Shndërrimi i energjisë termike në energji elektrike me efikasitet të lartë: metoda dhe pajisje

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-02 14:02

Energjia termike zë një vend të veçantë në veprimtarinë njerëzore, pasi përdoret në të gjithë sektorët e ekonomisë, shoqëron shumicën e proceseve industriale dhe jetesën e njerëzve. Në shumicën e rasteve, nxehtësia e mbetur humbet në mënyrë të pakthyeshme dhe pa asnjë përfitim ekonomik. Ky burim i humbur nuk vlen më, kështu që ripërdorimi i tij do të ndihmojë në uljen e krizës energjetike dhe mbrojtjen e mjedisit. Prandaj, mënyrat e reja të shndërrimit të nxehtësisë në energji elektrike dhe shndërrimit të nxehtësisë së mbeturinave në energji elektrike janë më të rëndësishme sot se kurrë.

Llojet e prodhimit të energjisë elektrike

Transformimi i burimeve natyrore të energjisë në energji elektrike, nxehtësi ose energji kinetike kërkon efikasitet maksimal, veçanërisht në termocentralet me gaz dhe qymyr, për të reduktuar emetimet e CO2_{2. Ka mënyra të ndryshme për të kthyerenergjia termike në energji elektrike, në varësi të llojeve të energjisë primare.}

Ndër burimet energjetike, qymyri dhe gazi natyror përdoren për të gjeneruar energji elektrike me djegie (energji termike), dhe uraniumi nga ndarja bërthamore (energjia bërthamore) për të përdorur fuqinë e avullit për të kthyer një turbinë me avull. Dhjetë vendet më të mira prodhuese të energjisë elektrike për vitin 2017 janë paraqitur në foto.

Tabela e efikasitetit të sistemeve ekzistuese për shndërrimin e energjisë termike në energji elektrike.

	Prodhimi i energjisë elektrike nga energjia termike	Efiçenca, %
1	Termocentralet, Centralet CHP	32
2	Uzinat bërthamore, centralet bërthamore	80
3	Elektrocentrali me kondensim, IES	40
4	Tentralia e turbinave me gaz, GTPP	60
5	transduktorë termionikë, TECs	40
6	gjeneratorë termoelektrikë	7
7	gjeneratorë të energjisë MHD së bashku me CHP	60

Zgjedhja e një metode për shndërrimin e energjisë termike nëelektrike dhe fizibiliteti i saj ekonomik varet nga nevoja për energji, disponueshmëria e karburantit natyror dhe mjaftueshmëria e kantierit. Lloji i prodhimit ndryshon nëpër botë, duke rezultuar në një gamë të gjerë çmimesh të energjisë elektrike.

Problemet e industrisë tradicionale të energjisë elektrike

Teknologjitë për shndërrimin e energjisë termike në energji elektrike, si termocentralet, termocentralet bërthamore, IES, termocentralet me turbina me gaz, termocentralet, gjeneratorët termoelektrikë, gjeneratorët MHD kanë avantazhe dhe disavantazhe të ndryshme. Instituti i Kërkimeve të Energjisë Elektrike (EPRI) ilustron të mirat dhe të këqijat e teknologjive të prodhimit të energjisë natyrore, duke parë faktorët kritikë si ndërtimi dhe kostot e energjisë elektrike, tokës, kërkesave për ujë, emetimet e CO2_{2, mbeturina, përballueshmëria dhe fleksibiliteti.}

Rezultatet e EPRI theksojnë se nuk ka një qasje të vetme për të gjithë kur merren parasysh teknologjitë e prodhimit të energjisë, megjithatë gazi natyror ende përfiton më shumë sepse është i përballueshëm për ndërtim, ka një kosto të ulët të energjisë elektrike, gjeneron më pak emetime se qymyr. Megjithatë, jo të gjitha vendet kanë akses në gaz natyror të bollshëm dhe të lirë. Në disa raste, aksesi në gaz natyror është nën kërcënim për shkak të tensioneve gjeopolitike, siç ishte rasti në Evropën Lindore dhe disa vende të Evropës Perëndimore.

Teknologjitë e energjisë së rinovueshme si eraturbinat, modulet fotovoltaike diellore prodhojnë emetim të energjisë elektrike. Megjithatë, ata kanë tendencë të kërkojnë shumë tokë, dhe rezultatet e efektivitetit të tyre janë të paqëndrueshme dhe varen nga moti. Qymyri, burimi kryesor i nxehtësisë, është më problematiku. Ai kryeson në emetimet e CO _{2, kërkon shumë ujë të pastër për të ftohur ftohësin dhe zë një zonë të madhe për ndërtimin e stacionit.}

Teknologjitë e reja synojnë të reduktojnë një sërë problemesh që lidhen me teknologjitë e prodhimit të energjisë. Për shembull, turbinat me gaz të kombinuara me një bateri rezervë sigurojnë rezervë të rastësishme pa djegur karburant dhe problemet e ndërprera të burimeve të rinovueshme mund të zbuten duke krijuar ruajtje të përballueshme të energjisë në shkallë të gjerë. Kështu, sot nuk ka asnjë mënyrë të përsosur për të kthyer energjinë termike në energji elektrike, e cila mund të sigurojë energji elektrike të besueshme dhe me kosto efektive me ndikim minimal mjedisor.

Termocentralet

Në një termocentral, avulli me presion të lartë dhe me temperaturë të lartë, i marrë nga ngrohja e ujit duke djegur lëndë djegëse të ngurtë (kryesisht qymyr), rrotullohet një turbinë e lidhur me një gjenerator. Kështu, ai e shndërron energjinë e tij kinetike në energji elektrike. Komponentët operativ të termocentralit:

1. Kazan me furre me gaz.
2. Turbinë me avull.
3. Generator.
4. kondensator.
5. Kulla ftohëse.
6. Pompë uji qarkullues.
7. Pompë ushqyeseujë në kazan.
8. Tifozët e shkarkimit të detyruar.
9. Ndarësit.

Diagrami tipik i një termocentrali tregohet më poshtë.

Kaldaja me avull përdoret për të kthyer ujin në avull. Ky proces kryhet duke ngrohur ujin në tuba me ngrohje nga djegia e karburantit. Proceset e djegies kryhen vazhdimisht në dhomën e djegies së karburantit me furnizim me ajër nga jashtë.

Turbina me avull transferon energjinë e avullit për të drejtuar një gjenerator. Avulli me presion dhe temperaturë të lartë shtyn tehet e turbinës të montuara në bosht në mënyrë që ajo të fillojë të rrotullohet. Në këtë rast, parametrat e avullit të mbinxehur që hyn në turbinë reduktohen në një gjendje të ngopur. Avulli i ngopur hyn në kondensator dhe fuqia rrotulluese përdoret për të rrotulluar gjeneratorin, i cili prodhon rrymë. Pothuajse të gjitha turbinat me avull sot janë të tipit të kondensatorit.

Kondensatorët janë pajisje për shndërrimin e avullit në ujë. Avulli rrjedh jashtë tubave dhe uji ftohës rrjedh brenda tubave. Ky dizajn quhet një kondensator sipërfaqësor. Shkalla e transferimit të nxehtësisë varet nga rrjedha e ujit ftohës, sipërfaqja e tubave dhe ndryshimi i temperaturës midis avullit të ujit dhe ujit ftohës. Procesi i ndryshimit të avullit të ujit ndodh nën presion dhe temperaturë të ngopur, në këtë rast kondensuesi është në vakum, sepse temperatura e ujit ftohës është e barabartë me temperaturën e jashtme, temperatura maksimale e ujit të kondensatës është afër temperaturës së jashtme.

Gjeneratori konverton mekanikënenergji në energji elektrike. Gjeneratori përbëhet nga një stator dhe një rotor. Statori përbëhet nga një strehë që përmban bobinat, dhe stacioni rrotullues i fushës magnetike përbëhet nga një bërthamë që përmban spiralen.

Sipas llojit të energjisë së prodhuar, TEC-et ndahen në IES me kondensim, të cilët prodhojnë energji elektrike dhe termocentrale të kombinuara, të cilat së bashku prodhojnë nxehtësi (avull dhe ujë të nxehtë) dhe energji elektrike. Këto të fundit kanë aftësinë për të kthyer energjinë termike në energji elektrike me efikasitet të lartë.

Centralet bërthamore

Telektrocentralet bërthamore përdorin nxehtësinë e çliruar gjatë ndarjes bërthamore për të ngrohur ujin dhe për të prodhuar avull. Avulli përdoret për të kthyer turbina të mëdha që prodhojnë energji elektrike. Në ndarje, atomet ndahen për të formuar atome më të vogla, duke çliruar energji. Procesi zhvillohet brenda reaktorit. Në qendër të tij është një bërthamë që përmban uranium 235. Karburanti për termocentralet bërthamore merret nga uraniumi, i cili përmban izotopin 235U (0.7%) dhe 238U të pandashëm (99.3%).

Cikli i karburantit bërthamor është një seri hapash industrialë të përfshirë në prodhimin e energjisë elektrike nga uraniumi në reaktorët e energjisë bërthamore. Uraniumi është një element relativisht i zakonshëm që gjendet në të gjithë botën. Është minuar në një numër vendesh dhe përpunohet përpara se të përdoret si lëndë djegëse.

Aktivitetet që lidhen me prodhimin e energjisë elektrike quhen kolektivisht si cikli i karburantit bërthamor për shndërrimin e energjisë termike në energji elektrike në termocentralet bërthamore. bërthamoreCikli i karburantit fillon me nxjerrjen e uraniumit dhe përfundon me asgjësimin e mbetjeve bërthamore. Kur ripërpunohet karburanti i përdorur si një opsion për energjinë bërthamore, hapat e tij formojnë një cikël të vërtetë.

Cikli i karburantit uranium-plutonium

Për përgatitjen e karburantit për përdorim në termocentralet bërthamore kryhen procese për nxjerrjen, përpunimin, shndërrimin, pasurimin dhe prodhimin e elementeve të karburantit. Cikli i karburantit:

1. Djegia e uraniumit 235.
2. skorje - 235U dhe (239Pu, 241Pu) nga 238U.
3. Gjatë zbërthimit të 235U, konsumi i tij zvogëlohet dhe izotopet merren nga 238U kur prodhohet energji elektrike.

Kostoja e shufrave të karburantit për VVR është afërsisht 20% e kostos së energjisë elektrike të prodhuar.

Pasi uraniumi ka kaluar rreth tre vjet në një reaktor, karburanti i përdorur mund të kalojë në një proces tjetër përdorimi, duke përfshirë ruajtjen e përkohshme, ripërpunimin dhe riciklimin përpara hedhjes së mbeturinave. Termocentralet bërthamore sigurojnë shndërrimin e drejtpërdrejtë të energjisë termike në energji elektrike. Nxehtësia e lëshuar gjatë ndarjes bërthamore në bërthamën e reaktorit përdoret për të kthyer ujin në avull, i cili rrotullon tehet e një turbine me avull, duke i shtyrë gjeneratorët të prodhojnë energji elektrike.

Avulli ftohet duke u kthyer në ujë në një strukturë të veçantë në një termocentral të quajtur kullë ftohëse, e cila përdor ujin nga pellgjet, lumenjtë ose oqeani për të ftohur ujin e pastër të qarkut të energjisë me avull. Më pas, uji i ftohur ripërdoret për të prodhuar avull.

Pjesa e prodhimit të energjisë elektrike në termocentralet bërthamore, në raport mebilanci i përgjithshëm i prodhimit të llojeve të ndryshme të burimeve të tyre, në kontekstin e disa vendeve dhe në botë - në foton më poshtë.

Tentralia e Turbinave me Gaz

Parimi i funksionimit të një termocentrali me turbina me gaz është i ngjashëm me atë të një termocentrali me turbina me avull. I vetmi ndryshim është se një termocentral me turbinë me avull përdor avull të ngjeshur për të rrotulluar turbinën, ndërsa një termocentral me turbinë me gaz përdor gaz.

Le të shqyrtojmë parimin e shndërrimit të energjisë termike në energji elektrike në një termocentral me turbina me gaz.

Në një termocentral me turbina me gaz, ajri është i ngjeshur në një kompresor. Pastaj ky ajër i ngjeshur kalon nëpër dhomën e djegies, ku formohet përzierja gaz-ajër, temperatura e ajrit të ngjeshur rritet. Kjo përzierje me temperaturë të lartë dhe presion të lartë kalohet përmes një turbine me gaz. Në turbinë, ajo zgjerohet ndjeshëm, duke marrë energji të mjaftueshme kinetike për të rrotulluar turbinën.

Në një termocentral me turbina me gaz, boshti i turbinës, alternatori dhe kompresori i ajrit janë të zakonshëm. Energjia mekanike e gjeneruar në turbinë përdoret pjesërisht për të kompresuar ajrin. Termocentralet me turbina me gaz përdoren shpesh si një furnizues i energjisë ndihmëse rezervë për hidrocentralet. Ai gjeneron energji ndihmëse gjatë fillimit të hidrocentralit.

Përparësitë dhe disavantazhet e termocentralit me turbina me gaz

Dizajntermocentrali me turbina me gaz është shumë më i thjeshtë se një termocentral me turbina me avull. Madhësia e një termocentrali me turbina me gaz është më e vogël se ajo e një termocentrali me turbina me avull. Nuk ka asnjë komponent bojler në një termocentral me turbina me gaz dhe për rrjedhojë sistemi është më pak kompleks. Nuk kërkohet avull, kondensator ose kullë ftohëse.

Projektimi dhe ndërtimi i termocentraleve të fuqishëm me turbina me gaz është shumë më i lehtë dhe më i lirë, kostot kapitale dhe operative janë shumë më pak se kostoja e një termocentrali të ngjashëm me turbina me avull.

Humbjet e përhershme në një termocentral me turbina me gaz janë dukshëm më të vogla në krahasim me një termocentral me turbinë me avull, pasi në një turbinë me avull termocentrali i bojlerit duhet të funksionojë vazhdimisht, edhe kur sistemi nuk furnizon një ngarkesë në rrjet.. Një termocentral me turbina me gaz mund të fillojë pothuajse menjëherë.

Disavantazhet e një termocentrali me turbina me gaz:

1. Energjia mekanike e gjeneruar në turbinë përdoret gjithashtu për të drejtuar kompresorin e ajrit.
2. Për shkak se pjesa më e madhe e energjisë mekanike të gjeneruar në turbinë përdoret për të drejtuar kompresorin e ajrit, efikasiteti i përgjithshëm i një termocentrali me turbina me gaz nuk është aq i lartë sa një termocentral ekuivalent me turbina me avull.
3. Gazrat e shkarkimit në një termocentral me turbina me gaz janë shumë të ndryshme nga një bojler.
4. Përpara fillimit aktual të turbinës, ajri duhet të para-ngjeshet, gjë që kërkon një burim shtesë energjie për të nisur termocentralin e turbinës me gaz.
5. Temperatura e gazit është mjaft e lartë përtermocentrali me turbina me gaz. Kjo rezulton në një jetë më të shkurtër të sistemit sesa një turbinë ekuivalente me avull.

Për shkak të efikasitetit të tij më të ulët, termocentrali i turbinës me gaz nuk mund të përdoret për prodhimin e energjisë komerciale, ai zakonisht përdoret për të furnizuar me energji ndihmëse termocentrale të tjera konvencionale si hidrocentralet.

Konvertuesit termionikë

Ato quhen gjithashtu gjenerator termionik ose motor termoelektrik, i cili drejtpërdrejt konverton nxehtësinë në energji elektrike duke përdorur emetimin termik. Energjia termike mund të shndërrohet në energji elektrike me efikasitet shumë të lartë nëpërmjet një procesi të rrjedhës së elektroneve të shkaktuar nga temperatura, i njohur si rrezatim termionik.

Parimi bazë i funksionimit të konvertuesve të energjisë termionike është që elektronet avullojnë nga sipërfaqja e një katode të ndezur në vakum dhe më pas kondensohen në një anodë më të ftohtë. Që nga demonstrimi i parë praktik në vitin 1957, konvertuesit e fuqisë termionike janë përdorur me një shumëllojshmëri burimesh nxehtësie, por të gjithë ata kërkojnë funksionim në temperatura të larta - mbi 1500 K. Ndërsa funksionimi i konvertuesve të fuqisë termionike në një temperaturë relativisht të ulët (700 K - 900 K) është e mundur, efikasiteti i procesit, i cili zakonisht është > 50%, zvogëlohet ndjeshëm sepse numri i elektroneve të emetuara për njësi sipërfaqe nga katoda varet nga temperatura e ngrohjes.

Për materialet konvencionale të katodës si p.shsi metalet dhe gjysmëpërçuesit, numri i elektroneve të emetuara është proporcional me katrorin e temperaturës së katodës. Megjithatë, një studim i kohëve të fundit tregon se temperatura e nxehtësisë mund të reduktohet me një renditje të madhësisë duke përdorur grafenin si një katodë të nxehtë. Të dhënat e marra tregojnë se një konvertues termionik katodë me bazë grafeni që funksionon në 900 K mund të arrijë një efikasitet prej 45%.

Diagrami skematik i procesit të emetimit termionik elektronik është paraqitur në foto.

TIC bazuar në grafen, ku Tc dhe Ta janë respektivisht temperatura e katodës dhe temperatura e anodës. Bazuar në mekanizmin e ri të emetimit termionik, studiuesit sugjerojnë se konverteri i energjisë katodë me bazë grafeni mund të gjejë aplikimin e tij në riciklimin e nxehtësisë së mbeturinave industriale, e cila shpesh arrin diapazonin e temperaturës nga 700 deri në 900 K.

Modeli i ri i paraqitur nga Liang dhe Eng mund të përfitojë nga dizajni i konvertuesit të energjisë me bazë grafeni. Konvertuesit e fuqisë në gjendje të ngurtë, të cilët janë kryesisht gjeneratorë termoelektrikë, zakonisht funksionojnë në mënyrë joefikase në intervalin e temperaturës së ulët (eficencë më pak se 7%).

gjeneratorë termoelektrikë

Riciklimi i energjisë së mbeturinave është bërë një objektiv popullor për studiuesit dhe shkencëtarët që vijnë me metoda novatore për të arritur këtë qëllim. Një nga fushat më premtuese janë pajisjet termoelektrike të bazuara në nanoteknologji, e ciladuken si një qasje e re për të kursyer energji. Shndërrimi i drejtpërdrejtë i nxehtësisë në energji elektrike ose i energjisë elektrike në nxehtësi njihet si termoelektriciteti bazuar në efektin Peltier. Për të qenë të saktë, efekti është emëruar pas dy fizikanëve - Jean Peltier dhe Thomas Seebeck.

Peltier zbuloi se një rrymë e dërguar në dy përçues të ndryshëm elektrikë që janë të lidhur në dy kryqëzime do të bëjë që njëra kryqëzim të nxehet ndërsa kryqëzimi tjetër ftohet. Peltier vazhdoi kërkimin e tij dhe zbuloi se një pikë uji mund të ngrihej në një kryqëzim bismut-antimoni (BiSb) thjesht duke ndryshuar rrymën. Peltier zbuloi gjithashtu se një rrymë elektrike mund të rrjedhë kur një ndryshim i temperaturës vendoset në kryqëzimin e përçuesve të ndryshëm.

Termoelektriciteti është një burim jashtëzakonisht interesant i energjisë elektrike për shkak të aftësisë së tij për të kthyer rrjedhën e nxehtësisë drejtpërdrejt në energji elektrike. Është një konvertues energjie që është shumë i shkallëzueshëm dhe nuk ka pjesë lëvizëse ose lëndë djegëse të lëngshme, duke e bërë atë të përshtatshëm për pothuajse çdo situatë ku shumë nxehtësi tenton të shkojë dëm, nga veshjet te objektet e mëdha industriale.

Nanostrukturat e përdorura në materialet e termoçifteve gjysmëpërçuese do të ndihmojnë në ruajtjen e përçueshmërisë së mirë elektrike dhe në uljen e përçueshmërisë termike. Kështu, performanca e pajisjeve termoelektrike mund të rritet përmes përdorimit të materialeve të bazuara në nanoteknologji, meduke përdorur efektin Peltier. Ato kanë përmirësuar vetitë termoelektrike dhe kapacitet të mirë absorbues të energjisë diellore.

Zbatimi i termoelektricitetit:

1. Ofruesit e energjisë dhe sensorët në intervale.
2. Një llambë vaji djegëse që kontrollon një marrës me valë për komunikim në distancë.
3. Aplikimi i pajisjeve të vogla elektronike si MP3 player, orët dixhitale, çipat GPS/GSM dhe matësat e impulsit me nxehtësinë e trupit.
4. Sedilje me ftohje të shpejtë në makina luksoze.
5. Pastroni nxehtësinë e mbeturinave në automjete duke e kthyer atë në energji elektrike.
6. Transformoni nxehtësinë e mbeturinave nga fabrikat ose objektet industriale në energji shtesë.
7. Termoelektrikët diellorë mund të jenë më efikas se qelizat fotovoltaike për prodhimin e energjisë, veçanërisht në zonat me më pak dritë dielli.

gjeneratorë të energjisë MHD

Gjeneratorët e fuqisë magnetohidrodinamike gjenerojnë energji elektrike nëpërmjet bashkëveprimit të një lëngu në lëvizje (zakonisht një gaz ose plazma jonizuese) dhe një fushë magnetike. Që nga viti 1970, programet kërkimore MHD janë kryer në disa vende me një fokus të veçantë në përdorimin e qymyrit si lëndë djegëse.

Parimi themelor i gjenerimit të teknologjisë MHD është elegant. Në mënyrë tipike, gazi përçues elektrik prodhohet në presion të lartë nga djegia e lëndëve djegëse fosile. Gazi më pas drejtohet përmes një fushe magnetike, duke rezultuar në një forcë elektromotore që vepron brenda saj në përputhje me ligjin e induksionit. Faraday (emërtuar sipas fizikanit dhe kimistit anglez Michael Faraday të shekullit të 19-të).

Sistemi MHD është një motor ngrohjeje që përfshin zgjerimin e gazit nga presioni i lartë në presion të ulët në të njëjtën mënyrë si në një gjenerator konvencional me turbina me gaz. Në sistemin MHD, energjia kinetike e gazit shndërrohet drejtpërdrejt në energji elektrike, pasi lejohet të zgjerohet. Interesi për gjenerimin e MHD fillimisht u ndez nga zbulimi se ndërveprimi i një plazme me një fushë magnetike mund të ndodhë në temperatura shumë më të larta se sa është e mundur në një turbinë mekanike rrotulluese.

Performanca kufizuese për sa i përket efikasitetit në motorët me nxehtësi u vendos në fillim të shekullit të 19-të nga inxhinieri francez Sadi Carnot. Fuqia dalëse e një gjeneratori MHD për çdo metër kub të vëllimit të tij është proporcionale me produktin e përçueshmërisë së gazit, katrorin e shpejtësisë së gazit dhe katrorin e forcës së fushës magnetike nëpër të cilën kalon gazi. Në mënyrë që gjeneratorët MHD të funksionojnë në mënyrë konkurruese, me performancë të mirë dhe dimensione fizike të arsyeshme, përçueshmëria elektrike e plazmës duhet të jetë në intervalin e temperaturës mbi 1800 K (rreth 1500 C ose 2800 F).

Zgjedhja e llojit të gjeneratorit MHD varet nga karburanti i përdorur dhe aplikimi. Bollëku i rezervave të qymyrit në shumë vende të botës kontribuon në zhvillimin e sistemeve të karbonit MHD për prodhimin e energjisë elektrike.