Μετατροπή θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια με υψηλή απόδοση: μέθοδοι και εξοπλισμός

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-02 13:52

Η θερμική ενέργεια κατέχει ιδιαίτερη θέση στην ανθρώπινη δραστηριότητα, αφού χρησιμοποιείται σε όλους τους τομείς της οικονομίας, συνοδεύει τις περισσότερες βιομηχανικές διεργασίες και τα μέσα διαβίωσης των ανθρώπων. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η σπατάλη θερμότητας χάνεται αμετάκλητα και χωρίς κανένα οικονομικό όφελος. Αυτός ο χαμένος πόρος δεν αξίζει πλέον τίποτα, επομένως η επαναχρησιμοποίησή του θα βοηθήσει τόσο στη μείωση της ενεργειακής κρίσης όσο και στην προστασία του περιβάλλοντος. Επομένως, νέοι τρόποι μετατροπής της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια και μετατροπής της απορριπτόμενης θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια είναι πιο επίκαιροι σήμερα από ποτέ.

Τύποι παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας

Η μετατροπή των φυσικών πηγών ενέργειας σε ηλεκτρική, θερμότητα ή κινητική ενέργεια απαιτεί μέγιστη απόδοση, ειδικά σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής με αέριο και άνθρακα, για τη μείωση των εκπομπών CO2_{2. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι μετατροπήςθερμική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια, ανάλογα με τους τύπους πρωτογενούς ενέργειας.}

Μεταξύ των ενεργειακών πόρων, ο άνθρακας και το φυσικό αέριο χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με καύση (θερμική ενέργεια) και το ουράνιο με πυρηνική σχάση (πυρηνική ενέργεια) για τη χρήση ατμού για την περιστροφή ενός ατμοστρόβιλου. Οι δέκα κορυφαίες χώρες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για το 2017 φαίνονται στη φωτογραφία.

Πίνακας απόδοσης υφιστάμενων συστημάτων για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια.

	Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από θερμική ενέργεια	Αποτελεσματικότητα, %
1	Θερμοηλεκτρικοί σταθμοί, μονάδες ΣΗΘ	32
2	Πυρηνικοί σταθμοί, πυρηνικοί σταθμοί	80
3	Συμπύκνωση ηλεκτροπαραγωγής, IES	40
4	Μονάδα παραγωγής ενέργειας αεριοστροβίλου, GTPP	60
5	Θερμιονικοί μετατροπείς, TECs	40
6	Θερμοηλεκτρικές γεννήτριες	7
7	Γεννήτριες ισχύος MHD μαζί με CHP	60

Επιλογή μεθόδου για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σεΗ ηλεκτρική και η οικονομική της σκοπιμότητα εξαρτώνται από την ανάγκη για ενέργεια, τη διαθεσιμότητα φυσικού καυσίμου και την επάρκεια του εργοταξίου. Ο τύπος παραγωγής ποικίλλει ανά τον κόσμο, με αποτέλεσμα ένα ευρύ φάσμα τιμών ηλεκτρικής ενέργειας.

Προβλήματα της παραδοσιακής βιομηχανίας ηλεκτρικής ενέργειας

Οι τεχνολογίες για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια, όπως θερμοηλεκτρικοί σταθμοί, πυρηνικοί σταθμοί, IES, σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής αεριοστροβίλων, θερμοηλεκτρικοί σταθμοί, θερμοηλεκτρικές γεννήτριες, γεννήτριες MHD έχουν διαφορετικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Το Ινστιτούτο Έρευνας Ηλεκτρικής Ενέργειας (EPRI) απεικονίζει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των τεχνολογιών παραγωγής φυσικής ενέργειας, εξετάζοντας κρίσιμους παράγοντες όπως η κατασκευή και το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας, οι απαιτήσεις γης, νερού, εκπομπές CO2_{2, σπατάλη, προσιτή τιμή και ευελιξία.}

Τα αποτελέσματα EPRI υπογραμμίζουν ότι δεν υπάρχει μια προσέγγιση που να ταιριάζει σε όλους όταν εξετάζονται οι τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας, ωστόσο το φυσικό αέριο εξακολουθεί να ωφελεί περισσότερο επειδή είναι προσιτό για κατασκευή, έχει χαμηλό κόστος ηλεκτρικής ενέργειας, παράγει λιγότερες εκπομπές από κάρβουνο. Ωστόσο, δεν έχουν όλες οι χώρες πρόσβαση σε άφθονο και φθηνό φυσικό αέριο. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η πρόσβαση στο φυσικό αέριο απειλείται λόγω γεωπολιτικών εντάσεων, όπως συνέβη στην Ανατολική Ευρώπη και σε ορισμένες χώρες της Δυτικής Ευρώπης.

Τεχνολογίες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως ο άνεμοςτουρμπίνες, ηλιακά φωτοβολταϊκά πλαίσια παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο, τείνουν να απαιτούν πολλή γη και τα αποτελέσματα της αποτελεσματικότητάς τους είναι ασταθή και εξαρτώνται από τις καιρικές συνθήκες. Ο άνθρακας, η κύρια πηγή θερμότητας, είναι η πιο προβληματική. Προηγείται στις εκπομπές CO_{2, απαιτεί πολύ καθαρό νερό για την ψύξη του ψυκτικού και καταλαμβάνει μεγάλη περιοχή για την κατασκευή του σταθμού.}

Οι νέες τεχνολογίες στοχεύουν στη μείωση ορισμένων προβλημάτων που σχετίζονται με τις τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Για παράδειγμα, οι αεριοστρόβιλοι σε συνδυασμό με μια εφεδρική μπαταρία παρέχουν εφεδρική ενέργεια έκτακτης ανάγκης χωρίς καύση καυσίμου και τα διακοπτόμενα προβλήματα ανανεώσιμων πόρων μπορούν να μετριαστούν δημιουργώντας οικονομικά προσιτή αποθήκευση ενέργειας μεγάλης κλίμακας. Έτσι, σήμερα δεν υπάρχει ένας τέλειος τρόπος για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια, η οποία θα μπορούσε να παρέχει αξιόπιστη και οικονομικά αποδοτική ηλεκτρική ενέργεια με ελάχιστες περιβαλλοντικές επιπτώσεις.

Θερμοηλεκτρικοί σταθμοί

Σε μια θερμοηλεκτρική μονάδα, ατμός υψηλής πίεσης και υψηλής θερμοκρασίας, που λαμβάνεται από τη θέρμανση του νερού με την καύση στερεού καυσίμου (κυρίως άνθρακα), περιστρέφει έναν στρόβιλο συνδεδεμένο σε μια γεννήτρια. Έτσι, μετατρέπει την κινητική του ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Λειτουργικά στοιχεία του θερμοηλεκτρικού σταθμού:

1. Λέβητας με φούρνο αερίου.
2. Ατμοστρόβιλος.
3. Γεννήτρια.
4. Capacitor.
5. Πύργοι ψύξης.
6. Αντλία κυκλοφορίας νερού.
7. Αντλία τροφοδοσίαςνερό στο λέβητα.
8. Ανεμιστήρες αναγκαστικής εξάτμισης.
9. Διαχωριστικά.

Τυπικό διάγραμμα θερμοηλεκτρικού σταθμού φαίνεται παρακάτω.

Ο λέβητας ατμού χρησιμοποιείται για τη μετατροπή του νερού σε ατμό. Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται με θέρμανση νερού σε σωλήνες με θέρμανση από την καύση καυσίμου. Οι διαδικασίες καύσης πραγματοποιούνται συνεχώς στο θάλαμο καύσης καυσίμου με παροχή αέρα από το εξωτερικό.

Η τουρμπίνα ατμού μεταφέρει ενέργεια ατμού για να κινήσει μια γεννήτρια. Ο ατμός με υψηλή πίεση και θερμοκρασία σπρώχνει τα πτερύγια του στροβίλου που είναι τοποθετημένα στον άξονα έτσι ώστε να αρχίσει να περιστρέφεται. Σε αυτή την περίπτωση, οι παράμετροι του υπερθερμασμένου ατμού που εισέρχεται στον στρόβιλο μειώνονται σε κορεσμένη κατάσταση. Ο κορεσμένος ατμός εισέρχεται στον συμπυκνωτή και η περιστροφική ισχύς χρησιμοποιείται για την περιστροφή της γεννήτριας, η οποία παράγει ρεύμα. Σχεδόν όλοι οι ατμοστρόβιλοι σήμερα είναι τύπου συμπυκνωτή.

Οι συμπυκνωτές είναι συσκευές για τη μετατροπή του ατμού σε νερό. Ο ατμός ρέει έξω από τους σωλήνες και το νερό ψύξης ρέει μέσα στους σωλήνες. Αυτό το σχέδιο ονομάζεται πυκνωτής επιφάνειας. Ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας εξαρτάται από τη ροή του νερού ψύξης, την επιφάνεια των σωλήνων και τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των υδρατμών και του νερού ψύξης. Η διαδικασία αλλαγής υδρατμών λαμβάνει χώρα υπό κορεσμένη πίεση και θερμοκρασία, σε αυτήν την περίπτωση ο συμπυκνωτής βρίσκεται υπό κενό, επειδή η θερμοκρασία του νερού ψύξης είναι ίση με την εξωτερική θερμοκρασία, η μέγιστη θερμοκρασία του νερού συμπύκνωσης είναι κοντά στην εξωτερική θερμοκρασία.

Η γεννήτρια μετατρέπει τη μηχανικήενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Η γεννήτρια αποτελείται από έναν στάτορα και έναν ρότορα. Ο στάτορας αποτελείται από ένα περίβλημα που περιέχει τα πηνία και ο περιστροφικός σταθμός μαγνητικού πεδίου αποτελείται από έναν πυρήνα που περιέχει το πηνίο.

Ανάλογα με τον τύπο της παραγόμενης ενέργειας, οι TPP χωρίζονται σε IES συμπύκνωσης, οι οποίες παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και μονάδες συνδυασμένης θερμότητας και ηλεκτροπαραγωγής, που παράγουν από κοινού θερμότητα (ατμός και ζεστό νερό) και ηλεκτρική ενέργεια. Τα τελευταία έχουν την ικανότητα να μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε ηλεκτρική με υψηλή απόδοση.

Πυρηνικοί σταθμοί

Οι πυρηνικοί σταθμοί χρησιμοποιούν τη θερμότητα που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης για να θερμάνουν το νερό και να παράγουν ατμό. Ο ατμός χρησιμοποιείται για την περιστροφή μεγάλων τουρμπίνων που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Στη σχάση, τα άτομα χωρίζονται για να σχηματίσουν μικρότερα άτομα, απελευθερώνοντας ενέργεια. Η διαδικασία λαμβάνει χώρα μέσα στον αντιδραστήρα. Στο κέντρο του βρίσκεται ένας πυρήνας που περιέχει ουράνιο 235. Τα καύσιμα για πυρηνικούς σταθμούς προέρχονται από ουράνιο, το οποίο περιέχει το ισότοπο 235U (0,7%) και μη σχάσιμο 238U (99,3%).

Ο κύκλος του πυρηνικού καυσίμου είναι μια σειρά βιομηχανικών βημάτων που εμπλέκονται στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ουράνιο σε αντιδραστήρες πυρηνικής ενέργειας. Το ουράνιο είναι ένα σχετικά κοινό στοιχείο που απαντάται σε όλο τον κόσμο. Εξορύσσεται σε πολλές χώρες και υποβάλλεται σε επεξεργασία πριν χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο.

Οι δραστηριότητες που σχετίζονται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αναφέρονται συλλογικά ως κύκλος πυρηνικού καυσίμου για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια σε πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. ΠυρηνικόςΟ κύκλος του καυσίμου ξεκινά με την εξόρυξη ουρανίου και τελειώνει με τη διάθεση πυρηνικών αποβλήτων. Κατά την επανεπεξεργασία χρησιμοποιημένου καυσίμου ως επιλογή για την πυρηνική ενέργεια, τα βήματά της σχηματίζουν έναν πραγματικό κύκλο.

Κύκλος καυσίμου ουρανίου-πλουτωνίου

Για την προετοιμασία του καυσίμου για χρήση σε πυρηνικούς σταθμούς, πραγματοποιούνται διεργασίες για την εξόρυξη, την επεξεργασία, τη μετατροπή, τον εμπλουτισμό και την παραγωγή στοιχείων καυσίμου. Κύκλος καυσίμου:

1. Uranium 235 burnup.
2. Σκουριές - 235U και (239Pu, 241Pu) από 238U.
3. Κατά τη διάσπαση των 235U, η κατανάλωσή του μειώνεται και τα ισότοπα λαμβάνονται από τα 238U κατά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Το κόστος των ράβδων καυσίμου για VVR είναι περίπου το 20% του κόστους της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας.

Αφού το ουράνιο έχει περάσει περίπου τρία χρόνια σε έναν αντιδραστήρα, το καύσιμο που χρησιμοποιείται μπορεί να περάσει από άλλη διαδικασία χρήσης, συμπεριλαμβανομένης της προσωρινής αποθήκευσης, της επανεπεξεργασίας και της ανακύκλωσης πριν από τη διάθεση των απορριμμάτων. Οι πυρηνικοί σταθμοί παρέχουν άμεση μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Η θερμότητα που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης στον πυρήνα του αντιδραστήρα χρησιμοποιείται για τη μετατροπή του νερού σε ατμό, ο οποίος περιστρέφει τα πτερύγια μιας τουρμπίνας ατμού, οδηγώντας τις γεννήτριες για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Ο ατμός ψύχεται μετατρέποντας σε νερό σε μια ξεχωριστή δομή σε μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που ονομάζεται πύργος ψύξης, η οποία χρησιμοποιεί νερό από λίμνες, ποτάμια ή τον ωκεανό για να ψύξει το καθαρό νερό του κυκλώματος ισχύος ατμού. Στη συνέχεια, το κρύο νερό επαναχρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού.

Το μερίδιο της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στους πυρηνικούς σταθμούς, σε σχέση μετο συνολικό ισοζύγιο της παραγωγής των διαφορετικών τύπων πόρων τους, στο πλαίσιο ορισμένων χωρών και στον κόσμο - στην παρακάτω φωτογραφία.

Σταθμός ηλεκτροπαραγωγής αεριοστροβίλου

Η αρχή λειτουργίας ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής αεριοστροβίλου είναι παρόμοια με εκείνη ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής ατμοστροβίλου. Η μόνη διαφορά είναι ότι ένα εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ατμοστροβίλου χρησιμοποιεί συμπιεσμένο ατμό για να περιστρέφει τον στρόβιλο, ενώ ένας σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αεριοστροβίλου χρησιμοποιεί αέριο.

Ας εξετάσουμε την αρχή της μετατροπής της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια σε μια μονάδα παραγωγής ενέργειας αεριοστροβίλου.

Σε ένα εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αεριοστροβίλου, ο αέρας συμπιέζεται σε έναν συμπιεστή. Στη συνέχεια, αυτός ο πεπιεσμένος αέρας διέρχεται από τον θάλαμο καύσης, όπου σχηματίζεται το μείγμα αερίου-αέρα, η θερμοκρασία του πεπιεσμένου αέρα αυξάνεται. Αυτό το μείγμα υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης διέρχεται μέσω ενός αεριοστρόβιλου. Στον στρόβιλο, διαστέλλεται απότομα, λαμβάνοντας αρκετή κινητική ενέργεια για να περιστρέψει τον στρόβιλο.

Σε μια μονάδα παραγωγής ενέργειας αεριοστροβίλου, ο άξονας του στροβίλου, ο εναλλάκτης και ο αεροσυμπιεστής είναι κοινά. Η μηχανική ενέργεια που παράγεται στον στρόβιλο χρησιμοποιείται εν μέρει για τη συμπίεση του αέρα. Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής αεριοστροβίλων χρησιμοποιούνται συχνά ως εφεδρικός βοηθητικός προμηθευτής ενέργειας σε υδροηλεκτρικούς σταθμούς. Παράγει βοηθητική ενέργεια κατά την έναρξη λειτουργίας του υδροηλεκτρικού σταθμού.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της μονάδας παραγωγής ενέργειας αεριοστροβίλου

ΣχέδιοΗ μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αεριοστροβίλου είναι πολύ απλούστερη από μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ατμοστρόβιλο. Το μέγεθος ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής αεριοστροβίλου είναι μικρότερο από αυτό ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής ατμοστροβίλου. Δεν υπάρχει εξάρτημα λέβητα σε μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αεριοστροβίλου και ως εκ τούτου το σύστημα είναι λιγότερο περίπλοκο. Δεν απαιτείται ατμός, δεν απαιτείται συμπυκνωτής ή πύργος ψύξης.

Ο σχεδιασμός και η κατασκευή ισχυρών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής αεριοστροβίλων είναι πολύ πιο εύκολος και φθηνότερος, το κόστος κεφαλαίου και λειτουργίας είναι πολύ μικρότερο από το κόστος μιας παρόμοιας μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ατμοστροβίλου.

Οι μόνιμες απώλειες σε ένα εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αεριοστροβίλου είναι σημαντικά μικρότερες σε σύγκριση με έναν ατμοστρόβιλο, καθώς σε έναν ατμοστρόβιλο το εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας του λέβητα πρέπει να λειτουργεί συνεχώς, ακόμη και όταν το σύστημα δεν παρέχει φορτίο στο δίκτυο. Μια μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αεριοστροβίλου μπορεί να ξεκινήσει σχεδόν αμέσως.

Μειονεκτήματα ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής αεριοστροβίλου:

1. Η μηχανική ενέργεια που παράγεται στον στρόβιλο χρησιμοποιείται επίσης για την κίνηση του αεροσυμπιεστή.
2. Επειδή το μεγαλύτερο μέρος της μηχανικής ενέργειας που παράγεται στον στρόβιλο χρησιμοποιείται για την κίνηση του αεροσυμπιεστή, η συνολική απόδοση ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής αεριοστροβίλου δεν είναι τόσο υψηλή όσο ένας αντίστοιχος σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ατμοστροβίλου.
3. Τα καυσαέρια σε ένα εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αεριοστροβίλου είναι πολύ διαφορετικά από ένα λέβητα.
4. Πριν από την πραγματική εκκίνηση του στροβίλου, ο αέρας πρέπει να είναι προσυμπιεσμένος, κάτι που απαιτεί μια πρόσθετη πηγή ενέργειας για την εκκίνηση του εργοστασίου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αεριοστροβίλου.
5. Η θερμοκρασία του αερίου είναι αρκετά υψηλή γιαεργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αεριοστροβίλου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μικρότερη διάρκεια ζωής του συστήματος από έναν ισοδύναμο ατμοστρόβιλο.

Λόγω της χαμηλότερης απόδοσής του, ο σταθμός ηλεκτροπαραγωγής αεριοστροβίλου δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εμπορική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, χρησιμοποιείται συνήθως για την παροχή βοηθητικής ενέργειας σε άλλους συμβατικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, όπως υδροηλεκτρικούς σταθμούς.

Θερμιονικοί μετατροπείς

Ονομάζονται επίσης θερμιονική γεννήτρια ή θερμοηλεκτρικός κινητήρας, ο οποίος μετατρέπει απευθείας τη θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας θερμική εκπομπή. Η θερμική ενέργεια μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια με πολύ υψηλή απόδοση μέσω μιας διαδικασίας ροής ηλεκτρονίων που προκαλείται από τη θερμοκρασία, γνωστή ως θερμιονική ακτινοβολία.

Η βασική αρχή λειτουργίας των μετατροπέων θερμιονικής ενέργειας είναι ότι τα ηλεκτρόνια εξατμίζονται από την επιφάνεια μιας θερμαινόμενης καθόδου σε κενό και στη συνέχεια συμπυκνώνονται σε μια ψυχρότερη άνοδο. Από την πρώτη πρακτική επίδειξη το 1957, οι θερμιονικοί μετατροπείς ισχύος έχουν χρησιμοποιηθεί με μια ποικιλία πηγών θερμότητας, αλλά όλοι απαιτούν λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες - πάνω από 1500 K. Ενώ η λειτουργία θερμιονικών μετατροπέων ισχύος σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία (700 K - 900 K) είναι δυνατή, η απόδοση της διαδικασίας, η οποία είναι τυπικά > 50%, μειώνεται σημαντικά επειδή ο αριθμός των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων ανά μονάδα επιφάνειας από την κάθοδο εξαρτάται από τη θερμοκρασία θέρμανσης.

Για συμβατικά υλικά καθόδου όπως π.χόπως τα μέταλλα και οι ημιαγωγοί, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται είναι ανάλογος του τετραγώνου της θερμοκρασίας της καθόδου. Ωστόσο, μια πρόσφατη μελέτη δείχνει ότι η θερμοκρασία της θερμότητας μπορεί να μειωθεί κατά μια τάξη μεγέθους χρησιμοποιώντας το γραφένιο ως θερμή κάθοδο. Τα δεδομένα που ελήφθησαν δείχνουν ότι ένας θερμιονικός μετατροπέας καθόδου με βάση το γραφένιο που λειτουργεί στα 900 K μπορεί να επιτύχει απόδοση 45%.

Σχηματικό διάγραμμα της διαδικασίας θερμιονικής εκπομπής ηλεκτρονίων φαίνεται στη φωτογραφία.

TIC με βάση το γραφένιο, όπου Tc και Ta είναι η θερμοκρασία της καθόδου και η θερμοκρασία της ανόδου, αντίστοιχα. Με βάση τον νέο μηχανισμό θερμιονικής εκπομπής, οι ερευνητές προτείνουν ότι ο μετατροπέας ενέργειας καθόδου με βάση το γραφένιο θα μπορούσε να βρει την εφαρμογή του στην ανακύκλωση της βιομηχανικής απορριμματικής θερμότητας, η οποία συχνά φτάνει το εύρος θερμοκρασίας από 700 έως 900 Κ.

Το νέο μοντέλο που παρουσίασαν οι Liang και Eng θα μπορούσε να ωφελήσει τον σχεδιασμό του μετατροπέα ισχύος που βασίζεται σε γραφένιο. Οι μετατροπείς ισχύος στερεάς κατάστασης, οι οποίοι είναι κυρίως θερμοηλεκτρικές γεννήτριες, συνήθως λειτουργούν αναποτελεσματικά στο εύρος χαμηλής θερμοκρασίας (απόδοση μικρότερη από 7%).

Θερμοηλεκτρικές γεννήτριες

Η ανακύκλωση απορριμμάτων ενέργειας έχει γίνει δημοφιλής στόχος για ερευνητές και επιστήμονες που επινοούν καινοτόμες μεθόδους για την επίτευξη αυτού του στόχου. Ένας από τους πιο πολλά υποσχόμενους τομείς είναι οι θερμοηλεκτρικές συσκευές που βασίζονται στη νανοτεχνολογία, οι οποίεςμοιάζουν με μια νέα προσέγγιση για την εξοικονόμηση ενέργειας. Η άμεση μετατροπή της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια ή της ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμότητα είναι γνωστή ως θερμοηλεκτρισμός με βάση το φαινόμενο Peltier. Για την ακρίβεια, το φαινόμενο πήρε το όνομά του από δύο φυσικούς - τον Jean Peltier και τον Thomas Seebeck.

Ο Peltier ανακάλυψε ότι ένα ρεύμα που αποστέλλεται σε δύο διαφορετικούς ηλεκτρικούς αγωγούς που συνδέονται σε δύο διασταυρώσεις θα προκαλέσει τη θέρμανση μιας διασταύρωσης ενώ η άλλη διασταύρωση θα κρυώσει. Ο Peltier συνέχισε την έρευνά του και διαπίστωσε ότι μια σταγόνα νερού θα μπορούσε να παγώσει σε μια διασταύρωση βισμούθιου-αντιμονίου (BiSb) αλλάζοντας απλώς το ρεύμα. Ο Peltier ανακάλυψε επίσης ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα μπορεί να ρέει όταν μια διαφορά θερμοκρασίας τοποθετηθεί στη διασταύρωση διαφορετικών αγωγών.

Η θερμοηλεκτρική ενέργεια είναι μια εξαιρετικά ενδιαφέρουσα πηγή ηλεκτρικής ενέργειας λόγω της ικανότητάς της να μετατρέπει τη ροή θερμότητας απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια. Είναι ένας μετατροπέας ενέργειας που είναι εξαιρετικά επεκτάσιμος και δεν έχει κινούμενα μέρη ή υγρό καύσιμο, καθιστώντας τον κατάλληλο για σχεδόν οποιαδήποτε κατάσταση όπου πολλή θερμότητα τείνει να πάει χαμένη, από ρούχα έως μεγάλες βιομηχανικές εγκαταστάσεις.

Οι νανοδομές που χρησιμοποιούνται σε υλικά ημιαγωγών θερμοστοιχείων θα βοηθήσουν στη διατήρηση της καλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας και στη μείωση της θερμικής αγωγιμότητας. Έτσι, η απόδοση των θερμοηλεκτρικών συσκευών μπορεί να αυξηθεί μέσω της χρήσης υλικών που βασίζονται στη νανοτεχνολογία, μεχρησιμοποιώντας το φαινόμενο Peltier. Έχουν βελτιωμένες θερμοηλεκτρικές ιδιότητες και καλή ικανότητα απορρόφησης της ηλιακής ενέργειας.

Εφαρμογή θερμοηλεκτρισμού:

1. Πάροχοι ενέργειας και αισθητήρες σε εύρη.
2. Μια αναμμένη λάμπα λαδιού που ελέγχει έναν ασύρματο δέκτη για απομακρυσμένη επικοινωνία.
3. Εφαρμογή μικρών ηλεκτρονικών συσκευών όπως MP3 players, ψηφιακά ρολόγια, τσιπ GPS/GSM και μετρητές παλμών με θερμότητα σώματος.
4. Καθίσματα γρήγορης ψύξης σε πολυτελή αυτοκίνητα.
5. Καθαρίστε την απορριπτόμενη θερμότητα στα οχήματα μετατρέποντάς την σε ηλεκτρική ενέργεια.
6. Μετατρέψτε την απορριπτόμενη θερμότητα από εργοστάσια ή βιομηχανικές εγκαταστάσεις σε πρόσθετη ισχύ.
7. Οι ηλιακοί θερμοηλεκτρικοί μπορεί να είναι πιο αποτελεσματικοί από τα φωτοβολταϊκά στοιχεία για την παραγωγή ενέργειας, ειδικά σε περιοχές με λιγότερο ηλιακό φως.

Γεννήτριες ισχύος MHD

Μαγνητοϋδροδυναμικές γεννήτριες ενέργειας παράγουν ηλεκτρισμό μέσω της αλληλεπίδρασης ενός κινούμενου ρευστού (συνήθως ιονισμένου αερίου ή πλάσματος) και ενός μαγνητικού πεδίου. Από το 1970, τα ερευνητικά προγράμματα MHD έχουν πραγματοποιηθεί σε πολλές χώρες με ιδιαίτερη έμφαση στη χρήση του άνθρακα ως καυσίμου.

Η βασική αρχή της δημιουργίας τεχνολογίας MHD είναι κομψή. Τυπικά, το ηλεκτρικά αγώγιμο αέριο παράγεται σε υψηλή πίεση με την καύση ορυκτών καυσίμων. Το αέριο στη συνέχεια κατευθύνεται μέσω ενός μαγνητικού πεδίου, με αποτέλεσμα μια ηλεκτροκινητική δύναμη να ενεργεί μέσα του σύμφωνα με τον νόμο της επαγωγήςFaraday (ονομάστηκε από τον Άγγλο φυσικό και χημικό του 19ου αιώνα Michael Faraday).

Το σύστημα MHD είναι ένας θερμικός κινητήρας που περιλαμβάνει τη διαστολή αερίου από υψηλή σε χαμηλή πίεση με τον ίδιο τρόπο όπως σε μια συμβατική γεννήτρια αεριοστροβίλου. Στο σύστημα MHD, η κινητική ενέργεια του αερίου μετατρέπεται απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια, καθώς επιτρέπεται να διαστέλλεται. Το ενδιαφέρον για την παραγωγή MHD πυροδοτήθηκε αρχικά από την ανακάλυψη ότι η αλληλεπίδραση ενός πλάσματος με ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να συμβεί σε πολύ υψηλότερες θερμοκρασίες από ό,τι είναι δυνατό σε έναν περιστρεφόμενο μηχανικό στρόβιλο.

Η περιοριστική απόδοση όσον αφορά την απόδοση στις θερμικές μηχανές ορίστηκε στις αρχές του 19ου αιώνα από τον Γάλλο μηχανικό Sadi Carnot. Η ισχύς εξόδου μιας γεννήτριας MHD για κάθε κυβικό μέτρο του όγκου της είναι ανάλογη με το προϊόν αγωγιμότητας του αερίου, το τετράγωνο της ταχύτητας του αερίου και το τετράγωνο της ισχύος του μαγνητικού πεδίου από το οποίο διέρχεται το αέριο. Προκειμένου οι γεννήτριες MHD να λειτουργούν ανταγωνιστικά, με καλή απόδοση και λογικές φυσικές διαστάσεις, η ηλεκτρική αγωγιμότητα του πλάσματος πρέπει να είναι στην περιοχή θερμοκρασίας πάνω από 1800 K (περίπου 1500 C ή 2800 F).

Η επιλογή του τύπου γεννήτριας MHD εξαρτάται από το καύσιμο που χρησιμοποιείται και την εφαρμογή. Η αφθονία των αποθεμάτων άνθρακα σε πολλές χώρες του κόσμου συμβάλλει στην ανάπτυξη συστημάτων άνθρακα MHD για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.