İstilik enerjisinin yüksək səmərəliliklə elektrik enerjisinə çevrilməsi: üsullar və avadanlıqlar

2024 Müəllif: Howard Calhoun | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2024-01-02 13:49

İstilik enerjisi insan fəaliyyətində xüsusi yer tutur, çünki o, iqtisadiyyatın bütün sahələrində istifadə olunur, əksər sənaye proseslərini və insanların güzəranını müşayiət edir. Əksər hallarda tullantı istilikləri geri dönməz şəkildə və heç bir iqtisadi fayda vermədən itirilir. Bu itirilmiş resursun artıq heç bir dəyəri yoxdur, ona görə də ondan təkrar istifadə həm enerji böhranını az altmağa, həm də ətraf mühiti qorumağa kömək edəcək. Buna görə də, istiliyi elektrik enerjisinə çevirməyin və tullantı istiliyi elektrik enerjisinə çevirməyin yeni üsulları bu gün həmişəkindən daha aktualdır.

Elektrik istehsalı növləri

Təbii enerji mənbələrinin elektrik, istilik və ya kinetik enerjiyə çevrilməsi CO2 emissiyalarını az altmaq üçün xüsusilə qaz və kömürlə işləyən elektrik stansiyalarında maksimum səmərəlilik tələb edir_{2. Çevrilmənin müxtəlif yolları varilkin enerji növlərindən asılı olaraq istilik enerjisini elektrik enerjisinə çevirir.}

Enerji resursları arasında kömür və təbii qaz yanma yolu ilə elektrik enerjisi (istilik enerjisi), uran isə nüvə parçalanması (nüvə enerjisi) ilə buxar enerjisindən buxar turbinini çevirmək üçün istifadə olunur. Fotoda 2017-ci ildə elektrik enerjisi istehsal edən ilk on ölkə göstərilib.

İstilik enerjisinin elektrik enerjisinə çevrilməsi üçün mövcud sistemlərin səmərəliliyi cədvəli.

	İstilik enerjisindən elektrik enerjisi istehsalı	Effektivlik, %
1	İstilik elektrik stansiyaları, CHP qurğuları	32
2	Atom stansiyaları, atom elektrik stansiyaları	80
3	Kondensasiya Elektrik Stansiyası, IES	40
4	Qaz turbin elektrik stansiyası, GTPP	60
5	Termion çeviriciləri, TEC-lər	40
6	Termoelektrik generatorlar	7
7	MHD elektrik generatorları CHP ilə birlikdə	60

İstilik enerjisini enerjiyə çevirmək üçün metodun seçilməsielektrik və onun iqtisadi məqsədəuyğunluğu enerjiyə olan ehtiyacdan, təbii yanacağın mövcudluğundan və tikinti sahəsinin kifayət qədər olmasından asılıdır. İstehsal növü bütün dünyada dəyişir, bu da elektrik enerjisinin qiymətlərinin geniş diapazonu ilə nəticələnir.

Ənənəvi elektrik enerjisi sənayesinin problemləri

İstilik enerjisini elektrik enerjisinə çevirmək texnologiyaları, məsələn, istilik elektrik stansiyaları, atom elektrik stansiyaları, IES, qaz turbin elektrik stansiyaları, istilik elektrik stansiyaları, termoelektrik generatorlar, MHD generatorları müxtəlif üstünlüklərə və çatışmazlıqlara malikdir. Elektrik Enerjisi Tədqiqat İnstitutu (EPRI) tikinti və elektrik enerjisi, torpaq, su tələbləri, CO emissiyaları_{2 kimi kritik amillərə baxaraq təbii enerji istehsalı texnologiyalarının müsbət və mənfi tərəflərini göstərir. israf, sərfəli qiymət və çeviklik.}

EPRI nəticələri vurğulayır ki, enerji istehsalı texnologiyalarını nəzərdən keçirərkən hamıya uyğun bir yanaşma yoxdur, lakin təbii qaz hələ də daha çox faydalanır, çünki tikinti üçün münasibdir, elektrik enerjisinin aşağı qiymətinə malikdir və daha az emissiya yaradır. kömür. Lakin bütün ölkələrin bol və ucuz təbii qaza çıxışı yoxdur. Bəzi hallarda, Şərqi Avropa və bəzi Qərbi Avropa ölkələrində olduğu kimi, geosiyasi gərginlik səbəbindən təbii qaza çıxış təhlükə altındadır.

Külək kimi bərpa olunan enerji texnologiyalarıturbinlər, günəş fotovoltaik modulları emissiya elektrik enerjisi istehsal edir. Bununla belə, onlar çoxlu torpaq tələb etməyə meyllidirlər və onların effektivliyinin nəticələri qeyri-sabitdir və havadan asılıdır. Əsas istilik mənbəyi olan kömür ən problemlidir. O, CO emissiyalarına səbəb olur_{2, soyuducu suyu soyutmaq üçün çoxlu təmiz su tələb edir və stansiyanın tikintisi üçün geniş ərazini tutur.}

Yeni texnologiyalar enerji istehsalı texnologiyaları ilə bağlı bir sıra problemləri az altmaq məqsədi daşıyır. Məsələn, ehtiyat batareya ilə birləşdirilmiş qaz turbinləri yanacaq yandırmadan fövqəladə ehtiyat ehtiyatını təmin edir və münasib qiymətə geniş miqyaslı enerji anbarı yaratmaqla fasilələrlə bərpa olunan resurs problemlərini yüngülləşdirmək olar. Beləliklə, bu gün istilik enerjisini elektrik enerjisinə çevirmək üçün heç bir mükəmməl üsul yoxdur ki, bu da ətraf mühitə minimal təsirlə etibarlı və sərfəli elektrik enerjisini təmin edə bilər.

İstilik elektrik stansiyaları

İstilik elektrik stansiyasında bərk yanacağın (əsasən kömürün) yandırılması ilə suyun qızdırılmasından əldə edilən yüksək təzyiqli və yüksək temperaturlu buxar generatora qoşulmuş turbin fırlanır. Beləliklə, kinetik enerjisini elektrik enerjisinə çevirir. İstilik elektrik stansiyasının əməliyyat komponentləri:

1. Qaz sobalı qazan.
2. Buxar turbin.
3. Generator.
4. Kondensator.
5. Soyutma qüllələri.
6. Dövriyyə su nasosu.
7. Qidalanma nasosuqazana su tökün.
8. Məcburi işlənmiş ventilyatorlar.
9. Separatorlar.

İstilik elektrik stansiyasının tipik diaqramı aşağıda göstərilmişdir.

Buxar qazanı suyu buxara çevirmək üçün istifadə olunur. Bu proses yanacağın yanmasından isitmə ilə borularda suyun qızdırılması ilə həyata keçirilir. Yanma prosesləri xaricdən hava tədarükü ilə yanacaq yanma kamerasında davamlı olaraq həyata keçirilir.

Buxar turbin generatoru idarə etmək üçün buxar enerjisini ötürür. Yüksək təzyiqli və temperaturlu buxar mil üzərində quraşdırılmış turbin qanadlarını itələyərək fırlanmağa başlayır. Bu zaman turbinə daxil olan həddindən artıq qızdırılan buxarın parametrləri doymuş vəziyyətə endirilir. Doymuş buxar kondensatora daxil olur və fırlanma gücü cərəyan yaradan generatoru döndərmək üçün istifadə olunur. Bu gün demək olar ki, bütün buxar turbinləri kondensator tiplidir.

Kondensatorlar buxarın suya çevrilməsi üçün cihazlardır. Buxar borulardan kənarda, soyuducu su isə boruların içərisində axır. Bu dizayn səthi kondansatör adlanır. İstilik ötürmə sürəti soyuducu suyun axınından, boruların səthindən və su buxarı ilə soyuducu su arasındakı temperatur fərqindən asılıdır. Su buxarının dəyişmə prosesi doymuş təzyiq və temperatur altında baş verir, bu halda kondensator vakuum altında olur, çünki soyuducu suyun temperaturu xarici temperatura bərabərdir, kondensat suyunun maksimum temperaturu xarici temperatura yaxındır.

Generator mexaniki çevirirenerjini elektrikə çevirir. Generator bir stator və bir rotordan ibarətdir. Stator sarğıları ehtiva edən korpusdan, maqnit sahəsinin fırlanan stansiyası isə sarğı olan nüvədən ibarətdir.

İstehsal olunan enerjinin növünə görə İES-lər elektrik enerjisi istehsal edən kondensasiyalı İES-lərə və istilik (buxar və isti su) və elektrik enerjisini birgə istehsal edən kombinə edilmiş istilik və elektrik stansiyalarına bölünür. Sonuncular istilik enerjisini yüksək səmərəliliklə elektrik enerjisinə çevirmək qabiliyyətinə malikdir.

Atom elektrik stansiyaları

Atom elektrik stansiyaları nüvə parçalanması zamanı ayrılan istilikdən suyu qızdırmaq və buxar istehsal etmək üçün istifadə edir. Buxar elektrik enerjisi istehsal edən böyük turbinləri çevirmək üçün istifadə olunur. Bölünmə zamanı atomlar parçalanaraq daha kiçik atomlar əmələ gətirir və enerji açır. Proses reaktorun daxilində baş verir. Onun mərkəzində uran 235 olan nüvə yerləşir. Atom elektrik stansiyaları üçün yanacaq 235U (0,7%) və parçalanmayan 238U (99,3%) izotopu olan urandan əldə edilir.

Nüvə yanacaq dövrü nüvə enerjisi reaktorlarında urandan elektrik enerjisi istehsalı ilə məşğul olan bir sıra sənaye addımlarıdır. Uran bütün dünyada rast gəlinən nisbətən ümumi elementdir. Bir sıra ölkələrdə hasil edilir və yanacaq kimi istifadə edilməzdən əvvəl emal edilir.

Elektrik enerjisi istehsalı ilə bağlı fəaliyyətlər ümumi olaraq atom elektrik stansiyalarında istilik enerjisinin elektrik enerjisinə çevrilməsi üçün nüvə yanacaq dövrü adlanır. NüvəYanacaq dövrü uran hasilatı ilə başlayır və nüvə tullantılarının utilizasiyası ilə başa çatır. Nüvə enerjisi üçün bir seçim kimi istifadə edilmiş yanacağın təkrar emal edilməsi zamanı onun addımları əsl dövrə təşkil edir.

Uran-Plutonium Yanacaq Dövrü

Atom elektrik stansiyalarında istifadə üçün yanacağın hazırlanması üçün yanacaq elementlərinin çıxarılması, emalı, çevrilməsi, zənginləşdirilməsi və istehsalı prosesləri həyata keçirilir. Yanacaq dövrü:

1. Uran 235 yanması.
2. Şlak - 235U və (239Pu, 241Pu) 238U-dan.
3. 235U-nun parçalanması zamanı onun istehlakı azalır və elektrik enerjisi istehsal edilərkən 238U-dan izotoplar alınır.

VVR üçün yanacaq çubuqlarının qiyməti istehsal olunan elektrik enerjisinin dəyərinin təxminən 20%-ni təşkil edir.

Uran reaktorda təxminən üç il sərf etdikdən sonra istifadə olunan yanacaq tullantıların utilizasiyasından əvvəl müvəqqəti saxlama, təkrar emal və təkrar emal daxil olmaqla başqa bir istifadə prosesindən keçə bilər. Atom elektrik stansiyaları istilik enerjisinin birbaşa elektrik enerjisinə çevrilməsini təmin edir. Reaktorun nüvəsində nüvə parçalanması zamanı ayrılan istilik suyu buxara çevirmək üçün istifadə olunur, bu da buxar turbininin qanadlarını fırladır və generatorları elektrik enerjisi istehsal etmək üçün hərəkətə gətirir.

Buxar elektrik dövrəsinin təmiz suyunu soyutmaq üçün gölməçələrdən, çaylardan və ya okeandan gələn sudan istifadə edən soyutma qülləsi adlanan elektrik stansiyasında ayrı bir strukturda suya çevrilərək soyudulur. Sonra soyudulmuş su buxar hasil etmək üçün təkrar istifadə olunur.

Nüvə elektrik stansiyalarında elektrik enerjisi istehsalının payıbəzi ölkələr və dünya kontekstində onların müxtəlif növ resursların istehsalının ümumi balansı - aşağıdakı fotoda.

Qaz Turbin Elektrik Stansiyası

Qaz turbinli elektrik stansiyasının iş prinsipi buxar turbinli elektrik stansiyasına bənzəyir. Yeganə fərq ondadır ki, buxar turbinli elektrik stansiyası turbini çevirmək üçün sıxılmış buxardan, qaz turbinli elektrik stansiyası isə qazdan istifadə edir.

Qaz turbinli elektrik stansiyasında istilik enerjisinin elektrik enerjisinə çevrilməsi prinsipini nəzərdən keçirək.

Qaz turbinli elektrik stansiyasında hava kompressorda sıxılır. Sonra bu sıxılmış hava yanma kamerasından keçir, burada qaz-hava qarışığı yaranır, sıxılmış havanın temperaturu yüksəlir. Bu yüksək temperaturlu, yüksək təzyiqli qarışıq qaz turbinindən keçirilir. Turbində o, kəskin şəkildə genişlənir və turbinin fırlanması üçün kifayət qədər kinetik enerji alır.

Qaz turbinli elektrik stansiyasında turbin mili, alternator və hava kompressoru çox yayılmışdır. Turbində yaranan mexaniki enerji qismən havanı sıxmaq üçün istifadə olunur. Qaz turbinli elektrik stansiyaları çox vaxt su elektrik stansiyalarının ehtiyat köməkçi enerji təchizatçısı kimi istifadə olunur. O, su elektrik stansiyasının işə salınması zamanı köməkçi enerji istehsal edir.

Qaz turbin elektrik stansiyasının üstünlükləri və çatışmazlıqları

Dizaynqaz turbin elektrik stansiyası buxar turbin elektrik stansiyasından daha sadədir. Qaz turbinli elektrik stansiyasının ölçüsü buxar turbinli elektrik stansiyasından kiçikdir. Qaz turbinli elektrik stansiyasında qazan komponenti yoxdur və buna görə də sistem daha az mürəkkəbdir. Buxar, kondensator və ya soyutma qülləsi tələb olunmur.

Güclü qaz-turbin elektrik stansiyalarının layihələndirilməsi və tikintisi xeyli asan və daha ucuzdur, kapital və istismar xərcləri oxşar buxar turbinli elektrik stansiyasının qiymətindən xeyli azdır.

Qaz turbinli elektrik stansiyasında daimi itkilər buxar turbinli elektrik stansiyası ilə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə azdır, çünki buxar turbinində qazan elektrik stansiyası sistem şəbəkəyə yük vermədikdə belə davamlı işləməlidir.. Qaz turbinli elektrik stansiyası demək olar ki, dərhal işə salına bilər.

Qaz turbin elektrik stansiyasının çatışmazlıqları:

1. Turbində yaranan mexaniki enerji həm də hava kompressorunu idarə etmək üçün istifadə olunur.
2. Turbində yaranan mexaniki enerjinin böyük hissəsi hava kompressorunu idarə etmək üçün istifadə edildiyi üçün qaz turbinli elektrik stansiyasının ümumi səmərəliliyi ekvivalent buxar turbin elektrik stansiyası qədər yüksək deyil.
3. Qaz turbinli elektrik stansiyasındakı işlənmiş qazlar qazandan çox fərqlidir.
4. Turbin faktiki işə düşməzdən əvvəl hava əvvəlcədən sıxılmalıdır ki, bu da qaz turbin elektrik stansiyasını işə salmaq üçün əlavə enerji mənbəyi tələb edir.
5. Qazın temperaturu kifayət qədər yüksəkdirqaz turbin elektrik stansiyası. Bu, ekvivalent buxar turbinindən daha qısa sistemin ömrü ilə nəticələnir.

Aşağı səmərəliliyinə görə qaz turbinli elektrik stansiyası kommersiya enerjisi istehsalı üçün istifadə edilə bilməz, adətən o, su elektrik stansiyaları kimi digər ənənəvi elektrik stansiyalarını köməkçi enerji ilə təmin etmək üçün istifadə olunur.

Termion çeviriciləri

Onlara termion generator və ya termoelektrik mühərrik də deyilir ki, onlar istilik emissiyasından istifadə edərək istiliyi birbaşa elektrik enerjisinə çevirirlər. İstilik enerjisi termion şüalanma kimi tanınan temperaturun yaratdığı elektron axını prosesi vasitəsilə çox yüksək səmərəliliklə elektrik enerjisinə çevrilə bilər.

Termionik enerji çeviricilərinin əsas iş prinsipi elektronların qızdırılan katodun səthindən vakuumda buxarlanması və daha sonra daha soyuq anodda kondensasiyasıdır. 1957-ci ildə ilk praktik nümayişindən bəri, termion güc çeviriciləri müxtəlif istilik mənbələri ilə istifadə edilmişdir, lakin onların hamısı yüksək temperaturda işləməyi tələb edir - 1500 K-dən yuxarı. Termion güc çeviriciləri nisbətən aşağı temperaturda işləyərkən (700 K - 900 K) mümkündür, adətən > 50% olan prosesin səmərəliliyi əhəmiyyətli dərəcədə azalır, çünki katoddan vahid sahəyə buraxılan elektronların sayı istilik temperaturundan asılıdır.

kimi adi katod materialları üçünmetallar və yarımkeçiricilər kimi, buraxılan elektronların sayı katod temperaturunun kvadratına mütənasibdir. Bununla belə, bu yaxınlarda aparılan bir araşdırma göstərir ki, isti katod kimi qrafendən istifadə etməklə istilik temperaturu böyük ölçüdə azaldıla bilər. Əldə edilən məlumatlar göstərir ki, 900 K-də işləyən qrafen əsaslı katod termion çeviricisi 45% səmərəliliyə nail ola bilər.

Elektron termion emissiya prosesinin sxematik diaqramı fotoda göstərilmişdir.

Qrafenə əsaslanan TIC, burada Tc və Ta müvafiq olaraq katodun temperaturu və anodun temperaturudur. Termion emissiyasının yeni mexanizminə əsaslanaraq, tədqiqatçılar təklif edirlər ki, qrafen əsaslı katod enerji çeviricisi tez-tez 700 ilə 900 K temperatur diapazonuna çatan sənaye tullantılarının istiliyinin təkrar emalında tətbiqini tapa bilər.

Liang və Eng tərəfindən təqdim edilən yeni model qrafen əsaslı güc çevirici dizaynından faydalana bilər. Əsasən termoelektrik generatorlar olan bərk hallı güc çeviriciləri adətən aşağı temperatur diapazonunda (7%-dən az səmərəlilik) səmərəsiz işləyirlər.

Termoelektrik generatorlar

Tullantı enerjisinin təkrar emalı bu məqsədə nail olmaq üçün innovativ üsullar təklif edən tədqiqatçılar və elm adamları üçün məşhur hədəfə çevrilib. Ən perspektivli sahələrdən biri nanotexnologiyaya əsaslanan termoelektrik cihazlardırenerjiyə qənaət etmək üçün yeni bir yanaşma kimi görünür. İstiliyin elektrikə və ya elektrikin istiliyə birbaşa çevrilməsi Peltier effektinə əsaslanan termoelektrik kimi tanınır. Dəqiq desək, effekt iki fizikin adını daşıyır - Jean Peltier və Tomas Seebeck.

Peltier kəşf etdi ki, iki qovşaqda birləşdirilən iki fərqli elektrik keçiricisinə göndərilən cərəyan bir qovşağın istiləşməsinə, digər qovşağın isə soyumasına səbəb olacaq. Peltier tədqiqatını davam etdirdi və vismut-surma (BiSb) qovşağında sadəcə cərəyanı dəyişdirməklə bir damcı suyun dondurulacağını tapdı. Peltier həmçinin kəşf etdi ki, müxtəlif keçiricilərin qovşağında temperatur fərqi yerləşdirildikdə elektrik cərəyanı keçə bilər.

Termoelektrik istilik axınını birbaşa elektrik enerjisinə çevirmək qabiliyyətinə görə son dərəcə maraqlı elektrik enerjisi mənbəyidir. Bu, yüksək miqyaslana bilən və hərəkət edən hissələri və ya maye yanacağı olmayan enerji çeviricisidir və onu geyimdən tutmuş böyük sənaye obyektlərinə qədər çoxlu istiliyin boşa getməyə meylli olduğu demək olar ki, istənilən vəziyyət üçün uyğun edir.

Yarımkeçirici termocüt materiallarında istifadə edilən nanostrukturlar yaxşı elektrik keçiriciliyini saxlamağa və istilik keçiriciliyini az altmağa kömək edəcək. Beləliklə, nanotexnologiyaya əsaslanan materiallardan istifadə etməklə termoelektrik cihazların məhsuldarlığı artırıla bilər. Peltier effektindən istifadə etməklə. Onların təkmilləşdirilmiş termoelektrik xassələri və günəş enerjisini yaxşı udma qabiliyyəti var.

Termoelektrik tətbiqi:

1. Enerji təminatçıları və diapazonlarda sensorlar.
2. Uzaqdan rabitə üçün simsiz qəbuledicini idarə edən yanan yağ lampası.
3. MP3 pleyerlər, rəqəmsal saatlar, GPS/GSM çipləri və bədən istiliyi ilə impulsölçənlər kimi kiçik elektron cihazların tətbiqi.
4. Lüks avtomobillərdə oturacaqların sürətli soyudulması.
5. Maşınlardakı tullantı istiliyi elektrik enerjisinə çevirərək təmizləyin.
6. Fabriklərdən və ya sənaye obyektlərindən gələn tullantı istiliyini əlavə gücə çevirin.
7. Günəş termoelektrikləri enerji istehsalı üçün fotovoltaik elementlərdən daha səmərəli ola bilər, xüsusən də günəş işığı az olan ərazilərdə.

MHD elektrik generatorları

Maqnetohidrodinamik güc generatorları hərəkət edən mayenin (adətən ionlaşmış qaz və ya plazma) və maqnit sahəsinin qarşılıqlı təsiri ilə elektrik enerjisi yaradır. 1970-ci ildən bəri bir çox ölkədə MHD tədqiqat proqramları kömürün yanacaq kimi istifadəsinə xüsusi diqqət yetirməklə həyata keçirilir.

MHD texnologiyasının yaradılmasının əsas prinsipi zərifdir. Tipik olaraq, elektrik keçirici qaz qalıq yanacaqların yandırılması ilə yüksək təzyiqdə istehsal olunur. Daha sonra qaz bir maqnit sahəsinə yönəldilir və nəticədə induksiya qanununa uyğun olaraq onun daxilində elektromotor qüvvə təsir göstərir. Faraday (19-cu əsr ingilis fiziki və kimyaçısı Maykl Faradeyin şərəfinə adlandırılıb).

MHD sistemi adi qaz turbin generatorunda olduğu kimi qazın yüksək təzyiqdən aşağı təzyiqə genişlənməsini özündə birləşdirən istilik mühərrikidir. MHD sistemində qazın kinetik enerjisi genişlənməsinə icazə verildiyi üçün birbaşa elektrik enerjisinə çevrilir. MHD-nin yaradılmasına maraq ilkin olaraq plazmanın maqnit sahəsi ilə qarşılıqlı təsirinin fırlanan mexaniki turbinlə müqayisədə daha yüksək temperaturda baş verə biləcəyi kəşfi ilə yarandı.

İstilik mühərriklərində səmərəlilik baxımından məhdudlaşdırıcı göstərici 19-cu əsrin əvvəllərində fransız mühəndisi Sadi Karno tərəfindən müəyyən edilmişdir. MHD generatorunun həcminin hər kubmetri üçün çıxış gücü qaz keçiricilik məhsuluna, qaz sürətinin kvadratına və qazın keçdiyi maqnit sahəsinin gücünün kvadratına mütənasibdir. MHD generatorlarının rəqabət qabiliyyətli, yaxşı performans və ağlabatan fiziki ölçülərlə işləməsi üçün plazmanın elektrik keçiriciliyi 1800 K-dən (təxminən 1500 C və ya 2800 F) yuxarı temperatur diapazonunda olmalıdır.

MHD generatorunun növünün seçimi istifadə olunan yanacaqdan və tətbiqdən asılıdır. Dünyanın bir çox ölkələrində kömür ehtiyatlarının bolluğu elektrik enerjisi istehsalı üçün MHD karbon sistemlərinin inkişafına kömək edir.