Přeměna tepelné energie na elektrickou energii s vysokou účinností: metody a zařízení

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-17 18:44

Tepelná energie zaujímá v lidské činnosti zvláštní místo, protože se používá ve všech odvětvích hospodářství, doprovází většinu průmyslových procesů a obživy lidí. Ve většině případů se odpadní teplo ztrácí nenávratně a bez jakéhokoli ekonomického přínosu. Tento ztracený zdroj již nestojí za nic, takže jeho opětovné použití pomůže snížit energetickou krizi a ochránit životní prostředí. Proto jsou dnes nové způsoby přeměny tepla na elektrickou energii a přeměny odpadního tepla na elektřinu aktuálnější než kdy dříve.

Typy výroby elektřiny

Přeměna přírodních zdrojů energie na elektřinu, teplo nebo kinetickou energii vyžaduje maximální účinnost, zejména v plynových a uhelných elektrárnách, aby se snížily emise CO2_{2. Existují různé způsoby převodutepelnou energii na elektrickou energii v závislosti na typech primární energie.}

Z energetických zdrojů se uhlí a zemní plyn používají k výrobě elektřiny spalováním (tepelná energie) a uran jaderným štěpením (jaderná energie) k využití parní energie k otáčení parní turbíny. Deset zemí produkujících elektřinu pro rok 2017 je zobrazeno na fotografii.

Tabulka účinnosti stávajících systémů pro přeměnu tepelné energie na elektrickou energii.

	Výroba elektřiny z tepelné energie	Efektivita, %
1	Tepelné elektrárny, KVET	32
2	Jaderné elektrárny, jaderné elektrárny	80
3	Kondenzační elektrárna, IES	40
4	Elektrárna s plynovou turbínou, GTPP	60
5	Termionické převodníky, TEC	40
6	Termoelektrické generátory	7
7	Elektrárenské generátory MHD spolu s CHP	60

Výběr způsobu přeměny tepelné energie naelektrické a jeho ekonomická proveditelnost závisí na potřebě energie, dostupnosti přírodního paliva a dostatku staveniště. Typ výroby se na celém světě liší, což má za následek širokou škálu cen elektřiny.

Problémy tradičního elektroenergetiky

Technologie pro přeměnu tepelné energie na elektrickou energii, jako jsou tepelné elektrárny, jaderné elektrárny, IES, elektrárny s plynovou turbínou, tepelné elektrárny, termoelektrické generátory, MHD generátory mají různé výhody a nevýhody. Electric Power Research Institute (EPRI) ilustruje výhody a nevýhody přírodních technologií výroby energie, přičemž se zabývá kritickými faktory, jako je výstavba a náklady na elektřinu, půdu, požadavky na vodu, emise CO_{2, odpad, dostupnost a flexibilita.}

Výsledky EPRI zdůrazňují, že při zvažování technologií výroby energie neexistuje žádný univerzální přístup, ale zemní plyn je stále výhodnější, protože je dostupný pro výstavbu, má nízké náklady na elektřinu, produkuje méně emisí než uhlí. Ne všechny země však mají přístup k hojnému a levnému zemnímu plynu. V některých případech je přístup k zemnímu plynu ohrožen kvůli geopolitickému napětí, jako tomu bylo ve východní Evropě a některých západoevropských zemích.

Technologie obnovitelné energie, jako je vítrturbíny, solární fotovoltaické moduly produkují emisní elektřinu. Mají však tendenci vyžadovat hodně půdy a výsledky jejich účinnosti jsou nestabilní a závisí na počasí. Nejproblematičtější je uhlí, hlavní zdroj tepla. Vede v emisích CO_{2, vyžaduje hodně čisté vody k chlazení chladicí kapaliny a zabírá velkou plochu pro stavbu stanice.}

Nové technologie mají za cíl snížit řadu problémů spojených s technologiemi výroby energie. Například plynové turbíny kombinované se záložní baterií poskytují nouzové zálohování bez spalování paliva a občasné problémy s obnovitelnými zdroji lze zmírnit vytvořením dostupného velkokapacitního úložiště energie. Dnes tedy neexistuje jediný dokonalý způsob, jak přeměnit tepelnou energii na elektřinu, která by mohla poskytovat spolehlivou a nákladově efektivní elektřinu s minimálním dopadem na životní prostředí.

Tepelné elektrárny

V tepelné elektrárně roztáčí vysokotlaká a vysokoteplotní pára, získaná z topné vody spalováním pevného paliva (hlavně uhlí), turbínu spojenou s generátorem. Přeměňuje tedy svou kinetickou energii na energii elektrickou. Provozní součásti tepelné elektrárny:

1. Kotel s plynovým kotlem.
2. Parní turbína.
3. Generátor.
4. Kondenzátor.
5. Chladicí věže.
6. Oběhové vodní čerpadlo.
7. Podávací čerpadlovodu do kotle.
8. Ventilátory nuceného odtahu.
9. Separátory.

Typické schéma tepelné elektrárny je uvedeno níže.

Parní kotel se používá k přeměně vody na páru. Tento proces se provádí ohřevem vody v potrubí s ohřevem ze spalování paliva. Spalovací procesy probíhají nepřetržitě ve spalovací komoře paliva s přívodem vzduchu zvenčí.

Parní turbína přenáší energii páry na pohon generátoru. Pára s vysokým tlakem a teplotou tlačí lopatky turbíny namontované na hřídeli tak, aby se začala otáčet. V tomto případě jsou parametry přehřáté páry vstupující do turbíny redukovány do nasyceného stavu. Nasycená pára vstupuje do kondenzátoru a rotační síla se využívá k otáčení generátoru, který vyrábí proud. Téměř všechny dnešní parní turbíny jsou kondenzátorového typu.

Kondenzátory jsou zařízení pro přeměnu páry na vodu. Pára proudí mimo potrubí a chladicí voda proudí dovnitř potrubí. Tato konstrukce se nazývá povrchový kondenzátor. Rychlost přenosu tepla závisí na průtoku chladicí vody, povrchové ploše potrubí a teplotním rozdílu mezi vodní párou a chladicí vodou. Proces změny vodní páry probíhá pod nasyceným tlakem a teplotou, v tomto případě je kondenzátor ve vakuu, protože teplota chladicí vody je rovna venkovní teplotě, maximální teplota kondenzované vody je blízko venkovní teplotě.

Generátor převádí mechanickéenergie na elektřinu. Generátor se skládá ze statoru a rotoru. Stator se skládá z pouzdra, které obsahuje cívky, a rotační stanice magnetického pole se skládá z jádra, které obsahuje cívku.

Podle typu vyrobené energie se TPP dělí na kondenzační IES, které vyrábějí elektřinu, a elektrárny na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny, které společně vyrábějí teplo (páru a horkou vodu) a elektřinu. Ty druhé mají schopnost přeměňovat tepelnou energii na elektrickou energii s vysokou účinností.

Jaderné elektrárny

Jaderné elektrárny využívají teplo uvolněné při jaderném štěpení k ohřevu vody a výrobě páry. Pára se používá k otáčení velkých turbín, které vyrábějí elektřinu. Při štěpení se atomy štěpí na menší atomy a uvolňují energii. Proces probíhá uvnitř reaktoru. V jeho středu je jádro obsahující uran 235. Palivo pro jaderné elektrárny se získává z uranu, který obsahuje izotop 235U (0,7 %) a neštěpný 238U (99,3 %).

Cyklus jaderného paliva je série průmyslových kroků spojených s výrobou elektřiny z uranu v jaderných reaktorech. Uran je poměrně běžný prvek vyskytující se po celém světě. Těží se v řadě zemí a zpracovává se před použitím jako palivo.

Činnosti související s výrobou elektřiny jsou souhrnně označovány jako jaderný palivový cyklus pro přeměnu tepelné energie na elektrickou energii v jaderných elektrárnách. nukleárníPalivový cyklus začíná těžbou uranu a končí likvidací jaderného odpadu. Při přepracování použitého paliva jako možnosti pro jadernou energii tvoří jeho kroky skutečný cyklus.

Uran-Plutonium Fuel Cycle

Při přípravě paliva pro použití v jaderných elektrárnách se provádějí procesy těžby, zpracování, konverze, obohacování a výroby palivových článků. Palivový cyklus:

1. Spalování uranu 235.
2. struska – 235U a (239Pu, 241Pu) od 238U.
3. Během rozpadu 235U se jeho spotřeba snižuje a izotopy se získávají z 238U při výrobě elektřiny.

Náklady na palivové tyče pro VVR jsou přibližně 20 % nákladů na vyrobenou elektřinu.

Po tom, co uran strávil asi tři roky v reaktoru, může použité palivo projít dalším procesem využití, včetně dočasného skladování, přepracování a recyklace před likvidací odpadu. Jaderné elektrárny zajišťují přímou přeměnu tepelné energie na elektrickou energii. Teplo uvolněné při jaderném štěpení v jádře reaktoru se využívá k přeměně vody na páru, která roztáčí lopatky parní turbíny a pohání generátory k výrobě elektřiny.

Pára se ochlazuje přeměnou na vodu v samostatné struktuře v elektrárně zvané chladicí věž, která využívá vodu z rybníků, řek nebo oceánu k chlazení čisté vody parního energetického okruhu. Zchlazená voda je poté znovu použita k výrobě páry.

Podíl výroby elektřiny v jaderných elektrárnách ve vztahu kcelková bilance produkce jejich různých druhů zdrojů v kontextu některých zemí a ve světě - na fotografii níže.

Elektrárna s plynovou turbínou

Princip činnosti elektrárny s plynovou turbínou je podobný jako u elektrárny s parní turbínou. Jediný rozdíl je v tom, že elektrárna s parní turbínou používá k otáčení turbíny stlačenou páru, zatímco elektrárna s plynovou turbínou používá plyn.

Uvažujme o principu přeměny tepelné energie na elektrickou energii v elektrárně s plynovou turbínou.

V elektrárně s plynovou turbínou se vzduch stlačuje v kompresoru. Poté tento stlačený vzduch prochází spalovací komorou, kde se tvoří směs plynu a vzduchu, teplota stlačeného vzduchu stoupá. Tato vysokoteplotní a vysokotlaká směs prochází plynovou turbínou. V turbíně se prudce rozpíná a přijímá dostatek kinetické energie k otáčení turbíny.

V elektrárně s plynovou turbínou jsou hřídel turbíny, alternátor a vzduchový kompresor běžné. Mechanická energie generovaná v turbíně se částečně využívá ke stlačování vzduchu. Elektrárny s plynovou turbínou jsou často využívány jako záložní pomocný dodavatel energie pro vodní elektrárny. Během spouštění vodní elektrárny generuje pomocnou energii.

Výhody a nevýhody elektrárny s plynovou turbínou

Designelektrárna s plynovou turbínou je mnohem jednodušší než elektrárna s parní turbínou. Velikost elektrárny s plynovou turbínou je menší než u elektrárny s parní turbínou. V elektrárně s plynovou turbínou není žádná součást kotle, a proto je systém méně složitý. Není potřeba žádná pára, žádný kondenzátor nebo chladicí věž.

Návrh a stavba výkonných elektráren s plynovou turbínou je mnohem jednodušší a levnější, investiční a provozní náklady jsou mnohem nižší než náklady na podobnou elektrárnu s parní turbínou.

Trvalé ztráty v elektrárně s plynovou turbínou jsou výrazně menší ve srovnání s elektrárnou s parní turbínou, protože v parní turbíně musí kotel pracovat nepřetržitě, i když systém nedodává zátěž do sítě. Elektrárnu s plynovou turbínou lze spustit téměř okamžitě.

Nevýhody elektrárny s plynovou turbínou:

1. Mechanická energie generovaná v turbíně se také využívá k pohonu vzduchového kompresoru.
2. Vzhledem k tomu, že většina mechanické energie generované v turbíně se používá k pohonu vzduchového kompresoru, celková účinnost elektrárny s plynovou turbínou není tak vysoká jako u ekvivalentní elektrárny s parní turbínou.
3. Výfukové plyny v elektrárně s plynovou turbínou se velmi liší od kotle.
4. Před vlastním spuštěním turbíny musí být vzduch předem stlačen, což vyžaduje další zdroj energie pro spuštění elektrárny s plynovou turbínou.
5. Teplota plynu je dostatečně vysokáelektrárna s plynovou turbínou. To má za následek kratší životnost systému než ekvivalentní parní turbína.

Z důvodu nižší účinnosti nelze elektrárnu s plynovou turbínou použít pro komerční výrobu energie, obvykle se používá k napájení pomocné energie jiným konvenčním elektrárnám, jako jsou vodní elektrárny.

Termionické měniče

Nazývají se také termoelektrické generátory nebo termoelektrické motory, které přímo přeměňují teplo na elektřinu pomocí tepelné emise. Tepelná energie může být přeměněna na elektrickou energii s velmi vysokou účinností prostřednictvím procesu toku elektronů vyvolaného teplotou známého jako termionické záření.

Základním principem činnosti termoiontových měničů energie je, že se elektrony vypařují z povrchu zahřáté katody ve vakuu a poté kondenzují na chladnější anodě. Od první praktické ukázky v roce 1957 se termoionické měniče energie používají s různými zdroji tepla, ale všechny vyžadují provoz při vysokých teplotách - nad 1500 K. Zatímco provoz termionických měničů výkonu při relativně nízké teplotě (700 K - 900 K), účinnost procesu, která je typicky > 50 %, je výrazně snížena, protože počet emitovaných elektronů na jednotku plochy z katody závisí na teplotě ohřevu.

Pro konvenční katodové materiály jako napřjako u kovů a polovodičů je počet emitovaných elektronů úměrný druhé mocnině teploty katody. Nedávná studie však ukazuje, že teplota tepla může být snížena o řád pomocí grafenu jako horké katody. Získaná data ukazují, že katodový termionický konvertor na bázi grafenu pracující při 900 K může dosáhnout účinnosti 45 %.

Schématické schéma procesu elektronové termionické emise je znázorněno na fotografii.

TIC na bázi grafenu, kde Tc a Ta jsou teplota katody a teplota anody. Na základě nového mechanismu termionické emise vědci naznačují, že katodový energetický konvertor na bázi grafenu by mohl najít uplatnění při recyklaci průmyslového odpadního tepla, které často dosahuje teplotního rozsahu 700 až 900 K.

Nový model, který představili Liang a Eng, by mohl být přínosem pro konstrukci měniče energie na bázi grafenu. Pevné měniče energie, což jsou hlavně termoelektrické generátory, obvykle pracují neefektivně v rozsahu nízkých teplot (méně než 7% účinnost).

Termoelektrické generátory

Recyklace odpadní energie se stala oblíbeným cílem výzkumníků a vědců, kteří přicházejí s inovativními metodami, jak tohoto cíle dosáhnout. Jednou z nejperspektivnějších oblastí jsou termoelektrická zařízení založená na nanotechnologii, kterávypadat jako nový přístup k úspoře energie. Přímá přeměna tepla na elektřinu nebo elektřiny na teplo je známá jako termoelektřina založená na Peltierově jevu. Abychom byli přesní, efekt je pojmenován po dvou fyzikech - Jean Peltier a Thomas Seebeck.

Peltier objevil, že proud přiváděný do dvou různých elektrických vodičů, které jsou spojeny dvěma spoji, způsobí, že se jeden spoj zahřeje, zatímco druhý se ochladí. Peltier pokračoval ve svém výzkumu a zjistil, že kapka vody by mohla zamrznout na křižovatce bismut-antimon (BiSb) pouhou změnou proudu. Peltier také objevil, že elektrický proud může protékat, když je teplotní rozdíl umístěn na křižovatce různých vodičů.

Termoelektřina je mimořádně zajímavým zdrojem elektřiny, protože dokáže přeměnit tepelný tok přímo na elektřinu. Jedná se o měnič energie, který je vysoce škálovatelný a nemá žádné pohyblivé části ani kapalné palivo, takže je vhodný pro téměř každou situaci, kdy má velké množství tepla tendenci jít nazmar, od oblečení po velká průmyslová zařízení.

Nanostruktury používané v materiálech polovodičových termočlánků pomohou udržet dobrou elektrickou vodivost a snížit tepelnou vodivost. Výkon termoelektrických zařízení lze tedy zvýšit použitím materiálů založených na nanotechnologii, spomocí Peltierova jevu. Mají zlepšené termoelektrické vlastnosti a dobrou absorpční kapacitu sluneční energie.

Použití termoelektriky:

1. Poskytovatelé energie a senzory v rozsazích.
2. Hořící olejová lampa, která ovládá bezdrátový přijímač pro vzdálenou komunikaci.
3. Používání malých elektronických zařízení, jako jsou MP3 přehrávače, digitální hodiny, čipy GPS/GSM a měřiče impulzů s tělesným teplem.
4. Rychle ochlazující sedadla v luxusních autech.
5. Vyčistěte odpadní teplo ve vozidlech jeho přeměnou na elektřinu.
6. Přeměňte odpadní teplo z továren nebo průmyslových zařízení na další energii.
7. Solární termoelektrika může být pro výrobu energie účinnější než fotovoltaické články, zejména v oblastech s menším množstvím slunečního světla.

generátory MHD

Magnetohydrodynamické generátory energie vyrábějí elektřinu prostřednictvím interakce pohybující se tekutiny (obvykle ionizovaného plynu nebo plazmy) a magnetického pole. Od roku 1970 byly v několika zemích prováděny výzkumné programy MHD se zvláštním zaměřením na využití uhlí jako paliva.

Základní princip generace technologie MHD je elegantní. Elektricky vodivý plyn se typicky vyrábí při vysokém tlaku spalováním fosilních paliv. Plyn je pak směrován magnetickým polem, což má za následek, že uvnitř něj působí elektromotorická síla v souladu se zákonem indukce. Faraday (pojmenovaný po anglickém fyzikovi a chemikovi z 19. století Michaelu Faradayovi).

Systém MHD je tepelný motor, který zahrnuje expanzi plynu z vysokého na nízký tlak stejným způsobem jako u konvenčního generátoru plynové turbíny. V systému MHD se kinetická energie plynu přeměňuje přímo na elektrickou energii, protože se nechá expandovat. Zájem o generování MHD byl zpočátku podnícen objevem, že k interakci plazmatu s magnetickým polem může docházet při mnohem vyšších teplotách, než je možné v rotační mechanické turbíně.

Mezní výkon z hlediska účinnosti tepelných motorů stanovil na začátku 19. století francouzský inženýr Sadi Carnot. Výstupní výkon generátoru MHD na každý metr krychlový jeho objemu je úměrný součinu vodivosti plynu, druhé mocnině rychlosti plynu a druhé mocnině síly magnetického pole, kterým plyn prochází. Aby generátory MHD fungovaly konkurenceschopně, s dobrým výkonem a rozumnými fyzickými rozměry, elektrická vodivost plazmy musí být v teplotním rozsahu nad 1800 K (asi 1500 C nebo 2800 F).

Výběr typu generátoru MHD závisí na použitém palivu a aplikaci. Hojnost zásob uhlí v mnoha zemích světa přispívá k rozvoji uhlíkových systémů MHD pro výrobu elektřiny.