Преобразование тепловой энергии в электрическую энергию с высокой эффективностью: методы и оборудование
Опубликованно 01.10.2018 21:40
Тепловая энергия занимает особое место в человеческой деятельности, так как она используется во всех отраслях экономики, сопровождающегося большинство промышленных процессов и уровня жизни населения. В большинстве случаев, отходы тепла теряются безвозвратно и без какой-либо экономической выгоды. Этот потерянный ресурс ничего не стоит, так что повторное использование будет способствовать снижению энергетического кризиса и охраны окружающей среды. Таким образом, новые методы преобразования тепловой в электрическую энергию и преобразованием тепла в электричество сегодня актуален как никогда. Типы производства электроэнергии
Преобразовать природные источники энергии в электричество, тепловая или кинетическая энергия требует максимальной эффективностью, особенно газовых и угольных электростанций, чтобы сократить выбросы CO2. Существуют различные способы преобразования тепловой энергии в электрическую, в зависимости от вида первичной энергии.
Среди энергетических ресурсов угля и природного газа, используемого для выработки электроэнергии посредством сжигания топлива (тепловой энергии), и Урана деление ядер (атомная энергия), чтобы использовать энергию пара для вращения паровой турбины. В десятку крупнейших производителей электроэнергии в 2017 году.
Таблица эффективности существующих систем преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.
Нет.
Производство электричества из тепловой энергии
Эффективность, %
1
Тепловая электростанция ТЭЦ
32
2
Атомных электростанций, атомных электростанций
80
3
Конденсационная электростанция, КЭС
40
4
Газотурбинные электростанции, газотурбинные электростанции
60
5
Термоэмиссионные преобразователи ТЭП
40
6
Термоэлектрические генераторы
7
7
Генераторы МГД совместно с ТЭЦ
60
Выберите метод преобразования тепловой энергии в электрическую и ее экономическая целесообразность зависит от потребности в энергии, запасов ископаемых видов топлива и адекватность стройке. Тип производства зависит во всем мире, ведущий к широкому диапазону цен на электроэнергию.
Проблемы традиционной электроэнергии
Технология преобразования тепловой энергии в электрическую, таких как ТЭС, АЭС, КЭС, ГТУ, ТЭЦ, термоэлектрические генераторы, МГД-генераторы имеют разные преимущества и недостатки. Научно-исследовательский институт электроэнергетики (ИИЭ) иллюстрирует плюсы и минусы поколение технологий на природные энергетические ресурсы, учитывая такие важнейшие факторы, как строительство и затратами энергии, земли, воды требования, выбросов CO2, отходами, доступность и гибкость.
Результаты ИИЭ подчеркнуть, что при рассмотрении технологий производства электроэнергии не существует единого подхода к решению всех проблем, но это еще больше преимуществ от природного газа, доступного для строительства, низкая стоимость электроэнергии, создает меньше выбросов, чем уголь. Однако, не все страны имеют доступ к обильным и дешевым природным газом. В некоторых случаях доступ к природного газа находится под угрозой из-за геополитической напряженности, как это было в случае с Восточной Европой и некоторыми странами Западной Европы.
Технологии возобновляемых источников энергии, таких как ветрогенераторы, солнечные фотоэлектрические модули производят выбросов электроэнергии. Однако, они, как правило, требуют много земли, результаты их выполнения являются неустойчивыми и зависеть от погоды. Уголь, главным источником тепла является наиболее проблематичным. Он приводит в выбросов CO2, требует много чистой воды для охлаждения теплоносителя, и занимает большую территорию под строительство станции.
Новых технологий, направленных на снижение количества проблем, связанных с технологий производства электроэнергии. Например, газовая турбина в сочетании с резервной батареей, обеспечить резерв на случай непредвиденных обстоятельств без сжигания топлива, и возникающих проблем в области возобновляемых ресурсов могут быть смягчены путем создания доступных крупномасштабного хранения энергии. Таким образом, на сегодняшний день не существует безупречный способ преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, которая может обеспечить надежный и экономичный электроэнергии с минимальным воздействием на окружающую среду. Тепловая электростанция
На ТЭС пар высокого давления и температуры, полученные от нагрева воды при сжигании твердого топлива (в основном уголь), вращает турбину, соединенную с генератором. Таким образом, он преобразует его кинетическую энергию в электрическую энергию. Рабочие компоненты тепловой электростанции: Котел с газовой печи. Паровая турбина. Генератор. Конденсатор. Градирни. Циркуляционный водяной насос. Насос подачи воды в котел. Принудительные вытяжные вентиляторы. Сепараторы.
Типичная схема тепловой электростанции представлена ниже.
Парового котла для преобразования воды в пар. Этот процесс осуществляется путем нагрева воды в трубах тепла от сжигания топлива. Процессы горения осуществляются непрерывно в камеру сгорания топлива и воздуха извне.
Паровая турбина передает энергию пара для вращения генератора. Пар с высоким давлением и температурой дисков турбинных лопаток, установленных на валу, так, что он начинает вращаться. Параметры перегретого пара, поступающего в турбину снижается до состояния насыщения. Насыщенный пар поступает в конденсатор, и роторный румпель применяется для вращения генератор для выработки тока. Сегодня, почти все паровые турбины представляют собой тип конденсатора.
Конденсаторы-это устройства, которые преобразуют пар в воду. Пара течет снаружи трубы, а охлаждающая вода течет внутри трубы. Эта конструкция называется поверхность конденсатора. Скорость передачи тепла зависит от потока охлаждающей воды, поверхности труб и разности температур пара и охлаждающей воды. Процесс изменения водяного пара происходит при насыщенном давлении и температуре, в этом случае, конденсатор в вакууме, потому что температура охлаждающей воды равна внешней температуры, максимальная температура конденсата воды вблизи температуры наружного воздуха.
Генератор преобразует механическую энергию в электрическую энергию. Генератор состоит из статора и ротора. Статор состоит из корпуса, который содержит катушку, магнитное вращающееся поле станция состоит из ядра, содержащего катушку.
Имею в виду вырабатываемой энергии тепловые электростанции подразделяются на конденсационные КЭС, который производит электрическую энергию, и теплоэлектроцентрали ТЭЦ, совместно производящих тепло (пар и горячая вода) и электрической энергии. Наконец, есть возможности преобразования тепловой энергии в электрическую энергию с высокой эффективностью. АЭС
Атомные электростанции используют тепло, вырабатываемое в процессе ядерного деления для нагрева воды и производства пара. Пар используется для вращения больших турбин, которые генерируют электричество. Атомы деления разделить на более мелкие атомы, высвобождая энергию. Процесс происходит внутри реактора. В его центре находится ядро, в котором содержится уран-235. Топлива для атомных электростанций производится из урана, имеющий в своем составе изотопа U-235 (0,7%) и неделящихся ядер 238U (99,3 процента).
Ядерный топливный цикл-это ряд производственных этапов, связанных с производством электроэнергии из урана в ядерных энергетических реакторах. Уран-достаточно распространенный элемент, который встречается во всем мире. Он производится в нескольких странах и обработаны для использования в качестве топлива.
Деятельность, связанную с производством электроэнергии, в совокупности относятся к ядерному топливному циклу для преобразования тепловой энергии в электрическую на атомных электростанциях. Ядерный топливный цикл начинается с добычи урана и заканчивается утилизацией ядерных отходов. При переработке отработавшего топлива в качестве параметра ядерной энергетики, этапы формирования подлинного цикла. Топливного цикла проплаченой
Для подготовки топлива для использования на АЭС, осуществляются процессы по добыче, переработке, конверсии, обогащения и производства топливных элементов. Топливного цикла: Выгорания урана 235. Зашлакованность – и урана-235 (239ри, 241Pu) от ядер 238U. В процессе распада урана-235 расход уменьшается, и 238U в развитие электронной энергии является производным изотопов.
Стоимость топлива для ВВР около 20 % стоимости выработанной электроэнергии.
После того, как Уран будет потратить около трех лет в реакторе, используемого топлива может пройти еще один процесс использования, в том числе для временного хранения, переработки и утилизации перед захоронением отходов. АЭС обеспечивает прямое преобразование тепловой энергии в электрическую энергию. Тепло, вырабатываемое в процессе ядерного деления в активной зоне реактора, используется для преобразования воды в пар, который вращает лопасти паровой турбины, приводить в действие генераторы, которые производят электричество.
Пар охлаждается, превращаясь в воду в отдельную структуру на электростанции называют стояка водяного охлаждения, которая использует воду из пруда, реки или океана для охлаждения чистой воды паровой контур. Затем охлажденная вода используется для получения пара.
Доля выработки электроэнергии на атомных электростанциях, по отношению к общему балансу в разработке различных видов ресурсов в контексте некоторых стран в мире - на фото ниже.
Газотурбинные электростанции
Принцип работы газотурбинной электростанции похож на паротурбинной электростанции. Разница лишь в том, что паровая турбина электростанции для поворота турбины с помощью сжатого пара и газотурбинные электростанции - газ.
Рассмотрим принцип преобразования тепловой энергии в электрическую энергию в газовой турбине электростанции.
В газовой турбине сжатый воздух сжимается в компрессоре. Затем этот сжатый воздух проходит через камеру сгорания в виде газовоздушной смеси, температуру сжатого воздуха. Эта смесь с высокой температуры и высокого давления проходит через газовую турбину. В турбину, он резко расширяется, приобретая кинетическую энергию, достаточную для вращения турбины.
В газотурбинной силовой вал турбины электростанции, генератор и воздушный компрессор являются общими. Механической энергии, получаемой в турбине, частично используется для сжатия воздуха. Газотурбинные электростанции часто используются в качестве резервного поставщика дополнительной энергии на заводе. Он генерирует дополнительную мощность во время пуска гидроэлектростанции. Преимущества и недостатки газотурбинных электростанции
Конструкция газового турбинного завода гораздо проще, чем паротурбинной электростанции. Размер газовой турбины меньше, чем у паровой турбины электростанции. В газотурбинной электростанции никакого котла компонент, и, следовательно, система является менее сложным. Отсутствующие пары, поэтому не требуют конденсатора и градирни.
Проектирование и строительство мощных газотурбинных электростанций гораздо проще и дешевле, капитальные и эксплуатационные затраты существенно меньше, чем стоимость аналогичного паровой турбины электростанции.
Постоянные потери в составе газотурбинных электростанций значительно меньше по сравнению с паросиловой установки с паровой турбиной электростанции котел должен работать постоянно, даже когда система не подает нагрузку в сети. Газотурбинная электростанция может быть запущена практически мгновенно.
Недостатки газотурбинной электростанции: Механическая энергия генерируется в турбине используется также для запуска воздушного компрессора. Поскольку основная часть механической энергии, вырабатываемой турбиной, используется для управления компрессора воздуха, общий КПД газотурбинной установки не так высока, как эквивалент паротурбинной электростанции. Выхлопных газов в газовой турбине электростанции сильно отличаются от котла. До фактического запуска турбины воздух должен быть предварительно сжат, что требует дополнительного источника питания для запуска газотурбинной электростанции. Температура газа достаточно высока для газотурбинной электростанции. Это приводит к тому, что время жизни системы меньше, чем эквивалент паровой турбины.
Из-за снижения эффективности газотурбинной электростанции не могут быть использованы для коммерческого производства электроэнергии, обычно он используется для подачи вспомогательной энергии с другими, традиционными электростанциями, таких как гидроэлектростанции. Термоэмиссионные преобразователи
Они также называются термоэмиссионного генератора, или термоэлектрический мотор, который напрямую превращать тепло в электроэнергию с помощью РТМ. Тепловая энергия может быть преобразована в электроэнергию с очень высоким КПД через температурно-индуцированного процесса потока электронов, известных как термоэлектронная эмиссия.
Основной принцип термоэмиссионных преобразователей энергии состоит в том, что электроны испаряются с поверхности нагретого катода в вакууме, а затем congenerous на холодный анод. После первой практической демонстрации в 1957 году термоэмиссионных преобразователей энергии были использованы различные источники тепла, но все они требуют работы при высоких температурах выше 1500 к. во время работы термоэмиссионных преобразователей энергии при сравнительно низкой температуре (700 К - 900 к) возможно, эффективность процесса, который обычно > 50%, значительно уменьшилось как число испускаемых электронов за единицу площади катода зависит от температуры нагрева.
Для традиционных катодных материалов, таких как металлы и полупроводники, количество испускаемых электронов пропорциональна квадрату температуры катода. Однако, недавнее исследование показывает, что температура тепла может быть уменьшена на порядок при использовании графена в качестве горячего катода. Данные показывают, что в катодной термоэмиссионного преобразователя на основе графена, работающих при 900 K, может достичь КПД 45%.
Принципиальная схема процесса эмиссии электронных термоэмиссионных.
Крестики на основе графена, где TC и TA-температура катода и анода температуры, соответственно. На основе нового механизма термоэлектронной эмиссии, исследователи предполагают, что преобразователь энергии катода на основе графена может найти применение в повторное использование промышленных отходов тепла, которое нередко достигает в диапазоне температур от 700 до 900 К.
Новая модель, представленная Лян и Ангом, можете воспользоваться конструкцией преобразователя энергии на основе графена. Твердотельных преобразователей энергии, которые, в основном, термоэлектрические генераторы, как правило, являются неэффективными в низкотемпературном диапазоне (с КПД менее 7%). Термоэлектрические генераторы
Использование вторичных энергоресурсов стала популярная цель для исследователей и ученых, которые придумывают инновационные методы для достижения этой цели. Одним из наиболее перспективных направлений является термоэлектрическое устройство на основе нанотехнологий, которые выглядят как новый подход к экономии энергии. Прямое преобразование тепла в электричество или электричество в тепло, называется термоэлектричества на основе эффекта Пельтье. Если быть точным, то эффект назван в честь двух физиков - Жан Пельтье и Томаса Зеебека.
Пельтье обнаружил, что ток направлены в два различных электрических проводника, которые соединены двумя переходами, приведет к нагреванию одно соединение, а другое соединение охлаждается. Пельтье продолжал исследования, обнаружили, что в капле воды можно заморозить на стыке висмут-сурьма (лучший бэби выставки), просто путем изменения тока. Пельтье также обнаружили, что электрический ток может течь при перепаде температур находится через соединение различных проводников.
Термоэлектричество является чрезвычайно интересным источником питания из-за его способности для преобразования теплового потока в электрическую. Он представляет собой преобразователи энергии, которые легко massturbate и не имеют движущихся частей или жидком топливе, что делает их применимыми практически в любой ситуации, где большое количество тепла, как правило, идет в отходы, от одежды до крупных промышленных объектов.
Наноструктур, используемых в материалов для полупроводниковых термоэлементов, поможет поддерживать хорошую электропроводность и теплопроводность. Таким образом, производительность термоэлектрических устройств может быть увеличено за счет использования материалов на основе нанотехнологий, используя эффект Пельтье. Они обладают высокими термоэлектрическими свойствами и хорошей способностью поглощения солнечной энергии.
Применение термоэлектричества: Поставщики энергии и датчиков в диапазонах. Горящая масляная лампа, управление беспроводной приемник для дистанционного общения. Применение небольших электронных устройств, таких как MP3-плееры, цифровые часы, чипы GPS - /сети GSM / импульсные счетчики с теплом тела. Быстрое охлаждение сидений в роскошных автомобилях. Уборка отходов тепла в автомобилях путем преобразования его в электричество. Преобразование сбросного тепла на предприятиях и промышленных объектах в дополнительные мощности. Солнечные termoelectrice может быть более эффективным, чем фотоэлектрических элементов для выработки электроэнергии, особенно в районах с меньше солнечного света. Генераторы МГД
Магнитогидродинамический генератор энергии для выработки электроэнергии за счет взаимодействия движущейся жидкости (обычно ионизированный газ, или плазму) и магнитные поля. С 1970-х годов в нескольких странах был проведен исследовательской программе МГД, с особым упором на использование угля в качестве топлива.
Основополагающий принцип генерации МГД-технологии элегантный. Как правило, электропроводящий газ образуется при высоком давлении за счет сжигания ископаемого топлива. Затем газ передается через магнитное поле, в результате чего в нем действует электродвижущая сила в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея (по имени английского физика и химика девятнадцатого века Майкл Фарадей).
Система МГД представляет собой тепловой двигатель, включающий расширение газа с высокого до низкого давления таким же образом, как и в обычной генератора газовой турбины. В системе МГД, кинетическая энергия газа преобразуется непосредственно в электрическую энергию, так как это позволило расширить. Интерес к генерации МГД было изначально вызвано открытием, что взаимодействие плазмы с магнитным полем может иметь место при значительно более высоких температурах, чем это возможно во вращающейся механической турбины.
Предельные характеристики с точки зрения эффективности тепловых двигателей был создан в начале XIX века французский инженер Сади Карно. Выходная мощность МГД-генератора на каждый кубический метр его объема пропорциональна произведению Газопроводная, квадрату скорости газа и квадрату напряженности магнитного поля, проходящего через газ. Для того, для МГД-генераторов работали конкурсно с хорошим представлением и умеренная физические размеры, электропроводность плазмы должна быть в диапазоне температур выше 1800 к (около 1500 C или 2800 Ф).
Выбор типа МГД-генератора зависит от используемого топлива и применения. Обилие запасов угля во многих странах способствуют развитию систем углерода МГД для производства электроэнергии. Автор: Иван Фролов 28 сентября, 2018
Категория: Новости
