Conversion ng thermal energy sa electrical energy na may mataas na kahusayan: mga pamamaraan at kagamitan

2024 May -akda: Howard Calhoun | [email protected]. Huling binago: 2024-01-02 14:03

Ang enerhiya ng init ay sumasakop sa isang espesyal na lugar sa aktibidad ng tao, dahil ginagamit ito sa lahat ng sektor ng ekonomiya, kasama ang karamihan sa mga prosesong pang-industriya at kabuhayan ng mga tao. Sa karamihan ng mga kaso, ang init ng basura ay nawawala nang hindi mababawi at walang anumang pakinabang sa ekonomiya. Ang nawalang mapagkukunang ito ay wala nang halaga, kaya ang muling paggamit nito ay makatutulong kapwa na mabawasan ang krisis sa enerhiya at maprotektahan ang kapaligiran. Samakatuwid, ang mga bagong paraan ng pag-convert ng init sa elektrikal na enerhiya at pag-convert ng basurang init sa kuryente ay mas nauugnay ngayon kaysa dati.

Mga uri ng pagbuo ng kuryente

Ang pagpapalit ng mga likas na pinagmumulan ng enerhiya sa kuryente, init o kinetic energy ay nangangailangan ng pinakamataas na kahusayan, lalo na sa gas at coal-fired power plants, upang mabawasan ang CO2 emissions_{2. Mayroong iba't ibang mga paraan upang mag-convertthermal energy sa electrical energy, depende sa mga uri ng pangunahing enerhiya.}

Kabilang sa mga mapagkukunan ng enerhiya, ang coal at natural gas ay ginagamit upang makabuo ng kuryente sa pamamagitan ng combustion (thermal energy), at uranium sa pamamagitan ng nuclear fission (nuclear energy) upang gamitin ang steam power upang paandarin ang steam turbine. Ang nangungunang sampung bansang gumagawa ng kuryente para sa 2017 ay ipinapakita sa larawan.

Talahanayan ng kahusayan ng mga kasalukuyang system para sa pag-convert ng thermal energy sa electrical energy.

	Pagbuo ng kuryente mula sa thermal energy	Efficiency, %
1	Thermal power plants, CHP plants	32
2	Nuclear plants, nuclear power plants	80
3	Condensing Power Plant, IES	40
4	Gas turbine power plant, GTPP	60
5	Thermionic transducers, TECs	40
6	Thermoelectric generators	7
7	MHD power generator kasama ng CHP	60

Pagpili ng paraan para sa pag-convert ng thermal energy saelektrikal at ang pagiging posible sa ekonomiya nito ay nakasalalay sa pangangailangan para sa enerhiya, ang pagkakaroon ng natural na gasolina at ang kasapatan ng lugar ng pagtatayo. Nag-iiba-iba ang uri ng henerasyon sa buong mundo, na nagreresulta sa malawak na hanay ng mga presyo ng kuryente.

Mga problema ng tradisyonal na industriya ng kuryente

Mga teknolohiya para sa pag-convert ng thermal energy sa electrical energy, gaya ng thermal power plants, nuclear power plants, IES, gas turbine power plants, thermal power plants, thermoelectric generator, MHD generators ay may iba't ibang pakinabang at disadvantages. Ang Electric Power Research Institute (EPRI) ay naglalarawan ng mga kalamangan at kahinaan ng mga natural na teknolohiya ng pagbuo ng enerhiya, na tumitingin sa mga kritikal na salik gaya ng konstruksyon at mga gastos sa kuryente, lupa, tubig na kinakailangan, CO emissions_{2, basura, affordability at flexibility.}

Binibigyang-diin ng mga resulta ng EPRI na walang one-size-fits-all na diskarte kapag isinasaalang-alang ang mga teknolohiya sa pagbuo ng kuryente, ngunit mas nakikinabang pa rin ang natural na gas dahil ito ay abot-kaya para sa konstruksyon, may mababang halaga ng kuryente, gumagawa ng mas kaunting emisyon kaysa sa uling. Gayunpaman, hindi lahat ng bansa ay may access sa sagana at murang natural gas. Sa ilang mga kaso, ang pag-access sa natural na gas ay nasa ilalim ng banta dahil sa mga geopolitical na tensyon, gaya ng nangyari sa Silangang Europa at ilang bansa sa Kanlurang Europa.

Mga teknolohiyang nababagong enerhiya gaya ng hanginturbines, solar photovoltaic modules gumagawa ng emission electricity. Gayunpaman, malamang na nangangailangan sila ng maraming lupa, at ang mga resulta ng kanilang pagiging epektibo ay hindi matatag at nakadepende sa lagay ng panahon. Ang karbon, ang pangunahing pinagmumulan ng init, ang pinakaproblema. Nangunguna ito sa mga paglabas ng CO_{2, nangangailangan ng maraming malinis na tubig upang palamig ang coolant at sumasakop sa isang malaking lugar para sa pagtatayo ng istasyon.}

Layunin ng mga bagong teknolohiya na bawasan ang ilang problemang nauugnay sa mga teknolohiya ng power generation. Halimbawa, ang mga gas turbin na sinamahan ng isang backup na baterya ay nagbibigay ng contingency backup nang hindi nasusunog ang gasolina, at ang pasulput-sulpot na renewable na mga problema sa mapagkukunan ay maaaring pagaanin sa pamamagitan ng paglikha ng abot-kayang malakihang imbakan ng enerhiya. Kaya, ngayon ay walang perpektong paraan upang i-convert ang thermal energy sa kuryente, na maaaring magbigay ng maaasahan at cost-effective na kuryente na may kaunting epekto sa kapaligiran.

Thermal power plants

Sa isang thermal power plant, ang high-pressure at high-temperature na singaw, na nakuha mula sa pagpainit ng tubig sa pamamagitan ng pagsunog ng solid fuel (pangunahin ang coal), ay nagpapaikot ng turbine na konektado sa isang generator. Kaya, pinapalitan nito ang kinetic energy nito sa electrical energy. Mga gumaganang bahagi ng thermal power plant:

1. Boiler na may gas furnace.
2. Steam turbine.
3. Generator.
4. Capacitor.
5. Mga cooling tower.
6. Circulating water pump.
7. Feed pumptubig sa boiler.
8. Sapilitang tagahanga ng tambutso.
9. Mga Separator.

Ang karaniwang diagram ng isang thermal power plant ay ipinapakita sa ibaba.

Ang steam boiler ay ginagamit upang gawing singaw ang tubig. Ang prosesong ito ay isinasagawa sa pamamagitan ng pagpainit ng tubig sa mga tubo na may pag-init mula sa pagkasunog ng gasolina. Ang mga proseso ng combustion ay patuloy na isinasagawa sa fuel combustion chamber na may air supply mula sa labas.

Ang steam turbine ay naglilipat ng steam energy para magmaneho ng generator. Ang singaw na may mataas na presyon at temperatura ay nagtutulak sa mga blades ng turbine na naka-mount sa baras upang ito ay magsimulang umikot. Sa kasong ito, ang mga parameter ng superheated steam na pumapasok sa turbine ay nabawasan sa isang puspos na estado. Ang saturated steam ay pumapasok sa condenser, at ang rotary power ay ginagamit upang paikutin ang generator, na gumagawa ng kasalukuyang. Halos lahat ng steam turbine ngayon ay nasa uri ng condenser.

Ang Condensers ay mga device para gawing tubig ang singaw. Ang singaw ay dumadaloy sa labas ng mga tubo at ang nagpapalamig na tubig ay dumadaloy sa loob ng mga tubo. Ang disenyo na ito ay tinatawag na surface capacitor. Ang bilis ng paglipat ng init ay nakasalalay sa daloy ng tubig na nagpapalamig, ang lugar sa ibabaw ng mga tubo at ang pagkakaiba sa temperatura sa pagitan ng singaw ng tubig at ng tubig na nagpapalamig. Ang proseso ng pagbabago ng singaw ng tubig ay nangyayari sa ilalim ng puspos na presyon at temperatura, sa kasong ito ang condenser ay nasa ilalim ng vacuum, dahil ang temperatura ng cooling na tubig ay katumbas ng temperatura sa labas, ang pinakamataas na temperatura ng condensate na tubig ay malapit sa temperatura sa labas.

Kino-convert ng generator ang mekanikalenerhiya sa kuryente. Ang generator ay binubuo ng isang stator at isang rotor. Ang stator ay binubuo ng isang housing na naglalaman ng mga coil, at ang magnetic field rotary station ay binubuo ng isang core na naglalaman ng coil.

Ayon sa uri ng enerhiya na ginawa, ang mga TPP ay nahahati sa mga condensing IES, na gumagawa ng kuryente at pinagsamang init at mga planta ng kuryente, na magkatuwang na gumagawa ng init (steam at mainit na tubig) at kuryente. Ang huli ay may kakayahang i-convert ang thermal energy sa electrical energy na may mataas na kahusayan.

Nuclear power plants

Nuclear power plants ay gumagamit ng init na inilabas sa panahon ng nuclear fission upang magpainit ng tubig at makagawa ng singaw. Ang singaw ay ginagamit upang paikutin ang malalaking turbine na gumagawa ng kuryente. Sa fission, nahati ang mga atom upang bumuo ng mas maliliit na atomo, na naglalabas ng enerhiya. Ang proseso ay nagaganap sa loob ng reaktor. Sa gitna nito ay isang core na naglalaman ng uranium 235. Ang gasolina para sa mga nuclear power plant ay nakuha mula sa uranium, na naglalaman ng isotope 235U (0.7%) at non-fissile 238U (99.3%).

Ang nuclear fuel cycle ay isang serye ng mga pang-industriyang hakbang na kasangkot sa paggawa ng kuryente mula sa uranium sa mga nuclear power reactor. Ang uranium ay isang medyo karaniwang elemento na matatagpuan sa buong mundo. Ito ay minahan sa ilang bansa at pinoproseso bago gamitin bilang panggatong.

Ang mga aktibidad na nauugnay sa produksyon ng kuryente ay sama-samang tinutukoy bilang ang nuclear fuel cycle para sa conversion ng thermal energy sa electrical energy sa mga nuclear power plant. NuklearAng ikot ng gasolina ay nagsisimula sa pagmimina ng uranium at nagtatapos sa pagtatapon ng basurang nukleyar. Kapag nire-reprocess ang ginamit na gasolina bilang opsyon para sa nuclear power, ang mga hakbang nito ay bumubuo ng isang tunay na cycle.

Uranium-Plutonium Fuel Cycle

Upang maghanda ng gasolina para magamit sa mga nuclear power plant, ang mga proseso ay isinasagawa para sa pagkuha, pagproseso, conversion, pagpapayaman at paggawa ng mga elemento ng gasolina. Ikot ng gasolina:

1. Uranium 235 burnup.
2. Slag - 235U at (239Pu, 241Pu) mula sa 238U.
3. Sa panahon ng pagkabulok ng 235U, bumababa ang pagkonsumo nito, at ang mga isotopes ay nakukuha mula sa 238U kapag gumagawa ng kuryente.

Ang halaga ng mga fuel rod para sa VVR ay humigit-kumulang 20% ng halaga ng kuryenteng nabuo.

Matapos ang uranium ay gumugol ng humigit-kumulang tatlong taon sa isang reactor, ang gasolina na ginamit ay maaaring dumaan sa isa pang proseso ng paggamit, kabilang ang pansamantalang pag-iimbak, muling pagproseso at pag-recycle bago ang pagtatapon ng basura. Ang mga nuclear power plant ay nagbibigay ng direktang conversion ng thermal energy sa electrical energy. Ang init na inilabas sa panahon ng nuclear fission sa reactor core ay ginagamit upang gawing singaw ang tubig, na nagpapaikot sa mga blades ng steam turbine, na nagtutulak sa mga generator upang makabuo ng kuryente.

Ang singaw ay pinalamig sa pamamagitan ng pagiging tubig sa isang hiwalay na istraktura sa isang planta ng kuryente na tinatawag na cooling tower, na gumagamit ng tubig mula sa mga pond, ilog o karagatan upang palamig ang malinis na tubig ng steam power circuit. Ang pinalamig na tubig ay muling gagamitin upang makagawa ng singaw.

Ang bahagi ng pagbuo ng kuryente sa mga nuclear power plant, kaugnay ngang kabuuang balanse ng produksyon ng kanilang iba't ibang uri ng mga mapagkukunan, sa konteksto ng ilang bansa at sa mundo - sa larawan sa ibaba.

Gas Turbine Power Plant

Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang planta ng kuryente ng gas turbine ay katulad ng sa isang planta ng kuryente ng steam turbine. Ang kaibahan lang ay ang isang steam turbine power plant ay gumagamit ng compressed steam para paikutin ang turbine, habang ang isang gas turbine power plant ay gumagamit ng gas.

Isaalang-alang natin ang prinsipyo ng pag-convert ng thermal energy sa electrical energy sa isang planta ng kuryente ng gas turbine.

Sa isang planta ng kuryente ng gas turbine, ang hangin ay na-compress sa isang compressor. Pagkatapos ang naka-compress na hangin na ito ay dumadaan sa silid ng pagkasunog, kung saan nabuo ang halo ng gas-air, ang temperatura ng naka-compress na hangin ay tumataas. Ang mataas na temperatura, mataas na presyon na pinaghalong ito ay ipinapasa sa isang gas turbine. Sa turbine, lumalawak ito nang husto, nakakatanggap ng sapat na kinetic energy para paikutin ang turbine.

Sa isang planta ng kuryente ng gas turbine, karaniwan ang turbine shaft, alternator at air compressor. Ang mekanikal na enerhiya na nabuo sa turbine ay bahagyang ginagamit upang i-compress ang hangin. Ang mga planta ng kuryente ng gas turbine ay kadalasang ginagamit bilang isang back-up na pantulong na tagapagtustos ng enerhiya sa mga hydroelectric power plant. Gumagawa ito ng auxiliary power sa panahon ng pagsisimula ng hydroelectric plant.

Mga kalamangan at disadvantage ng gas turbine power plant

DisenyoAng planta ng kuryente ng gas turbine ay mas simple kaysa sa planta ng kuryente ng steam turbine. Ang laki ng isang planta ng kuryente ng gas turbine ay mas maliit kaysa sa isang planta ng kuryente ng steam turbine. Walang bahagi ng boiler sa isang planta ng kuryente ng gas turbine at samakatuwid ang sistema ay hindi gaanong kumplikado. Walang singaw, walang condenser o cooling tower na kailangan.

Ang disenyo at pagtatayo ng makapangyarihang mga planta ng kuryente ng gas turbine ay mas madali at mas mura, ang mga gastos sa kapital at pagpapatakbo ay mas mababa kaysa sa halaga ng isang katulad na planta ng kuryente ng steam turbine.

Ang mga permanenteng pagkalugi sa isang planta ng kuryente ng gas turbine ay makabuluhang mas mababa kumpara sa isang planta ng kuryente ng steam turbine, dahil sa isang steam turbine ang planta ng kuryente ng boiler ay dapat na patuloy na gumana, kahit na ang sistema ay hindi nagsu-supply ng load sa network. Ang isang planta ng kuryente ng gas turbine ay maaaring simulan halos kaagad.

Mga disadvantage ng isang planta ng kuryente ng gas turbine:

1. Ang mekanikal na enerhiya na nabuo sa turbine ay ginagamit din upang i-drive ang air compressor.
2. Dahil karamihan sa mekanikal na enerhiya na nabuo sa turbine ay ginagamit upang i-drive ang air compressor, ang pangkalahatang kahusayan ng isang planta ng kuryente ng gas turbine ay hindi kasing taas ng isang katumbas na planta ng kuryente ng steam turbine.
3. Ang mga exhaust gas sa isang gas turbine power plant ay ibang-iba sa boiler.
4. Bago ang aktwal na pagsisimula ng turbine, dapat na pre-compress ang hangin, na nangangailangan ng karagdagang power source para simulan ang gas turbine power plant.
5. Ang temperatura ng gas ay sapat na mataas para saplanta ng kuryente ng gas turbine. Nagreresulta ito sa mas maikling buhay ng system kaysa sa katumbas na steam turbine.

Dahil sa mas mababang kahusayan nito, ang gas turbine power plant ay hindi maaaring gamitin para sa komersyal na pagbuo ng kuryente, kadalasan itong ginagamit upang magbigay ng auxiliary power sa iba pang conventional power plants gaya ng hydroelectric power plants.

Thermionic converter

Tinatawag din silang thermionic generator o thermoelectric motor, na direktang nagko-convert ng init sa kuryente gamit ang thermal emission. Ang thermal energy ay maaaring ma-convert sa electrical energy sa napakataas na kahusayan sa pamamagitan ng temperature-induced electron flow process na kilala bilang thermionic radiation.

Ang pangunahing prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga thermionic energy converter ay ang mga electron ay sumingaw mula sa ibabaw ng isang heated cathode sa isang vacuum at pagkatapos ay mag-condense sa isang mas malamig na anode. Mula noong unang praktikal na demonstrasyon noong 1957, ang mga thermionic power converter ay ginamit sa iba't ibang pinagmumulan ng init, ngunit lahat ng mga ito ay nangangailangan ng operasyon sa mataas na temperatura - sa itaas ng 1500 K. Habang ang pagpapatakbo ng mga thermionic power converter sa medyo mababang temperatura (700 K - 900 K) ay posible, ang kahusayan ng proseso, na karaniwang > 50%, ay makabuluhang nabawasan dahil ang bilang ng mga ibinubuga na electron sa bawat unit area mula sa cathode ay nakasalalay sa temperatura ng pag-init.

Para sa mga conventional cathode materials gaya ngtulad ng mga metal at semiconductors, ang bilang ng mga electron na ibinubuga ay proporsyonal sa parisukat ng temperatura ng cathode. Gayunpaman, ipinakita ng isang kamakailang pag-aaral na ang temperatura ng init ay maaaring bawasan ng isang order ng magnitude sa pamamagitan ng paggamit ng graphene bilang isang mainit na katod. Ang data na nakuha ay nagpapakita na ang isang graphene-based cathode thermionic converter na tumatakbo sa 900 K ay makakamit ang kahusayan na 45%.

Schematic diagram ng proseso ng electron thermionic emission ay ipinapakita sa larawan.

TIC batay sa graphene, kung saan ang Tc at Ta ay ang temperatura ng cathode at ang temperatura ng anode, ayon sa pagkakabanggit. Batay sa bagong mekanismo ng thermionic emission, iminumungkahi ng mga mananaliksik na ang graphene-based cathode energy converter ay makakahanap ng aplikasyon nito sa pag-recycle ng pang-industriyang init ng basura, na kadalasang umaabot sa hanay ng temperatura na 700 hanggang 900 K.

Ang bagong modelong ipinakita nina Liang at Eng ay maaaring makinabang sa graphene-based na power converter na disenyo. Ang mga solid state power converter, na pangunahing mga thermoelectric generator, ay karaniwang hindi gumagana sa mababang hanay ng temperatura (mas mababa sa 7% na kahusayan).

Thermoelectric generators

Ang pagre-recycle ng basurang enerhiya ay naging isang tanyag na target para sa mga mananaliksik at siyentipiko na gumawa ng mga makabagong pamamaraan upang makamit ang layuning ito. Ang isa sa mga pinaka-promising na lugar ay ang mga thermoelectric na aparato batay sa nanotechnology, namukhang isang bagong diskarte sa pagtitipid ng enerhiya. Ang direktang conversion ng init sa kuryente o kuryente sa init ay kilala bilang thermoelectricity batay sa epekto ng Peltier. Upang maging tumpak, ang epekto ay ipinangalan sa dalawang physicist - sina Jean Peltier at Thomas Seebeck.

Natuklasan ni Peltier na ang isang kasalukuyang ipinadala sa dalawang magkaibang konduktor ng kuryente na nakakonekta sa dalawang junction ay magiging sanhi ng pag-init ng isang junction habang ang isa pang junction ay lumalamig. Ipinagpatuloy ni Peltier ang kanyang pananaliksik at nalaman na ang isang patak ng tubig ay maaaring mag-freeze sa isang bismuth-antimony (BiSb) junction sa pamamagitan lamang ng pagpapalit ng agos. Natuklasan din ni Peltier na maaaring dumaloy ang isang electric current kapag may inilagay na pagkakaiba sa temperatura sa junction ng iba't ibang konduktor.

Ang Thermoelectricity ay isang lubhang kawili-wiling pinagmumulan ng kuryente dahil sa kakayahan nitong direktang i-convert ang daloy ng init sa kuryente. Isa itong energy converter na lubos na nasusukat at walang mga gumagalaw na bahagi o likidong panggatong, na ginagawa itong angkop sa halos anumang sitwasyon kung saan ang maraming init ay malamang na maubusan, mula sa pananamit hanggang sa malalaking pasilidad sa industriya.

Nanostructures na ginagamit sa semiconductor thermocouple na materyales ay makakatulong na mapanatili ang magandang electrical conductivity at mabawasan ang thermal conductivity. Kaya, ang pagganap ng mga thermoelectric na aparato ay maaaring tumaas sa pamamagitan ng paggamit ng mga materyales batay sa nanotechnology, na maygamit ang Peltier effect. Pinahusay nila ang mga katangian ng thermoelectric at mahusay na kapasidad ng pagsipsip ng solar energy.

Application ng thermoelectricity:

1. Mga nagbibigay ng enerhiya at sensor sa mga hanay.
2. Isang nasusunog na oil lamp na kumokontrol sa wireless receiver para sa malayuang komunikasyon.
3. Paglalapat ng maliliit na electronic device gaya ng mga MP3 player, digital clock, GPS/GSM chips at impulse meter na may init ng katawan.
4. Mabilis na nagpapalamig na upuan sa mga magagarang sasakyan.
5. Linisin ang basurang init sa mga sasakyan sa pamamagitan ng paggawa nito sa kuryente.
6. Gawing karagdagang kuryente ang basurang init mula sa mga pabrika o pasilidad ng industriya.
7. Maaaring mas mahusay ang solar thermoelectrics kaysa sa mga photovoltaic cell para sa pagbuo ng kuryente, lalo na sa mga lugar na mas kaunting sikat ng araw.

MHD power generators

Magnetohydrodynamic power generators ay bumubuo ng kuryente sa pamamagitan ng interaksyon ng gumagalaw na fluid (karaniwan ay isang ionized gas o plasma) at isang magnetic field. Mula noong 1970, ang mga programa sa pagsasaliksik ng MHD ay isinasagawa sa ilang mga bansa na may partikular na pagtuon sa paggamit ng karbon bilang panggatong.

Ang pinagbabatayan na prinsipyo ng pagbuo ng teknolohiya ng MHD ay elegante. Karaniwan, ang electrically conductive gas ay nagagawa sa mataas na presyon sa pamamagitan ng pagsunog ng fossil fuels. Ang gas ay pagkatapos ay itinuro sa pamamagitan ng isang magnetic field, na nagreresulta sa isang electromotive force na kumikilos sa loob nito alinsunod sa batas ng inductionFaraday (pinangalanan sa ika-19 na siglong English physicist at chemist na si Michael Faraday).

Ang MHD system ay isang heat engine na kinabibilangan ng pagpapalawak ng gas mula sa mataas hanggang sa mababang presyon sa parehong paraan tulad ng sa isang conventional gas turbine generator. Sa sistema ng MHD, ang kinetic energy ng gas ay direktang binago sa elektrikal na enerhiya, dahil pinapayagan itong lumawak. Ang interes sa pagbuo ng MHD ay una nang napukaw ng pagtuklas na ang pakikipag-ugnayan ng isang plasma na may magnetic field ay maaaring mangyari sa mas mataas na temperatura kaysa sa posible sa isang umiikot na mechanical turbine.

Ang paglilimita sa pagganap sa mga tuntunin ng kahusayan sa mga heat engine ay itinakda sa simula ng ika-19 na siglo ng French engineer na si Sadi Carnot. Ang output power ng MHD generator para sa bawat cubic meter ng volume nito ay proporsyonal sa gas conductivity product, square ng gas velocity, at square ng lakas ng magnetic field kung saan dumadaan ang gas. Upang ang mga MHD generator ay gumana nang mapagkumpitensya, na may mahusay na pagganap at makatwirang pisikal na sukat, ang electrical conductivity ng plasma ay dapat nasa hanay ng temperatura na higit sa 1800 K (mga 1500 C o 2800 F).

Ang pagpili ng uri ng MHD generator ay depende sa ginamit na gasolina at sa aplikasyon. Ang kasaganaan ng mga reserbang karbon sa maraming bansa sa mundo ay nakakatulong sa pagbuo ng mga MHD carbon system para sa pagbuo ng kuryente.