Жылу энергиясын жоғары тиімділікпен электр энергиясына түрлендіру: әдістер мен жабдықтар

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-02 13:58

Жылу энергиясы адам іс-әрекетінде ерекше орын алады, өйткені ол экономиканың барлық салаларында қолданылады, көптеген өндірістік процестермен және адамдардың өмір сүруімен бірге жүреді. Көп жағдайда қалдық жылу қайтарымсыз және ешқандай экономикалық пайдасыз жоғалады. Бұл жоғалған ресурс енді ештеңеге тұрарлық емес, сондықтан оны қайта пайдалану энергетикалық дағдарысты азайтуға және қоршаған ортаны қорғауға көмектеседі. Сондықтан жылуды электр энергиясына және қалдық жылуды электр энергиясына түрлендірудің жаңа тәсілдері бүгінде бұрынғыдан да өзекті болып табылады.

Электр энергиясын өндіру түрлері

Табиғи энергия көздерін электр, жылу немесе кинетикалық энергияға айналдыру CO2 шығарындыларын азайту үшін әсіресе газ және көмір электр станцияларында максималды тиімділікті талап етеді_{2. Түрлендірудің әртүрлі жолдары барбастапқы энергия түрлеріне байланысты жылу энергиясын электр энергиясына айналдырады.}

Энергия ресурстарының ішінде көмір мен табиғи газ жану (жылу энергиясы) арқылы электр энергиясын өндіру үшін, ал уран ядролық бөліну (ядролық энергия) арқылы бу қуатын бу турбинасын айналдыру үшін пайдалану үшін пайдаланылады. Фотода 2017 жылғы электр қуатын өндіретін үздік он ел көрсетілген.

Жылу энергиясын электр энергиясына түрлендіруге арналған қолданыстағы жүйелердің ПӘК кестесі.

	Жылу энергиясынан электр энергиясын өндіру	Тиімділік, %
1	Жылу электр станциялары, ЖЭО станциялары	32
2	Атом станциялары, атом электр станциялары	80
3	Конденсациялық электр станциясы, IES	40
4	Газтурбиналық электр станциясы, GTPP	60
5	Термиондық түрлендіргіштер, ТЭС	40
6	Термоэлектрлік генераторлар	7
7	ЖЭО-мен бірге MHD қуат генераторлары	60

Жылу энергиясын түрлендіру әдісін таңдауэлектр және оның экономикалық орындылығы энергия қажеттілігіне, табиғи отынның болуына және құрылыс алаңының жеткіліктілігіне байланысты. Өнеркәсіп түрі бүкіл әлемде өзгереді, нәтижесінде электр қуатының бағасы кең ауқымда болады.

Дәстүрлі электр энергетикасының мәселелері

Жылу электр станциялары, атом электр станциялары, ЖЭС, газтурбиналық электр станциялары, жылу электр станциялары, термоэлектрлік генераторлар, MHD генераторлары сияқты жылу энергиясын электр энергиясына айналдыру технологияларының әртүрлі артықшылықтары мен кемшіліктері бар. Электр қуатын зерттеу институты (EPRI) құрылыс пен электр энергиясының, жердің, судың қажеттіліктері, CO шығарындылары_{2 сияқты маңызды факторларды қарастыра отырып, табиғи энергия өндіру технологияларының артықшылықтары мен кемшіліктерін көрсетеді. ысырап, қолжетімділік және икемділік.}

EPRI нәтижелері электр қуатын өндіру технологияларын қарастыру кезінде барлығына сәйкес келетін тәсіл жоқ екенін көрсетеді, дегенмен табиғи газ әлі де көп пайда әкеледі, өйткені ол құрылыс үшін қолжетімді, электр энергиясының құны төмен және шығарындыларды азырақ шығарады. көмір. Алайда мол әрі арзан табиғи газға барлық елдер қол жеткізе бермейді. Кейбір жағдайларда Шығыс Еуропа мен кейбір Батыс Еуропа елдеріндегідей геосаяси шиеленістерге байланысты табиғи газға қол жеткізуге қауіп төніп тұр.

Жел сияқты жаңартылатын энергия технологияларытурбиналар, күн фотоэлектрлік модульдері эмиссиялық электр энергиясын шығарады. Дегенмен, олар көп жерді қажет етеді және олардың тиімділігінің нәтижелері тұрақсыз және ауа-райына байланысты. Жылудың негізгі көзі көмір ең проблемалы. Ол CO шығарындыларына әкеледі_{2, салқындатқышты салқындату үшін көп таза суды қажет етеді және станция құрылысы үшін үлкен аумақты алып жатыр.}

Жаңа технологиялар электр энергиясын өндіру технологияларымен байланысты бірқатар мәселелерді азайтуға бағытталған. Мысалы, резервтік аккумулятормен біріктірілген газ турбиналары жанармайды жағусыз күтпеген жағдайда резервтік көшірме жасауды қамтамасыз етеді және жаңартылатын ресурстардың үзіліссіз проблемаларын қол жетімді ауқымды энергия сақтау орнын құру арқылы азайтуға болады. Осылайша, бүгінде жылу энергиясын электр энергиясына түрлендірудің бірде-бір тамаша жолы жоқ, ол қоршаған ортаға ең аз әсер ететін сенімді және үнемді электр қуатын қамтамасыз ете алады.

Жылу электр станциялары

Жылу электр станциясында қатты отынды (негізінен көмір) жағу арқылы суды жылытудан алынатын жоғары қысымды және жоғары температуралы бу генераторға қосылған турбинаны айналдырады. Осылайша ол өзінің кинетикалық энергиясын электр энергиясына түрлендіреді. Жылу электр станциясының жұмыс құрамдас бөліктері:

1. Газ пеші бар қазан.
2. Бу турбинасы.
3. Генератор.
4. Конденсатор.
5. Салқындату мұнаралары.
6. Айналмалы су сорғысы.
7. Бекіткіш сорғықазандыққа су құйыңыз.
8. Мәжбүрлі шығатын желдеткіштер.
9. Бөлгіштер.

Жылу электр станциясының типтік диаграммасы төменде көрсетілген.

Бу қазандығы суды буға айналдыру үшін қолданылады. Бұл процесс отынның жануынан қыздыру арқылы құбырлардағы суды жылыту арқылы жүзеге асырылады. Жанармай жану камерасында жану процестері үздіксіз ауа сыртынан беріледі.

Бу турбинасы генераторды басқару үшін бу энергиясын тасымалдайды. Жоғары қысымды және температурасы бар бу білікке орнатылған турбина қалақтарын айналдыра бастайтындай итереді. Бұл жағдайда турбинаға түсетін өте қызған будың параметрлері қаныққан күйге дейін төмендейді. Қаныққан бу конденсаторға түседі, ал айналмалы қуат генераторды айналдыру үшін пайдаланылады, ол ток тудырады. Бүгінгі таңда барлық дерлік бу турбиналары конденсатор түріне жатады.

Конденсаторлар - буды суға айналдыруға арналған құрылғылар. Бу құбырлардың сыртына шығады, ал салқындатқыш су құбырлардың ішіне өтеді. Бұл дизайн беттік конденсатор деп аталады. Жылу беру жылдамдығы салқындатқыш судың ағынына, құбырлардың бетінің ауданына және су буы мен салқындатқыш су арасындағы температура айырмашылығына байланысты. Су буының ауысу процесі қаныққан қысым мен температурада жүреді, бұл жағдайда конденсатор вакуумда болады, өйткені салқындатқыш судың температурасы сыртқы температураға тең, конденсат суының максималды температурасы сыртқы температураға жақын.

Генератор механикалық түрлендіредіэнергияны электрге айналдырады. Генератор статор мен ротордан тұрады. Статор катушкалардан тұратын корпустан, ал магнит өрісінің айналмалы станциясы катушкадан тұратын өзектен тұрады.

Өндірілетін энергия түріне қарай ЖЭС электр энергиясын өндіретін конденсациялық ЖЭС және жылу (бу және ыстық су) мен электр энергиясын бірге өндіретін біріктірілген жылу және электр станцияларына бөлінеді. Соңғыларының жылу энергиясын жоғары тиімділікпен электр энергиясына түрлендіру мүмкіндігі бар.

Атом электр станциялары

Атом электр станциялары ядролық ыдырау кезінде бөлінетін жылуды суды жылыту және бу шығару үшін пайдаланады. Бу электр энергиясын өндіретін үлкен турбиналарды айналдыру үшін пайдаланылады. Бөліну кезінде атомдар энергияны босатып, кішірек атомдар түзу үшін бөлінеді. Процесс реактордың ішінде жүреді. Оның ортасында 235 ураны бар ядро орналасқан. Атом электр станцияларына арналған отын 235U (0,7%) және бөлінбейтін 238U (99,3%) изотопы бар ураннан алынады.

Ядролық отын циклі – атомдық энергетикалық реакторларда ураннан электр энергиясын өндіруге қатысты өнеркәсіптік қадамдар тізбегі. Уран - бүкіл әлемде кездесетін салыстырмалы түрде кең таралған элемент. Ол бірқатар елдерде өндіріліп, отын ретінде пайдаланбас бұрын өңделеді.

Электр энергиясын өндіруге байланысты әрекеттер атом электр станцияларында жылу энергиясын электр энергиясына түрлендіруге арналған ядролық отын циклі деп жалпылама түрде аталады. ЯдролықОтын циклі уран өндіруден басталып, ядролық қалдықтарды көмумен аяқталады. Атом энергиясының нұсқасы ретінде пайдаланылған отынды қайта өңдеу кезінде оның қадамдары нақты циклды құрайды.

Уран-плутоний отын циклы

Атом электр станцияларында пайдалануға отынды дайындау үшін отын элементтерін алу, өңдеу, түрлендіру, байыту және өндіру процестері жүргізіледі. Жанармай циклі:

1. Уран 235 жануы.
2. Шлак - 235U және (239Pu, 241Pu) 238U.
3. 235U ыдырауы кезінде оның шығыны азаяды, ал электр энергиясын өндіру кезінде 238U изотоптары алынады.

VVR үшін жанармай өзектерінің құны өндірілген электр энергиясының шамамен 20% құрайды.

Уран реакторда шамамен үш жыл жұмыс істегеннен кейін, пайдаланылған отын қалдықтарды кәдеге жарату алдында уақытша сақтау, қайта өңдеу және қайта өңдеуді қоса алғанда, басқа пайдалану процесінен өтуі мүмкін. Атом электр станциялары жылу энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыруды қамтамасыз етеді. Реактордың ядросындағы ядролық ыдырау кезінде бөлінетін жылу суды буға айналдыру үшін пайдаланылады, ол бу турбинасының қалақтарын айналдырады, генераторларды электр энергиясын өндіру үшін қозғайды.

Бу электр тізбегінің таза суын салқындату үшін тоғандардың, өзендердің немесе мұхиттың суын пайдаланатын салқындату мұнарасы деп аталатын электр станциясындағы бөлек құрылымда суға айналу арқылы салқындатылады. Содан кейін салқындатылған су бу шығару үшін қайта пайдаланылады.

Атом электр станцияларында электр энергиясын өндіру үлесі, қатыстыкейбір елдер контекстінде және әлемде олардың әртүрлі ресурстар түрлерін өндірудің жалпы балансы - төмендегі фотода.

Газтурбиналық электр станциясы

Газтурбиналық электр станциясының жұмыс істеу принципі бу турбиналы электр станциясына ұқсас. Жалғыз айырмашылық - бу турбиналы электр станциясы турбинаны айналдыру үшін сығылған буды пайдаланады, ал газ турбиналы электр станциясы газды пайдаланады.

Газтурбиналық электр станциясында жылу энергиясын электр энергиясына айналдыру принципін қарастырайық.

Газтурбиналық электр станциясында ауа компрессорда сығылады. Содан кейін бұл сығылған ауа жану камерасы арқылы өтеді, онда газ-ауа қоспасы пайда болады, сығылған ауаның температурасы көтеріледі. Бұл жоғары температура, жоғары қысымды қоспа газ турбинасы арқылы өтеді. Турбинада ол күрт кеңейіп, турбинаны айналдыру үшін жеткілікті кинетикалық энергия алады.

Газтурбиналық электр станциясында турбина білігі, генератор және ауа компрессоры жиі кездеседі. Турбинада пайда болатын механикалық энергия ішінара ауаны сығуға жұмсалады. Газ турбиналық электр станциялары көбінесе су электр станцияларына резервтік көмекші энергия жеткізушісі ретінде пайдаланылады. Ол су электр станциясын іске қосу кезінде қосалқы қуат өндіреді.

Газтурбиналық электр станциясының артықшылықтары мен кемшіліктері

Дизайнгаз турбиналық электр станциясы бу турбиналық электр станциясына қарағанда әлдеқайда қарапайым. Газ турбиналы электр станциясының көлемі бу турбиналы электр станциясына қарағанда кішірек. Газ турбиналық электр станциясында қазандық құрамдас бөлігі жоқ, сондықтан жүйе азырақ күрделі. Бу, конденсатор немесе салқындату мұнарасы қажет емес.

Қуатты газтурбиналық электр станцияларын жобалау және салу әлдеқайда оңай және арзан, күрделі және пайдалану шығындары ұқсас бу турбиналық электр станциясының құнынан әлдеқайда аз.

Газтурбиналық электр станциясындағы тұрақты ысыраптар бу турбиналы электр станциясымен салыстырғанда айтарлықтай аз, өйткені бу турбинасында қазандық электр станциясы жүйе желіге жүктеме бермесе де үздіксіз жұмыс істеуі керек.. Газ турбиналық электр станциясын бірден іске қосуға болады.

Газтурбиналық электр станциясының кемшіліктері:

1. Турбинада пайда болатын механикалық энергия ауа компрессорын басқаруға да пайдаланылады.
2. Турбинада пайда болатын механикалық энергияның көп бөлігі ауа компрессорын басқаруға жұмсалатындықтан, газ турбиналы электр станциясының жалпы тиімділігі эквивалентті бу турбиналы электр станциясы сияқты жоғары емес.
3. Газтурбиналық электр станциясындағы пайдаланылған газдар қазандықтан өте ерекшеленеді.
4. Турбинаны нақты іске қосар алдында ауаны алдын ала сығу керек, бұл газ турбиналы электр станциясын іске қосу үшін қосымша қуат көзін қажет етеді.
5. Газдың температурасы жеткілікті жоғарыгаз турбиналық электр станциясы. Бұл эквивалентті бу турбинасына қарағанда жүйенің қызмет ету мерзімін қысқартады.

Төмен тиімділігіне байланысты газ турбиналы электр станциясын коммерциялық қуат өндіру үшін пайдалану мүмкін емес, ол әдетте су электр станциялары сияқты басқа кәдімгі электр станцияларын қосалқы қуатпен қамтамасыз ету үшін пайдаланылады.

Термионды түрлендіргіштер

Оларды термиялық генератор немесе термоэлектрлік қозғалтқыш деп те атайды, олар жылуды жылу шығару арқылы тікелей электр энергиясына айналдырады. Жылу энергиясын термиондық сәулелену деп аталатын температуралық индукциялық электрон ағыны процесі арқылы өте жоғары тиімділікпен электр энергиясына айналдыруға болады.

Термиондық энергияны түрлендіргіштердің жұмыс істеуінің негізгі принципі мынада: электрондар қыздырылған катодтың бетінен вакуумде буланып, одан кейін салқынырақ анодта конденсацияланады. 1957 жылы бірінші практикалық демонстрациядан бері термиондық қуат түрлендіргіштері әртүрлі жылу көздерімен қолданыла бастады, бірақ олардың барлығы жоғары температурада жұмыс істеуді талап етеді - 1500 К жоғары. Термиондық қуат түрлендіргіштері салыстырмалы түрде төмен температурада (700 К - 900 K) мүмкін болса, әдетте > 50% болатын процестің тиімділігі айтарлықтай төмендейді, себебі катодтан аудан бірлігіне шығарылатын электрондар саны қыздыру температурасына байланысты.

Кәдімгі катодты материалдар үшін, мысалыметалдар мен жартылай өткізгіштер сияқты, шығарылатын электрондар саны катод температурасының квадратына пропорционал. Дегенмен, жақында жүргізілген зерттеу графенді ыстық катод ретінде пайдалану арқылы жылу температурасын шама ретімен азайтуға болатындығын көрсетті. Алынған деректер 900 К-де жұмыс істейтін графен негізіндегі катодты термиондық түрлендіргіштің 45% тиімділікке қол жеткізе алатынын көрсетеді.

Электрондық термиондық эмиссия процесінің схемалық диаграммасы фотода көрсетілген.

Графенге негізделген TIC, мұнда Tc және Ta сәйкесінше катодтың температурасы және анодтың температурасы. Термиондық эмиссияның жаңа механизміне сүйене отырып, зерттеушілер графен негізіндегі катодты энергия түрлендіргіші көбінесе 700-ден 900 К температураға дейін жететін өнеркәсіптік қалдық жылуды қайта өңдеуде өз қолданылуын таба алады деп болжайды.

Лян мен Энг ұсынған жаңа модель графен негізіндегі қуат түрлендіргішінің дизайнына пайдалы болуы мүмкін. Негізінен термоэлектрлік генераторлар болып табылатын қатты күйдегі қуат түрлендіргіштері әдетте төмен температура диапазонында тиімсіз жұмыс істейді (ПӘК 7%-дан аз).

Термоэлектрлік генераторлар

Қалдық энергияны қайта өңдеу осы мақсатқа жетудің инновациялық әдістерін ойлап тапқан зерттеушілер мен ғалымдардың танымал мақсатына айналды. Ең перспективалы бағыттардың бірі – нанотехнология негізіндегі термоэлектрлік құрылғылар, олэнергияны үнемдеудің жаңа тәсілі сияқты көрінеді. Жылудың электр энергиясына немесе электр энергиясын жылуға тікелей түрлендіру Пельтиер эффектісіне негізделген термоэлектрлік деп аталады. Дәлірек айтсақ, эффект екі физиктің атымен аталған - Жан Пелтье мен Томас Зейбек.

Пелтиер екі түйіспеге қосылған екі түрлі электр өткізгішке жіберілетін ток бір түйіспенің қызып, ал екіншісі салқындатылатынын анықтады. Пелтье зерттеуін жалғастырып, висмут-сурьма (BiSb) түйіскен жерінде жай ғана токты өзгерту арқылы бір тамшы суды мұздатуға болатынын анықтады. Пелтье сонымен қатар температура айырмашылығы әртүрлі өткізгіштердің түйіскен жеріне орналастырылған кезде электр тогының ағуы мүмкін екенін анықтады.

Термоэлектр энергиясы - жылу ағынын тікелей электр энергиясына түрлендіру қабілетіне байланысты электр энергиясының өте қызықты көзі. Бұл жоғары масштабталатын және қозғалатын бөліктері немесе сұйық отыны жоқ энергия түрлендіргіші, бұл оны киімнен бастап ірі өнеркәсіптік нысандарға дейін көп жылудың босқа кететін кез келген дерлік жағдайға жарамды етеді.

Жартылай өткізгішті терможұп материалдарында қолданылатын наноқұрылымдар жақсы электр өткізгіштігін сақтауға және жылу өткізгіштігін төмендетуге көмектеседі. Осылайша, термоэлектрлік құрылғылардың өнімділігін нанотехнологияға негізделген материалдарды пайдалану арқылы арттыруға болады. Пельтиер эффектісін қолдану. Олардың жақсартылған термоэлектрлік қасиеттері және күн энергиясын жақсы сіңіру қабілеті бар.

Термоэлектрдің қолданылуы:

1. Қуат провайдерлері мен диапазондағы сенсорлар.
2. Қашықтан байланыс үшін сымсыз қабылдағышты басқаратын жанып тұрған май шамы.
3. МР3 ойнатқыштары, сандық сағаттар, GPS/GSM чиптері және дене қызуы бар импульсметрлер сияқты шағын электронды құрылғыларды қолдану.
4. Люкс көліктеріндегі орындықтарды жылдам салқындату.
5. Көліктегі қалдық жылуды электр энергиясына айналдыру арқылы тазалаңыз.
6. Зауыттардан немесе өнеркәсіптік нысандардан шыққан қалдық жылуды қосымша қуатқа айналдырыңыз.
7. Күн термоэлектрикасы, әсіресе күн сәулесі аз аймақтарда электр энергиясын өндіру үшін фотоэлектрлік элементтерге қарағанда тиімдірек болуы мүмкін.

MHD қуат генераторлары

Магнитгидродинамикалық қуат генераторлары қозғалатын сұйықтықтың (әдетте иондалған газ немесе плазма) және магнит өрісінің өзара әрекеттесуі арқылы электр энергиясын жасайды. 1970 жылдан бастап көмірді отын ретінде пайдалануға ерекше назар аудара отырып, бірнеше елдерде MHD зерттеу бағдарламалары жүргізілуде.

MHD технологиясын құрудың негізгі принципі талғампаз. Әдетте, электр өткізгіш газ қазбалы отынды жағу арқылы жоғары қысымда өндіріледі. Содан кейін газ магнит өрісі арқылы бағытталады, нәтижесінде индукция заңына сәйкес оның ішінде электр қозғаушы күш әрекет етеді. Фарадей (19 ғасырдағы ағылшын физигі және химигі Майкл Фарадейдің атымен аталған).

MHD жүйесі әдеттегі газ турбиналық генератордағы сияқты газды жоғары қысымнан төмен қысымға дейін кеңейтуді қамтитын жылу қозғалтқышы болып табылады. MHD жүйесінде газдың кинетикалық энергиясы оның кеңеюіне рұқсат етілгендіктен тікелей электр энергиясына айналады. MHD генерациялауға қызығушылық бастапқыда плазманың магнит өрісімен әрекеттесу айналмалы механикалық турбинаға қарағанда әлдеқайда жоғары температурада болуы мүмкін екендігінің ашылуынан туындады.

Жылу қозғалтқыштарындағы ПӘК бойынша шекті өнімділікті 19 ғасырдың басында француз инженері Сади Карно белгілеген. MHD генераторының оның көлемінің әрбір текше метрі үшін шығыс қуаты газ өткізгіштік өніміне, газ жылдамдығының квадратына және газ өтетін магнит өрісі күшінің квадратына пропорционал. MHD генераторлары жақсы өнімділікпен және ақылға қонымды физикалық өлшемдермен бәсекеге қабілетті жұмыс істеуі үшін плазманың электр өткізгіштігі 1800 К (шамамен 1500 C немесе 2800 F) жоғары температура диапазонында болуы керек.

MHD генераторының түрін таңдау пайдаланылатын отынға және қолданбаға байланысты. Әлемнің көптеген елдеріндегі көмір қорының көптігі электр энергиясын өндіруге арналған MHD көміртегі жүйелерін дамытуға ықпал етеді.