تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية بكفاءة عالية: طرق ومعدات

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-17 18:39

الطاقة الحرارية تحتل مكانة خاصة في النشاط البشري ، حيث يتم استخدامها في جميع قطاعات الاقتصاد ، وترافق معظم العمليات الصناعية وسبل عيش الناس. في معظم الحالات ، يتم فقدان الحرارة المهدرة بشكل نهائي وبدون أي فائدة اقتصادية. لم يعد هذا المورد المفقود يستحق أي شيء ، لذا فإن إعادة استخدامه سيساعد في تقليل أزمة الطاقة وحماية البيئة. لذلك ، أصبحت الطرق الجديدة لتحويل الحرارة إلى طاقة كهربائية وتحويل الحرارة المهدرة إلى كهرباء أكثر أهمية اليوم من أي وقت مضى.

أنواع توليد الكهرباء

يتطلب تحويل مصادر الطاقة الطبيعية إلى كهرباء أو حرارة أو طاقة حركية أقصى قدر من الكفاءة ، خاصة في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالغاز والفحم ، لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون_{2. هناك طرق مختلفة للتحويلتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية حسب أنواع الطاقة الأولية}

من بين مصادر الطاقة ، يتم استخدام الفحم والغاز الطبيعي لتوليد الكهرباء عن طريق الاحتراق (الطاقة الحرارية) ، واليورانيوم عن طريق الانشطار النووي (الطاقة النووية) لاستخدام الطاقة البخارية لتشغيل التوربينات البخارية. تظهر في الصورة أكبر عشر دول منتجة للكهرباء لعام 2017

جدول كفاءة الأنظمة الموجودة لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية

	توليد الكهرباء من الطاقة الحرارية	الكفاءة ،٪
1	محطات توليد الطاقة الحرارية ومحطات CHP	32
2	محطات نووية ، محطات طاقة نووية	80
3	محطة توليد الطاقة التكثيف ، IES	40
4	محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية ، GTPP	60
5	محولات الطاقة الحرارية ، TECs	40
6	مولدات كهروحرارية	7
7	مولدات الطاقة MHD مع CHP	60

اختيار طريقة لتحويل الطاقة الحرارية إلىالكهرباء وجدواها الاقتصادية تعتمد على الحاجة للطاقة وتوافر الوقود الطبيعي وكفاية موقع البناء. يختلف نوع التوليد حول العالم مما ينتج عنه مجموعة كبيرة من أسعار الكهرباء.

مشاكل صناعة الطاقة الكهربائية التقليدية

تقنيات تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية ، مثل محطات الطاقة الحرارية ومحطات الطاقة النووية و IES ومحطات توليد الطاقة الغازية ومحطات الطاقة الحرارية والمولدات الكهروحرارية ومولدات MHD لها مزايا وعيوب مختلفة. يوضح معهد أبحاث الطاقة الكهربائية (EPRI) مزايا وعيوب تقنيات توليد الطاقة الطبيعية ، بالنظر إلى العوامل الحاسمة مثل البناء وتكاليف الكهرباء والأرض ومتطلبات المياه وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون 2_{، التبديد والقدرة على تحمل التكاليف والمرونة.}

تسلط نتائج EPRI الضوء على عدم وجود نهج واحد يناسب الجميع عند التفكير في تقنيات توليد الطاقة ، ومع ذلك لا يزال الغاز الطبيعي يستفيد أكثر لأنه ميسور التكلفة للبناء ، وتكلفة منخفضة للكهرباء ، ويولد انبعاثات أقل من فحم. ومع ذلك ، لا تتمتع جميع البلدان بإمكانية الوصول إلى الغاز الطبيعي الوفير والرخيص. في بعض الحالات ، يكون الوصول إلى الغاز الطبيعي مهددًا بسبب التوترات الجيوسياسية ، كما كان الحال في أوروبا الشرقية وبعض دول أوروبا الغربية.

تقنيات الطاقة المتجددة مثل الرياحالتوربينات والوحدات الكهروضوئية الشمسية تنتج الكهرباء المنبعثة. ومع ذلك ، فإنها تميل إلى طلب الكثير من الأراضي ، ونتائج فعاليتها غير مستقرة وتعتمد على الطقس. الفحم ، المصدر الرئيسي للحرارة ، هو الأكثر إشكالية. يؤدي إلى انبعاثات ثاني أكسيد الكربون_{2، ويتطلب الكثير من المياه النظيفة لتبريد المبرد ويحتل مساحة كبيرة لبناء المحطة.}

التقنيات الجديدة تهدف إلى تقليل عدد من المشاكل المرتبطة بتقنيات توليد الطاقة. على سبيل المثال ، توفر توربينات الغاز جنبًا إلى جنب مع بطارية احتياطية دعمًا احتياطيًا للطوارئ دون حرق الوقود ، ويمكن التخفيف من مشاكل الموارد المتجددة المتقطعة عن طريق إنشاء تخزين طاقة واسع النطاق ميسور التكلفة. وبالتالي ، لا توجد اليوم طريقة مثالية واحدة لتحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء ، والتي يمكن أن توفر كهرباء موثوقة وفعالة من حيث التكلفة مع الحد الأدنى من التأثير البيئي.

محطات الطاقة الحرارية

في محطة توليد الطاقة الحرارية ، يتم الحصول على بخار عالي الضغط وعالي الحرارة ، يتم الحصول عليه من تسخين المياه عن طريق حرق الوقود الصلب (الفحم بشكل أساسي) ، ويقوم بتدوير التوربينات المتصلة بمولد. وبالتالي ، فإنه يحول طاقته الحركية إلى طاقة كهربائية. مكونات التشغيل لمحطة الطاقة الحرارية:

1. غلاية بفرن غاز
2. التوربينات البخارية.
3. مولد.
4. مكثف.
5. ابراج تبريد
6. تعميم مضخة المياه.
7. مضخة تغذيةالماء في المرجل.
8. مراوح العادم القسري.
9. فواصل.

يظهر الرسم التخطيطي النموذجي لمحطة الطاقة الحرارية أدناه.

غلاية البخار لتحويل الماء إلى بخار. تتم هذه العملية عن طريق تسخين المياه في الأنابيب بالتسخين الناتج عن احتراق الوقود. يتم تنفيذ عمليات الاحتراق بشكل مستمر في غرفة احتراق الوقود مع تزويد الهواء من الخارج.

تعمل التوربينات البخارية على نقل الطاقة البخارية لتشغيل المولد. يدفع البخار ذو الضغط العالي ودرجة الحرارة شفرات التوربين المركبة على العمود بحيث تبدأ في الدوران. في هذه الحالة ، يتم تقليل معاملات البخار المحمص الذي يدخل التوربين إلى حالة مشبعة. يدخل البخار المشبع إلى المكثف ، وتستخدم الطاقة الدورانية لتدوير المولد الذي ينتج تيارًا. جميع التوربينات البخارية تقريبًا اليوم من النوع المكثف.

المكثفات هي أجهزة لتحويل البخار إلى ماء. يتدفق البخار خارج الأنابيب ويتدفق ماء التبريد داخل الأنابيب. هذا التصميم يسمى مكثف السطح. يعتمد معدل انتقال الحرارة على تدفق مياه التبريد ، ومساحة سطح الأنابيب وفرق درجة الحرارة بين بخار الماء ومياه التبريد. تحدث عملية تغيير بخار الماء تحت ضغط ودرجة حرارة مشبعين ، وفي هذه الحالة يكون المكثف تحت التفريغ ، لأن درجة حرارة ماء التبريد تساوي درجة الحرارة الخارجية ، ودرجة الحرارة القصوى لمياه التكثيف قريبة من درجة الحرارة الخارجية.

المولد يحول الميكانيكيةتحويل الطاقة إلى كهرباء. يتكون المولد من الجزء الثابت والدوار. يتكون الجزء الثابت من مبيت يحتوي على الملفات ، وتتكون المحطة الدوارة للمجال المغناطيسي من قلب يحتوي على الملف.

وفقًا لنوع الطاقة المنتجة ، تنقسم TPPs إلى مكثف IESs ، والتي تنتج الكهرباء ومحطات التدفئة والطاقة المشتركة ، والتي تنتج بشكل مشترك الحرارة (البخار والماء الساخن) والكهرباء. هذا الأخير لديه القدرة على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية بكفاءة عالية.

محطات الطاقة النووية

تستخدم محطات الطاقة النووية الحرارة المنبعثة أثناء الانشطار النووي لتسخين المياه وإنتاج البخار. يستخدم البخار لتشغيل التوربينات الكبيرة التي تولد الكهرباء. في حالة الانشطار ، تنقسم الذرات لتشكل ذرات أصغر ، وتطلق الطاقة. تتم العملية داخل المفاعل. يوجد في وسطها نواة تحتوي على اليورانيوم 235. يتم الحصول على وقود محطات الطاقة النووية من اليورانيوم الذي يحتوي على النظير 235U (0.7٪) وغير الانشطاري 238U (99.3٪).

دورة الوقود النووي عبارة عن سلسلة من الخطوات الصناعية المتضمنة في إنتاج الكهرباء من اليورانيوم في مفاعلات الطاقة النووية. اليورانيوم عنصر شائع نسبيًا موجود في جميع أنحاء العالم. يتم تعدينها في عدد من البلدان ومعالجتها قبل استخدامها كوقود.

يشار إلى الأنشطة المتعلقة بإنتاج الكهرباء مجتمعة بدورة الوقود النووي لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية في محطات الطاقة النووية. نوويتبدأ دورة الوقود بتعدين اليورانيوم وتنتهي بالتخلص من النفايات النووية. عند إعادة معالجة الوقود المستخدم كخيار للطاقة النووية ، فإن خطواته تشكل دورة حقيقية.

دورة وقود اليورانيوم والبلوتونيوم

لإعداد الوقود للاستخدام في محطات الطاقة النووية ، يتم تنفيذ عمليات لاستخراج عناصر الوقود ومعالجتها وتحويلها وإثرائها وإنتاجها. دورة الوقود:

1. حرق اليورانيوم 235.
2. Slag - 235U و (239Pu ، 241Pu) من 238U.
3. خلال اضمحلال 235U ينخفض استهلاكها ويتم الحصول على النظائر من 238U عند توليد الكهرباء.

تكلفة قضبان الوقود لـ VVR حوالي 20٪ من تكلفة الكهرباء المولدة.

بعد أن أمضى اليورانيوم حوالي ثلاث سنوات في المفاعل ، يمكن أن يمر الوقود المستخدم بعملية استخدام أخرى ، بما في ذلك التخزين المؤقت وإعادة المعالجة وإعادة التدوير قبل التخلص من النفايات. توفر محطات الطاقة النووية التحويل المباشر للطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية. يتم استخدام الحرارة المنبعثة أثناء الانشطار النووي في قلب المفاعل لتحويل الماء إلى بخار ، والذي يدور ريش التوربينات البخارية ، مما يدفع المولدات لتوليد الكهرباء.

يتم تبريد البخار عن طريق تحويله إلى ماء في هيكل منفصل في محطة طاقة تسمى برج التبريد ، والذي يستخدم المياه من البرك أو الأنهار أو المحيط لتبريد المياه النظيفة لدائرة الطاقة البخارية. ثم يتم إعادة استخدام الماء المبرد لإنتاج البخار.

حصة توليد الكهرباء في محطات الطاقة النووية بالنسبة لالتوازن العام لإنتاج أنواعها المختلفة من الموارد ، في سياق بعض البلدان وفي العالم - في الصورة أدناه.

محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية

مبدأ تشغيل محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية مشابه لمبدأ محطة توليد الطاقة التوربينية البخارية. الاختلاف الوحيد هو أن محطة توليد الطاقة التوربينية البخارية تستخدم بخارًا مضغوطًا لتشغيل التوربين ، بينما تستخدم محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية الغاز.

لنأخذ في الاعتبار مبدأ تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية في محطة توليد طاقة توربينية غازية.

في محطة توليد الطاقة بالغاز ، يتم ضغط الهواء في ضاغط. ثم يمر هذا الهواء المضغوط عبر غرفة الاحتراق ، حيث يتكون خليط الهواء والغاز ، ترتفع درجة حرارة الهواء المضغوط. يتم تمرير هذا المزيج ذو درجة الحرارة العالية والضغط العالي من خلال توربين غازي. في التوربين يتمدد بشكل حاد ، ويستقبل طاقة حركية كافية لتدوير التوربين.

في محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية ، يكون عمود التوربين ومولد التيار المتردد وضاغط الهواء أمرًا شائعًا. تُستخدم الطاقة الميكانيكية المتولدة في التوربين جزئيًا لضغط الهواء. غالبًا ما تستخدم محطات توليد الطاقة بتوربينات الغاز كمورد احتياطي للطاقة المساعدة لمحطات الطاقة الكهرومائية. يولد طاقة إضافية أثناء بدء تشغيل محطة الطاقة الكهرومائية.

مزايا وعيوب محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية

تصميممحطة توليد الطاقة التوربينية الغازية أبسط بكثير من محطة توليد الطاقة التوربينية البخارية. حجم محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية أصغر من حجم محطة توليد الطاقة التوربينية البخارية. لا يوجد مكون مرجل في محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية ، وبالتالي فإن النظام أقل تعقيدًا. لا بخار ، لا حاجة للمكثف أو برج التبريد.

تصميم وإنشاء محطات طاقة توربينية غازية قوية أسهل بكثير وأرخص تكلفة ، وتكاليف رأس المال والتشغيل أقل بكثير من تكلفة محطة طاقة توربينات بخارية مماثلة.

الخسائر الدائمة في محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية أقل بكثير مقارنة بمحطة توليد الطاقة التوربينية البخارية ، لأنه في التوربينات البخارية ، يجب أن تعمل محطة توليد الطاقة بالمراجل بشكل مستمر ، حتى عندما لا يوفر النظام حمولة للشبكة. يمكن أن تبدأ محطة توليد الكهرباء بالغاز على الفور تقريبًا.

عيوب محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية:

1. تُستخدم الطاقة الميكانيكية المتولدة في التوربين أيضًا لتشغيل ضاغط الهواء.
2. نظرًا لاستخدام معظم الطاقة الميكانيكية المتولدة في التوربينات لتشغيل ضاغط الهواء ، فإن الكفاءة الإجمالية لمحطة توليد الطاقة بالتوربينات الغازية ليست عالية مثل محطة طاقة التوربينات البخارية المكافئة.
3. غازات العادم في محطة توليد الكهرباء بالغاز مختلفة تمامًا عن المرجل.
4. قبل البدء الفعلي للتوربين ، يجب ضغط الهواء مسبقًا ، الأمر الذي يتطلب مصدرًا إضافيًا للطاقة لبدء تشغيل محطة توليد التوربينات الغازية.
5. درجة حرارة الغاز مرتفعة بدرجة كافيةمحطة توليد الطاقة التوربينية الغازية. ينتج عن هذا عمر نظام أقصر من التوربينات البخارية المكافئة.

بسبب كفاءتها المنخفضة ، لا يمكن استخدام محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية لتوليد الطاقة التجارية ، وعادة ما تستخدم لتزويد الطاقة المساعدة لمحطات الطاقة التقليدية الأخرى مثل محطات الطاقة الكهرومائية.

المحولات الحرارية

يطلق عليهم أيضًا المولد الحراري أو المحرك الكهروحراري ، والذي يحول الحرارة مباشرة إلى كهرباء باستخدام الانبعاث الحراري. يمكن تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية بكفاءة عالية جدًا من خلال عملية تدفق الإلكترون المستحثة بالحرارة والمعروفة باسم الإشعاع الحراري.

المبدأ الأساسي لتشغيل محولات الطاقة الحرارية هو أن الإلكترونات تتبخر من سطح الكاثود الساخن في فراغ ثم تتكثف على أنود أكثر برودة. منذ العرض العملي الأول في عام 1957 ، تم استخدام محولات الطاقة الحرارية مع مجموعة متنوعة من مصادر الحرارة ، ولكن جميعها تتطلب التشغيل في درجات حرارة عالية - فوق 1500 كلفن أثناء تشغيل محولات الطاقة الحرارية عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (700 كلفن - 900 K) ، كفاءة العملية ، والتي تكون عادةً > 50٪ ، تنخفض بشكل كبير لأن عدد الإلكترونات المنبعثة لكل وحدة مساحة من الكاثود يعتمد على درجة حرارة التسخين.

لمواد الكاثود التقليدية مثلمثل المعادن وأشباه الموصلات ، يتناسب عدد الإلكترونات المنبعثة مع مربع درجة حرارة الكاثود. ومع ذلك ، أظهرت دراسة حديثة أنه يمكن خفض درجة حرارة الحرارة بترتيب من حيث الحجم باستخدام الجرافين ككاثود ساخن. تظهر البيانات التي تم الحصول عليها أن محول حراري كاثود قائم على الجرافين يعمل عند 900 كلفن يمكن أن يحقق كفاءة بنسبة 45 ٪.

يظهر الرسم التخطيطي لعملية الانبعاث الحراري الإلكتروني في الصورة.

TIC على أساس الجرافين ، حيث Tc و Ta هما درجة حرارة الكاثود ودرجة حرارة الأنود ، على التوالي. بناءً على الآلية الجديدة للانبعاثات الحرارية ، يقترح الباحثون أن محول طاقة الكاثود القائم على الجرافين يمكن أن يجد تطبيقه في إعادة تدوير حرارة النفايات الصناعية ، والتي تصل غالبًا إلى نطاق درجة حرارة من 700 إلى 900 كلفن

النموذج الجديد الذي قدمه Liang and Eng يمكن أن يفيد تصميم محول الطاقة القائم على الجرافين. محولات الطاقة ذات الحالة الصلبة ، والتي هي في الأساس مولدات كهروحرارية ، تعمل عادةً بشكل غير فعال في نطاق درجات الحرارة المنخفضة (أقل من 7٪ كفاءة).

مولدات كهروحرارية

أصبحت إعادة تدوير الطاقة المهدرة هدفًا شائعًا للباحثين والعلماء الذين توصلوا إلى طرق مبتكرة لتحقيق هذا الهدف. واحدة من المجالات الواعدة هي الأجهزة الكهروحرارية القائمة على تقنية النانو ، والتيتبدو وكأنها نهج جديد لتوفير الطاقة. يُعرف التحويل المباشر للحرارة إلى كهرباء أو كهرباء إلى حرارة بالكهرباء الحرارية بناءً على تأثير بلتيير. على وجه الدقة ، تم تسمية التأثير على اسم عالمين فيزيائيين - جان بلتيير وتوماس سيبيك.

اكتشف بلتيير أن التيار المرسل إلى موصلين كهربائيين مختلفين متصلين عند تقاطعين سيؤدي إلى تسخين أحد الوصلات بينما يبرد التقاطع الآخر. واصل بلتيير بحثه ووجد أنه يمكن تجميد قطرة ماء عند تقاطع البزموت والأنتيمون (BiSb) عن طريق تغيير التيار ببساطة. اكتشف بلتيير أيضًا أن تيارًا كهربائيًا يمكن أن يتدفق عندما يتم وضع اختلاف في درجة الحرارة عبر تقاطع موصلات مختلفة.

الكهرباء الحرارية هي مصدر مثير للاهتمام للغاية للكهرباء بسبب قدرتها على تحويل تدفق الحرارة مباشرة إلى كهرباء. إنه محول طاقة قابل للتطوير بدرجة كبيرة ولا يحتوي على أجزاء متحركة أو وقود سائل ، مما يجعله مناسبًا تقريبًا لأي موقف تميل فيه الكثير من الحرارة إلى الهدر ، من الملابس إلى المنشآت الصناعية الكبيرة.

ستساعد الهياكل النانوية المستخدمة في مواد المزدوجة الحرارية أشباه الموصلات في الحفاظ على الموصلية الكهربائية الجيدة وتقليل التوصيل الحراري. وبالتالي ، يمكن زيادة أداء الأجهزة الكهروحرارية من خلال استخدام المواد القائمة على تكنولوجيا النانو ، معباستخدام تأثير بلتيير. لقد حسنت الخصائص الكهروحرارية وقدرة امتصاص جيدة للطاقة الشمسية.

تطبيق الكهرباء الحرارية:

1. مزودي الطاقة وأجهزة الاستشعار في النطاقات.
2. مصباح زيت مشتعل يتحكم في مستقبل لاسلكي للاتصال عن بعد.
3. تطبيق الأجهزة الإلكترونية الصغيرة مثل مشغلات MP3 ، والساعات الرقمية ، وشرائح GPS / GSM ومقاييس النبض مع حرارة الجسم.
4. مقاعد تبريد سريع في السيارات الفاخرة
5. تنظيف الحرارة المهدرة في المركبات بتحويلها إلى كهرباء
6. تحويل الحرارة المهدرة من المصانع أو المنشآت الصناعية إلى طاقة إضافية.
7. قد تكون الكهروحرارية الشمسية أكثر كفاءة من الخلايا الكهروضوئية لتوليد الطاقة ، خاصة في المناطق التي تقل فيها أشعة الشمس.

مولدات الطاقة MHD

مولدات الطاقة المغناطيسية الديناميكية تولد الكهرباء من خلال تفاعل مائع متحرك (عادة غاز مؤين أو بلازما) ومجال مغناطيسي. منذ عام 1970 ، تم تنفيذ برامج أبحاث MHD في العديد من البلدان مع التركيز بشكل خاص على استخدام الفحم كوقود.

المبدأ الأساسي لتوليد تقنية MHD أنيق. عادة ، يتم إنتاج الغاز الموصل للكهرباء عند ضغط مرتفع عن طريق حرق الوقود الأحفوري. ثم يتم توجيه الغاز من خلال مجال مغناطيسي ، مما ينتج عنه قوة دافعة كهربائية تعمل بداخله وفقًا لقانون الحث.فاراداي (سمي على اسم الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي مايكل فاراداي في القرن التاسع عشر).

نظام MHD هو محرك حراري يتضمن تمدد الغاز من الضغط العالي إلى الضغط المنخفض بنفس الطريقة كما في مولد التوربينات الغازية التقليدية. في نظام MHD ، يتم تحويل الطاقة الحركية للغاز مباشرة إلى طاقة كهربائية ، حيث يُسمح لها بالتمدد. بدأ الاهتمام بتوليد MHD في البداية من خلال اكتشاف أن تفاعل البلازما مع المجال المغناطيسي يمكن أن يحدث في درجات حرارة أعلى بكثير مما هو ممكن في التوربين الميكانيكي الدوار.

تم تحديد الأداء المحدود من حيث الكفاءة في المحركات الحرارية في بداية القرن التاسع عشر من قبل المهندس الفرنسي سادي كارنو. تتناسب الطاقة الخارجة لمولد MHD لكل متر مكعب من حجمه مع منتج التوصيل للغاز ، ومربع سرعة الغاز ، ومربع قوة المجال المغناطيسي الذي يمر الغاز من خلاله. لكي تعمل مولدات MHD بشكل تنافسي ، مع الأداء الجيد والأبعاد الفيزيائية المعقولة ، يجب أن تكون الموصلية الكهربائية للبلازما في نطاق درجة حرارة أعلى من 1800 كلفن (حوالي 1500 درجة مئوية أو 2800 فهرنهايت).

يعتمد اختيار نوع مولد MHD على الوقود المستخدم والتطبيق. تساهم وفرة احتياطيات الفحم في العديد من دول العالم في تطوير أنظمة الكربون MHD لتوليد الكهرباء.