Soojusenergia muundamine suure kasuteguriga elektrienergiaks: meetodid ja seadmed

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-17 18:48

Soojusenergial on inimtegevuses eriline koht, kuna seda kasutatakse kõigis majandussektorites, see on kaasas enamiku tööstusprotsesside ja inimeste elatusvahenditega. Enamasti kaob heitsoojus pöördumatult ja ilma majandusliku kasuta. See kadunud ressurss ei ole enam midagi väärt, seega aitab selle taaskasutamine nii energiakriisi vähendada kui ka keskkonda kaitsta. Seetõttu on uued viisid soojuse muundamiseks elektrienergiaks ja heitsoojuse muundamiseks elektriks tänapäeval asjakohasemad kui kunagi varem.

Elektri tootmise tüübid

Looduslike energiaallikate muundamine elektriks, soojuseks või kineetiliseks energiaks nõuab süsinikdioksiidi heitkoguste vähendamiseks maksimaalset efektiivsust, eriti gaasi- ja söeküttel töötavates elektrijaamades._{2. Teisendamiseks on erinevaid viisesoojusenergia elektrienergiaks, olenev alt primaarenergia liikidest.}

Energiaressurssidest kasutatakse põlemisel elektrienergia tootmiseks sütt ja maagaasi (soojusenergia) ning uraani tuuma lõhustumise teel (tuumaenergia), et kasutada auruenergiat auruturbiini pööramiseks. 2017. aasta kümme elektrit tootvat riiki on näidatud fotol.

Olemasolevate süsteemide tõhususe tabel soojusenergia muundamiseks elektrienergiaks.

	Soojusenergiast elektri tootmine	Tõhusus, %
1	Soojuselektrijaamad, koostootmisjaamad	32
2	Tuumajaamad, tuumaelektrijaamad	80
3	Kondensatsioonielektrijaam, IES	40
4	Gaasiturbiinelektrijaam, GTPP	60
5	Termioonilised muundurid, TEC-d	40
6	Termoelektrigeneraatorid	7
7	MHD elektrigeneraatorid koos CHP-ga	60

Meetodi valimine soojusenergia muundamisekselektrienergia ja selle majanduslik otstarbekus sõltuvad energiavajadusest, loodusliku kütuse olemasolust ja ehitusplatsi piisavusest. Tootmise tüüp on kogu maailmas erinev, mistõttu on elektrihinnad väga erinevad.

Traditsioonilise elektrienergiatööstuse probleemid

Tehnoloogiatel soojusenergia muundamiseks elektrienergiaks, nagu soojuselektrijaamad, tuumaelektrijaamad, IES, gaasiturbiinelektrijaamad, soojuselektrijaamad, termoelektrigeneraatorid, MHD generaatorid, on erinevad eelised ja puudused. Elektrienergia uurimisinstituut (EPRI) illustreerib looduslike energiatootmistehnoloogiate plusse ja miinuseid, vaadeldes kriitilisi tegureid, nagu ehitus ja elektrikulud, maa, veevajadus, CO heitkogused_{2, raiskamine, taskukohasus ja paindlikkus.}

EPRI tulemused näitavad, et elektritootmistehnoloogiate kaalumisel ei ole universaalset lähenemisviisi, kuid maagaasist on siiski rohkem kasu, kuna see on ehituses taskukohane, selle elektrikulu on madal ja tekitab vähem heitkoguseid kui kivisüsi. Kõigil riikidel ei ole aga juurdepääsu rikkalikule ja odavale maagaasile. Mõnel juhul on juurdepääs maagaasile geopoliitiliste pingete tõttu ohus, nagu juhtus Ida-Euroopas ja mõnes Lääne-Euroopa riigis.

Taastuvenergia tehnoloogiad, nagu tuulturbiinid, fotogalvaanilised päikesemoodulid toodavad emissioonielektrit. Kuid need nõuavad tavaliselt palju maad ja nende tõhususe tulemused on ebastabiilsed ja sõltuvad ilmast. Süsi, peamine soojusallikas, on kõige problemaatilisem. See põhjustab süsinikdioksiidi heitkoguseid_{2, vajab jahutusvedeliku jahutamiseks palju puhast vett ja võtab jaama ehitamisel enda alla suure ala.}

Uute tehnoloogiate eesmärk on vähendada mitmeid elektritootmistehnoloogiatega seotud probleeme. Näiteks tagavaraakuga kombineeritud gaasiturbiinid tagavad hädaolukorra varukoopia ilma kütust põletamata ning vahelduvaid taastuvressursside probleeme saab leevendada taskukohase suuremahulise energiasalvesti loomisega. Seega ei ole tänapäeval ühtegi ideaalset viisi soojusenergia muundamiseks elektriks, mis tagaks usaldusväärse ja kulutõhusa elektrienergia minimaalse keskkonnamõjuga.

Soojuselektrijaamad

Soojuselektrijaamas paneb generaatoriga ühendatud turbiini pöörlema kõrgsurve ja kõrge temperatuuriga aur, mis saadakse vee soojendamisel tahke kütuse (peamiselt kivisöe) põletamisel. Seega muundab see oma kineetilise energia elektrienergiaks. Soojuselektrijaama töökomponendid:

1. Gaasiahjuga katel.
2. Auruturbiin.
3. Generaator.
4. Kondensaator.
5. Jahutustornid.
6. Tsirkulatsiooniveepump.
7. Toitepumpvesi boilerisse.
8. Sundväljatõmbeventilaatorid.
9. Separaatorid.

Soojuselektrijaama tüüpiline diagramm on näidatud allpool.

Aurukatelt kasutatakse vee auruks muutmiseks. See protsess viiakse läbi vee soojendamisel torudes, kus küte on kütuse põlemisel. Põlemisprotsesse viiakse pidev alt läbi kütuse põlemiskambris, mille õhuvarustus on väljastpoolt.

Auruturbiin edastab auruenergiat generaatori käivitamiseks. Kõrge rõhu ja temperatuuriga aur surub võllile paigaldatud turbiini labad nii, et see hakkab pöörlema. Sel juhul vähendatakse turbiini siseneva ülekuumendatud auru parameetrid küllastunud olekusse. Küllastunud aur siseneb kondensaatorisse ja pöörlemisvõimsust kasutatakse generaatori pöörlemiseks, mis toodab voolu. Tänapäeval on peaaegu kõik auruturbiinid kondensaatortüüpi.

Kondensaatorid on seadmed auru muundamiseks veeks. Aur voolab torudest väljapoole ja jahutusvesi torude sees. Seda konstruktsiooni nimetatakse pinnakondensaatoriks. Soojusülekande kiirus sõltub jahutusvee vooluhulgast, torude pindalast ning veeauru ja jahutusvee temperatuuride erinevusest. Veeauru vahetusprotsess toimub küllastunud rõhul ja temperatuuril, sel juhul on kondensaator vaakumi all, kuna jahutusvee temperatuur on võrdne välistemperatuuriga, kondensaadivee maksimaalne temperatuur on välistemperatuuri lähedal.

Generaator muudab mehaaniliseenergia elektriks. Generaator koosneb staatorist ja rootorist. Staator koosneb korpusest, mis sisaldab pooli, ja magnetvälja pöörlemisjaam koosneb südamikust, mis sisaldab mähist.

Vastav alt toodetud energia tüübile jagunevad TPPd kondenseerivateks IES-deks, mis toodavad elektrit ning soojuse ja elektri koostootmisjaamadeks, mis toodavad ühiselt soojust (auru ja sooja vett) ja elektrit. Viimased suudavad soojusenergiat suure kasuteguriga muundada elektrienergiaks.

Tuumaelektrijaamad

Tuumaelektrijaamad kasutavad tuuma lõhustumisel eralduvat soojust vee soojendamiseks ja auru tootmiseks. Auru kasutatakse suurte turbiinide pööramiseks, mis toodavad elektrit. Lõhustumisel jagunevad aatomid väiksemateks aatomiteks, vabastades energiat. Protsess toimub reaktoris. Selle keskel on tuum, mis sisaldab uraani 235. Tuumaelektrijaamade kütust saadakse uraanist, mis sisaldab isotoopi 235U (0,7%) ja mittelõhustuvat 238U (99,3%).

Tuumakütuse tsükkel on tööstuslike etappide jada, mis on seotud uraanist elektri tootmisega tuumaelektrireaktorites. Uraan on suhteliselt levinud element, mida leidub kõikjal maailmas. Seda kaevandatakse paljudes riikides ja seda töödeldakse enne kütusena kasutamist.

Elektri tootmisega seotud tegevusi nimetatakse ühiselt tuumkütusetsükliks, mille eesmärk on soojusenergia muundamine elektrienergiaks tuumaelektrijaamades. TuumaKütusetsükkel algab uraani kaevandamisega ja lõpeb tuumajäätmete kõrvaldamisega. Kasutatud kütuse ümbertöötlemisel tuumaenergia valikuna moodustavad selle etapid tõelise tsükli.

Uraani-plutooniumi kütusetsükkel

Kütuse ettevalmistamiseks kasutamiseks tuumaelektrijaamades viiakse läbi protsessid kütuseelementide kaevandamiseks, töötlemiseks, muundamiseks, rikastamiseks ja tootmiseks. Kütusetsükkel:

1. Uranium 235 põlemine.
2. Räbu – 235U ja (239Pu, 241Pu) alates 238U.
3. 235U lagunemise ajal selle tarbimine väheneb ja elektri tootmisel saadakse isotoope 238U-st.

VVR-i kütusevarraste maksumus on ligikaudu 20% toodetud elektrienergia maksumusest.

Pärast seda, kui uraan on reaktoris veetnud umbes kolm aastat, saab kasutatav kütus läbida muu kasutusprotsessi, sealhulgas ajutise ladustamise, ümbertöötlemise ja ringlussevõtu enne jäätmete kõrvaldamist. Tuumaelektrijaamad tagavad soojusenergia otsese muundamise elektrienergiaks. Reaktori südamikus tuumalõhustumisel vabanevat soojust kasutatakse vee muutmiseks auruks, mis pöörleb auruturbiini labad, pannes generaatorid elektrit tootma.

Auru jahutatakse veeks muutmise teel elektrijaamas, mida nimetatakse jahutustorniks ja mis kasutab tiikide, jõgede või ookeani vett, et jahutada auruvooluringi puhast vett. Seejärel kasutatakse jahutatud vett uuesti auru tootmiseks.

Tuumaelektrijaamade elektritootmise osakaal, võrreldesnende erinevat tüüpi ressursside tootmise üldine tasakaal mõne riigi ja maailma kontekstis – alloleval fotol.

Gaasiturbiinelektrijaam

Gaasiturbiinelektrijaama tööpõhimõte on sarnane auruturbiinelektrijaama omaga. Ainus erinevus seisneb selles, et auruturbiiniga elektrijaam kasutab turbiini pööramiseks suruauru, samas kui gaasiturbiiniga elektrijaam kasutab gaasi.

Mõelgem soojusenergia elektrienergiaks muutmise põhimõtet gaasiturbiinelektrijaamas.

Gaasiturbiinelektrijaamas surutakse õhk kompressoris kokku. Seejärel läbib see suruõhk põlemiskambri, kus tekib gaasi-õhu segu, suruõhu temperatuur tõuseb. See kõrge temperatuuriga kõrgsurve segu juhitakse läbi gaasiturbiini. Turbiinis paisub see järsult, saades piisav alt kineetilist energiat, et turbiini pöörata.

Gaasiturbiinelektrijaamas on turbiini võll, generaator ja õhukompressor tavalised. Turbiinis tekkivat mehaanilist energiat kasutatakse osaliselt õhu kokkusurumiseks. Gaasiturbiinelektrijaamu kasutatakse sageli hüdroelektrijaamade varu-abitarnijana. See toodab hüdroelektrijaama käivitamise ajal abienergiat.

Gaasiturbiinelektrijaama eelised ja puudused

Disaingaasiturbiiniga elektrijaam on palju lihtsam kui auruturbiiniga elektrijaam. Gaasiturbiiniga elektrijaama suurus on väiksem kui auruturbiinelektrijaamal. Gaasiturbiiniga elektrijaamas ei ole katla komponenti ja seetõttu on süsteem vähem keerukas. Pole vaja auru, kondensaatorit ega jahutustorni.

Võimsate gaasiturbiinelektrijaamade projekteerimine ja ehitamine on palju lihtsam ja odavam, kapitali- ja tegevuskulud on palju väiksemad kui sarnase auruturbiinelektrijaama maksumus.

Gaasiturbiinelektrijaama püsivad kaod on auruturbiinelektrijaamaga võrreldes oluliselt väiksemad, kuna auruturbiinis peab katlaelektrijaam töötama pidev alt ka siis, kui süsteem ei anna võrku koormust. Gaasiturbiiniga elektrijaama saab käivitada peaaegu kohe.

Gaasiturbiinelektrijaama puudused:

1. Turbiinis tekkivat mehaanilist energiat kasutatakse ka õhukompressori käitamiseks.
2. Kuna suurem osa turbiinis tekkivast mehaanilisest energiast kasutatakse õhukompressori käitamiseks, ei ole gaasiturbiinelektrijaama üldine kasutegur sama kõrge kui samaväärsel auruturbiinelektrijaamal.
3. Gaasiturbiinelektrijaama heitgaasid on väga erinevad kateldest.
4. Enne turbiini tegelikku käivitamist tuleb õhk eelnev alt kokku suruda, mis nõuab gaasiturbiinelektrijaama käivitamiseks täiendavat jõuallikat.
5. Gaasi temperatuur on selleks piisav alt kõrgegaasiturbiini elektrijaam. Selle tulemuseks on lühem süsteemi eluiga kui samaväärsel auruturbiinil.

Madalama kasuteguri tõttu ei saa gaasiturbiinelektrijaama kasutada kaubanduslikuks elektritootmiseks, seda kasutatakse tavaliselt teiste tavaliste elektrijaamade, näiteks hüdroelektrijaamade, lisatoitega varustamiseks.

Termioonikamuundurid

Neid nimetatakse ka termogeneraatoriteks või termoelektrimootoriteks, mis muudavad soojuse soojuse emissiooni abil otse elektriks. Soojusenergiat saab väga suure tõhususega muuta elektrienergiaks temperatuurist põhjustatud elektronivoolu protsessi abil, mida nimetatakse termokiirguseks.

Termioonsete energiamuundurite tööpõhimõte seisneb selles, et elektronid aurustuvad kuumutatud katoodi pinn alt vaakumis ja kondenseeruvad seejärel külmemale anoodile. Alates esimesest praktilisest demonstratsioonist 1957. aastal on termoenergiamuundureid kasutatud erinevate soojusallikatega, kuid kõik need nõuavad töötamist kõrgetel temperatuuridel – üle 1500 K. Termiooniliste võimsusmuundurite töötamisel suhteliselt madalal temperatuuril (700 K 900 K).

Tavapäraste katoodmaterjalide jaoks, naguSarnaselt metallidele ja pooljuhtidele on emiteeritud elektronide arv võrdeline katoodi temperatuuri ruuduga. Hiljutine uuring näitab aga, et kuumuse temperatuuri saab suurusjärgu võrra vähendada, kasutades grafeeni kuuma katoodina. Saadud andmed näitavad, et 900 K juures töötav grafeenil põhinev katoodtermioonmuundur võib saavutada 45% efektiivsuse.

Elektronide termilise emissiooni protsessi skemaatiline diagramm on näidatud fotol.

TIC põhineb grafeenil, kus Tc ja Ta on vastav alt katoodi ja anoodi temperatuur. Tuginedes uuele termioonilise emissiooni mehhanismile, viitavad teadlased, et grafeenil põhinevat katoodenergia muundurit võiks kasutada tööstusliku heitsoojuse taaskasutamisel, mis sageli jõuab temperatuurivahemikku 700–900 K.

Liangi ja Engi esitletud uus mudel võib olla kasulik grafeenipõhise võimsusmuunduri disainile. Tahkisvõimsuse muundurid, mis on peamiselt termoelektrilised generaatorid, töötavad madalal temperatuuril tavaliselt ebaefektiivselt (kasutegur alla 7%).

Termoelektrigeneraatorid

Jäätmeenergia ringlussevõtt on muutunud teadlaste ja teadlaste seas populaarseks sihtmärgiks, kes leiavad selle eesmärgi saavutamiseks uuenduslikke meetodeid. Üheks perspektiivikamaks valdkonnaks on nanotehnoloogial põhinevad termoelektrilised seadmed, misnäeb välja nagu uus lähenemine energia säästmisele. Soojuse otsest muundamist elektriks või elektri soojuseks nimetatakse termoelektriks, mis põhineb Peltieri efektil. Kui täpne olla, siis efekt on nime saanud kahe füüsiku – Jean Peltier’ ja Thomas Seebecki – järgi.

Peltier avastas, et vool, mis suunatakse kahte erinevasse elektrijuhtmesse, mis on ühendatud kahes ristmikus, põhjustab ühe ristmiku kuumenemise, samas kui teine ristmik jahtub. Peltier jätkas oma uurimistööd ja leidis, et vismuti-antimoni (BiSb) ristmikul saab tilga vett külmutada, muutes lihts alt voolu. Peltier avastas ka, et elektrivool võib voolata, kui erinevate juhtide ristmikul asetatakse temperatuuride erinevus.

Soojuselekter on äärmiselt huvitav elektrienergia allikas, kuna see suudab soojusvoogu otse elektriks muundada. See on väga skaleeritav energiamuundur, millel pole liikuvaid osi ega vedelkütust, mistõttu sobib see peaaegu igas olukorras, kus palju soojust kipub raisku minema, alates riietest kuni suurte tööstusrajatisteni.

Pooljuhtide termopaarmaterjalides kasutatavad nanostruktuurid aitavad säilitada head elektrijuhtivust ja vähendada soojusjuhtivust. Seega saab termoelektriliste seadmete jõudlust suurendada nanotehnoloogial põhinevate materjalide kasutamisega, koosPeltieri efekti kasutamine. Neil on paremad termoelektrilised omadused ja hea päikeseenergia neeldumisvõime.

Termoelektri rakendamine:

1. Energiapakkujad ja andurid vahemikus.
2. Põlev õlilamp, mis juhib kaugsuhtluseks juhtmevaba vastuvõtjat.
3. Väikeste elektroonikaseadmete (nt MP3-mängijad, digitaalkellad, GPS-/GSM-kiibid ja impulssmõõturid) rakendamine kehasoojuse abil.
4. Kiire jahutavad istmed luksusautodes.
5. Puhastage sõidukites jääksoojus, muutes selle elektriks.
6. Muutke tehastest või tööstusrajatiste heitsoojus lisavõimsuseks.
7. Päikeseenergia termoelektrikud võivad olla energia tootmisel tõhusamad kui fotogalvaanilised elemendid, eriti piirkondades, kus päikesevalgust on vähem.

MHD elektrigeneraatorid

Magnetohüdrodünaamilised elektrigeneraatorid toodavad elektrit liikuva vedeliku (tavaliselt ioniseeritud gaasi või plasma) ja magnetvälja koosmõjul. Alates 1970. aastast on mitmes riigis läbi viidud MHD uurimisprogramme, keskendudes eelkõige söe kasutamisele kütusena.

MHD-tehnoloogia loomise aluspõhimõte on elegantne. Tavaliselt toodetakse elektrit juhtivat gaasi kõrge rõhu all fossiilkütuste põletamisel. Seejärel suunatakse gaas läbi magnetvälja, mille tulemuseks on elektromotoorjõud, mis toimib selle sees vastav alt induktsiooniseadusele. Faraday (nimetatud 19. sajandi inglise füüsiku ja keemiku Michael Faraday järgi).

MHD-süsteem on soojusmootor, mis hõlmab gaasi paisutamist kõrgelt rõhult madalale samamoodi nagu tavalises gaasiturbiingeneraatoris. MHD süsteemis muundatakse gaasi kineetiline energia otse elektrienergiaks, kuna sellel lastakse paisuda. Huvi MHD genereerimise vastu tekitas algselt avastus, et plasma koostoime magnetväljaga võib toimuda palju kõrgematel temperatuuridel, kui see on võimalik pöörlevas mehaanilises turbiinis.

Soojusmasinate tõhususe piirava jõudluse määras 19. sajandi alguses Prantsuse insener Sadi Carnot. MHD-generaatori väljundvõimsus iga ruumala kuupmeetri kohta on võrdeline gaasi juhtivuse korrutise, gaasi kiiruse ruudu ja selle magnetvälja tugevuse ruuduga, mida gaas läbib. Selleks, et MHD-generaatorid töötaksid konkurentsivõimeliselt, hea jõudluse ja mõistlike füüsiliste mõõtmetega, peab plasma elektrijuhtivus olema temperatuurivahemikus üle 1800 K (umbes 1500 C või 2800 F).

MHD generaatori tüübi valik sõltub kasutatavast kütusest ja rakendusest. Söevarude rohkus paljudes maailma riikides aitab kaasa MHD süsinikusüsteemide arendamisele elektritootmiseks.