Penukaran tenaga haba kepada tenaga elektrik dengan kecekapan tinggi: kaedah dan peralatan

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-17 19:02

Tenaga haba menduduki tempat istimewa dalam aktiviti manusia, kerana ia digunakan dalam semua sektor ekonomi, mengiringi kebanyakan proses perindustrian dan mata pencarian rakyat. Dalam kebanyakan kes, haba buangan hilang tanpa boleh ditarik balik dan tanpa sebarang faedah ekonomi. Sumber yang hilang ini tidak lagi bernilai, jadi penggunaan semula akan membantu mengurangkan krisis tenaga dan melindungi alam sekitar. Oleh itu, cara baharu untuk menukar haba kepada tenaga elektrik dan menukar haba buangan kepada elektrik adalah lebih relevan hari ini berbanding sebelum ini.

Jenis penjanaan elektrik

Mengubah sumber tenaga semula jadi kepada tenaga elektrik, haba atau kinetik memerlukan kecekapan maksimum, terutamanya dalam loji janakuasa gas dan arang batu, untuk mengurangkan pelepasan CO2_{2. Terdapat pelbagai cara untuk menukartenaga haba kepada tenaga elektrik, bergantung pada jenis tenaga primer.}

Antara sumber tenaga, arang batu dan gas asli digunakan untuk menjana elektrik melalui pembakaran (tenaga haba), dan uranium melalui pembelahan nuklear (tenaga nuklear) untuk menggunakan kuasa wap untuk menghidupkan turbin stim. Sepuluh negara pengeluar elektrik terbaik untuk 2017 ditunjukkan dalam foto.

Jadual kecekapan sistem sedia ada untuk penukaran tenaga haba kepada tenaga elektrik.

	Penjanaan elektrik daripada tenaga haba	Kecekapan, %
1	Loji kuasa haba, loji CHP	32
2	Loji nuklear, loji kuasa nuklear	80
3	Loji Kuasa Pemeluwapan, IES	40
4	Loji janakuasa turbin gas, GTPP	60
5	Transduser termionik, TEC	40
6	Penjana termoelektrik	7
7	Penjana kuasa MHD bersama CHP	60

Memilih kaedah untuk menukar tenaga haba kepadaelektrik dan kebolehlaksanaan ekonominya bergantung kepada keperluan tenaga, ketersediaan bahan api asli dan kecukupan tapak pembinaan. Jenis penjanaan berbeza-beza di seluruh dunia, menghasilkan pelbagai harga elektrik.

Masalah industri kuasa elektrik tradisional

Teknologi untuk menukar tenaga haba kepada tenaga elektrik, seperti loji kuasa haba, loji kuasa nuklear, IES, loji janakuasa turbin gas, loji kuasa haba, penjana termoelektrik, penjana MHD mempunyai kelebihan dan kekurangan yang berbeza. Institut Penyelidikan Kuasa Elektrik (EPRI) menggambarkan kebaikan dan keburukan teknologi penjanaan tenaga semula jadi, melihat kepada faktor kritikal seperti pembinaan dan kos elektrik, tanah, keperluan air, pelepasan CO_{2, pembaziran, kemampuan dan fleksibiliti.}

Hasil EPRI menyerlahkan bahawa tiada pendekatan yang sesuai untuk semua apabila mempertimbangkan teknologi penjanaan kuasa, namun gas asli masih mendapat manfaat yang lebih kerana ia mampu untuk pembinaan, mempunyai kos elektrik yang rendah, menjana kurang pelepasan daripada arang. Walau bagaimanapun, tidak semua negara mempunyai akses kepada gas asli yang banyak dan murah. Dalam sesetengah kes, akses kepada gas asli terancam disebabkan oleh ketegangan geopolitik, seperti yang berlaku di Eropah Timur dan beberapa negara Eropah Barat.

Teknologi tenaga boleh diperbaharui seperti anginturbin, modul fotovoltaik solar menghasilkan pelepasan elektrik. Walau bagaimanapun, mereka cenderung memerlukan banyak tanah, dan hasil keberkesanannya tidak stabil dan bergantung kepada cuaca. Arang batu, sumber utama haba, adalah yang paling bermasalah. Ia mendahului dalam pelepasan CO_{2, memerlukan banyak air bersih untuk menyejukkan penyejuk dan menduduki kawasan yang luas untuk pembinaan stesen.}

Teknologi baharu bertujuan untuk mengurangkan beberapa masalah yang berkaitan dengan teknologi penjanaan kuasa. Sebagai contoh, turbin gas digabungkan dengan bateri sandaran menyediakan sandaran luar jangka tanpa membakar bahan api, dan masalah sumber boleh diperbaharui sekejap-sekejap boleh dikurangkan dengan mencipta storan tenaga berskala besar yang mampu dimiliki. Oleh itu, hari ini tiada satu cara yang sempurna untuk menukar tenaga haba kepada elektrik, yang boleh membekalkan elektrik yang boleh dipercayai dan menjimatkan kos dengan kesan alam sekitar yang minimum.

Loji kuasa haba

Di loji kuasa haba, wap tekanan tinggi dan suhu tinggi, diperoleh daripada memanaskan air dengan membakar bahan api pepejal (terutamanya arang batu), memutarkan turbin yang disambungkan kepada penjana. Oleh itu, ia menukar tenaga kinetiknya kepada tenaga elektrik. Komponen pengendalian loji kuasa haba:

1. Dadang dengan relau gas.
2. turbin wap.
3. Penjana.
4. Kapasitor.
5. Menara penyejuk.
6. Pam air beredar.
7. Pam suapanair ke dalam dandang.
8. Kipas ekzos paksa.
9. Pemisah.

Rajah biasa loji kuasa haba ditunjukkan di bawah.

Dadang wap digunakan untuk menukar air kepada wap. Proses ini dijalankan dengan memanaskan air dalam paip dengan pemanasan daripada pembakaran bahan api. Proses pembakaran dijalankan secara berterusan di dalam kebuk pembakaran bahan api dengan bekalan udara dari luar.

Turbin stim memindahkan tenaga wap untuk memacu penjana. Stim dengan tekanan dan suhu tinggi menolak bilah turbin yang dipasang pada aci supaya ia mula berputar. Dalam kes ini, parameter wap panas lampau memasuki turbin dikurangkan kepada keadaan tepu. Stim tepu memasuki pemeluwap, dan kuasa berputar digunakan untuk memutarkan penjana, yang menghasilkan arus. Hampir semua turbin wap hari ini adalah daripada jenis pemeluwap.

Kondenser ialah peranti untuk menukar wap kepada air. Stim mengalir di luar paip dan air penyejuk mengalir di dalam paip. Reka bentuk ini dipanggil kapasitor permukaan. Kadar pemindahan haba bergantung kepada aliran air penyejuk, luas permukaan paip dan perbezaan suhu antara wap air dan air penyejuk. Proses perubahan wap air berlaku di bawah tekanan dan suhu tepu, dalam kes ini pemeluwap berada di bawah vakum, kerana suhu air penyejuk adalah sama dengan suhu luar, suhu maksimum air kondensat adalah berhampiran suhu luar.

Penjana menukar mekanik altenaga menjadi elektrik. Penjana terdiri daripada pemegun dan pemutar. Stator terdiri daripada perumah yang mengandungi gegelung, dan stesen putar medan magnet terdiri daripada teras yang mengandungi gegelung.

Mengikut jenis tenaga yang dihasilkan, TPP dibahagikan kepada IES pemeluwapan, yang menghasilkan tenaga elektrik dan gabungan haba dan loji kuasa, yang bersama-sama menghasilkan haba (wap dan air panas) dan elektrik. Yang terakhir ini mempunyai keupayaan untuk menukar tenaga haba kepada tenaga elektrik dengan kecekapan tinggi.

Loji kuasa nuklear

Loji kuasa nuklear menggunakan haba yang dibebaskan semasa pembelahan nuklear untuk memanaskan air dan menghasilkan wap. Stim digunakan untuk menghidupkan turbin besar yang menjana elektrik. Dalam pembelahan, atom berpecah untuk membentuk atom yang lebih kecil, membebaskan tenaga. Proses ini berlaku di dalam reaktor. Di tengahnya terdapat teras yang mengandungi uranium 235. Bahan api untuk loji kuasa nuklear diperoleh daripada uranium, yang mengandungi isotop 235U (0.7%) dan bukan fisil 238U (99.3%).

Kitaran bahan api nuklear ialah satu siri langkah perindustrian yang terlibat dalam pengeluaran tenaga elektrik daripada uranium dalam reaktor kuasa nuklear. Uranium adalah unsur yang agak biasa ditemui di seluruh dunia. Ia dilombong di beberapa negara dan diproses sebelum digunakan sebagai bahan api.

Aktiviti yang berkaitan dengan pengeluaran tenaga elektrik secara kolektif dirujuk sebagai kitaran bahan api nuklear untuk penukaran tenaga haba kepada tenaga elektrik di loji kuasa nuklear. NuklearKitaran bahan api bermula dengan perlombongan uranium dan berakhir dengan pelupusan sisa nuklear. Apabila memproses semula bahan api terpakai sebagai pilihan untuk kuasa nuklear, langkah-langkahnya membentuk kitaran yang sebenarnya.

Kitaran Bahan Api Uranium-Plutonium

Untuk menyediakan bahan api untuk digunakan di loji kuasa nuklear, proses dijalankan untuk pengekstrakan, pemprosesan, penukaran, pengayaan dan pengeluaran unsur bahan api. Kitaran bahan api:

1. Uranium 235 terbakar.
2. Slag - 235U dan (239Pu, 241Pu) daripada 238U.
3. Semasa pereputan 235U, penggunaannya berkurangan, dan isotop diperoleh daripada 238U apabila menjana elektrik.

Kos rod bahan api untuk VVR adalah lebih kurang 20% daripada kos elektrik yang dijana.

Selepas uranium menghabiskan masa kira-kira tiga tahun dalam reaktor, bahan api yang digunakan boleh melalui proses penggunaan lain, termasuk penyimpanan sementara, pemprosesan semula dan kitar semula sebelum pembuangan sisa. Loji kuasa nuklear menyediakan penukaran langsung tenaga haba kepada tenaga elektrik. Haba yang dibebaskan semasa pembelahan nuklear dalam teras reaktor digunakan untuk menukar air menjadi wap, yang memutarkan bilah turbin stim, memacu penjana untuk menjana elektrik.

Stim disejukkan dengan bertukar menjadi air dalam struktur berasingan dalam loji kuasa yang dipanggil menara penyejuk, yang menggunakan air dari kolam, sungai atau lautan untuk menyejukkan air bersih litar kuasa wap. Air yang telah disejukkan kemudiannya digunakan semula untuk menghasilkan wap.

Bahagian penjanaan elektrik di loji kuasa nuklear, berhubung dengankeseimbangan keseluruhan pengeluaran jenis sumber mereka yang berbeza, dalam konteks sesetengah negara dan di dunia - dalam foto di bawah.

Loji Kuasa Turbin Gas

Prinsip operasi loji janakuasa turbin gas adalah serupa dengan loji janakuasa turbin stim. Satu-satunya perbezaan ialah loji janakuasa turbin stim menggunakan wap termampat untuk memutarkan turbin, manakala loji janakuasa turbin gas menggunakan gas.

Mari kita pertimbangkan prinsip menukar tenaga haba kepada tenaga elektrik dalam loji janakuasa turbin gas.

Dalam loji janakuasa turbin gas, udara dimampatkan dalam pemampat. Kemudian udara termampat ini melalui kebuk pembakaran, di mana campuran gas-udara terbentuk, suhu udara termampat meningkat. Suhu tinggi, campuran tekanan tinggi ini disalurkan melalui turbin gas. Dalam turbin, ia mengembang dengan mendadak, menerima tenaga kinetik yang mencukupi untuk memutarkan turbin.

Dalam loji janakuasa turbin gas, aci turbin, alternator dan pemampat udara adalah perkara biasa. Tenaga mekanikal yang dihasilkan dalam turbin sebahagiannya digunakan untuk memampatkan udara. Loji janakuasa turbin gas sering digunakan sebagai pembekal tenaga tambahan sandaran kepada loji kuasa hidroelektrik. Ia menjana kuasa tambahan semasa permulaan loji hidroelektrik.

Kebaikan dan keburukan loji janakuasa turbin gas

Reka bentukloji janakuasa turbin gas jauh lebih mudah daripada loji janakuasa turbin stim. Saiz loji janakuasa turbin gas adalah lebih kecil daripada loji janakuasa turbin stim. Tiada komponen dandang dalam loji janakuasa turbin gas dan oleh itu sistemnya kurang kompleks. Tiada wap, tiada kondenser atau menara penyejuk diperlukan.

Reka bentuk dan pembinaan loji janakuasa turbin gas berkuasa adalah lebih mudah dan murah, kos modal dan operasi jauh lebih rendah daripada kos loji janakuasa turbin stim yang serupa.

Kerugian kekal dalam loji janakuasa turbin gas adalah jauh lebih sedikit berbanding loji janakuasa turbin stim, kerana dalam turbin stim loji janakuasa dandang mesti beroperasi secara berterusan, walaupun ketika sistem tidak membekalkan beban kepada rangkaian. Loji janakuasa turbin gas boleh dimulakan hampir serta-merta.

Keburukan loji janakuasa turbin gas:

1. Tenaga mekanikal yang dijana dalam turbin juga digunakan untuk memacu pemampat udara.
2. Oleh kerana kebanyakan tenaga mekanikal yang dijana dalam turbin digunakan untuk memacu pemampat udara, kecekapan keseluruhan loji janakuasa turbin gas tidak setinggi loji janakuasa turbin stim yang setara.
3. Gas ekzos dalam loji janakuasa turbin gas sangat berbeza daripada dandang.
4. Sebelum permulaan sebenar turbin, udara mesti dimampatkan terlebih dahulu, yang memerlukan sumber kuasa tambahan untuk memulakan loji kuasa turbin gas.
5. Suhu gas cukup tinggi untukloji janakuasa turbin gas. Ini menghasilkan hayat sistem yang lebih pendek daripada turbin stim yang setara.

Disebabkan kecekapannya yang lebih rendah, loji janakuasa turbin gas tidak boleh digunakan untuk penjanaan kuasa komersial, ia biasanya digunakan untuk membekalkan kuasa tambahan kepada loji janakuasa konvensional lain seperti loji kuasa hidroelektrik.

Penukar termionik

Ia juga dipanggil penjana termionik atau motor termoelektrik, yang secara langsung menukar haba kepada elektrik menggunakan pelepasan haba. Tenaga terma boleh ditukar kepada tenaga elektrik pada kecekapan yang sangat tinggi melalui proses aliran elektron yang disebabkan oleh suhu yang dikenali sebagai sinaran termionik.

Prinsip asas operasi penukar tenaga termionik ialah elektron menyejat dari permukaan katod yang dipanaskan dalam vakum dan kemudian terpeluwap pada anod yang lebih sejuk. Sejak demonstrasi praktikal pertama pada tahun 1957, penukar kuasa termionik telah digunakan dengan pelbagai sumber haba, tetapi kesemuanya memerlukan operasi pada suhu tinggi - melebihi 1500 K. Semasa operasi penukar kuasa termionik pada suhu yang agak rendah (700 K - 900 K) adalah mungkin, kecekapan proses, yang biasanya > 50%, berkurangan dengan ketara kerana bilangan elektron yang dipancarkan per unit luas daripada katod bergantung pada suhu pemanasan.

Untuk bahan katod konvensional sepertiseperti logam dan semikonduktor, bilangan elektron yang dipancarkan adalah berkadar dengan kuasa dua suhu katod. Walau bagaimanapun, kajian baru-baru ini menunjukkan bahawa suhu haba boleh dikurangkan dengan susunan magnitud dengan menggunakan graphene sebagai katod panas. Data yang diperoleh menunjukkan bahawa penukar termionik katod berasaskan graphene yang beroperasi pada 900 K boleh mencapai kecekapan 45%.

Rajah skematik proses pelepasan termionik elektron ditunjukkan dalam foto.

TIC berdasarkan graphene, di mana Tc dan Ta ialah suhu katod dan suhu anod, masing-masing. Berdasarkan mekanisme baharu pelepasan termionik, para penyelidik mencadangkan bahawa penukar tenaga katod berasaskan graphene boleh menemui aplikasinya dalam kitar semula haba sisa industri, yang selalunya mencapai julat suhu 700 hingga 900 K.

Model baharu yang dipersembahkan oleh Liang dan Eng boleh memanfaatkan reka bentuk penukar kuasa berasaskan graphene. Penukar kuasa keadaan pepejal, yang kebanyakannya adalah penjana termoelektrik, biasanya beroperasi secara tidak cekap dalam julat suhu rendah (kecekapan kurang daripada 7%).

Penjana termoelektrik

Mengitar semula tenaga buangan telah menjadi sasaran popular untuk penyelidik dan saintis yang menghasilkan kaedah inovatif untuk mencapai matlamat ini. Salah satu bidang yang paling menjanjikan ialah peranti termoelektrik berdasarkan nanoteknologi, yangkelihatan seperti pendekatan baharu untuk menjimatkan tenaga. Penukaran terus haba kepada elektrik atau elektrik kepada haba dikenali sebagai termoelektrik berdasarkan kesan Peltier. Tepatnya, kesan itu dinamakan sempena dua ahli fizik - Jean Peltier dan Thomas Seebeck.

Peltier mendapati bahawa arus yang dihantar ke dua konduktor elektrik berbeza yang disambungkan pada dua persimpangan akan menyebabkan satu persimpangan panas manakala persimpangan yang satu lagi menjadi sejuk. Peltier meneruskan penyelidikannya dan mendapati bahawa setitik air boleh dibuat untuk membeku di persimpangan bismut-antimoni (BiSb) dengan hanya menukar arus. Peltier juga mendapati bahawa arus elektrik boleh mengalir apabila perbezaan suhu diletakkan merentasi persimpangan konduktor yang berbeza.

Termoelektrik ialah sumber elektrik yang sangat menarik kerana keupayaannya untuk menukar aliran haba terus kepada elektrik. Ia ialah penukar tenaga yang sangat berskala dan tidak mempunyai bahagian bergerak atau bahan api cecair, menjadikannya sesuai untuk hampir semua keadaan di mana banyak haba cenderung terbuang, daripada pakaian kepada kemudahan perindustrian yang besar.

Struktur nano yang digunakan dalam bahan termokopel semikonduktor akan membantu mengekalkan kekonduksian elektrik yang baik dan mengurangkan kekonduksian terma. Oleh itu, prestasi peranti termoelektrik boleh ditingkatkan melalui penggunaan bahan berasaskan nanoteknologi, denganmenggunakan kesan Peltier. Ia telah meningkatkan sifat termoelektrik dan kapasiti penyerapan tenaga suria yang baik.

Aplikasi termoelektrik:

1. Pembekal tenaga dan penderia dalam julat.
2. Lampu minyak yang menyala yang mengawal penerima wayarles untuk komunikasi jauh.
3. Menggunakan peranti elektronik kecil seperti pemain MP3, jam digital, cip GPS/GSM dan meter impuls dengan haba badan.
4. Tempat duduk cepat sejuk dalam kereta mewah.
5. Bersihkan sisa haba dalam kenderaan dengan menukarkannya kepada elektrik.
6. Tukar sisa haba daripada kilang atau kemudahan industri kepada kuasa tambahan.
7. Termoelektrik solar mungkin lebih cekap daripada sel fotovoltaik untuk penjanaan kuasa, terutamanya di kawasan yang kurang cahaya matahari.

Penjana kuasa MHD

Penjana kuasa magnetohidrodinamik menjana elektrik melalui interaksi bendalir bergerak (biasanya gas terion atau plasma) dan medan magnet. Sejak 1970, program penyelidikan MHD telah dijalankan di beberapa negara dengan tumpuan khusus terhadap penggunaan arang batu sebagai bahan api.

Prinsip asas penjanaan teknologi MHD adalah elegan. Biasanya, gas konduktif elektrik dihasilkan pada tekanan tinggi dengan membakar bahan api fosil. Gas kemudiannya diarahkan melalui medan magnet, menghasilkan daya gerak elektrik yang bertindak di dalamnya mengikut undang-undang aruhan. Faraday (dinamakan sempena ahli fizik dan kimia Inggeris abad ke-19 Michael Faraday).

Sistem MHD ialah enjin haba yang merangkumi pengembangan gas daripada tekanan tinggi ke rendah dengan cara yang sama seperti dalam penjana turbin gas konvensional. Dalam sistem MHD, tenaga kinetik gas ditukar terus kepada tenaga elektrik, kerana ia dibenarkan untuk mengembang. Minat untuk menjana MHD pada mulanya dicetuskan oleh penemuan bahawa interaksi plasma dengan medan magnet boleh berlaku pada suhu yang jauh lebih tinggi daripada yang mungkin dalam turbin mekanikal berputar.

Prestasi mengehadkan dari segi kecekapan dalam enjin haba telah ditetapkan pada awal abad ke-19 oleh jurutera Perancis Sadi Carnot. Kuasa keluaran penjana MHD untuk setiap meter padu isipadunya adalah berkadar dengan produk kekonduksian gas, kuasa dua halaju gas, dan kuasa dua kekuatan medan magnet yang melaluinya gas. Untuk membolehkan penjana MHD beroperasi secara kompetitif, dengan prestasi yang baik dan dimensi fizikal yang munasabah, kekonduksian elektrik plasma mestilah dalam julat suhu melebihi 1800 K (kira-kira 1500 C atau 2800 F).

Pilihan jenis penjana MHD bergantung pada bahan api yang digunakan dan penggunaannya. Banyaknya rizab arang batu di banyak negara di dunia menyumbang kepada pembangunan sistem karbon MHD untuk penjanaan elektrik.