Termal enerjinin yüksek verimlilikle elektrik enerjisine dönüştürülmesi: yöntemler ve ekipman

2024 Yazar: Howard Calhoun | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-02 14:04

Isı enerjisi, ekonominin tüm sektörlerinde kullanıldığı, çoğu endüstriyel sürece ve insanların geçim kaynaklarına eşlik ettiği için insan faaliyetlerinde özel bir yere sahiptir. Çoğu durumda atık ısı, geri dönüşü olmayan bir şekilde ve herhangi bir ekonomik fayda sağlamadan kaybedilir. Kaybedilen bu kaynağın artık hiçbir değeri yoktur, dolayısıyla yeniden kullanılması hem enerji krizini az altmaya hem de çevreyi korumaya yardımcı olacaktır. Bu nedenle, ısıyı elektrik enerjisine ve atık ısıyı elektriğe dönüştürmenin yeni yolları bugün her zamankinden daha alakalı.

Elektrik üretim türleri

Doğal enerji kaynaklarını elektrik, ısı veya kinetik enerjiye dönüştürmek, CO2 emisyonlarını az altmak için özellikle gaz ve kömürle çalışan elektrik santrallerinde maksimum verimlilik gerektirir_{2. dönüştürmenin çeşitli yolları vardırbirincil enerji türlerine bağlı olarak termal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür.}

Enerji kaynakları arasında, kömür ve doğal gaz, bir buhar türbinini döndürmek için buhar gücünü kullanmak için yanma yoluyla (termal enerji) elektrik üretmek için ve nükleer fisyonla (nükleer enerji) uranyum kullanılır. 2017 için ilk on elektrik üreten ülke fotoğrafta gösterilmektedir.

Termal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi için mevcut sistemlerin verimlilik tablosu.

	Termal enerjiden elektrik üretimi	Verimlilik, %
1	Termik santraller, CHP santralleri	32
2	Nükleer santraller, nükleer santraller	80
3	Yoğuşmalı Elektrik Santrali, IES	40
4	Gaz türbini santrali, GTPP	60
5	Termiyonik dönüştürücüler, TEC'ler	40
6	Termoelektrik jeneratörler	7
7	CHP ile birlikte MHD jeneratörler	60

Termal enerjiyi enerjiye dönüştürmek için bir yöntem seçmeelektrik ve ekonomik fizibilitesi, enerji ihtiyacına, doğal yakıtın mevcudiyetine ve şantiyenin yeterliliğine bağlıdır. Üretim türü dünya çapında farklılık gösterir ve bu da çok çeşitli elektrik fiyatlarına neden olur.

Geleneksel elektrik enerjisi endüstrisinin sorunları

Termik santraller, nükleer santraller, IES, gaz türbini santralleri, termik santraller, termoelektrik jeneratörler, MHD jeneratörler gibi termik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürme teknolojileri farklı avantaj ve dezavantajlara sahiptir. Elektrik Gücü Araştırma Enstitüsü (EPRI), doğal enerji üretim teknolojilerinin artılarını ve eksilerini inşaat ve elektrik maliyetleri, arazi, su gereksinimleri, CO emisyonları_{2, israf, satın alınabilirlik ve esneklik.}

EPRI sonuçları, elektrik üretim teknolojileri düşünüldüğünde herkese uyan tek bir yaklaşımın olmadığını, ancak doğal gazın inşaat için uygun fiyatlı olması, düşük elektrik maliyeti olması ve doğal gazdan daha az emisyon üretmesi nedeniyle hala daha fazla fayda sağladığını vurgulamaktadır. kömür. Ancak, tüm ülkelerin bol ve ucuz doğal gaza erişimi yoktur. Bazı durumlarda, Doğu Avrupa ve bazı Batı Avrupa ülkelerinde olduğu gibi jeopolitik gerilimler nedeniyle doğalgaza erişim tehdit altındadır.

Rüzgar gibi yenilenebilir enerji teknolojileritürbinler, güneş fotovoltaik modülleri emisyon elektriği üretir. Bununla birlikte, çok fazla araziye ihtiyaç duyma eğilimindedirler ve etkinliklerinin sonuçları kararsızdır ve hava durumuna bağlıdır. Ana ısı kaynağı olan kömür en sorunlu olanıdır. CO emisyonlarına yol açar_{2, soğutma sıvısını soğutmak için çok miktarda temiz su gerektirir ve istasyonun inşası için geniş bir alanı kaplar.}

Yeni teknolojiler, enerji üretim teknolojileriyle ilgili bir takım sorunları az altmayı amaçlar. Örneğin, bir yedek pil ile birleştirilmiş gaz türbinleri, yakıt yakmadan acil durum yedeği sağlar ve kesintili yenilenebilir kaynak sorunları, uygun fiyatlı büyük ölçekli enerji depolaması yaratılarak hafifletilebilir. Bu nedenle, günümüzde termal enerjiyi elektriğe dönüştürmenin, çevreye minimum etkiyle güvenilir ve uygun maliyetli elektrik sağlayabilecek mükemmel bir yolu yoktur.

Termik santraller

Bir termik santralde, katı yakıtın (çoğunlukla kömür) yakılmasıyla suyun ısıtılmasından elde edilen yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıktaki buhar, bir jeneratöre bağlı bir türbini döndürür. Böylece kinetik enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Termik santralin işletim bileşenleri:

1. Gaz fırınlı kazan.
2. Buhar türbini.
3. Jeneratör.
4. Kapasitör.
5. Soğutma kuleleri.
6. Sirkülasyonlu su pompası.
7. Besleme pompasıkazanın içine su.
8. Zorlanmış egzoz fanları.
9. Ayırıcılar.

Termik santralin tipik şeması aşağıda gösterilmiştir.

Buhar kazanı, suyu buhara dönüştürmek için kullanılır. Bu işlem, yakıtın yanmasından ısıtma ile borularda su ısıtılarak gerçekleştirilir. Yanma işlemleri, dışarıdan hava beslemesi ile yakıt yanma odasında sürekli olarak gerçekleştirilir.

Buhar türbini, bir jeneratörü çalıştırmak için buhar enerjisini aktarır. Yüksek basınç ve sıcaklıktaki buhar, mil üzerine monte edilmiş türbin kanatlarını iterek dönmeye başlar. Bu durumda, türbine giren aşırı ısıtılmış buharın parametreleri doymuş duruma düşürülür. Doymuş buhar kondensere girer ve akım üreten jeneratörü döndürmek için döner güç kullanılır. Bugün neredeyse tüm buhar türbinleri kondenser tipindedir.

Kondenserler, buharı suya dönüştürmek için kullanılan cihazlardır. Buhar boruların dışında akar ve soğutma suyu boruların içinde akar. Bu tasarıma yüzey kondansatörü denir. Isı transfer hızı, soğutma suyunun akışına, boruların yüzey alanına ve su buharı ile soğutma suyu arasındaki sıcaklık farkına bağlıdır. Su buharı değişim işlemi doymuş basınç ve sıcaklık altında gerçekleşir, bu durumda kondenser vakum altındadır, çünkü soğutma suyunun sıcaklığı dış sıcaklığa eşittir, yoğuşma suyunun maksimum sıcaklığı dış sıcaklığa yakındır.

Jeneratör, mekanikenerjiyi elektriğe dönüştürmek. Jeneratör bir stator ve bir rotordan oluşur. Stator, bobinleri içeren bir mahfazadan oluşur ve manyetik alan döner istasyonu, bobini içeren bir çekirdekten oluşur.

Üretilen enerjinin türüne göre, TPP'ler, elektrik üreten yoğuşmalı IES'ler ve birlikte ısı (buhar ve sıcak su) ve elektrik üreten kombine ısı ve enerji santralleri olarak ikiye ayrılır. İkincisi, termal enerjiyi yüksek verimlilikle elektrik enerjisine dönüştürme yeteneğine sahiptir.

Nükleer santraller

Nükleer santraller, nükleer fisyon sırasında açığa çıkan ısıyı suyu ısıtmak ve buhar üretmek için kullanır. Buhar, elektrik üreten büyük türbinleri döndürmek için kullanılır. Fisyonda, atomlar daha küçük atomlar oluşturmak için bölünür ve enerji açığa çıkar. İşlem reaktörün içinde gerçekleşir. Merkezinde uranyum 235 içeren bir çekirdek bulunur. Nükleer santraller için yakıt, 235U (%0,7) ve bölünemez 238U (%99,3) izotopunu içeren uranyumdan elde edilir.

Nükleer yakıt döngüsü, nükleer güç reaktörlerinde uranyumdan elektrik üretiminde yer alan bir dizi endüstriyel adımdır. Uranyum, tüm dünyada bulunan nispeten yaygın bir elementtir. Birkaç ülkede çıkarılır ve yakıt olarak kullanılmadan önce işlenir.

Elektrik üretimi ile ilgili faaliyetler topluca nükleer santrallerde termal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi için nükleer yakıt döngüsü olarak adlandırılır. NükleerYakıt döngüsü uranyum madenciliği ile başlar ve nükleer atık bertarafı ile sona erer. Nükleer güç için bir seçenek olarak kullanılmış yakıtı yeniden işlerken, adımları gerçek bir döngü oluşturur.

Uranyum-Plütonyum Yakıt Döngüsü

Nükleer santrallerde kullanılmak üzere yakıt hazırlamak için yakıt elemanlarının çıkarılması, işlenmesi, dönüştürülmesi, zenginleştirilmesi ve üretilmesi için işlemler gerçekleştirilir. Yakıt döngüsü:

1. Uranyum 235 yanması.
2. Cüruf - 235U ve (239Pu, 241Pu) 238U'dan.
3. 235U'nun bozunması sırasında tüketimi azalır ve elektrik üretilirken 238U'dan izotoplar elde edilir.

VVR için yakıt çubuklarının maliyeti, üretilen elektriğin maliyetinin yaklaşık %20'sidir.

Uranyum bir reaktörde yaklaşık üç yıl geçirdikten sonra, kullanılan yakıt, atık bertarafından önce geçici depolama, yeniden işleme ve geri dönüşüm dahil olmak üzere başka bir kullanım sürecinden geçebilir. Nükleer santraller, termal enerjinin doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesini sağlar. Reaktör çekirdeğindeki nükleer fisyon sırasında açığa çıkan ısı, suyu buhara dönüştürmek için kullanılır, bu da bir buhar türbininin kanatlarını döndürerek jeneratörleri elektrik üretmeye yönlendirir.

Buhar, havuzlardan, nehirlerden veya okyanustan gelen suyu buhar güç devresinin temiz suyunu soğutmak için kullanan soğutma kulesi adı verilen bir elektrik santralinde ayrı bir yapıda suya dönüştürülerek soğutulur. Soğutulmuş su daha sonra buhar üretmek için yeniden kullanılır.

Nükleer santrallerde elektrik üretiminin payı,bazı ülkeler ve dünya bağlamında farklı kaynak türlerinin üretiminin genel dengesi - aşağıdaki fotoğrafta.

Gaz Türbini Santrali

Gaz türbinli elektrik santralinin çalışma prensibi, buhar türbinli elektrik santralininkine benzer. Tek fark, bir buhar türbini santralinin türbini döndürmek için sıkıştırılmış buhar kullanması, gaz türbini santralinin ise gaz kullanmasıdır.

Bir gaz türbini santralinde termal enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi ilkesini ele alalım.

Bir gaz türbini santralinde hava kompresörde sıkıştırılır. Daha sonra bu basınçlı hava, gaz-hava karışımının oluştuğu yanma odasından geçer, basınçlı havanın sıcaklığı yükselir. Bu yüksek sıcaklık, yüksek basınç karışımı bir gaz türbininden geçirilir. Türbinde keskin bir şekilde genişler ve türbini döndürmek için yeterli kinetik enerji alır.

Bir gaz türbini santralinde türbin şaftı, alternatör ve hava kompresörü ortaktır. Türbinde üretilen mekanik enerji kısmen havayı sıkıştırmak için kullanılır. Gaz türbini santralleri genellikle hidroelektrik santrallerine yedek bir yardımcı enerji tedarikçisi olarak kullanılır. Hidroelektrik santralin devreye alınması sırasında yardımcı güç üretir.

Gaz türbini santralinin avantajları ve dezavantajları

Tasarımgaz türbini santrali, buhar türbini santralinden çok daha basittir. Gaz türbinli bir elektrik santralinin boyutu, bir buhar türbinli elektrik santralinden daha küçüktür. Bir gaz türbini santralinde kazan bileşeni yoktur ve bu nedenle sistem daha az karmaşıktır. Buhar yok, kondenser veya soğutma kulesi gerekli değil.

Güçlü gaz türbinli elektrik santrallerinin tasarımı ve inşası çok daha kolay ve ucuzdur, sermaye ve işletme maliyetleri benzer bir buhar türbinli elektrik santralinin maliyetinden çok daha düşüktür.

Bir gaz türbini elektrik santralindeki kalıcı kayıplar, bir buhar türbini elektrik santraline kıyasla önemli ölçüde daha azdır, çünkü bir buhar türbininde kazanlı elektrik santrali, sistem şebekeye bir yük sağlamadığında bile sürekli olarak çalışmak zorundadır.. Bir gaz türbini santrali neredeyse anında başlatılabilir.

Gaz türbinli elektrik santralinin dezavantajları:

1. Türbinde üretilen mekanik enerji aynı zamanda hava kompresörünü çalıştırmak için de kullanılır.
2. Türbinde üretilen mekanik enerjinin çoğu hava kompresörünü çalıştırmak için kullanıldığından, bir gaz türbini elektrik santralinin genel verimliliği, eşdeğer bir buhar türbini elektrik santrali kadar yüksek değildir.
3. Bir gaz türbini santralindeki egzoz gazları, bir kazandan çok farklıdır.
4. Türbin fiili olarak çalıştırılmadan önce, hava önceden sıkıştırılmalıdır, bu da gaz türbini elektrik santralini başlatmak için ek bir güç kaynağı gerektirir.
5. Gaz sıcaklığı aşağıdakiler için yeterince yüksekgaz türbini santrali. Bu, eşdeğer bir buhar türbininden daha kısa bir sistem ömrü sağlar.

Düşük verimliliği nedeniyle, gaz türbini santrali ticari enerji üretimi için kullanılamaz, genellikle hidroelektrik santraller gibi diğer geleneksel enerji santrallerine yardımcı güç sağlamak için kullanılır.

Termiyonik dönüştürücüler

Termik emisyon kullanarak ısıyı doğrudan elektriğe dönüştüren termiyonik jeneratör veya termoelektrik motor olarak da adlandırılırlar. Termal enerji, termiyonik radyasyon olarak bilinen sıcaklığa bağlı elektron akışı süreciyle çok yüksek verimlilikte elektrik enerjisine dönüştürülebilir.

Termiyonik enerji dönüştürücülerinin temel çalışma prensibi, elektronların ısıtılmış bir katodun yüzeyinden vakumda buharlaşması ve daha sonra daha soğuk bir anotta yoğunlaşmasıdır. 1957'deki ilk pratik gösterimden bu yana, termiyonik güç dönüştürücüler çeşitli ısı kaynaklarıyla birlikte kullanılmıştır, ancak hepsi yüksek sıcaklıklarda - 1500 K'nin üzerinde çalışmayı gerektirir. Termiyonik güç dönüştürücülerinin çalışması nispeten düşük bir sıcaklıkta (700 K - 900 K) mümkündür, tipik olarak > %50 olan işlemin verimliliği önemli ölçüde azalır, çünkü katottan birim alan başına yayılan elektron sayısı ısıtma sıcaklığına bağlıdır.

Konvansiyonel katot malzemeleri içinmetaller ve yarı iletkenler gibi, yayılan elektronların sayısı katot sıcaklığının karesiyle orantılıdır. Bununla birlikte, yakın tarihli bir çalışma, sıcak katot olarak grafen kullanılarak ısı sıcaklığının bir büyüklük sırasına göre az altılabileceğini göstermektedir. Elde edilen veriler, 900 K'da çalışan grafen bazlı bir katot termiyonik dönüştürücünün %45'lik bir verime ulaşabileceğini göstermektedir.

Elektron termiyonik emisyon sürecinin şematik diyagramı fotoğrafta gösterilmektedir.

TIC grafene dayalıdır, burada Tc ve Ta sırasıyla katodun sıcaklığı ve anotun sıcaklığıdır. Yeni termiyonik emisyon mekanizmasına dayanan araştırmacılar, grafen bazlı katot enerji dönüştürücüsünün uygulamasını, genellikle 700 ila 900 K sıcaklık aralığına ulaşan endüstriyel atık ısının geri dönüştürülmesinde bulabileceğini öne sürüyorlar.

Liang ve Eng tarafından sunulan yeni model, grafen tabanlı güç dönüştürücü tasarımına fayda sağlayabilir. Esas olarak termoelektrik jeneratörler olan katı hal güç dönüştürücüler, genellikle düşük sıcaklık aralığında (%7'den az verim) verimsiz çalışırlar.

Termoelektrik jeneratörler

Atık enerjinin geri dönüştürülmesi, bu hedefe ulaşmak için yenilikçi yöntemler bulan araştırmacılar ve bilim adamları için popüler bir hedef haline geldi. En umut verici alanlardan biri, nanoteknolojiye dayalı termoelektrik cihazlardır.enerji tasarrufu için yeni bir yaklaşım gibi görünüyor. Isının elektriğe veya elektriğin ısıya doğrudan dönüştürülmesi, Peltier etkisine dayalı termoelektrik olarak bilinir. Kesin olmak gerekirse, etki adını iki fizikçiden almıştır - Jean Peltier ve Thomas Seebeck.

Peltier, iki bağlantı noktasına bağlı iki farklı elektrik iletkenine gönderilen akımın bir bağlantının ısınmasına ve diğer bağlantının soğumasına neden olacağını keşfetti. Peltier araştırmasına devam etti ve sadece akımı değiştirerek bir bizmut-antimon (BiSb) kavşağında bir damla suyun dondurulabileceğini buldu. Peltier ayrıca, farklı iletkenlerin birleşim yerine bir sıcaklık farkı yerleştirildiğinde bir elektrik akımının akabileceğini keşfetti.

Termoelektrik, ısı akışını doğrudan elektriğe dönüştürme yeteneği nedeniyle son derece ilginç bir elektrik kaynağıdır. Yüksek düzeyde ölçeklenebilir bir enerji dönüştürücüdür ve hareketli parçası veya sıvı yakıtı yoktur, bu da onu giyimden büyük endüstriyel tesislere kadar çok fazla ısının boşa gitme eğiliminde olduğu hemen hemen her durum için uygun hale getirir.

Yarı iletken termokupl malzemelerinde kullanılan nanoyapılar, iyi elektriksel iletkenliğin korunmasına ve termal iletkenliğin az altılmasına yardımcı olacaktır. Böylece termoelektrik cihazların performansı nanoteknolojiye dayalı malzemelerin kullanımı ile artırılabilir. Peltier efekti kullanılarak Geliştirilmiş termoelektrik özelliklere ve güneş enerjisinin iyi absorpsiyon kapasitesine sahiptirler.

Termoelektrik uygulaması:

1. Aralıklardaki enerji sağlayıcıları ve sensörler.
2. Uzaktan iletişim için kablosuz alıcıyı kontrol eden yanan bir gaz lambası.
3. MP3 çalarlar, dijital saatler, GPS/GSM çipleri ve vücut ısısı ile impuls ölçerler gibi küçük elektronik cihazların uygulanması.
4. Lüks arabalarda hızlı soğutmalı koltuklar.
5. Araçlardaki atık ısıyı elektriğe dönüştürerek temizleyin.
6. Fabrikalardan veya endüstriyel tesislerden gelen atık ısıyı ek güce dönüştürün.
7. Güneş termoelektrikleri, özellikle daha az güneş ışığı alan bölgelerde, elektrik üretimi için fotovoltaik hücrelerden daha verimli olabilir.

MHD güç jeneratörleri

Magnetohidrodinamik güç jeneratörleri, hareketli bir sıvının (genellikle iyonize bir gaz veya plazma) ve bir manyetik alanın etkileşimi yoluyla elektrik üretir. 1970'den beri, çeşitli ülkelerde kömürün yakıt olarak kullanımına özel olarak odaklanan MHD araştırma programları yürütülmektedir.

MHD teknolojisi neslinin altında yatan ilke zariftir. Tipik olarak, elektriksel olarak iletken gaz, fosil yakıtların yakılmasıyla yüksek basınçta üretilir. Gaz daha sonra bir manyetik alan içinden yönlendirilir, bu da indüksiyon yasasına uygun olarak gazın içinde hareket eden bir elektromotor kuvveti ile sonuçlanır. Faraday (adını 19. yüzyıl İngiliz fizikçi ve kimyager Michael Faraday'den almıştır).

MHD sistemi, geleneksel bir gaz türbini jeneratöründe olduğu gibi gazın yüksek basınçtan düşük basınca genleşmesini içeren bir ısı motorudur. MHD sisteminde, gazın kinetik enerjisi, genleşmesine izin verildiği için doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülür. MHD üretmeye olan ilgi, başlangıçta, bir plazmanın bir manyetik alanla etkileşiminin, dönen bir mekanik türbinde mümkün olandan çok daha yüksek sıcaklıklarda meydana gelebileceğinin keşfedilmesiyle ateşlendi.

Isı motorlarında verimlilik açısından sınırlayıcı performans, 19. yüzyılın başında Fransız mühendis Sadi Carnot tarafından belirlendi. Bir MHD jeneratörünün hacminin her metreküpü için çıkış gücü, gaz iletkenlik ürünü, gaz hızının karesi ve gazın içinden geçtiği manyetik alanın gücünün karesi ile orantılıdır. MHD jeneratörlerinin rekabetçi bir şekilde, iyi performans ve makul fiziksel boyutlarla çalışabilmesi için, plazmanın elektrik iletkenliği 1800 K'nin (yaklaşık 1500 C veya 2800 F) üzerindeki sıcaklık aralığında olmalıdır.

MHD jeneratör tipi seçimi, kullanılan yakıta ve uygulamaya bağlıdır. Dünyanın birçok ülkesindeki kömür rezervlerinin bolluğu, elektrik üretimi için MHD karbon sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulunuyor.