoom te produseer. Die stoom word gebruik om groot turbines te draai wat elektrisiteit opwek. In splitsing verdeel atome om kleiner atome te vorm, wat energie vrystel. Die proses vind binne die reaktor plaas. In die middel daarvan is 'n kern wat uraan 235 bevat. Brandstof vir kernkragsentrales word verkry uit uraan, wat die isotoop 235U (0.7%) en nie-splytbare 238U (99.3%) bevat.

Die kernbrandstofsiklus is 'n reeks industriële stappe wat betrokke is by die vervaardiging van elektrisiteit uit uraan in kernkragreaktore. Uraan is 'n relatief algemene element wat oor die hele wêreld voorkom. Dit word in 'n aantal lande ontgin en verwerk voordat dit as brandstof gebruik word.

Aktiwiteite wat verband hou met die produksie van elektrisiteit word gesamentlik na verwys as die kernbrandstofsiklus vir die omskakeling van termiese energie in elektriese energie by kernkragsentrales. KernkragDie brandstofsiklus begin met uraanontginning en eindig met die verwydering van kernafval. Wanneer gebruikte brandstof as 'n opsie vir kernkrag herverwerk word, vorm die stappe daarvan 'n ware siklus.

Uranium-Plutonium Brandstofsiklus

Om brandstof voor te berei vir gebruik by kernkragsentrales, word prosesse uitgevoer vir die onttrekking, verwerking, omskakeling, verryking en produksie van brandstofelemente. Brandstofsiklus:

1. Uranium 235-uitbranding.
2. Slag - 235U en (239Pu, 241Pu) vanaf 238U.
3. Gedurende die verval van 235U neem die verbruik af, en isotope word verkry vanaf 238U wanneer elektrisiteit opgewek word.

Die koste van brandstofstawe vir VVR is ongeveer 20% van die koste van elektrisiteit wat opgewek word.

Nadat die uraan sowat drie jaar in 'n reaktor deurgebring het, kan die brandstof wat gebruik word deur 'n ander gebruiksproses gaan, insluitend tydelike berging, herverwerking en herwinning voor afval wegdoen. Kernkragsentrales verskaf direkte omskakeling van termiese energie in elektriese energie. Die hitte wat tydens kernsplyting in die reaktorkern vrygestel word, word gebruik om water in stoom te verander, wat die lemme van 'n stoomturbine laat draai en kragopwekkers aandryf om elektrisiteit op te wek.

Die stoom word afgekoel deur in 'n aparte struktuur in 'n kragsentrale wat 'n koeltoring genoem word, in water te verander, wat water uit damme, riviere of die see gebruik om die skoon water van die stoomkragkring af te koel. Die verkoelde water word dan hergebruik om stoom te produseer.

Die aandeel van elektrisiteitsopwekking by kernkragsentrales, t.o.vdie algehele balans van die produksie van hul verskillende soorte hulpbronne, in die konteks van sommige lande en in die wêreld - in die foto hieronder.

Gasturbinekragaanleg

Die beginsel van werking van 'n gasturbine-kragstasie is soortgelyk aan dié van 'n stoomturbine-kragsentrale. Die enigste verskil is dat 'n stoomturbine kragstasie saamgeperste stoom gebruik om die turbine te draai, terwyl 'n gasturbine kragsentrale gas gebruik.

Kom ons kyk na die beginsel van die omskakeling van termiese energie in elektriese energie in 'n gasturbine-kragstasie.

In 'n gasturbine-kragstasie word lug in 'n kompressor saamgepers. Dan gaan hierdie saamgeperste lug deur die verbrandingskamer, waar die gas-lugmengsel gevorm word, die temperatuur van die saamgeperste lug styg. Hierdie hoë temperatuur, hoë druk mengsel word deur 'n gasturbine gevoer. In die turbine brei dit skerp uit en ontvang genoeg kinetiese energie om die turbine te laat draai.

In 'n gasturbine-kragstasie is die turbine-as, alternator en lugkompressor algemeen. Die meganiese energie wat in die turbine opgewek word, word deels gebruik om die lug saam te pers. Gasturbine kragsentrales word dikwels gebruik as 'n back-up hulp energie verskaffer aan hidro-elektriese krag aanlegte. Dit genereer hulpkrag tydens die opstart van die hidro-elektriese aanleg.

Voor- en nadele van gasturbine-kragstasie

Ontwerpgasturbine kragstasie is baie eenvoudiger as 'n stoomturbine kragsentrale. Die grootte van 'n gasturbinekragsentrale is kleiner as dié van 'n stoomturbinekragsentrale. Daar is geen ketelkomponent in 'n gasturbinekragsentrale nie en dus is die stelsel minder kompleks. Geen stoom, geen kondensor of koeltoring nodig nie.

Ontwerp en konstruksie van kragtige gasturbine-kragsentrales is baie makliker en goedkoper, kapitaal- en bedryfskoste is baie minder as die koste van 'n soortgelyke stoomturbine-kragsentrale.

Die permanente verliese in 'n gasturbinekragaanleg is aansienlik minder in vergelyking met 'n stoomturbinekragaanleg, aangesien in 'n stoomturbine die ketelkragaanleg voortdurend moet werk, selfs wanneer die stelsel nie 'n las aan die netwerk verskaf nie. 'n Gasturbine-kragstasie kan byna onmiddellik begin word.

Nadele van 'n gasturbine-kragstasie:

1. Die meganiese energie wat in die turbine opgewek word, word ook gebruik om die lugkompressor aan te dryf.
2. Omdat die meeste van die meganiese energie wat in die turbine gegenereer word, gebruik word om die lugkompressor aan te dryf, is die algehele doeltreffendheid van 'n gasturbinekragaanleg nie so hoog soos 'n ekwivalente stoomturbinekragaanleg nie.
3. Uitgasse in 'n gasturbinekragstasie verskil baie van 'n ketel.
4. Voor die werklike aanvang van die turbine, moet die lug vooraf saamgepers word, wat 'n bykomende kragbron vereis om die gasturbine-kragsentrale te begin.
5. Die gastemperatuur is hoog genoeg virgasturbine kragstasie. Dit lei tot 'n korter stelsellewe as 'n ekwivalente stoomturbine.

Weens sy laer doeltreffendheid kan die gasturbinekragsentrale nie vir kommersiële kragopwekking gebruik word nie, dit word gewoonlik gebruik om hulpkrag aan ander konvensionele kragsentrales soos hidro-elektriese kragsentrales te verskaf.

Termioniese omsetters

Hulle word ook termioniese kragopwekker of termo-elektriese motor genoem, wat hitte direk in elektrisiteit omskakel deur termiese emissie te gebruik. Termiese energie kan met baie hoë doeltreffendheid in elektriese energie omgeskakel word deur 'n temperatuurgeïnduseerde elektronvloeiproses bekend as termioniese straling.

Die basiese beginsel van werking van termioniese energie-omsetters is dat elektrone van die oppervlak van 'n verhitte katode in 'n vakuum verdamp en dan op 'n kouer anode kondenseer. Sedert die eerste praktiese demonstrasie in 1957, is termioniese kragomsetters gebruik met 'n verskeidenheid hittebronne, maar almal van hulle vereis werking by hoë temperature - bo 1500 K. Terwyl die werking van termioniese kragomsetters by 'n relatief lae temperatuur (700 K - 900 K) moontlik is, word die doeltreffendheid van die proses, wat tipies > 50% is, aansienlik verminder omdat die aantal uitgestraalde elektrone per eenheidsoppervlakte vanaf die katode afhang van die verhittingstemperatuur.

Vir konvensionele katodemateriale soossoos metale en halfgeleiers, is die aantal elektrone wat vrygestel word eweredig aan die kwadraat van die katodetemperatuur. 'n Onlangse studie toon egter dat die hittetemperatuur met 'n orde van grootte verminder kan word deur grafeen as 'n warm katode te gebruik. Die data wat verkry is toon dat 'n grafeen-gebaseerde katode termioniese omsetter wat by 900 K werk, 'n doeltreffendheid van 45% kan bereik.

Skematiese diagram van die proses van elektron termioniese emissie word in die foto getoon.

TIC gebaseer op grafeen, waar Tc en Ta onderskeidelik die temperatuur van die katode en die temperatuur van die anode is. Gebaseer op die nuwe meganisme van termioniese emissie, stel die navorsers voor dat die grafeen-gebaseerde katode-energie-omskakelaar sy toepassing kan vind in die herwinning van industriële afvalhitte, wat dikwels die temperatuurreeks van 700 tot 900 K bereik.

Die nuwe model wat deur Liang en Eng aangebied word, kan die grafeen-gebaseerde kragomsetterontwerp bevoordeel. Vastetoestandkragomsetters, wat hoofsaaklik termo-elektriese kragopwekkers is, werk gewoonlik ondoeltreffend in die lae temperatuurreeks (minder as 7% doeltreffendheid).

Termo-elektriese kragopwekkers

Herwinning van afvalenergie het 'n gewilde teiken geword vir navorsers en wetenskaplikes wat met innoverende metodes vorendag kom om hierdie doelwit te bereik. Een van die mees belowende gebiede is termo-elektriese toestelle gebaseer op nanotegnologie, watlyk soos 'n nuwe benadering om energie te bespaar. Die direkte omskakeling van hitte in elektrisiteit of elektrisiteit in hitte staan bekend as termo-elektrisiteit gebaseer op die Peltier-effek. Om presies te wees, is die effek vernoem na twee fisici - Jean Peltier en Thomas Seebeck.

Peltier het ontdek dat 'n stroom wat na twee verskillende elektriese geleiers gestuur word wat by twee aansluitings verbind is, een aansluiting sal laat verhit terwyl die ander aansluiting afkoel. Peltier het sy navorsing voortgesit en gevind dat 'n druppel water by 'n bismut-antimoon-aansluiting (BiSb) kon vries deur bloot die stroom te verander. Peltier het ook ontdek dat 'n elektriese stroom kan vloei wanneer 'n temperatuurverskil oor die aansluiting van verskillende geleiers geplaas word.

Termo-elektrisiteit is 'n uiters interessante bron van elektrisiteit vanweë die vermoë daarvan om hittevloei direk in elektrisiteit om te skakel. Dit is 'n energie-omsetter wat hoogs skaalbaar is en geen bewegende onderdele of vloeibare brandstof het nie, wat dit geskik maak vir byna enige situasie waar baie hitte geneig is om te mors, van klere tot groot industriële fasiliteite.

Nanostrukture wat in halfgeleiertermokoppelmateriale gebruik word, sal help om goeie elektriese geleidingsvermoë te handhaaf en termiese geleidingsvermoë te verminder. Die werkverrigting van termo-elektriese toestelle kan dus verhoog word deur die gebruik van materiale gebaseer op nanotegnologie, metgebruik die Peltier-effek. Hulle het verbeterde termo-elektriese eienskappe en goeie absorpsievermoë van sonenergie.

Toepassing van termo-elektrisiteit:

1. Energieverskaffers en sensors in reekse.
2. 'n Brandende olielamp wat 'n draadlose ontvanger vir afstandkommunikasie beheer.
3. Die toepassing van klein elektroniese toestelle soos MP3-spelers, digitale horlosies, GPS/GSM-skyfies en impulsmeters met liggaamshitte.
4. Vinnig verkoelende sitplekke in luukse motors.
5. Maak afvalhitte in voertuie skoon deur dit in elektrisiteit om te skakel.
6. Verander afvalhitte van fabrieke of industriële fasiliteite in bykomende krag.
7. Termo-elektriese sonkrag kan meer doeltreffend wees as fotovoltaïese selle vir kragopwekking, veral in gebiede met minder sonlig.

MHD-kragopwekkers

Magnetohidrodinamiese kragopwekkers genereer elektrisiteit deur die interaksie van 'n bewegende vloeistof (gewoonlik 'n geïoniseerde gas of plasma) en 'n magnetiese veld. Sedert 1970 is MHD-navorsingsprogramme in verskeie lande uitgevoer met 'n besondere fokus op die gebruik van steenkool as brandstof.

Die onderliggende beginsel van MHD-tegnologie-generering is elegant. Tipies word die elektries geleidende gas teen hoë druk geproduseer deur fossielbrandstowwe te verbrand. Die gas word dan deur 'n magnetiese veld gerig, wat daartoe lei dat 'n elektromotoriese krag daarin inwerk ooreenkomstig die wet van induksieFaraday (vernoem na die 19de eeuse Engelse fisikus en chemikus Michael Faraday).

Die MHD-stelsel is 'n hitte-enjin wat die uitbreiding van gas van hoë na lae druk insluit op dieselfde manier as in 'n konvensionele gasturbine-opwekker. In die MHD-stelsel word die kinetiese energie van die gas direk in elektriese energie omgeskakel, aangesien dit toegelaat word om uit te brei. Die belangstelling in die opwekking van MHD is aanvanklik aangewakker deur die ontdekking dat die interaksie van 'n plasma met 'n magneetveld by baie hoër temperature kan plaasvind as wat moontlik is in 'n roterende meganiese turbine.

Die beperkende werkverrigting in terme van doeltreffendheid in hitte-enjins is aan die begin van die 19de eeu deur die Franse ingenieur Sadi Carnot bepaal. Die uitsetkrag van 'n MHD-generator vir elke kubieke meter van sy volume is eweredig aan die gasgeleidingsproduk, die kwadraat van die gassnelheid en die kwadraat van die sterkte van die magnetiese veld waardeur die gas beweeg. Om MHD-opwekkers mededingend te laat werk, met goeie werkverrigting en redelike fisiese afmetings, moet die elektriese geleidingsvermoë van die plasma in die temperatuurreeks bo 1800 K (ongeveer 1500 C of 2800 F) wees.

Die keuse van tipe MHD-kragopwekker hang af van die brandstof wat gebruik word en die toepassing. Die oorvloed steenkoolreserwes in baie lande van die wêreld dra by tot die ontwikkeling van MHD-koolstofstelsels vir elektrisiteitsopwekking.