Lämpöenergian muuntaminen sähköenergiaksi korkealla hyötysuhteella: menetelmät ja laitteet

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-17 18:49

Lämpöenergialla on erityinen paikka ihmisen toiminnassa, koska sitä käytetään kaikilla talouden sektoreilla, se liittyy useimpiin teollisiin prosesseihin ja ihmisten toimeentuloon. Useimmissa tapauksissa hukkalämpö menetetään peruuttamattomasti ja ilman taloudellista hyötyä. Tämä kadonnut resurssi ei ole enää minkään arvoinen, joten sen uudelleenkäyttö auttaa sekä vähentämään energiakriisiä että suojelemaan ympäristöä. Siksi uudet tavat muuntaa lämpöä sähköenergiaksi ja hukkalämpöä sähköksi ovat nykyään tärkeämpiä kuin koskaan.

Sähköntuotantotyypit

Luonnon energialähteiden muuntaminen sähköksi, lämmöksi tai liike-energiaksi vaatii maksimaalista tehokkuutta erityisesti kaasu- ja hiilivoimaloissa CO2-päästöjen vähentämiseksi_{2. Muuntamiseen on useita tapojalämpöenergia sähköenergiaksi primäärienergiatyypeistä riippuen.}

Energiavaroista hiiltä ja maakaasua käytetään sähkön tuottamiseen polttamalla (lämpöenergia) ja uraania ydinfissiolla (ydinenergia) höyryvoiman käyttämiseksi höyryturbiinin kääntämiseen. Kuvassa on kymmenen suurinta sähköntuottajamaaa vuonna 2017.

Taulukko olemassa olevien järjestelmien tehokkuudesta lämpöenergian muuntamiseksi sähköenergiaksi.

	Sähkön tuotanto lämpöenergiasta	Tehokkuus, %
1	Lämpövoimalaitokset, CHP-laitokset	32
2	Ydinvoimalat, ydinvoimalat	80
3	Lauhdutusvoimala, IES	40
4	Kaasuturbiinivoimala, GTPP	60
5	Termioniset muuntimet, TEC:t	40
6	Lämpösähkögeneraattorit	7
7	MHD-sähkögeneraattorit yhdessä CHP:n kanssa	60

Menetelmän valitseminen lämpöenergian muuntamiseksisähkö ja sen taloudellinen kannattavuus riippuvat energian tarpeesta, luonnonpolttoaineen saatavuudesta ja rakennustyömaan riittävyydestä. Tuotantotyyppi vaihtelee eri puolilla maailmaa, minkä seurauksena sähkön hinta vaihtelee.

Perinteisen sähköteollisuuden ongelmat

Teknologioilla lämpöenergian muuntamiseksi sähköenergiaksi, kuten lämpövoimalaitokset, ydinvoimalaitokset, IES, kaasuturbiinivoimalat, lämpövoimalaitokset, lämpösähkögeneraattorit ja MHD-generaattorit, on erilaisia etuja ja haittoja. Electric Power Research Institute (EPRI) havainnollistaa luonnonenergian tuotantotekniikoiden etuja ja haittoja tarkastelemalla kriittisiä tekijöitä, kuten rakentamista ja sähkön kustannuksia, maata, vesivaatimuksia, hiilidioksidipäästöjä_{2, tuhlausta, kohtuuhintaisuutta ja joustavuutta.}

EPRI-tulokset korostavat, että sähköntuotantotekniikoita harkittaessa ei ole olemassa yksikokoista lähestymistapaa, mutta maakaasu hyötyy silti enemmän, koska se on edullinen rakentamiseen, sen sähkön hinta on alhainen ja tuottaa vähemmän päästöjä kuin hiiltä. Kaikilla mailla ei kuitenkaan ole saatavilla runsaasti ja halpaa maakaasua. Joissakin tapauksissa maakaasun saatavuus on geopoliittisten jännitteiden vuoksi uhattuna, kuten tapahtui Itä-Euroopassa ja joissakin Länsi-Euroopan maissa.

Uusiutuvan energian teknologiat, kuten tuuliturbiinit, aurinkosähkömoduulit tuottavat päästösähköä. Ne vaativat kuitenkin yleensä paljon maata, ja niiden tehokkuuden tulokset ovat epävakaita ja riippuvat säästä. Hiili, tärkein lämmönlähde, on ongelmallisin. Se johtaa hiilidioksidipäästöissä_{2, vaatii paljon puhdasta vettä jäähdytysnesteen jäähdyttämiseen ja vie suuren alueen aseman rakentamiseen.}

Uusien teknologioiden tavoitteena on vähentää useita sähköntuotantotekniikoihin liittyviä ongelmia. Esimerkiksi kaasuturbiinit yhdistettynä vara-akun kanssa mahdollistavat varmuuskopioinnin ilman polttoaineen polttamista, ja ajoittaisia uusiutuvien resurssien ongelmia voidaan lieventää luomalla edullinen laajamittainen energiavarasto. Näin ollen nykyään ei ole olemassa yhtä täydellistä tapaa muuntaa lämpöenergiaa sähköksi, mikä voisi tuottaa luotettavaa ja kustannustehokasta sähköä mahdollisimman vähäisellä ympäristövaikutuksella.

Lämpövoimalaitokset

Lämpövoimalaitoksella korkeapaineinen ja korkealämpötilainen höyry, joka saadaan lämmittämällä vettä polttamalla kiinteää polttoainetta (pääasiassa kivihiiltä), pyörittää generaattoriin kytkettyä turbiinia. Siten se muuntaa kineettisen energiansa sähköenergiaksi. Lämpövoimalaitoksen käyttökomponentit:

1. Kaasuuunilla varustettu kattila.
2. Höyryturbiini.
3. Generaattori.
4. Kondensaattori.
5. Jäähdytystornit.
6. Kiertovesipumppu.
7. Syöttöpumppuvettä kattilaan.
8. Pakkopoistopuh altimet.
9. Erottimet.

Tyypillinen lämpövoimalaitoksen kaavio on esitetty alla.

Höyrykattilaa käytetään veden muuntamiseen höyryksi. Tämä prosessi suoritetaan lämmittämällä vettä putkissa polttoaineen palamisesta lämmittämällä. Polttoprosesseja suoritetaan jatkuvasti polttoaineen polttokammiossa ilman tulon ulkopuolelta.

Höyryturbiini siirtää höyryenergiaa generaattorin käyttämiseksi. Korkeapaineinen ja korkealämpötilainen höyry työntää akselille asennettuja turbiinin siipiä niin, että se alkaa pyöriä. Tässä tapauksessa turbiiniin tulevan tulistetun höyryn parametrit pienennetään kyllästettyyn tilaan. Kyllästetty höyry tulee lauhduttimeen, ja pyörimisvoimaa käytetään generaattorin pyörittämiseen, joka tuottaa virtaa. Lähes kaikki nykyiset höyryturbiinit ovat lauhdutintyyppisiä.

Lauhduttimet ovat laitteita, joilla höyry muunnetaan vedeksi. Höyry virtaa putkien ulkopuolella ja jäähdytysvesi putkien sisällä. Tätä mallia kutsutaan pintakondensaattoriksi. Lämmönsiirtonopeus riippuu jäähdytysveden virtauksesta, putkien pinta-alasta sekä vesihöyryn ja jäähdytysveden lämpötilaerosta. Vesihöyryn vaihtoprosessi tapahtuu kyllästetyssä paineessa ja lämpötilassa, tässä tapauksessa lauhdutin on tyhjiössä, koska jäähdytysveden lämpötila on yhtä suuri kuin ulkolämpötila, lauhdeveden maksimilämpötila on lähellä ulkolämpötilaa.

Generaattori muuntaa mekaanisenenergiasta sähköksi. Generaattori koostuu staattorista ja roottorista. Staattori koostuu kotelosta, joka sisältää kelat, ja magneettikentän kiertoasema koostuu ytimestä, joka sisältää kelan.

Sähkövoimalaitokset jaetaan tuotetun energian tyypin mukaan lauhde-IES:iin, jotka tuottavat sähköä sekä lämmön ja sähkön yhteistuotantolaitoksiin, jotka tuottavat yhdessä lämpöä (höyryä ja kuumaa vettä) ja sähköä. Jälkimmäisillä on kyky muuntaa lämpöenergiaa sähköenergiaksi korkealla hyötysuhteella.

Ydinvoimalat

Ydinvoimalaitokset käyttävät ydinfission aikana vapautuvaa lämpöä veden lämmittämiseen ja höyryn tuottamiseen. Höyryä käytetään suurten turbiinien kääntämiseen, jotka tuottavat sähköä. Fissiossa atomit halkeavat muodostaen pienempiä atomeja, jolloin vapautuu energiaa. Prosessi tapahtuu reaktorin sisällä. Sen keskellä on uraani 235 sisältävä ydin. Ydinvoimalaitosten polttoainetta saadaan uraanista, joka sisältää isotooppia 235U (0,7 %) ja halkeamatonta 238U (99,3 %).

Ydinpolttoainekierto on sarja teollisia vaiheita, jotka liittyvät sähkön tuotantoon uraanista ydinvoimareaktoreissa. Uraani on suhteellisen yleinen alkuaine, jota esiintyy kaikkialla maailmassa. Sitä louhitaan useissa maissa ja käsitellään ennen kuin sitä käytetään polttoaineena.

Sähkön tuotantoon liittyvää toimintaa kutsutaan yhteisesti ydinpolttoainekierroksi lämpöenergian muuntamiseksi sähköenergiaksi ydinvoimalaitoksilla. YdinPolttoainekierto alkaa uraanin louhinnalla ja päättyy ydinjätteen loppusijoitukseen. Käytettyä polttoainetta jälleenkäsiteltäessä vaihtoehtona ydinvoimalle sen vaiheet muodostavat todellisen kierron.

Uraani-Plutonium-polttoainekierto

Polttoaineen valmistelemiseksi käytettäväksi ydinvoimalaitoksissa suoritetaan prosesseja polttoaine-elementtien t alteenottoon, käsittelyyn, muuntamiseen, rikastamiseen ja tuotantoon. Polttoainekierto:

1. Uranium 235:n palaminen.
2. Kuona – 235U ja (239Pu, 241Pu) alkaen 238U.
3. 235U:n hajoamisen aikana sen kulutus pienenee ja 238U:sta saadaan isotooppeja sähköä tuottaessa.

VVR:n polttoainesauvojen hinta on noin 20 % tuotetun sähkön hinnasta.

Kun uraani on viettänyt noin kolme vuotta reaktorissa, käytetty polttoaine voi käydä läpi toisen käyttöprosessin, mukaan lukien väliaikaisen varastoinnin, uudelleenkäsittelyn ja kierrätyksen ennen jätteiden hävittämistä. Ydinvoimalaitokset muuntavat lämpöenergiaa suoraan sähköenergiaksi. Reaktorin sydämessä fission aikana vapautuvaa lämpöä käytetään muuttamaan vesi höyryksi, joka pyörittää höyryturbiinin siipiä ja saa generaattorit tuottamaan sähköä.

Höyry jäähdytetään muuttamalla vedeksi erillisessä rakenteessa voimalaitoksessa nimeltä jäähdytystorni, joka käyttää lammikoista, joista tai merestä saatavaa vettä jäähdyttämään höyryvoimapiirin puhdasta vettä. Jäähdytetty vesi käytetään sitten uudelleen höyryn tuottamiseen.

Ydinvoimalaitosten sähköntuotannon osuus suhteessaniiden erityyppisten resurssien tuotannon yleinen tasapaino joissakin maissa ja maailmassa - alla olevassa kuvassa.

Kaasuturbiinivoimala

Kaasuturbiinivoimalaitoksen toimintaperiaate on samanlainen kuin höyryturbiinivoimalaitoksen. Ainoa ero on, että höyryturbiinivoimalaitos käyttää puristettua höyryä turbiinin kääntämiseen, kun taas kaasuturbiinivoimalaitos käyttää kaasua.

Mietitään periaatetta lämpöenergian muuntamisesta sähköenergiaksi kaasuturbiinivoimalaitoksessa.

Kaasuturbiinivoimalaitoksessa ilmaa puristetaan kompressorissa. Sitten tämä paineilma kulkee polttokammion läpi, jossa muodostuu kaasu-ilmaseos, paineilman lämpötila nousee. Tämä korkean lämpötilan ja korkeapaineinen seos johdetaan kaasuturbiinin läpi. Turbiinissa se laajenee jyrkästi ja vastaanottaa tarpeeksi kineettistä energiaa turbiinin pyörittämiseen.

Kaasuturbiinivoimalaitoksessa turbiinin akseli, vaihtovirtageneraattori ja ilmakompressori ovat yleisiä. Turbiinissa syntyvää mekaanista energiaa käytetään osittain ilman puristamiseen. Kaasuturbiinivoimaloita käytetään usein vesivoimaloiden vara-apuenergian toimittajana. Se tuottaa aputehoa vesivoimalan käynnistyksen aikana.

Kaasuturbiinivoimalan edut ja haitat

Designkaasuturbiinivoimalaitos on paljon yksinkertaisempi kuin höyryturbiinivoimalaitos. Kaasuturbiinivoimalaitoksen koko on pienempi kuin höyryturbiinivoimalaitoksen. Kaasuturbiinivoimalaitoksessa ei ole kattilakomponenttia, joten järjestelmä on vähemmän monimutkainen. Ei höyryä, lauhdutinta tai jäähdytystornia.

Tehokkaiden kaasuturbiinivoimaloiden suunnittelu ja rakentaminen on paljon helpompaa ja halvempaa, pääoma- ja käyttökustannukset ovat paljon pienemmät kuin vastaavan höyryturbiinivoimalaitoksen kustannukset.

Kaasuturbiinivoimalaitoksen pysyvät häviöt ovat huomattavasti pienemmät verrattuna höyryturbiinivoimalaitokseen, koska höyryturbiinissa kattilavoimalaitoksen on toimittava jatkuvasti, vaikka järjestelmä ei kuormittaisi verkkoa.. Kaasuturbiinivoimalaitos voidaan käynnistää lähes välittömästi.

Kaasuturbiinivoimalaitoksen haitat:

1. Turbiinissa syntyvää mekaanista energiaa käytetään myös ilmakompressorin käyttämiseen.
2. Koska suurin osa turbiinissa syntyvästä mekaanisesta energiasta käytetään ilmakompressorin käyttämiseen, kaasuturbiinivoimalaitoksen kokonaishyötysuhde ei ole yhtä korkea kuin vastaavan höyryturbiinivoimalaitoksen.
3. Kaasuturbiinivoimalaitoksen pakokaasut eroavat suuresti kattilasta.
4. Ennen turbiinin varsinaista käynnistystä ilma on esipuristettava, mikä vaatii lisävirtalähteen kaasuturbiinivoimalaitoksen käynnistämiseen.
5. Kaasun lämpötila on tarpeeksi korkeakaasuturbiinivoimala. Tämä johtaa lyhyempään järjestelmän käyttöikään kuin vastaavalla höyryturbiinilla.

Matalemman hyötysuhteensa vuoksi kaasuturbiinivoimalaa ei voida käyttää kaupalliseen sähköntuotantoon, vaan sitä käytetään yleensä apuvoiman syöttämiseen muille perinteisille voimalaitoksille, kuten vesivoimalaitoksille.

Lämpömuuntimet

Niitä kutsutaan myös lämpögeneraattoreiksi tai lämpösähköisiksi moottoreiksi, jotka muuttavat lämmön suoraan sähköksi käyttämällä lämpöpäästöjä. Lämpöenergia voidaan muuntaa sähköenergiaksi erittäin korkealla hyötysuhteella lämpötilan aiheuttaman elektronivirtausprosessin avulla, joka tunnetaan termionisena säteilynä.

Termionisten energiamuuntimien perusperiaate on, että elektronit haihtuvat kuumennetun katodin pinn alta tyhjiössä ja kondensoituvat sitten kylmemmän anodin päälle. Ensimmäisestä käytännön esittelystä vuonna 1957 lähtien lämpötehomuuntimia on käytetty useiden lämmönlähteiden kanssa, mutta ne kaikki vaativat toimintaa korkeissa lämpötiloissa - yli 1500 K. Termisten tehomuuntajien toiminta suhteellisen alhaisessa lämpötilassa (700 K - 900 K) on mahdollista, prosessin hyötysuhde, joka on tyypillisesti > 50%, pienenee merkittävästi, koska katodista emittoivien elektronien määrä pinta-alayksikköä kohti riippuu kuumennuslämpötilasta.

Perinteisille katodimateriaaleille, kutenmetallien ja puolijohteiden tapaan emittoituneiden elektronien määrä on verrannollinen katodin lämpötilan neliöön. Äskettäinen tutkimus kuitenkin osoittaa, että lämmön lämpötilaa voidaan alentaa suuruusluokkaa käyttämällä grafeenia kuumana katodina. Saadut tiedot osoittavat, että grafeenipohjainen katoditermionimuunnin, joka toimii 900 K:ssa, voi saavuttaa 45 %:n hyötysuhteen.

Kaavakuva elektronien termionisen emission prosessista näkyy kuvassa.

TIC perustuu grafeeniin, missä Tc ja Ta ovat katodin lämpötila ja vastaavasti anodin lämpötila. Uuden termionisen emission mekanismin perusteella tutkijat ehdottavat, että grafeenipohjaista katodienergian muuntajaa voisi käyttää teollisuuden hukkalämmön kierrättämisessä, joka usein saavuttaa lämpötila-alueen 700-900 K.

Liangin ja Engin esittämä uusi malli voisi hyödyttää grafeenipohjaista tehonmuuntimen suunnittelua. Puolijohdetehonmuuntimet, jotka ovat pääasiassa lämpösähköisiä generaattoreita, toimivat yleensä tehottomasti alhaisella lämpötila-alueella (alle 7 %:n hyötysuhde).

Lämpösähkögeneraattorit

Jäteenergian kierrätyksestä on tullut suosittu kohde tutkijoille ja tutkijoille, jotka keksivät innovatiivisia menetelmiä tämän tavoitteen saavuttamiseksi. Yksi lupaavimmista alueista on nanoteknologiaan perustuvat lämpösähkölaitteet, jotkanäyttävät uudelta lähestymistav alta energian säästämiseen. Lämmön suora muuntaminen sähköksi tai sähkön lämmöksi tunnetaan Peltier-ilmiöön perustuvana lämpösähkönä. Tarkemmin sanottuna vaikutus on nimetty kahden fyysikon - Jean Peltierin ja Thomas Seebeckin - mukaan.

Peltier havaitsi, että kahteen eri sähköjohtimeen, jotka on kytketty kahdessa risteyksessä, lähetetty virta aiheuttaa toisen liitoksen lämpenemisen, kun taas toinen liitos jäähtyy. Peltier jatkoi tutkimustaan ja havaitsi, että vesipisara voitaisiin saada jäätymään vismutti-antimoni (BiSb) -liitoksessa yksinkertaisesti muuttamalla virtaa. Peltier havaitsi myös, että sähkövirta voi virrata, kun lämpötilaero sijoitetaan eri johtimien liitoskohtiin.

Lämpösähkö on erittäin mielenkiintoinen sähkönlähde, koska se pystyy muuttamaan lämpövirran suoraan sähköksi. Se on erittäin skaalautuva energianmuunnin, jossa ei ole liikkuvia osia tai nestemäistä polttoainetta, joten se sopii melkein kaikkiin tilanteisiin, joissa paljon lämpöä menee hukkaan, vaatteista suuriin teollisuustiloihin.

Puolijohdetermomateriaaleissa käytetyt nanorakenteet auttavat ylläpitämään hyvää sähkönjohtavuutta ja vähentämään lämmönjohtavuutta. Näin ollen lämpösähköisten laitteiden suorituskykyä voidaan lisätä käyttämällä nanoteknologiaan perustuvia materiaalejaPeltier-ilmiön avulla. Niillä on parannetut lämpösähköiset ominaisuudet ja hyvä aurinkoenergian absorptiokyky.

Lämpösähkön käyttö:

1. Energian toimittajat ja anturit eri alueilla.
2. Palava öljylamppu, joka ohjaa langatonta vastaanotinta etäviestintää varten.
3. Pienten elektronisten laitteiden, kuten MP3-soittimien, digitaalikellojen, GPS/GSM-sirujen ja impulssimittareiden käyttäminen kehon lämmöllä.
4. Nopeasti jäähdyttävät istuimet luksusautoissa.
5. Puhdista hukkalämpö ajoneuvoista muuntamalla se sähköksi.
6. Muuta tehtaiden tai teollisuuslaitosten hukkalämpö lisätehoksi.
7. Aurinkoenergian lämpösähköt voivat olla tehokkaampia kuin aurinkokennoja sähköntuotannossa, erityisesti alueilla, joilla on vähemmän auringonvaloa.

MHD-virtageneraattorit

Magnetohydrodynaamiset tehogeneraattorit tuottavat sähköä liikkuvan nesteen (yleensä ionisoidun kaasun tai plasman) ja magneettikentän vuorovaikutuksen kautta. Vuodesta 1970 lähtien MHD-tutkimusohjelmia on toteutettu useissa maissa, ja niissä on keskitytty erityisesti hiilen käyttöön polttoaineena.

MHD-teknologian sukupolven perusperiaate on tyylikäs. Tyypillisesti sähköä johtava kaasu tuotetaan korkeassa paineessa polttamalla fossiilisia polttoaineita. Kaasu ohjataan sitten magneettikentän läpi, jolloin sen sisällä vaikuttaa induktiolain mukaisesti sähkömotorinen voima. Faraday (nimetty 1800-luvun englantilaisen fyysikon ja kemistin Michael Faradayn mukaan).

MHD-järjestelmä on lämpömoottori, joka sisältää kaasun laajenemisen korkeasta matalapaineeseen samalla tavalla kuin perinteisessä kaasuturbiinigeneraattorissa. MHD-järjestelmässä kaasun liike-energia muunnetaan suoraan sähköenergiaksi, kun sen annetaan laajeta. Kiinnostus MHD:n tuottamiseen sai alkunsa havainnosta, että plasman vuorovaikutus magneettikentän kanssa voi tapahtua paljon korkeammissa lämpötiloissa kuin on mahdollista pyörivässä mekaanisessa turbiinissa.

Lämpömoottoreiden tehokkuutta rajoittavan suorituskyvyn asetti 1800-luvun alussa ranskalainen insinööri Sadi Carnot. MHD-generaattorin lähtöteho kutakin tilavuuden kuutiometriä kohti on verrannollinen kaasun johtavuustuloon, kaasun nopeuden neliöön ja sen magneettikentän voimakkuuden neliöön, jonka läpi kaasu kulkee. Jotta MHD-generaattorit toimisivat kilpailukykyisesti, hyvällä suorituskyvyllä ja kohtuullisilla fyysisillä mitoilla, plasman sähkönjohtavuuden on oltava lämpötila-alueella yli 1800 K (noin 1500 C tai 2800 F).

MHD-generaattorin tyypin valinta riippuu käytetystä polttoaineesta ja sovelluksesta. Hiilivarantojen runsaus monissa maailman maissa edistää MHD-hiilijärjestelmien kehittämistä sähköntuotantoon.