Chuyển hóa nhiệt năng thành điện năng với hiệu suất cao: phương pháp và thiết bị

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-17 19:12

Năng lượng nhiệt chiếm một vị trí đặc biệt trong hoạt động của con người, vì nó được sử dụng trong mọi lĩnh vực của nền kinh tế, đồng hành với hầu hết các quá trình công nghiệp và sinh kế của người dân. Trong hầu hết các trường hợp, nhiệt thải bị mất đi không thể thu hồi và không mang lại lợi ích kinh tế. Nguồn tài nguyên bị mất đi này không còn giá trị gì nữa nên việc tái sử dụng nó sẽ giúp vừa giảm thiểu khủng hoảng năng lượng vừa bảo vệ môi trường. Do đó, những cách mới để chuyển đổi nhiệt thành năng lượng điện và chuyển nhiệt thải thành điện năng ngày nay trở nên phù hợp hơn bao giờ hết.

Các loại phát điện

Biến đổi các nguồn năng lượng tự nhiên thành điện năng, nhiệt năng hoặc động năng đòi hỏi hiệu suất tối đa, đặc biệt là trong các nhà máy nhiệt điện khí và than, để giảm lượng khí thải CO2_{2. Có nhiều cách khác nhau để chuyển đổinhiệt năng thành năng lượng điện, tùy thuộc vào dạng năng lượng sơ cấp.}

Trong số các nguồn năng lượng, than và khí đốt tự nhiên được sử dụng để tạo ra điện bằng cách đốt cháy (nhiệt năng), và uranium bằng cách phân hạch hạt nhân (năng lượng hạt nhân) để sử dụng năng lượng hơi nước để quay tuabin hơi nước. Mười quốc gia sản xuất điện hàng đầu cho năm 2017 được thể hiện trong ảnh.

Bảng hiệu suất của các hệ thống hiện có để chuyển đổi nhiệt năng thành năng lượng điện.

	Sản xuất điện từ nhiệt năng	Hiệu quả,%
1	Nhà máy nhiệt điện, Nhà máy CHP	32
2	Nhà máy hạt nhân, nhà máy điện hạt nhân	80
3	Nhà máy điện ngưng tụ, IES	40
4	Nhà máy điện tuabin khí, GTPP	60
5	Bộ chuyển đổi nhiệt, TEC	40
6	Máy phát nhiệt điện	7
7	Máy phát điện MHD cùng với CHP	60

Chọn phương pháp chuyển đổi nhiệt năng thànhđiện và tính khả thi về kinh tế của nó phụ thuộc vào nhu cầu năng lượng, sự sẵn có của nhiên liệu tự nhiên và khả năng đáp ứng của địa điểm xây dựng. Các loại máy phát điện khác nhau trên khắp thế giới, dẫn đến nhiều loại giá điện.

Vấn đề của ngành điện truyền thống

Các công nghệ chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng như nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện hạt nhân, IES, nhà máy điện tuabin khí, nhà máy nhiệt điện, máy phát nhiệt điện, máy phát MHD đều có những ưu nhược điểm khác nhau. Viện Nghiên cứu Năng lượng Điện (EPRI) minh họa những ưu và nhược điểm của các công nghệ sản xuất năng lượng tự nhiên, xem xét các yếu tố quan trọng như xây dựng và chi phí về điện, đất, nước, lượng khí thải CO_{2, lãng phí, khả năng chi trả và tính linh hoạt.}

Kết quảEPRI nhấn mạnh rằng không có cách tiếp cận chung cho tất cả khi xem xét các công nghệ phát điện, tuy nhiên khí tự nhiên vẫn có lợi hơn vì nó có giá cả phải chăng cho xây dựng, chi phí điện thấp, tạo ra ít khí thải hơn than đá. Tuy nhiên, không phải quốc gia nào cũng tiếp cận được nguồn khí đốt tự nhiên dồi dào và rẻ. Trong một số trường hợp, khả năng tiếp cận khí đốt tự nhiên đang bị đe dọa do căng thẳng địa chính trị, như trường hợp ở Đông Âu và một số nước Tây Âu.

Công nghệ năng lượng tái tạo như giótuabin, môđun quang điện mặt trời tạo ra điện phát xạ. Tuy nhiên, chúng đòi hỏi nhiều đất, hiệu quả không ổn định và phụ thuộc vào thời tiết. Than, nguồn nhiệt chính, là vấn đề nan giải nhất. Nó dẫn đến phát thải CO_{2, cần nhiều nước sạch để làm mát chất làm mát và chiếm một diện tích lớn để xây dựng nhà ga.}

Công nghệ mới nhằm giảm thiểu một số vấn đề liên quan đến công nghệ phát điện. Ví dụ, tuabin khí kết hợp với pin dự phòng cung cấp dự phòng dự phòng mà không cần đốt cháy nhiên liệu và các vấn đề về tài nguyên tái tạo gián đoạn có thể được giảm thiểu bằng cách tạo ra kho lưu trữ năng lượng quy mô lớn với giá cả phải chăng. Vì vậy, ngày nay không có một cách hoàn hảo nào để chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng, có thể cung cấp điện năng đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí với tác động môi trường tối thiểu.

Nhà máy nhiệt điện

Tại nhà máy nhiệt điện, hơi nước có áp suất cao và nhiệt độ cao, thu được từ việc đun nóng nước bằng cách đốt cháy nhiên liệu rắn (chủ yếu là than), làm quay một tuabin nối với máy phát điện. Do đó, nó chuyển đổi động năng của nó thành năng lượng điện. Các thành phần vận hành của nhà máy nhiệt điện:

1. Nồi hơi có lò gas.
2. Tua bin hơi.
3. Máy phát điện.
4. Tụ.
5. Tháp giải nhiệt.
6. Bơm nước tuần hoàn.
7. Bơm cấp liệunước vào nồi hơi.
8. Quạt hút cưỡng bức.
9. Dấu phân cách.

Sơ đồ điển hình của nhà máy nhiệt điện được trình bày dưới đây.

Nồi hơi dùng để chuyển nước thành hơi. Quá trình này được thực hiện bằng cách làm nóng nước trong các đường ống với sự gia nhiệt từ quá trình đốt cháy nhiên liệu. Quá trình đốt cháy được thực hiện liên tục trong buồng đốt nhiên liệu với sự cung cấp không khí từ bên ngoài.

Tua bin hơi nước truyền năng lượng hơi nước để truyền động cho máy phát điện. Hơi nước với áp suất và nhiệt độ cao sẽ đẩy các cánh tuabin gắn trên trục để nó bắt đầu quay. Trong trường hợp này, các thông số của hơi quá nhiệt đi vào tuabin bị giảm xuống trạng thái bão hòa. Hơi nước bão hòa đi vào bình ngưng, và nguồn điện quay được sử dụng để quay máy phát điện, tạo ra dòng điện. Hầu hết tất cả các tuabin hơi ngày nay đều thuộc loại bình ngưng.

Bình ngưng là thiết bị biến đổi hơi nước thành nước. Hơi nước chảy bên ngoài đường ống và nước làm mát chảy bên trong đường ống. Thiết kế này được gọi là tụ điện bề mặt. Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào dòng chảy của nước làm mát, diện tích bề mặt của các đường ống và chênh lệch nhiệt độ giữa hơi nước và nước làm mát. Quá trình biến đổi hơi nước xảy ra trong điều kiện áp suất và nhiệt độ bão hòa, trong trường hợp này là bình ngưng trong chân không, vì nhiệt độ của nước làm mát bằng nhiệt độ bên ngoài, nhiệt độ lớn nhất của nước ngưng gần nhiệt độ bên ngoài.

Máy phát điện chuyển đổi cơ khícơ năng thành điện năng. Máy phát điện bao gồm một stato và một rôto. Stato bao gồm một vỏ chứa các cuộn dây và trạm quay từ trường bao gồm một lõi chứa cuộn dây.

Theo loại năng lượng được sản xuất, TPP được chia thành IES ngưng tụ, sản xuất điện và các nhà máy nhiệt và điện kết hợp, cùng sản xuất nhiệt (hơi nước và nước nóng) và điện. Sau này có khả năng chuyển đổi nhiệt năng thành năng lượng điện với hiệu suất cao.

Nhà máy điện hạt nhân

Nhà máy điện hạt nhân sử dụng nhiệt lượng tỏa ra trong quá trình phân hạch hạt nhân để làm nóng nước và sản xuất hơi nước. Hơi nước được sử dụng để quay các tuabin lớn tạo ra điện. Trong quá trình phân hạch, các nguyên tử tách ra để tạo thành các nguyên tử nhỏ hơn, giải phóng năng lượng. Quá trình diễn ra bên trong lò phản ứng. Tại trung tâm của nó là một lõi chứa uranium 235. Nhiên liệu cho các nhà máy điện hạt nhân được lấy từ uranium, chứa đồng vị 235U (0,7%) và không phân hạch 238U (99,3%).

Chu trình nhiên liệu hạt nhân là một chuỗi các bước công nghiệp liên quan đến sản xuất điện từ uranium trong các lò phản ứng điện hạt nhân. Uranium là một nguyên tố tương đối phổ biến được tìm thấy trên khắp thế giới. Nó được khai thác ở một số quốc gia và được xử lý trước khi được sử dụng làm nhiên liệu.

Các hoạt động liên quan đến sản xuất điện được gọi chung là chu trình nhiên liệu hạt nhân để chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng tại các nhà máy điện hạt nhân. Hạt nhânChu trình nhiên liệu bắt đầu với việc khai thác uranium và kết thúc bằng việc xử lý chất thải hạt nhân. Khi tái chế nhiên liệu đã qua sử dụng như một lựa chọn cho năng lượng hạt nhân, các bước của nó tạo thành một chu trình thực sự.

Chu trình nhiên liệu Uranium-Plutonium

Để chuẩn bị nhiên liệu sử dụng cho các nhà máy điện hạt nhân, các quy trình được thực hiện để khai thác, xử lý, chuyển đổi, làm giàu và sản xuất các nguyên tố nhiên liệu. Chu kỳ nhiên liệu:

1. Đốt cháy uranium 235.
2. Xỉ - 235U và (239Pu, 241Pu) từ 238U.
3. Trong quá trình phân rã của 235U, mức tiêu thụ của nó giảm, và đồng vị thu được từ 238U khi tạo ra điện.

Chi phí thanh nhiên liệu cho VVR xấp xỉ 20% chi phí điện sản xuất.

Sau khi uranium nằm trong lò phản ứng khoảng ba năm, nhiên liệu được sử dụng có thể trải qua một quá trình sử dụng khác, bao gồm lưu trữ tạm thời, xử lý lại và tái chế trước khi xử lý chất thải. Các nhà máy điện hạt nhân cung cấp sự chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng thành năng lượng điện. Nhiệt giải phóng trong quá trình phân hạch hạt nhân trong lõi lò phản ứng được sử dụng để biến nước thành hơi, làm quay các cánh của tuabin hơi nước, thúc đẩy các máy phát điện tạo ra điện.

Hơi nước được làm mát bằng cách biến thành nước trong một cấu trúc riêng biệt trong nhà máy điện gọi là tháp giải nhiệt, sử dụng nước từ ao hồ, sông hoặc biển để làm mát nước sạch của mạch điện hơi nước. Nước lạnh sau đó được tái sử dụng để tạo ra hơi nước.

Tỷ trọng sản xuất điện tại các nhà máy điện hạt nhân, liên quan đếnsự cân bằng tổng thể của việc sản xuất các loại tài nguyên khác nhau của họ, trong bối cảnh của một số quốc gia và trên thế giới - trong ảnh bên dưới.

Nhà máy điện tuabin khí

Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện tuabin khí tương tự như nhà máy điện tuabin hơi. Điểm khác biệt duy nhất là nhà máy điện tuabin hơi sử dụng hơi nén để làm quay tuabin, trong khi nhà máy điện tuabin khí sử dụng khí.

Hãy xem xét nguyên lý biến đổi nhiệt năng thành điện năng trong nhà máy điện tuabin khí.

Trong nhà máy điện tuabin khí, không khí được nén trong một máy nén. Sau đó lượng khí nén này đi qua buồng đốt, tại đây hỗn hợp khí - không khí được tạo thành, nhiệt độ của khí nén tăng lên. Hỗn hợp nhiệt độ cao, áp suất cao này được đưa qua tuabin khí. Trong tuabin, nó giãn nở mạnh, nhận đủ động năng để quay tuabin.

Trong nhà máy điện tuabin khí, trục tuabin, máy phát điện và máy nén khí là phổ biến. Năng lượng cơ học được tạo ra trong tuabin được sử dụng một phần để nén không khí. Các nhà máy điện tuabin khí thường được sử dụng như một nhà cung cấp năng lượng phụ trợ dự phòng cho các nhà máy thủy điện. Nó tạo ra nguồn điện phụ trong quá trình khởi động nhà máy thủy điện.

Ưu nhược điểm của nhà máy điện tuabin khí

Thiết kếnhà máy điện tuabin khí đơn giản hơn nhiều so với nhà máy điện tuabin hơi. Quy mô của nhà máy điện tuabin khí nhỏ hơn quy mô của nhà máy điện tuabin hơi. Không có thành phần lò hơi trong nhà máy điện tuabin khí và do đó hệ thống ít phức tạp hơn. Không cần hơi nước, không cần bình ngưng hoặc tháp giải nhiệt.

Thiết kế và xây dựng các nhà máy điện tuabin khí mạnh mẽ dễ dàng hơn và rẻ hơn nhiều, chi phí vốn và vận hành thấp hơn nhiều so với chi phí của một nhà máy điện tuabin hơi tương tự.

Tổn thất vĩnh viễn trong nhà máy điện tuabin khí ít hơn đáng kể so với nhà máy điện tuabin hơi, vì trong tuabin hơi nhà máy điện lò hơi phải hoạt động liên tục, ngay cả khi hệ thống không cung cấp tải cho mạng. Một nhà máy điện tuabin khí có thể được khởi động gần như ngay lập tức.

Nhược điểm của nhà máy điện tuabin khí:

1. Năng lượng cơ học được tạo ra trong tuabin cũng được sử dụng để dẫn động máy nén khí.
2. Vì phần lớn năng lượng cơ học được tạo ra trong tuabin được sử dụng để điều khiển máy nén khí, hiệu suất tổng thể của nhà máy điện tuabin khí không cao bằng nhà máy điện tuabin hơi tương đương.
3. Khí thải trong nhà máy điện tuabin khí rất khác với lò hơi.
4. Trước khi khởi động tuabin thực tế, không khí phải được nén trước, điều này cần một nguồn điện bổ sung để khởi động nhà máy điện tuabin khí.
5. Nhiệt độ khí đủ cao đểnhà máy điện tuabin khí. Điều này dẫn đến tuổi thọ của hệ thống ngắn hơn so với tuabin hơi nước tương đương.

Do hiệu suất thấp hơn, nhà máy điện tuabin khí không thể được sử dụng để phát điện thương mại, nó thường được sử dụng để cung cấp năng lượng phụ cho các nhà máy điện thông thường khác như nhà máy thủy điện.

Bộ chuyển đổi nhiệt điện

Chúng còn được gọi là máy phát nhiệt điện hoặc động cơ nhiệt điện, trực tiếp biến nhiệt thành điện năng bằng cách sử dụng phát xạ nhiệt. Năng lượng nhiệt có thể được chuyển đổi thành năng lượng điện với hiệu suất rất cao thông qua quá trình dòng điện tử cảm ứng nhiệt độ được gọi là bức xạ nhiệt.

Nguyên tắc hoạt động cơ bản của bộ chuyển đổi nhiệt năng là các electron bay hơi từ bề mặt của một cực âm bị nung nóng trong chân không và sau đó ngưng tụ lại trên một cực dương lạnh hơn. Kể từ lần thử nghiệm thực tế đầu tiên vào năm 1957, bộ chuyển đổi nhiệt điện đã được sử dụng với nhiều nguồn nhiệt khác nhau, nhưng tất cả chúng đều yêu cầu hoạt động ở nhiệt độ cao - trên 1500 K. Trong khi hoạt động của bộ chuyển đổi điện nhiệt ở nhiệt độ tương đối thấp (700 K - 900 K).

Đối với các vật liệu catốt thông thường nhưgiống như kim loại và chất bán dẫn, số electron phát ra tỷ lệ với bình phương nhiệt độ catốt. Tuy nhiên, một nghiên cứu gần đây chứng minh rằng nhiệt độ nhiệt có thể được giảm theo một thứ tự độ lớn bằng cách sử dụng graphene làm cực âm nóng. Dữ liệu thu được cho thấy rằng một bộ chuyển đổi nhiệt cực âm dựa trên graphene hoạt động ở 900 K có thể đạt được hiệu suất 45%.

Giản đồ của quá trình phát xạ nhiệt điện tử được hiển thị trong ảnh.

TIC dựa trên graphene, trong đó Tc và Ta lần lượt là nhiệt độ của cực âm và nhiệt độ của cực dương. Dựa trên cơ chế phát xạ nhiệt mới, các nhà nghiên cứu đề xuất rằng bộ chuyển đổi năng lượng cathode dựa trên graphene có thể tìm thấy ứng dụng của nó trong việc tái chế nhiệt thải công nghiệp, thường đạt đến dải nhiệt độ từ 700 đến 900 K.

Mô hình mới do Liang và Eng trình bày có thể mang lại lợi ích cho thiết kế bộ chuyển đổi điện dựa trên graphene. Bộ chuyển đổi điện trạng thái rắn, chủ yếu là máy phát nhiệt điện, thường hoạt động không hiệu quả ở dải nhiệt độ thấp (hiệu suất dưới 7%).

Máy phát nhiệt điện

Tái chế năng lượng thải đã trở thành mục tiêu phổ biến của các nhà nghiên cứu và nhà khoa học, những người đưa ra các phương pháp sáng tạo để đạt được mục tiêu này. Một trong những lĩnh vực hứa hẹn nhất là các thiết bị nhiệt điện dựa trên công nghệ nano,giống như một cách tiếp cận mới để tiết kiệm năng lượng. Sự chuyển đổi trực tiếp nhiệt năng thành điện năng hoặc điện năng thành nhiệt năng được gọi là nhiệt điện dựa trên hiệu ứng Peltier. Nói một cách chính xác, hiệu ứng này được đặt theo tên của hai nhà vật lý - Jean Peltier và Thomas Seebeck.

Peltier đã phát hiện ra rằng một dòng điện được gửi đến hai dây dẫn điện khác nhau được kết nối ở hai điểm giao nhau sẽ làm cho một điểm nối nóng lên trong khi đường giao nhau kia nguội đi. Peltier tiếp tục nghiên cứu của mình và phát hiện ra rằng một giọt nước có thể được tạo ra để đóng băng tại điểm nối bismuth-antimon (BiSb) chỉ bằng cách thay đổi dòng điện. Peltier cũng phát hiện ra rằng dòng điện có thể chạy khi có sự chênh lệch nhiệt độ được đặt qua đường giao nhau của các dây dẫn khác nhau.

Nhiệt điện là một nguồn điện vô cùng thú vị bởi khả năng biến đổi dòng nhiệt trực tiếp thành điện năng. Đây là một bộ chuyển đổi năng lượng có khả năng mở rộng cao và không có bộ phận chuyển động hoặc nhiên liệu lỏng, làm cho nó phù hợp với hầu hết mọi tình huống nơi có nhiều nhiệt có xu hướng bị lãng phí, từ quần áo đến các cơ sở công nghiệp lớn.

Cấu trúc nano được sử dụng trong vật liệu cặp nhiệt điện bán dẫn sẽ giúp duy trì độ dẫn điện tốt và giảm độ dẫn nhiệt. Do đó, hiệu suất của các thiết bị nhiệt điện có thể được tăng lên thông qua việc sử dụng các vật liệu dựa trên công nghệ nano, vớisử dụng hiệu ứng Peltier. Chúng có đặc tính nhiệt điện được cải thiện và khả năng hấp thụ tốt năng lượng mặt trời.

Ứng dụng của nhiệt điện:

1. Nhà cung cấp năng lượng và cảm biến trong phạm vi.
2. Đèn dầu đang cháy điều khiển bộ thu sóng không dây để liên lạc từ xa.
3. Áp dụng cho các thiết bị điện tử nhỏ như máy nghe nhạc MP3, đồng hồ kỹ thuật số, chip GPS / GSM và máy đo xung nhiệt.
4. Ghế làm mát nhanh trên xe hơi hạng sang.
5. Làm sạch nhiệt thải trong xe bằng cách chuyển nó thành điện năng.
6. Biến nhiệt thải từ các nhà máy hoặc cơ sở công nghiệp thành điện năng bổ sung.
7. Nhiệt điện mặt trời có thể hiệu quả hơn tế bào quang điện để phát điện, đặc biệt là ở những nơi ít ánh sáng mặt trời.

Máy phát điện MHD

Máy phát điện từ trường điện động tạo ra điện thông qua sự tương tác của chất lỏng chuyển động (thường là khí ion hóa hoặc plasma) và từ trường. Kể từ năm 1970, các chương trình nghiên cứu MHD đã được thực hiện ở một số quốc gia, đặc biệt tập trung vào việc sử dụng than làm nhiên liệu.

Nguyên tắc cơ bản của thế hệ công nghệ MHD là thanh lịch. Thông thường, khí dẫn điện được tạo ra ở áp suất cao bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch. Sau đó chất khí được dẫn qua một từ trường, sinh ra suất điện động tác dụng bên trong nó tuân theo định luật cảm ứng. Faraday (được đặt theo tên của nhà vật lý và hóa học người Anh thế kỷ 19 Michael Faraday).

Hệ thống MHD là một động cơ nhiệt bao gồm sự giãn nở của khí từ áp suất cao đến áp suất thấp giống như trong một máy phát tuabin khí thông thường. Trong hệ MHD, động năng của chất khí được biến đổi trực tiếp thành năng lượng điện, vì nó được phép nở ra. Ban đầu, mối quan tâm đến việc tạo ra MHD bắt nguồn từ việc khám phá ra rằng sự tương tác của plasma với từ trường có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với khả năng có thể xảy ra trong một tuabin cơ học quay.

Việc giới hạn hiệu suất trong động cơ nhiệt được đặt ra vào đầu thế kỷ 19 bởi kỹ sư người Pháp Sadi Carnot. Công suất đầu ra của máy phát MHD cho mỗi mét khối thể tích của nó tỷ lệ với tích độ dẫn của khí, bình phương vận tốc khí và bình phương cường độ từ trường mà khí đi qua. Để máy phát MHD có thể hoạt động cạnh tranh, với hiệu suất tốt và kích thước vật lý hợp lý, độ dẫn điện của plasma phải ở trong khoảng nhiệt độ trên 1800 K (khoảng 1500 C hoặc 2800 F).

Việc lựa chọn loại máy phát MHD phụ thuộc vào nhiên liệu sử dụng và ứng dụng. Trữ lượng than dồi dào ở nhiều quốc gia trên thế giới góp phần vào sự phát triển của hệ thống carbon MHD để phát điện.