تبدیل انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی با راندمان بالا: روش ها و تجهیزات

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-17 18:49

انرژی گرمایی جایگاه ویژه‌ای در فعالیت‌های انسانی به خود اختصاص می‌دهد، زیرا در تمام بخش‌های اقتصادی مورد استفاده قرار می‌گیرد، اکثر فرآیندهای صنعتی و معیشت مردم را همراهی می‌کند. در اغلب موارد، گرمای هدر رفته به طور غیرقابل برگشت و بدون هیچ سود اقتصادی از دست می رود. این منبع از دست رفته دیگر ارزشی ندارد، بنابراین استفاده مجدد از آن هم به کاهش بحران انرژی و هم حفاظت از محیط زیست کمک می کند. بنابراین، روش‌های جدید تبدیل گرما به انرژی الکتریکی و تبدیل گرمای اتلاف به الکتریسیته امروزه بیش از هر زمان دیگری مطرح است.

انواع تولید برق

تبدیل منابع انرژی طبیعی به الکتریسیته، گرما یا انرژی جنبشی به حداکثر کارایی نیاز دارد، به ویژه در نیروگاه های گازی و زغال سنگ، برای کاهش انتشار CO2_{2. روش های مختلفی برای تبدیل وجود داردانرژی حرارتی به انرژی الکتریکی، بسته به انواع انرژی اولیه.}

در بین منابع انرژی، زغال سنگ و گاز طبیعی برای تولید برق از طریق احتراق (انرژی حرارتی) و اورانیوم توسط شکافت هسته ای (انرژی هسته ای) برای استفاده از نیروی بخار برای چرخاندن توربین بخار استفاده می شود. ده کشور برتر تولید کننده برق برای سال 2017 در عکس نشان داده شده است.

جدول کارایی سیستم های موجود برای تبدیل انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی.

	تولید برق از انرژی حرارتی	کارایی، %
1	نیروگاههای حرارتی، نیروگاههای CHP	32
2	نیروگاه های هسته ای، نیروگاه های هسته ای	80
3	نیروگاه چگالشی، IES	40
4	نیروگاه توربین گازی، GTPP	60
5	مبدل ترمیونیک، TEC	40
6	ژنراتورهای ترموالکتریک	7
7	ژنراتورهای برق MHD به همراه CHP	60

انتخاب روشی برای تبدیل انرژی حرارتی بهبرق و امکان اقتصادی آن به نیاز به انرژی، در دسترس بودن سوخت طبیعی و کافی بودن محل ساخت بستگی دارد. نوع تولید در سرتاسر جهان متفاوت است و در نتیجه قیمت‌های برق بسیار زیاد است.

مشکلات صنعت برق سنتی

تکنولوژی های تبدیل انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی مانند نیروگاه های حرارتی، نیروگاه های هسته ای، IES، نیروگاه های توربین گازی، نیروگاه های حرارتی، ژنراتورهای ترموالکتریک، ژنراتورهای MHD دارای مزایا و معایب متفاوتی هستند. مؤسسه تحقیقات انرژی الکتریکی (EPRI) مزایا و معایب فن‌آوری‌های تولید انرژی طبیعی را نشان می‌دهد و به عوامل حیاتی مانند ساخت و ساز و هزینه‌های برق، زمین، آب مورد نیاز، انتشار CO2_{2، ضایعات، مقرون به صرفه بودن و انعطاف پذیری.}

نتایج EPRI نشان می دهد که هنگام در نظر گرفتن فناوری های تولید برق، هیچ رویکرد یکسانی برای همه وجود ندارد، با این حال گاز طبیعی همچنان سود بیشتری دارد زیرا برای ساخت و ساز مقرون به صرفه است، هزینه برق پایینی دارد، انتشار گازهای گلخانه ای کمتری نسبت به آن تولید می کند. زغال سنگ با این حال، همه کشورها به گاز طبیعی فراوان و ارزان دسترسی ندارند. در برخی موارد، دسترسی به گاز طبیعی به دلیل تنش های ژئوپلیتیکی در معرض تهدید است، همانطور که در اروپای شرقی و برخی از کشورهای اروپای غربی چنین بود.

فناوری انرژی های تجدیدپذیر مانند بادتوربین ها، ماژول های فتوولتائیک خورشیدی الکتریسیته تولید می کنند. با این حال، آنها به زمین زیادی نیاز دارند و نتایج اثربخشی آنها ناپایدار است و به آب و هوا بستگی دارد. زغال سنگ، منبع اصلی گرما، مشکل سازترین است. منجر به انتشار CO2_{2 است، برای خنک کردن مایع خنک کننده به آب تمیز زیادی نیاز دارد و منطقه بزرگی را برای ساخت ایستگاه اشغال می کند.}

هدف فن آوری های جدید کاهش تعدادی از مشکلات مرتبط با فناوری های تولید برق است. به عنوان مثال، توربین‌های گازی همراه با یک باتری پشتیبان، پشتیبان اضطراری را بدون سوزاندن سوخت فراهم می‌کنند و مشکلات متناوب منابع تجدیدپذیر را می‌توان با ایجاد ذخیره‌سازی انرژی مقرون به صرفه در مقیاس بزرگ کاهش داد. بنابراین، امروزه هیچ راه کاملی برای تبدیل انرژی حرارتی به الکتریسیته وجود ندارد که بتواند برق قابل اعتماد و مقرون به صرفه را با کمترین تأثیرات زیست محیطی ارائه دهد.

نیروگاه حرارتی

در یک نیروگاه حرارتی، بخار پرفشار و دمای بالا که از گرم کردن آب با سوزاندن سوخت جامد (عمدتاً زغال سنگ) به دست می آید، یک توربین متصل به ژنراتور را می چرخاند. بنابراین انرژی جنبشی خود را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. اجزای عامل نیروگاه حرارتی:

1. دیگ با کوره گازی.
2. توربین بخار.
3. ژنراتور.
4. خازن.
5. برج های خنک کننده.
6. پمپ آب گردشی.
7. پمپ تغذیهآب داخل دیگ بخار.
8. فن اگزوز اجباری.
9. جداکننده.

نمودار معمولی یک نیروگاه حرارتی در زیر نشان داده شده است.

دیگ بخار برای تبدیل آب به بخار استفاده می شود. این فرآیند با گرم کردن آب در لوله ها با گرمایش حاصل از احتراق سوخت انجام می شود. فرآیندهای احتراق به طور مداوم در محفظه احتراق سوخت با تامین هوا از خارج انجام می شود.

توربین بخار انرژی بخار را برای به حرکت درآوردن یک ژنراتور منتقل می کند. بخار با فشار و دمای بالا پره های توربین نصب شده روی شفت را فشار می دهد تا شروع به چرخش کند. در این حالت، پارامترهای بخار فوق گرم ورودی به توربین به حالت اشباع کاهش می یابد. بخار اشباع شده وارد کندانسور می شود و از نیروی چرخشی برای چرخاندن ژنراتور استفاده می شود که جریان تولید می کند. تقریباً تمام توربین‌های بخار امروزه از نوع کندانسور هستند.

کندانسورها وسایلی برای تبدیل بخار به آب هستند. بخار در خارج از لوله ها و آب خنک کننده در داخل لوله ها جریان دارد. به این طرح خازن سطحی می گویند. سرعت انتقال حرارت به جریان آب خنک کننده، سطح لوله ها و اختلاف دمای بخار آب و آب خنک کننده بستگی دارد. فرآیند تغییر بخار آب تحت فشار و دمای اشباع اتفاق می افتد، در این حالت کندانسور در خلاء قرار دارد، زیرا دمای آب خنک کننده برابر با دمای خارج است، حداکثر دمای آب میعان نزدیک به دمای خارج است.

ژنراتور مکانیکی را تبدیل می کندانرژی تبدیل به الکتریسیته ژنراتور از یک استاتور و یک روتور تشکیل شده است. استاتور از محفظه ای تشکیل شده است که حاوی سیم پیچ ها است، و ایستگاه چرخشی میدان مغناطیسی از هسته ای تشکیل شده است که حاوی سیم پیچ است.

با توجه به نوع انرژی تولید شده، TPP ها به IES های چگالشی تقسیم می شوند که برق و نیروگاه های حرارتی و نیروگاهی ترکیبی تولید می کنند که به طور مشترک گرما (بخار و آب گرم) و الکتریسیته تولید می کنند. دومی توانایی تبدیل انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی با راندمان بالا را دارد.

نیروگاه های هسته ای

نیروگاه های هسته ای از گرمای آزاد شده در طی شکافت هسته ای برای گرم کردن آب و تولید بخار استفاده می کنند. بخار برای چرخاندن توربین های بزرگ که برق تولید می کنند استفاده می شود. در شکافت، اتم ها شکافته می شوند و اتم های کوچکتری را تشکیل می دهند و انرژی آزاد می کنند. این فرآیند در داخل راکتور انجام می شود. در مرکز آن هسته ای حاوی اورانیوم 235 قرار دارد. سوخت نیروگاه های هسته ای از اورانیوم به دست می آید که حاوی ایزوتوپ 235U (0.7%) و غیرقابل شکافت 238U (99.3%) است.

چرخه سوخت هسته ای مجموعه ای از مراحل صنعتی است که در تولید الکتریسیته از اورانیوم در راکتورهای انرژی هسته ای نقش دارد. اورانیوم یک عنصر نسبتا رایج است که در سراسر جهان یافت می شود. در تعدادی از کشورها استخراج می شود و قبل از استفاده به عنوان سوخت پردازش می شود.

فعالیت های مربوط به تولید برق در مجموع به عنوان چرخه سوخت هسته ای برای تبدیل انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی در نیروگاه های هسته ای نامیده می شود. هسته ایچرخه سوخت با استخراج اورانیوم شروع می شود و با دفع زباله های هسته ای به پایان می رسد. هنگام بازفرآوری سوخت مصرف شده به عنوان گزینه ای برای انرژی هسته ای، مراحل آن یک چرخه واقعی را تشکیل می دهد.

چرخه سوخت اورانیوم-پلوتونیوم

برای آماده سازی سوخت برای استفاده در نیروگاه های هسته ای، فرآیندهایی برای استخراج، فرآوری، تبدیل، غنی سازی و تولید عناصر سوختی انجام می شود. چرخه سوخت:

1. سوختن اورانیوم 235.
2. سرباره - 235U و (239Pu، 241Pu) از 238U.
3. در طول واپاشی 235U، مصرف آن کاهش می یابد و ایزوتوپ ها از 238U هنگام تولید برق به دست می آیند.

هزینه میله های سوخت برای VVR تقریباً 20٪ هزینه برق تولید شده است.

بعد از گذراندن حدود سه سال اورانیوم در یک رآکتور، سوخت مورد استفاده می تواند فرآیند دیگری را طی کند، از جمله ذخیره سازی موقت، پردازش مجدد و بازیافت قبل از دفع زباله. نیروگاه های هسته ای تبدیل مستقیم انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی را فراهم می کنند. گرمای آزاد شده در طول شکافت هسته‌ای در هسته راکتور برای تبدیل آب به بخار استفاده می‌شود که تیغه‌های یک توربین بخار را می‌چرخاند و ژنراتورها را برای تولید الکتریسیته سوق می‌دهد.

بخار با تبدیل شدن به آب در ساختار جداگانه ای در نیروگاهی به نام برج خنک کننده خنک می شود که از آب حوضچه ها، رودخانه ها یا اقیانوس برای خنک کردن آب تمیز مدار برق بخار استفاده می کند. سپس آب سرد شده مجدداً برای تولید بخار استفاده می شود.

سهم تولید برق در نیروگاه های هسته ای، نسبت بهتعادل کلی تولید انواع مختلف منابع آنها، در زمینه برخی کشورها و در جهان - در عکس زیر.

نیروگاه توربین گازی

اصل عملکرد نیروگاه توربین گازی مشابه نیروگاه توربین بخار است. تنها تفاوت این است که نیروگاه توربین بخار از بخار فشرده برای چرخاندن توربین استفاده می کند، در حالی که نیروگاه توربین گاز از گاز استفاده می کند.

بیایید اصل تبدیل انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی در نیروگاه توربین گازی را در نظر بگیریم.

در نیروگاه توربین گازی، هوا در یک کمپرسور فشرده می شود. سپس این هوای فشرده از محفظه احتراق عبور می کند، جایی که مخلوط گاز و هوا تشکیل می شود، دمای هوای فشرده بالا می رود. این مخلوط با دمای بالا و فشار بالا از یک توربین گاز عبور می کند. در توربین، به شدت منبسط می شود و انرژی جنبشی کافی برای چرخاندن توربین دریافت می کند.

در نیروگاه توربین گاز، شفت توربین، دینام و کمپرسور هوا رایج هستند. انرژی مکانیکی تولید شده در توربین تا حدی برای فشرده سازی هوا استفاده می شود. نیروگاه های توربین گازی اغلب به عنوان تامین کننده انرژی کمکی برای نیروگاه های برق آبی استفاده می شوند. در طول راه اندازی نیروگاه برق آبی، نیروی کمکی تولید می کند.

مزایا و معایب نیروگاه توربین گاز

طراحینیروگاه توربین گاز بسیار ساده تر از نیروگاه توربین بخار است. اندازه نیروگاه توربین گازی کوچکتر از نیروگاه توربین بخار است. هیچ جزء دیگ بخار در نیروگاه توربین گازی وجود ندارد و از این رو سیستم پیچیدگی کمتری دارد. بدون نیاز به بخار، کندانسور یا برج خنک کننده.

طراحی و ساخت نیروگاه های توربین گازی قدرتمند بسیار آسان تر و ارزان تر است، هزینه های سرمایه و عملیات بسیار کمتر از هزینه یک نیروگاه توربین بخار مشابه است.

تلفات دائمی در یک نیروگاه توربین گازی در مقایسه با نیروگاه توربین بخار به طور قابل توجهی کمتر است، زیرا در یک توربین بخار نیروگاه دیگ بخار باید به طور مداوم کار کند، حتی زمانی که سیستم باری را برای شبکه تامین نمی کند.. یک نیروگاه توربین گاز را می توان تقریباً فوراً راه اندازی کرد.

معایب نیروگاه توربین گاز:

1. انرژی مکانیکی تولید شده در توربین نیز برای به حرکت درآوردن کمپرسور هوا استفاده می شود.
2. از آنجایی که بیشتر انرژی مکانیکی تولید شده در توربین برای به حرکت درآوردن کمپرسور هوا استفاده می شود، راندمان کلی یک نیروگاه توربین گازی به اندازه نیروگاه توربین بخار معادل آن نیست.
3. گازهای خروجی در نیروگاه توربین گازی با دیگ بخار بسیار متفاوت است.
4. قبل از شروع واقعی توربین، هوا باید از قبل فشرده شود، که برای راه اندازی نیروگاه توربین گاز به یک منبع انرژی اضافی نیاز دارد.
5. دمای گاز به اندازه کافی بالاستنیروگاه توربین گاز. این منجر به عمر کوتاه‌تر سیستم نسبت به یک توربین بخار معادل می‌شود.

به دلیل راندمان پایین تر، نیروگاه توربین گازی را نمی توان برای تولید برق تجاری استفاده کرد، معمولاً از آن برای تامین نیروی کمکی سایر نیروگاه های معمولی مانند نیروگاه های برق آبی استفاده می شود.

مبدل ترمیونیک

به آنها ژنراتور ترمیونیک یا موتور ترموالکتریک نیز گفته می شود که مستقیماً گرما را با استفاده از انتشار حرارتی به الکتریسیته تبدیل می کند. انرژی حرارتی را می توان با راندمان بسیار بالا از طریق فرآیند جریان الکترونی ناشی از دما که به عنوان تابش ترمیونی شناخته می شود، به انرژی الکتریکی تبدیل کرد.

اصل اساسی کار مبدل های انرژی ترمیونی این است که الکترون ها از سطح یک کاتد گرم شده در خلاء تبخیر می شوند و سپس روی آند سردتر متراکم می شوند. از زمان اولین نمایش عملی در سال 1957، مبدل های قدرت ترمیونیک با انواع منابع گرمایی مورد استفاده قرار گرفته اند، اما همه آنها نیاز به کار در دماهای بالا - بالای 1500 کلوین دارند. 900 K) ممکن است، راندمان فرآیند، که معمولاً > 50٪ است، به طور قابل توجهی کاهش می یابد زیرا تعداد الکترون های ساطع شده در واحد سطح از کاتد به دمای گرمایش بستگی دارد.

برای مواد کاتدی معمولی مانندمانند فلزات و نیمه هادی ها، تعداد الکترون های گسیل شده با مجذور دمای کاتد متناسب است. با این حال، یک مطالعه اخیر نشان می دهد که دمای گرما را می توان با استفاده از گرافن به عنوان یک کاتد داغ، با یک مرتبه قدر کاهش داد. داده‌های به‌دست‌آمده نشان می‌دهند که یک مبدل ترمیونی کاتدی مبتنی بر گرافن که در 900 کلوین کار می‌کند، می‌تواند بازدهی 45% را به دست آورد.

نمودار شماتیک فرآیند گسیل ترمیونی الکترون در عکس نشان داده شده است.

TIC بر اساس گرافن، که در آن Tc و Ta به ترتیب دمای کاتد و دمای آند هستند. بر اساس مکانیسم جدید انتشار ترمیونی، محققان پیشنهاد می‌کنند که مبدل انرژی کاتدی مبتنی بر گرافن می‌تواند کاربرد خود را در بازیافت گرمای زباله‌های صنعتی، که اغلب به محدوده دمایی ۷۰۰ تا ۹۰۰ کلوین می‌رسد، بیابد.

مدل جدید ارائه شده توسط Liang و Eng می تواند برای طراحی مبدل قدرت مبتنی بر گرافن مفید باشد. مبدل های قدرت حالت جامد، که عمدتاً ژنراتورهای ترموالکتریک هستند، معمولاً در محدوده دمای پایین (بازده کمتر از 7٪) به طور ناکارآمد کار می کنند.

ژنراتورهای ترموالکتریک

بازیافت انرژی زباله تبدیل به یک هدف محبوب برای محققان و دانشمندانی شده است که روش های نوآورانه ای برای دستیابی به این هدف ارائه می دهند. یکی از نویدبخش ترین زمینه ها، دستگاه های ترموالکتریک مبتنی بر فناوری نانو است کهبه نظر یک رویکرد جدید برای صرفه جویی در انرژی است. تبدیل مستقیم گرما به الکتریسیته یا الکتریسیته به گرما بر اساس اثر پلتیه به عنوان ترموالکتریک شناخته می شود. به طور دقیق، این اثر به نام دو فیزیکدان - ژان پلتیه و توماس سیبک نامگذاری شده است.

Peltier کشف کرد که جریانی که به دو رسانای الکتریکی مختلف که در دو اتصال متصل هستند ارسال می شود باعث می شود یک اتصال گرم شود در حالی که اتصال دیگر خنک می شود. پلتیر به تحقیقات خود ادامه داد و دریافت که می‌توان یک قطره آب را در محل اتصال بیسموت-آنتیموان (BiSb) به سادگی با تغییر جریان منجمد کرد. پلتیر همچنین کشف کرد که وقتی اختلاف دما در محل اتصال رساناهای مختلف قرار می گیرد، جریان الکتریکی می تواند جریان یابد.

ترموالکتریسیته به دلیل توانایی آن در تبدیل جریان گرما به طور مستقیم به الکتریسیته منبع بسیار جالبی از الکتریسیته است. این یک مبدل انرژی است که بسیار مقیاس پذیر است و قطعات متحرک یا سوخت مایع ندارد، و تقریباً برای هر موقعیتی که گرمای زیادی هدر می رود، از لباس گرفته تا تأسیسات بزرگ صنعتی، مناسب است.

نانوساختارهای مورد استفاده در مواد ترموکوپل نیمه هادی به حفظ رسانایی الکتریکی خوب و کاهش هدایت حرارتی کمک می کند. بنابراین، عملکرد دستگاه های ترموالکتریک را می توان با استفاده از مواد مبتنی بر فناوری نانو افزایش داد.با استفاده از اثر پلتیه آنها خواص ترموالکتریک و ظرفیت جذب خوب انرژی خورشیدی را بهبود بخشیده اند.

کاربرد ترموالکتریک:

1. ارائه دهندگان انرژی و حسگرها در محدوده.
2. لامپ روغن سوزی که گیرنده بی سیم را برای ارتباط از راه دور کنترل می کند.
3. استفاده از دستگاه های الکترونیکی کوچک مانند پخش کننده MP3، ساعت های دیجیتال، تراشه های GPS/GSM و ضربه سنج با گرمای بدن.
4. صندلی های خنک کننده سریع در خودروهای لوکس.
5. گرمای زباله در وسایل نقلیه را با تبدیل آن به برق پاک کنید.
6. تبدیل گرمای زباله از کارخانه ها یا تأسیسات صنعتی به نیروی اضافی.
7. ترموالکتریک خورشیدی ممکن است برای تولید برق کارآمدتر از سلول های فتوولتائیک باشد، به ویژه در مناطقی که نور خورشید کمتری دارند.

مولد برق MHD

ژنراتورهای برق مغناطیسی هیدرودینامیکی از طریق برهمکنش سیال متحرک (معمولاً گاز یا پلاسما یونیزه شده) و میدان مغناطیسی الکتریسیته تولید می کنند. از سال 1970، برنامه های تحقیقاتی MHD در چندین کشور با تمرکز ویژه بر استفاده از زغال سنگ به عنوان سوخت انجام شده است.

اصل اساسی تولید فناوری MHD ظریف است. به طور معمول، گاز رسانای الکتریکی در فشار بالا با سوزاندن سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود. سپس گاز از طریق یک میدان مغناطیسی هدایت می شود و در نتیجه یک نیروی حرکتی الکتریکی در داخل آن مطابق با قانون القاء عمل می کند.فارادی (به نام مایکل فارادی فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی قرن نوزدهم نامگذاری شده است).

سیستم MHD یک موتور حرارتی است که شامل انبساط گاز از فشار بالا به فشار پایین به همان روشی است که در یک ژنراتور توربین گاز معمولی وجود دارد. در سیستم MHD، انرژی جنبشی گاز مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می شود، زیرا اجازه انبساط دارد. علاقه به تولید MHD در ابتدا با کشف این که برهمکنش پلاسما با میدان مغناطیسی می تواند در دماهای بسیار بالاتری نسبت به توربین های مکانیکی چرخان رخ دهد، جرقه زد.

عملکرد محدودکننده از نظر بازده در موتورهای حرارتی در آغاز قرن نوزدهم توسط مهندس فرانسوی سعدی کارنو تعیین شد. توان خروجی یک ژنراتور MHD به ازای هر متر مکعب از حجم آن با محصول هدایت گاز، مجذور سرعت گاز و مجذور قدرت میدان مغناطیسی که گاز از آن عبور می کند، متناسب است. برای اینکه ژنراتورهای MHD به صورت رقابتی، با عملکرد خوب و ابعاد فیزیکی مناسب کار کنند، هدایت الکتریکی پلاسما باید در محدوده دمایی بالای 1800 کلوین (حدود 1500 درجه سانتیگراد یا 2800 فارنهایت) باشد.

انتخاب نوع ژنراتور MHD به سوخت مصرفی و کاربرد بستگی دارد. فراوانی ذخایر زغال سنگ در بسیاری از کشورهای جهان به توسعه سیستم‌های کربن MHD برای تولید برق کمک می‌کند.