Электричество от тепла: принцип работы, применение, как сделать

Содержание

принцип работы, применение, как сделать

Согласно мировой статистике, от общего числа выработанной электроэнергии, на ТЭС приходится более 60%. Как известно, для работы тепловых электростанций необходимо органическое топливо, запасы которого не бесконечны. Помимо того, положенный в основу техпроцесс не является экологически чистым. Но низкая стоимость оргтоплива и высокий КПД ТЭС, позволяет получать «дешевое» электричество, что оправдывает применение данной технологии. Выход из сложившейся ситуации – альтернативные источники энергии, к таковым относятся термоэлектрические генераторы (далее ТЭГ), о них и пойдет речь в этой статье.

Что такое термоэлектрический генератор?

Так принято называть устройство, позволяющее преобразовать тепловую энергию в электрическую. Следует уточнить, что термин «Тепловая» не совсем точен, поскольку тепло, это способ передачи, а не отдельный вид энергии. Под данным определением подразумевается общая кинетическая энергия молекул, атомов и других структурных элементов, из которых состоит вещество.

Несмотря на то, что на ТЭС сжигается топливо для получения электричества, ее нельзя отнести к ТЭГ. На таких станциях тепловая энергия вначале преобразуется в кинетическую, а она уже в электрическую. То есть, топливо сжигается для получения из воды пара, который вращает турбину электрического генератора.

Схема работы ТЭС

Исходя из выше изложенного, следует уточнить, что ТЕГ должен генерировать электроэнергию без промежуточных преобразований.

Принцип работы

В основе ТЭГ лежит термоэлектрическое явление, описанное в начале 20-х годов XIX века немецким ученым-физиком Томасом Иоганном Зеебеком. Он обнаружил появление ЭДС в цепи замкнутого типа, состоящей из проводника и сурьмы, при условии создания разности температур в местах, где эти материалы контактируют. Изображение устройства, при помощи которого был зафиксирован данный эффект, представлено ниже.

Термопара из опыта Зеебека

Обозначения:

  • 1 – медный проводник.
  • 2 – проводник из сурьмы.
  • 3 – стрелка компаса.
  • А и В – места контакта двух проводников.

При нагревании одного из контактов стрелка отклонялась, что свидетельствовало о наличии магнитного поля, вызванного ЭДС. При нагреве другого контакта, направление ЭДС менялось на противоположное. Соответственно, при разрыве цепи, можно зафиксировать разность потенциалов на ее концах.

Через 12 лет, после публикации Зеебеком результатов своих опытов, французским физиком Жаном Пельтье был обнаружен обратный эффект. Если через цепь термопары пропускать ток, то в местах контакта этих веществ возникает разность температур. Мы не будем приводить описание опыта Пельтье, а также данные по современным одноименным элементам, эту информацию можно найти на нашем сайте.

По сути, оба эти эффекта обратные стороны одного термоэлектрического явления, позволяющего напрямую получать электричество из тепловой энергии. Но, до открытия полупроводников, термоэлектрический эффект не находил практического применения, ввиду неприемлемо низкого КПД. Поднять его до 5% удалось только в середине пошлого века. К сожалению, даже у современных полупроводниковых элементов, этот показатель остается на уровне 8%-12%, что не позволяет рассматривать генераторы данного типа в качестве серьезных конкурентов ТЭС.

Современный элемент Пельтье с указанием размеров

Перспективы

В настоящее время продолжаются опыты по подбору оптимальных термопар, что позволит увеличить КПД. Проблема заключается в том, что под данные исследования затруднительно подвести теоретическую базу, поэтому приходится полагаться только на результаты экспериментов. Учитывая, что на эффект влияет процентное соотношение и состав сплавов материала для термопар, говорить о ближайших перспективах неблагодарное занятие.

Велика вероятность, что в ближайшее время для повышения добротности термоэлементов, разработчики перейдут на другой уровень изготовления сплава для термопар, с использованием нано-технологий, ям квантования и т. д.

Вполне возможно, что будет разработан совершенно иной принцип с использованием нетрадиционных материалов. В качестве примера можно привести эксперименты, проводимые в Калифорнийском университете, где для замены термопары использовалась искусственная синтезированная молекула, которая соединяла два золотых микро проводника.

Молекула вместо термопары

Первые опыты показали возможность реализации идеи, насколько она перспективна, покажет время.

Сфера применения и виды термоэлектрических генераторов

В виду низкого КПД для ТЭГ остается два варианта применения:

  1. В местах, где недоступны другие источники электроэнергии.
  2. В процессах, где имеется избыток тепла.

Приведем несколько примеров таких устройств.

Энергопечи

Данные, устройства, совмещающие в себе следующие функции:

  • Варочной поверхности.
  • Обогревателя.
  • Источника электроэнергии.

Это прекрасный образец, объединяющий все оба варианта применения.

Индигирка – три в одном

У представленной на рисунке энергопечи следующие параметры:

  • Вес – чуть больше 50 килограмм (без учета топлива).
  • Размеры: 65х43х54 см (с разобранным дымоходом).
  • Оптимальная загрузка оргтоплива – 30 литров. Допускается использование лиственной древесины, торфа, бурового (не каменного!) угля.
  • Средняя тепловая мощность устройства около 4,5 кВт.
  • Мощность электронагрузки от 45-50 Вт.
  • Стабилизированное постоянное напряжение на выходе – 12 В.

Как видите, эти параметры вполне приемлемы для условий, где нет электричества, отопления и газа. Что касается небольшой электрической мощности, то ее вполне достаточно для зарядки мобильных устройств или питания других гаджетов, через адаптер от автомобильного прикуривателя.

Радиоизотопные ТЭГ

В качестве источника тепла для ТЭГ может выступать тепловая энергия, выделяющаяся в процессе распада нестабильных элементов. Такие источники называют радиоизотопными. Основное их преимущество заключается в том, что не требуется постоянная загрузка топлива. Недостаток – необходимость установки защиты от ионизирующего излучения, невозможность перезаправки топлива и необходимость утилизации.

Срок эксплуатации таких источников напрямую зависит от периода полураспада вещества, используемого в качестве топлива. К последнему предъявляется следующий ряд требований:

  • Высокий коэффициент объемной активности, то есть небольшое количество вещества должно обеспечивать нужный уровень выделения энергии.
  • Поддержка необходимого уровня мощности в течение длительного времени. На этот параметр отвечает, как было отмечено выше, влияет период полураспада, например у стронция-90 он 29 лет, следовательно, источник через это время потеряет половину своей мощности.
  • Ионизирующее излучение должно быть удобным для утилизации, то есть в нем должны преобладать α-частицы.
  • Необходимый уровень безопасности. То есть ионизирующее излучение не должно нанести вред экологии (в случае эксплуатации на земле) и питающемуся от такого источника оборудованию.

Таким критериям отвечают изотопы кюрия-244, плутония-238 и упоминавшийся выше стронций-90.

Сфера применения РИТЕГ

Несмотря на серьезные требования к таким источникам, сфера их применения довольно разнообразна, они используются как в космосе, так и на земле. Ниже на фото, изображен РИТЕГ, работавший на космическом аппарате Кассини. В качестве топлива использовался изотоп плутония-238. Период полураспада этого элемента чуть больше 87 лет. Под конец 20-ти летней мисси источник вырабатывал 650 Вт электроэнергии.

Радиоизотопное «сердце» Кассини

Кассини была приведена в качестве примера, а на счет массовости можно констатировать, что, практически, все КА для электропитания оборудования используют РИТЕГ. К сожалению, характеристики радиоизотопных источников энергии космических аппаратов, как правило, не публикуются.

На земле ситуация приблизительно такая же. Технология РИТЕГ как бы известна, но ее детали относятся к закрытой информации. Достоверно известно, что такие установки применяются в качестве источника питания навигационного оборудования в местности, где по техническим причинам невозможно получать электроэнергию другим способом. То есть, речь идет о труднодоступных регионах.

К сожалению, такие источники не самая подходящая альтернатива ТЭС с экологической точки зрения.

РИТЕГ поднятый с 14-митровой глубины возле Сахалина

Как сделать термоэлектрический генератор своими руками?

В завершении расскажем, как сделать ТЕГ, которым можно пользоваться в турпоходе, на охоте или рыбалке. Естественно, мощность таких устройств будет уступать радиоизотопным генераторам энергии, но ввиду труднодоступности плутония, и его неприятным свойством наносить вред человеческому организму придется довольствоваться малым.

Нам понадобится термоэлектрический элемент, например, ТЕС1 12710. Желательно использовать несколько элементов, подключенных параллельно, для увеличения мощности. К сожалению, тут есть очень серьезный нюанс, потребуется подобрать элементы со сходными параметрами, что у китайской продукции практически не реально, а использовать брендовую дорого, проще купить готовый генератор. Если использовать один модуль Пельте, то его мощности едва хватит для зарядки телефона или другого гаджета. Нам также понадобится металлический корпус, например, отслужившего блока питания ПК и радиатор от процессора.

Основные моменты сборки:

Наносим на корпус термопасту в месте, где будет крепиться термоэлектрический элемент, прислоняем его и фиксируем радиатором. В результате у нас получается конструкция, как на нижнем рисунке.

Туристический ТЭГ

В качестве топлива лучше всего использовать «сухой спирт».

Теперь необходимо подключить к нашему источнику стабилизатор напряжения (схему можно найти на нашем сайте или в других тематических источниках).

Конструкция готова, можно приступать к проверке.

Список использованной литературы

  • Самойлович А.Г. «Термоэлектрические и термомагнитные методы превращения энергии» 2007
  • Поздняков Б. С, Коптелов Е.А. «Термоэлектрическая энергетика» 1974
  • Бернштейн А. С. «Термоэлектричество» 1957
  • Анатычук Л.И. «Термоэлементы и термоэлектрические устройства» 1979

Термоэлектрический генератор — конвертируем тепло в электричество термогенератором

Я расскажу как получить электричество из тепла и как построить своими руками термоэлектрогенератор средних размеров, который можно использовать в походах и на открытой природе, а также просто так, для зарядки электронных устройств, посредством зарядки перезаряжаемых батарей от любого источника огня. При использовании ракетной печи или походной печки и газа для более быстрого сгорания, сгенерируется больше энергии.

Термоэлектрический генератор идеально подходит для выживания в случае стихийных бедствий, поскольку позволяет производить электроэнергию из легкодоступного источника — огня. Солнечную энергию можно получить только днем, а сбор лунного света неэффективен и требует создания дорогой линзы, энергию ветра возможно получить не в любой день. Огонь — это мощный и опасный источник энергии, поэтому будьте осторожны при использовании устройства и остерегайтесь горячей части радиатора и т.д.

Шаг 1: Необходимые детали

Показать еще 7 изображений

  1. 1х Элемент Пельтье (термоэлектрический преобразователь)
  2. Алюминиевый радиатор среднего размера (я достал свой из старого ПК)
  3. Толстый электрический кабель двух цветов (опционально)
  4. Входные и выходные разъемы/гнезда, предварительно купленные или изготовленные (для ввода и вывода энергии) (опционально)
  5. Проектный корпус, частично теплозащищенный, если возможно. Используйте изоляционный материал, металл, фольгу и т.д. (опционально)
  6. Термопаста (опционально), алюминиевая фольга (желательно)
  7. Резак для резки тонких металлов
  8. Ножницы по металлу
  9. Разные отвертки (для закручивания винтов корпуса и входов/выходов)
  10. Разные винты и болты (для крепления металлических пластин и радиатора)
  11. Паяльник и припой (опционально) для надежного крепления
  12. Аккумуляторная батарея низкой или средней мощности (для подзарядки)
  13. Термоусадочные трубки для защиты проводов от тепла (необходимо)
  14. 1х блокирующий диод, чтобы предотвратить обратную зарядку.
  15. 2 алюминиевые банки (металлическая пластина)
  16. Толстая медная проволока
  17. Цифровой мультиметр

Все, что отмечено как опциональное, не обязательно к сборке термогенератора, но будет полезным, например корпус для аккумулятора и блокирующий диод.

Шаг 2: Конструирование

Показать еще 6 изображений

Построить корпус и тепловой генератор электричества довольно просто.

Во-первых, отрежьте от алюминиевых банок дно и крышку и разрежьте получившиеся куски пополам. Сложите 4 куска вместе и, прижав, вырежьте отверстия в углах для гаек. Прижмите листы гайками. Основа для устройства готова.

Если имеется термопаста, намажьте её на радиатор и основу, используя старую кредитку. Вам нужен квадрат размером с элемент Пельтье для выработки электричества. Поместите элемент Пельтье холодной стороной к радиатору, а горячей к алюминию. Проверить стороны можно подключив модуль к двум батареям 1.5v и потрогав каждую из сторон.

Нужно положить модуль между радиатором и алюминиевыми листами и немного вдавить в термопасту. Теперь, используя плоскогубцы, нужно обернуть медную проволоку вокруг выпирающих частей радиатора и под болтами на алюминиевой основе. Это соединит радиатор, основу и элемент Пельтье друг с другом. Основной блок сделан.

Шаг 3: Тестирование теплогенератора

Я использовал для теста термоэлектрического генераторного модуля одну маленькую свечку внутри оловянной банки, покрытой изоляционной лентой и подставку из металлического корпуса компьютерного вентилятора. В зависимости от количества тепла, мощность будет медленно подниматься и продолжать расти до заданного напряжения.

Также на эффективность влияет охлаждение радиатора, в холодный день радиатор будет остывать быстрее. К устройству могут быть подключены топливная или ракетная печь, этим можно заряжать аккумуляторы или электронные устройства.

На самом деле эта вещь не подходит для повседневного использования, поскольку элемент Пельтье рано или поздно сломается и сделает устройство неэффективным. В любом случае, оно может использоваться для получения электроэнергии в походе, при экстренных случаях и т. д.

Смотрите видео для тестов и показаний напряжения и скорости его подъема. Тест дома с питанием от свечки. Второй тест с маленькой печкой, в котором видно, что если непрерывно подавать топливо, то за 3-4 минуты можно зарядить батарею или две.

Файлы

  • ElectroThermal Generator Test..mp4
  • Thermal Power Unit,Rocket,Hobo Stove Test..mp4

Шаг 4: Улучшения

Возможные следующие модернизации устройства:

  1. Добавьте еще одну ячейку Пельтье чтобы удвоить выход напряжения.
  2. Подключите Joule Thief или несколько для небольшого увеличения напряжения.
  3. Используйте более качественные теплопроводные материалы, больший радиатор и более толстую алюминиевую или медную плиту в качестве основы.
  4. Можно качественнее закрепить ячейку Пельтье при помощи медной проволоки или термопасты, что улучшит перенос тепла.
  5. Используйте ракетную печь вместо открытых источников огня. Жар ракетных печей локализован, что будет эффективнее заряжать устройства.
  6. Используйте несколько связанных друг с другом устройств, соединив их последовательно над источником огня, чтобы увеличить выход напряжения.
  7. Можно улучшить термоизоляцию на проводах, фольге и изоляционной ленте (ракетные печи, как правило, немного плавят провода)
  8. Сделать запас компонентов и деталей (если что-то сломается или прогорит, всегда можно будет починить устройство)

Оглавление

  • Шаг 1: Необходимые детали
  • Шаг 2: Конструирование
  • Шаг 3: Тестирование теплогенератора
  • Шаг 4: Улучшения

Новое устройство превращает отработанное тепло в электричество

Новое гибкое термоэлектрическое устройство может оборачиваться вокруг труб и других горячих поверхностей и преобразовывать отработанное тепло в электроэнергию.
| Источник фото Penn State

  • Инновации
  • Сельское хозяйство и энергетика

  • Новое устройство превращает отработанное тепло в электричество

Гибкий термоэлектрический генератор можно обернуть вокруг труб и других горячих поверхностей

Замечено: Исследователи из Университета штата Пенсильвания (штат Пенсильвания) и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии изучают способы улучшения термоэлектрических генераторов.

Термоэлектрические генераторы, также известные как генераторы Зеебека, представляют собой устройства, которые могут преобразовывать колебания температуры в электричество. Исследовательская группа разработала гибкий генератор, который можно обернуть вокруг горячих поверхностей, таких как трубы, преобразуя тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую, в электричество.

«Подумайте о промышленной электростанции с трубами длиной в сотни футов», — объясняет Шашанк Прия, заместитель вице-президента по исследованиям и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания. «Если вы сможете обернуть эти устройства вокруг такой большой площади, вы сможете генерировать киловатты энергии из потраченного впустую тепла, которое обычно просто выбрасывается. Вы могли бы превратить сбрасываемое тепло во что-то полезное».

Испытание, проведенное на газоходе, показало, что новое устройство имеет удельную мощность на 150% выше, чем другие современные устройства. После этого первоначального теста увеличенная версия сохранила преимущество в плотности мощности на 115% и произвела 56,6 Вт при размещении на горячей поверхности.

Другие недавние инновации, которые исследуют новые способы производства электроэнергии, включают устройство, которое превращает вибрации от движения в электричество, и намагничиваемый дорожный бетон для зарядки электричества.

Автор: Катрина Лейн

15 февраля 2022 г.

Электронная почта: [email protected]

Веб-сайт: ems.psu.edu

Скачать PDF

Вынос:

Потенциальные области применения термоэлектрических генераторов уже безграничны. Их можно использовать на электростанциях для преобразования сбрасываемого тепла в дополнительную электроэнергию и в автомобилях для повышения эффективности использования топлива. Однако гибкость нового устройства делает их гораздо более применимыми. Разработки, сделанные исследователями из Penn State, могут повысить эффективность множества устройств и, в свою очередь, помочь сократить выбросы углерода и уменьшить счета за электроэнергию во всем мире

Сельское хозяйство и энергетика

Студент университета разрабатывает источник кинетической энергии для сельских населенных пунктов

    Мобильность и транспорт

    Партнерство по испытанию намагничиваемого дорожного бетона для зарядки электромобилей

    Сельское хозяйство и энергетика

    Тротуарная плитка вырабатывает электроэнергию от пешеходов

    Другие инновации

    Тепло для электричества — HeatCalc

    Тепло может быть преобразовано в электричество различными способами, которые не производят дополнительных выбросов и не требуют дополнительного топлива.

    Вырабатываемая мощность часто является базовой нагрузкой (непрерывно вырабатываемой) и обычно требует минимального обслуживания. Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой? Это не так.

    Выгоды

    Основным преимуществом преобразования тепла в электричество является продажа (или сокращение потребления) электричества с площадки производителя тепла. Но есть дополнительные потенциальные выгоды, в том числе:

    • Доходы от продажи электроэнергии (или предотвращение затрат на электроэнергию)

    • Производство электроэнергии при базовой нагрузке

    • Экологические выгоды от производства электроэнергии без выбросов

    • Снижение паразитных потерь в системе

    • Потенциальное хеджирование затрат на электроэнергию

    Подробнее об этом читайте в нашем разделе «Экономика» Некоторые технологии являются твердотельными, некоторые используют турбины, другие используют поршни и имеют разные рабочие жидкости. Из всех доступных технологий процесс преобразования тепла в энергию можно разделить на три основные категории.

    1) Генераторы цикла Ренкина

    Эти «традиционные» генераторы работают с использованием «рабочей жидкости», которая может быть газом, жидкостью или тем и другим, в зависимости от цикла. Общие этапы цикла Ренкина описаны ниже:

    • Сжатие — Насос сжимает рабочую жидкость, повышая ее давление.

    • Подвод тепла — Тепло подается от источника отработанного тепла для дальнейшего повышения давления рабочей жидкости. В некоторых приложениях это включает фазовый переход от жидкости к пару.

    • Расширить. Здесь мы можем извлекать работу, расширяя горячую рабочую жидкость под давлением, чтобы охладить ее и снизить давление. Обычно это делается с помощью вращающейся турбины.

    • Охлаждение. Чтобы создать перепад давления (который приводит в действие этап расширения), давление должно быть уменьшено в задней части расширения. Отвод тепла снизит давление и может привести к обратному фазовому переходу из газа в жидкость. Отвод тепла часто осуществляется с помощью воздушного радиатора или водяной градирни.

    Основные технологии, использующие цикл Ренкина, перечислены ниже.

    Цикл Ренкина, при котором тепло преобразуется в электричество в замкнутом контуре с расширителем + генератором. Органический цикл Ренкина следует той же схеме, но с другой рабочей жидкостью вместо воды.

    Паровой цикл

    Паровые системы существуют сотни лет и используются в бесчисленном количестве приложений благодаря их относительно эффективной работе. Исторически сложилось так, что паровые турбины использовались в основном на крупных (100+ МВт) высокотемпературных (400°C+) электростанциях коммунального масштаба. Типичными применениями могут быть газовые турбины в установках с комбинированным циклом или атомных электростанциях.

    Совсем недавно были разработаны более мелкие и низкотемпературные микротурбины, которые открывают рынок до 200°C и 1 МВт. Хотя более низкая температура действительно снижает потенциальную эффективность (см. раздел «Эффективность Карно»), в некоторых приложениях эти микротурбины могут быть эффективными.

    Органический цикл Ренкина (ORC)

    ORC работают по тем же фундаментальным принципам, что и паровой цикл, но в качестве рабочей жидкости в процессе используется «органическая» среда вместо воды. Органическая жидкость обычно представляет собой хладагент с более низкой температурой кипения, чем у воды, что обеспечивает доступ к источникам тепла с более низкой температурой по сравнению с паровыми турбинами.

    Преимущество ORC заключается в более низком рабочем давлении и доступе к источникам тепла с более низкой температурой, но они, как правило, не соответствуют эффективности парогенераторов. Современные ORC были разработаны в 1960-х годах и широко используются сегодня в геотермальных приложениях.

    Цикл «Калина»

    Цикл «Калина» — это вариант цикла Ренкина, в котором в качестве рабочей жидкости используется смесь двух материалов. Использование двух разных жидкостей позволяет смеси кипеть при разных температурах, обеспечивая эффективное использование имеющегося тепла. Регулируя соотношение компонентов смеси, систему Kalina можно настроить для конкретной температуры источника тепла.

    Хотя эта технология не так распространена, как другие, существует несколько установок мощностью в несколько мегаватт, которые доказали свою эффективность. Потенциальное повышение тепловой эффективности по сравнению с другими технологиями делает этот вариант привлекательным для рассмотрения.

    2) Двигатели Стирлинга

    Хотя цикл Стирлинга существует уже почти 200 лет, коммерческие двигатели Стирлинга стали доступны только недавно. Цикл Стирлинга аналогичен циклу Ренкина, за исключением того, что в нем нет фазового перехода или механического сжатия жидкости. Основные этапы цикла Стирлинга:

    • Расширение — Тепло от источника отработанного тепла используется для расширения рабочей жидкости и производства энергии

    • Отвод тепла — Вытеснитель проталкивает рабочую жидкость через рекуператор, который отводит тепло от жидкости и сохраняет его путем нагрева материал

    • Компресс — Рабочая жидкость охлаждается снаружи воздухом, водой или каким-либо другим хладагентом, увеличивая ее плотность аккумулированное тепло

    В Animated Engines есть отличные диаграммы, более подробно объясняющие цикл Стирлинга.

    3) Термоэлектрические генераторы

    Термоэлектрические генераторы представляют собой полупроводниковые устройства, преобразующие тепло непосредственно в электричество, поэтому в них нет вращающихся или совершающих возвратно-поступательное движение компонентов. Короче говоря, термоэлектрики создают электрический ток из градиента или перепада температур.

    Одна сторона термоэлектрического элемента подвергается воздействию источника отработанного тепла, а другая сторона охлаждается воздухом, водой или каким-либо другим хладагентом. Внутри есть два материала: один заставляет электроны течь к горячему концу, а другой заставляет электроны течь от горячего конца. Когда применяется тепло, два материала создают перепад напряжения, который производит электрический ток, который мы используем в качестве энергии.

    Термоэлектрики, как правило, менее эффективны и дороже, чем генераторы с вращающимся механизмом, однако тот факт, что они не имеют движущихся частей, упрощает установку и эксплуатацию. Подобно солнечным панелям во многих отношениях, их можно масштабировать для работы в промышленных масштабах, а также использовать в небольших потребительских устройствах.

     

    Другие технологии

    Сверхкритический цикл CO2: Сверхкритический энергетический цикл с диоксидом углерода работает аналогично другим турбинным циклам, но в качестве рабочего тела в турбомашинах используется CO2. Цикл работает выше критической точки CO2, так что он не меняет фазы (из жидкости в газ), а скорее претерпевает резкие изменения плотности в небольших диапазонах температуры и давления. Это позволяет извлекать большое количество энергии при высокой температуре из оборудования относительно небольшого размера. (источник: NETL)

    Несмотря на то, что цикл sCO2 является захватывающим из-за его потенциала для радикального уменьшения размера генерирующего оборудования, эта технология не является коммерчески доступной. Несколько организаций работают над выводом продукта на рынок, но на данный момент они все еще находятся в стадии разработки.

    Дополнительную информацию об этих и других технологиях можно найти в этом оценочном документе Агентства по охране окружающей среды США по технологии использования отработанного тепла для энергоснабжения: Отбросное тепло для энергосистем — обзор технологий, подготовленный Партнерством ТЭЦ и Агентством по охране окружающей среды США.

    Различные технологии для разных температур 

    В целом источники тепла с более высокой температурой могут быть более эффективно преобразованы в электричество, чем источники тепла с более низкой температурой. Это явление описывается теоремой Карно, которая определяет верхний предел эффективности тепловой машины.

    Максимальный КПД = n = 1 — (Tc/Th)
    Tc = температура холодной стороны
    Th = температура горячей стороны

    Таким образом, чем выше разница температур между горячей и холодной сторонами тепловой машины, тем выше потенциальная эффективность. Конкретный метод и оборудование конкретного приложения будут определять, насколько ниже идеальной эффективности работает реальное приложение.

    Основные компоненты проекта по выработке тепла в электроэнергию

    1. Рекуперация тепла

    Прежде чем тепло можно будет преобразовать в электричество, его необходимо уловить или извлечь из источника тепла. Это можно сделать разными способами, но чаще всего это теплообменник или котел-утилизатор. Оба передают тепло от первичной жидкости к вторичной. В некоторых приложениях может использоваться источник тепла напрямую, но на практике большинство установок для рекуперации отработанного тепла имеют промежуточный контур. Дополнительную информацию см. на странице рекуперации тепла.

    2. Теплопередача

    После захвата тепла его необходимо передать компоненту, который преобразует его в электричество. В некоторых случаях жидкость для преобразования среды или энергии может использоваться непосредственно с выхлопным потоком. В других случаях для передачи тепловой энергии теплогенератору используется промежуточный контур. Преимуществом прямой системы является снижение паразитных потерь (паразитных потерь насоса и теплопередачи), связанных с промежуточным контуром. Однако промежуточный контур может покрывать большие расстояния и регулировать температуру, получаемую теплогенератором. Многие высокотемпературные генераторы тепла и электроэнергии используют методы «прямого испарения» без промежуточных контуров. Для любого объекта лучше всего проанализировать источник тепла и указать несколько поставщиков, чтобы увидеть, какая технология может обеспечить наибольшую чистую производительность по сравнению с затратами на систему.

    3. Преобразование тепла в электроэнергию

    После того, как тепло было получено и передано генератору, существует множество способов его преобразования в электричество. Лучший способ продумать этот этап — проанализировать различные доступные варианты и поставщиков, понять, каких результатов они могут достичь по сравнению со стоимостью установки и эксплуатации, и принять решение. Вернитесь к нашему разделу технологий о преимуществах каждой технологии и нашему калькулятору. Некоторые технологии связаны с максимизацией производства электроэнергии, другие — с надежностью, а некоторые представляют собой смесь.

    4. Отвод тепла

    Последним компонентом любого процесса преобразования тепла в энергию является отвод тепла или конденсация. В циклах с более низкими температурами более низкие температуры охлаждения имеют решающее значение для получения более высокой дельты температур (см. Теорему Карно). А в более высокотемпературных циклах может быть вариант утилизации тепла, который будет работать при более высоких температурах конденсации. Наиболее распространенными охлаждающими жидкостями являются окружающий воздух и вода. Воздух можно использовать с радиатором, в котором используются вентиляторы, обдувающие окружающий воздух через ребристые трубы для охлаждения рабочей жидкости. При наличии прохладной воды (например, вблизи океана) ее можно использовать для непосредственного охлаждения рабочей жидкости. Прохладную воду можно получить с помощью градирни, которая охлаждает воду за счет испарения. Каждое применение должно оцениваться с учетом нагрузки конденсации, температуры и колебаний температуры окружающей среды в течение года.

    5. Интеграция и взаимосвязь

    Электроэнергия, произведенная в процессе преобразования тепла в электроэнергию, должна быть подключена к сети или использоваться на месте. В некоторых случаях для этого могут потребоваться трансформаторы, разъединители, инверторы, силовая электроника и т. д. В дополнение к подключению к сети часто агрегаты подключаются к системе удаленного мониторинга и/или системе SCADA для дополнительной визуализации производительности.

    Основные положения

    Эффективность — это еще не все

    Большинство генераторов энергии сосредоточены на эффективности. Для генераторов, преобразующих тепло в электроэнергию, эффективность мало что значит. Почему? В традиционной энергетике эффективность — это мера того, насколько эффективно технология преобразует конечное количество топлива во что-то продуктивное. При утилизации отработанного тепла топливо предоставляется бесплатно, и некоторые технологии могут использовать или «получать доступ» к большему его количеству. Чтобы быть точным, циклы с более низкой температурой (и, следовательно, с более низкой эффективностью) могут получить больше тепла от данного источника, чем циклы с более высокой температурой (и, следовательно, с более высокой эффективностью). В результате генератор с более низким КПД может иногда получать больше энергии от источника тепла, чем генератор с более высоким КПД. В связи с этим рекомендуется анализировать каждый источник тепла в отдельности и сравнивать варианты выработки электроэнергии по разным технологиям.

    При сравнении затрат убедитесь, что включен весь объем работ.

    Многие генераторы тепла для производства электроэнергии представляют собой «салазки» или агрегаты, установленные на салазках, которые включают первичный двигатель для выработки электроэнергии. Однако, как отмечалось в разделе выше, существует ряд компонентов, которые необходимо включить для того, чтобы весь проект по выработке тепла заработал.

    Получите расчетную «чистую мощность» всей площадки при расчете экономических показателей

    Как и в случае с затратами, получение истинной полезной мощности проекта требует целостного взгляда на установку. Чистая мощность означает электроэнергию, которая может быть экспортирована для использования после вычета всех паразитных потерь (насосы, вентиляторы конденсатора, воздуходувки, электроника и т. д.). Это особенно важно для проектов по выработке тепла в электроэнергию, потому что паразитные потери могут составлять пропорционально гораздо большую часть всего проекта, чем в системе генератора электроэнергии на другом топливе.