Получение электроэнергии из тепла: Как осуществляется производство (генерация) электрической энергии?

Содержание

Использование газовой тепловой пушки для получения электроэнергии | Архив С.О.К. | 2018

Россия включает в себя самые холодные регионы в мире, поэтому проблема отопления помещений всегда находилась если не на первом месте, то, как минимум, в числе важнейших. В различное время для этих целей применялись самые разнообразные устройства — от печки до калорифера. У каждого из них имелся один большой недостаток — низкая мощность и, как следствие, большой промежуток времени, необходимый для достижения комфортной температуры в отапливаемом помещении. Именно это подтолкнуло к быстрому росту популярности такого вида обогревателя, как тепловая пушка.

Так, появление первых тепловых пушек в России сразу сделало их необычайно популярными из-за условий нашего климата и в связи с тем, что большинство зданий в России не имеют централизованного отопления, а также учитывая мобильность и эффективность этих обогревателей. Все эти причины сформировали стабильный, увеличивающийся с каждым годом спрос. Мировой и российский рынок газовых нагревателей воздуха или газовых тепловых пушек переполнен такими агрегатами китайского, корейского, американского, немецкого, итальянского, польского производства. И все они служат для получения тепла от сгораемого топлива, но не могут служить для получения электроэнергии.

Использование тепловой пушки также для получения электрической энергии ещё более увеличит спрос на такой универсальный когенератор.

Задача одновременного получения тепла и электроэнергии от газовой тепловой пушки и превращения её в теплоэлектрогенератор (ТЭГ) является весьма актуальной задачей автономной малой энергетики. Круг заказчиков и потребителей таких когенераторов (рис. 1) расширится по сравнению с количеством заказчиков тепловых пушек многократно. Они могут стать предметом экспорта из России.

При разработке ТЭГ на газовом топливе можно использовать простой газовый нагреватель воздуха прямого действия, то есть не имеющий теплообменника. Такие устройства безопасны, количество выделяемых ими вредных веществ такое же, как и у обычной газовой плиты при одинаковой мощности.

Поэтому на начальном этапе исследования за основу взят наиболее простой газовый нагреватель воздуха. При проведении исследования планируется применить струйный аппарат — газовый эжектор для смешивания продуктов сгорания топлива с воздухом и получения сжатой смеси на выходе из эжектора, а для создания разрежения в горелке использовать компрессор и турбину.

Целью создания разрежения в горелке является подсос воздуха из окружающей среды для горения газа. Целью смешивания продуктов сгорания топлива с воздухом в эжекторе является подвод энергии к рабочему телу. Целью сжатия смеси в эжекторе является использование потенциальной энергии давления рабочего тела для работы турбины. 

В этом состоит отличие эжекторного ТЭГ от других энергетических установок (ДВС, ГТД), в которых сгорание топлива производится при переменном или постоянном давлении в предварительно сжатом воздухе с целью подвода энергии к рабочему телу и получения полезной работы при расширении рабочего тела (продуктов сгорания) в цилиндре ДВС или на лопатках турбины.

В эжекторе ТЭГ низкопотенциальная энергия окружающей среды и тепловая энергия смеси воздуха и продуктов сгорания топлива преобразуются в повышенную потенциальную энергию общего потока смеси, которая используется для получения механической работы в ТЭГ.

Эжектирование — приведение в движение пара, газа или жидкости путём разрежения среды, которая создаётся в соответствии с законом Бернулли другим, движущимся с большей скоростью, рабочим потоком путём нагнетания газа в получаемую разреженную среду. Источником энергии может становиться потенциальная энергия сжатого силой гравитации атмосферного воздуха. Под действием полученного разрежения воздух поступает в смеситель эжектора, расширяясь и ускоряясь, подобно природному процессу, а при прохождении диффузора на выходе из эжектора давление газовоздушной смеси повышается и смесь поступает в расширительную машину (турбину). Газовый эжектор (рис. 2) — устройство, в котором избыточное давление высоконапорных газов используется на компримирование газов низкого давления.

Газовый эжектор прост по конструкции, надёжен в работе, имеет малый срок окупаемости, работает в широком диапазоне изменения параметров газа. Использование в работе эжекторного оборудования элементарных физических законов (Бернулли) позволяет получать эффективные и надёжные технические решения (по сравнению с механическими нагнетателями — компрессорами, насосами, вентиляторами и др.). Эжектор относится к струйным аппаратам, в которых осуществляется процесс, заключающийся в передаче кинетической энергии одного потока другому потоку путём непосредственного контакта (смешения).

Поток, вступающий в процесс смешения с большей скоростью, называется эжектирующим или рабочим потоком, а с меньшей скоростью — эжектируемым.

Эжекторы используются для вентиляции помещений, для откачки горячих газов, а также могут использоваться для всасывания и прокачки атмосферного воздуха через теплообменник и откачки горячих продуктов сгорания топлива.

Как правило, в струйных аппаратах происходит сначала преобразование потенциальной энергии и теплоты в кинетическую энергию. В процессе движения через проточную часть струйного аппарата происходит выравнивание скоростей смешиваемых потоков, а затем обратное преобразование кинетической энергии смешанного потока в потенциальную энергию. Обычно давление смешанного потока на выходе из струйного аппарата выше давления эжектируемого потока перед аппаратом, но ниже давления рабочего потока. На сжатие газовой смеси в эжекторе затрачивается меньше энергии, чем расходуется энергии турбины на работу воздушного компрессора в ГТД.

В конструкции струйного насоса (эжектора) нет механического привода. За счёт этого он обладает хорошими производственными характеристиками. Простота схем включения струйных аппаратов в различные установки связана с исключительной простотой их конструкции, а также несложностью их изготовления, что уже обеспечило широкую область использования этих аппаратов в технике.

Первым учёным, обратившим внимание на необходимость поиска нетрадиционных источников в энергетике, был Никола Тесла. В 1892 году он высказал такую мысль: «Мы проходим с непостижимой скоростью через бесконечное пространство. Всё окружающее нас находится в движении, и энергия есть повсюду. Должен быть найден более прямой способ утилизировать эту энергию, чем известные в настоящее время. Когда свет получится из окружающей нас среды, и когда таким же образом без усилий будут получаться все формы энергии из этого неисчерпаемого источника, человечество пойдёт вперёд гигантскими шагами

».

Эта идея Николы Тесла является призывом к поискам альтернативных источников энергии. В поисках таких источников многие специалисты обращают внимание на струйную энергетику. Сегодня учёные уже практически подошли к реализации именно этой идеи.

Пример использования струйного аппарата — трансзвуковой струйный насосподогреватель «Фисоник» (рис. 3), в котором за счёт пара производится нагревание воды при смешивании пара с водой и нагнетание горячей воды в тепловую сеть. «Фисоник» — это теплообменник, в котором не создаётся механическая работа, а используется только давление воды, и рабочим телом служит водяной пар.

Другим примером многолетнего использования струйного аппарата является карбюратор двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием. В таком двигателе при движении поршня создаётся разрежение в карбюраторе, в который, как в эжектор, засасывается топливо, а получаемая топливно-воздушная смесь после сжатия сгорает в двигателе.

Основой внедрения эжекционного процесса в энергетике стало научное открытие №314 (от 2 июля 1951 года) О. И. Кудрина, А. В. Квасникова и В. Н. Челомея «Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струёй». Позднее было доказано, что данный эффект оказался полезен не только для создания дополнительной реактивной тяги авиационного движителя, но и для использования его в эжекторном сопловом аппарате ГТД с целью получения дополнительной мощности на валу [2].

К сожалению, открытие не получило широкого применения. Вероятно, потому, что изначально исследования проводились в авиационной отрасли и были направлены только на получение дополнительной реактивной тяги летательных аппаратов. Это обстоятельство, наряду с закрытостью информации об экспериментальных исследованиях в авиационной отрасли, стало препятствием для его внедрения в других отраслях, где энергию воздушной массы, получаемую в результате управляемого преобразования энергии атмосферы, можно использовать не только для получения реактивной тяги, а более эффективно и в других вариантах преобразования энергии атмосферы. Вместе с тем, атмосфера до сих пор не стала объектом тщательного научного исследования с целью разработки процессов управляемого преобразования энергии для последующего использования в энергетических системах.

На начальном этапе исследований предлагается энергию окружающей среды использовать в комбинированной энергетической установке (КЭУ) с внешним сгоранием топлива при внедрении струйной технологии, в которой потенциальная энергия сжатого силой гравитации атмосферного воздуха является дополнительным источником энергии (рис. 4).

В исследуемом эжекторном теплоэлектрогенераторе с целью использования низкопотенциальной энергии внешней среды в компрессоре сжимают воздух и подают его в сопловой аппарат эжектора, на выходе из которого активной воздушной струёй создаётся разрежение и через горелку в зону разрежения происходит всасывание из внешней среды воздуха, который обеспечивает горение топлива. Затем воздух, отходящий из соплового аппарата эжектора, смешивается с продуктами сгорания топлива и дополнительно с воздухом, поступающим из внешней среды, и горячая газовоздушная смесь после сжатия в диффузоре эжектора поступает на лопатки турбины, служащей приводом компрессора и генератора.

Тем самым, за счёт создаваемого в эжекторе разрежения, дополнительным источником энергии становится потенциальная энергия сжатого силой гравитации атмосферного воздуха, который под действием разности давлений всасывается в смеситель, где также смешивается с продуктами сгорания топлива и воздухом от компрессора, образуя при прохождении через диффузор эжектора высокопотенциальную смесь, воздействующую непосредственно на лопатки турбины.

Алгоритм работы теплоэлектрогенератора с газовой горелкой и эжектором может быть таким. Перед запуском эжекторного ТЭГ включается вентилятор, воздух проходит через горелку и поступает на турбину, которая раскручивается вместе с компрессором и генератором. Воздух от компрессора пропускается через сопло эжектора, создаёт разрежение на входе в эжектор и увеличивает поток воздуха через горелку. Затем поджигается топливо (газ), и начинается процесс горения с нагнетанием вентилятором воздуха на горение топлива. Продукты сгорания топлива под действием нагнетания от вентилятора и разрежения от эжектора выходят из горелки и с высокой температурой поступают в камеру смешения эжектора, где смешиваются с воздухом.

Рабочая смесь из воздуха и продуктов сгорания с высоким теплосодержанием от тепла сгораемого топлива проходит через эжектор, давление смеси в диффузоре эжектора повышается, и смесь с повышенным давлением подаётся в турбину, мощность турбины и, соответственно, частота вращения вала компрессора и расход воздуха через сопло эжектора увеличиваются. Разрежение в горелке возрастает и поступающего атмосферного воздуха становится достаточно для обеспечения автономного горения топлива в горелке. После запуска теплоэлектрогенератора и выхода его на режим автономного поддержания работы горелки и вращения турбины с компрессором электрический вентилятор отключается.

Атмосферный воздух, обладающий потенциальной энергией давления от гравитационного сжатия, поступает через горелку вместе с горячей газовоздушной смесью в зону разрежения — камеру смешения эжектора, при этом уменьшаются затраты энергии на подвод воздуха к горелке и обеспечивается полное сгорание топлива с избытком воздуха. За счёт экономии энергии на подачу воздуха для горения топлива можно получить более высокий КПД преобразования энергии топлива, чем в ГТД. А если в горелке турбинного когенератора с эжектором будет использован природный газ низкого давления без применения дожимного компрессора, то появится возможность иметь свою электростанцию и источник тепла в каждом сельском доме.

Предлагаемая технология с использованием продуктов сгорания топлива, смешиваемых с воздухом с помощью струйного аппарата (эжектора), может быть использована для работы экономичного газотурбинного двигателя. В КЭУ потенциальная энергия окружающей среды и тепловая энергия смеси продуктов сгорания топлива с воздухом преобразуются в кинетическую энергию общего потока смеси, которая после преобразования в диффузоре эжектора используется для работы турбины. В итоге на получение общего потока рабочей газовоздушной смеси в КЭУ с эжектором затрачивается меньше энергии, чем расходуется энергии турбины на работу воздушного компрессора в обычном ГТД, что ведёт к повышению общего КПД и снижению удельного расхода топлива в КЭУ.

В этом отличие КЭУ от других энергоустановок, позволяющее формировать рабочее тело для газовой турбины путём перемешивания продуктов сгорания любого топлива с воздухом и повышения давления этой смеси в диффузоре эжектора, чтобы направить её в расширительную машину — газовую турбину.

В турбине рабочая смесь с большим содержанием чистого воздуха, совершая работу на привод компрессора и электрического генератора, расширяется, её температура понижается, и отходящая смесь при умеренной температуре и минимальном содержании СО2 поступает в теплицы, сушильные и другие отапливаемые объекты. Учитывая небольшое содержание СО2 в продуктах сгорания и повышенное содержание в отходящей смеси воздуха, смесь может также нагнетаться в фермы для животных и жилые помещения.

Несомненно одно — создание высокоэкономичного теплоэлектрогенератора с применением тепловой пушки на газовом топливе в сочетании с эжектором и турбокомпрессором, с частичным использованием окружающей нас энергии атмосферы может стать важным шагом на пути освоения бестопливной энергетики в России.

Выводы

1. Для автономной работы ТЭГ не требуется подводить энергию от внешнего источника, то есть агрегат может начать работу в местах, не имеющих никакой энергии, кроме газа, который надо поджечь.

2. Отсутствие воды и пара в ТЭГ нового типа важно при работе в арктических условиях эксплуатации.

3. В отличие от паротурбинной энергетической установки с замкнутым циклом, с атмосферной газовой горелкой и внешним подогревом рабочей низкокипящей жидкости в новом ТЭГ используются продукты сгорания газа в качестве источника тепла и для одновременного получения рабочей газовоздушной смеси для обеспечения работы газовой турбины.

4. В отличие от авиационной ВСУ с камерой сгорания, турбокомпрессором и генератором, ТЭГ не имеет в своём составе камеры сгорания, работающей при повышенном постоянном давлении рабочего тела, как в любом ГТД. Для получения рабочей газовоздушной смеси используются атмосферная газовая горелка и эжектор с камерой смешения продуктов сгорания и воздуха.

5. Эжектор позволяет иметь пониженную температуру рабочего тела на выходе из ТЭГ. Использование газовоздушной смеси с большим содержанием воздуха и невысокой температурой на выхлопе позволит уменьшить выброс тепла и СО2 в атмосферу по сравнению с современными бензиновыми и дизельными двигателями и угольными котельными.

6. Разрабатываемый теплоэлектрогенератор как эжекторно-турбинный когенератор на газовом топливе не имеет аналогов даже за рубежом.

7. Использование эжекторного струйного аппарата для работы эжекторно-турбинного когенератора на газовом или ином топливе позволит сочетать в одном агрегате автономный электрический турбогенератор небольшой мощности и эффективный источник тепла для систем отопления и горячего водоснабжения.

Если в горелке эжекторно-турбинного когенератора будет использован бытовой газ низкого давления без применения дожимного компрессора, то появится возможность иметь свою электростанцию и источник тепла в каждом сельском доме в нашей стране.

Найден новый способ получения электричества: Город: Среда обитания: Lenta.ru

Житель республики Сьерра-Леоне в Западной Африке Джеремия Торонка (Jeremiah Thoronka) разработал специальную установку, которая позволяет обеспечить электричеством тысячи домов без особых усилий и вреда природе. Молодой человек нашел способ производства «чистой» энергии из вибраций в окружающей среде, сообщает «Би-би-си».

Третий год подряд Торонка, которому сейчас 20 лет, занимается решением проблемы дефицита энергоснабжения родной страны, с которой сам сталкивался с детства. Поступив в Африканский университет лидерства в Руанде (African Leadership University in Rwanda), молодой человек основал инновационный стартап по производству электричества Optim Energy.

В основе технологии лежит пьезоэлектрическое устройство, которое использует энергию тепла, движения и давления из окружающей среды. Когда установка находится под дорогой с интенсивным движением транспорта и пешеходным трафиком, она поглощает вибрации и использует их для генерации электрического тока. Выбросов парникового газа, в отличие от классических электростанций, при этом нет, так как отсутствует процесс сжигания топлива.

Материалы по теме

08:01 — 20 апреля

00:00 — 17 июня

Новое величие.

Россия может возглавить мировую энергетическую революцию. Что ей мешает?

Такой источник электричества имеет преимущества и перед некоторыми альтернативными установками для выработки энергии. Работа вибрационных устройств не зависит от погодных условий, как солнечные и ветряные станции. Еще одним большим плюсом изобретения является отсутствие необходимости в батареях и подключении к внешнему источнику питания.

По данным организации «Устойчивая энергия для всех» (Sustainable Energy for All (SEforALL)), только 26 процентов населения Сьерра-Леоне имеют доступ к электричеству. В сельской местности большинство людей не могут подключиться к национальной сети. С доступным электричеством у детей появится больше времени для учебы и включения в цифровую среду мира, а у взрослых — возможность поддерживать экономическую деятельность, считает представитель университета Винни Мучина (Winnie Muchina).

Компания Optim Energy провела успешную пилотную программу в нескольких районах, и население с радостью приняло новинку. Используя два устройства, стартап бесплатно обеспечил электроэнергией 150 домов с населением в 1,5 тысячи человек, а также 15 школ. Кроме того, Торонка выпустил онлайн-калькулятор энергоэффективности, который отслеживает модели потребления людей в зависимости от использования ими разной бытовой техники.

Работа Торонки получила международное признание. В марте 2021 года ему вручили «Молодежную премию содружества» (Commonwealth Youth Award), которую ежегодно присуждают пяти молодым людям, изменившим жизнь своих сограждан в лучшую сторону. Приз в 2,8 тысячи долларов Торонка потратит на развертывание устройств еще в нескольких городах и прибрежных регионах Сьерра-Леоне, чтобы к 2030 году обеспечить электроэнергией около 100 тысяч человек.

В поисках новых источников энергии, которые являются безопасными для природы, другая африканская страна, Кения, решила подробнее изучить ресурсы подземных вод. Национальная электростанция Олкария компании Kenya Electricity Generating Co (KenGen) получает электричество из геотермальных залежей в вулканических зонах, пропитанных сернистыми газами.

Превращение тепла человеческого тела в электричество

Исследователи Университета штата Северная Каролина (NC State) разработали новую схему для сбора тепла, выделяемого человеческим телом. Собранное тепло преобразуется в электричество, которое затем используется для зарядки носимой электроники. Прототипы, находящиеся на данный момент на стадии экспериментальной проверки, отличаются небольшим весом и повторяют форму тела человека. Благодаря новой технологии система способна генерировать гораздо больше электроэнергии из вырабатываемого человеком тепла, чем все ранее созданные экспериментальные образцы.

Носимые термоэлектрические генераторы (TEG’и) получают электроэнергию за счет разницы температур человеческого тела и окружающего его воздуха.

«Предыдущие методы, которыми пользовались инженеры-исследователи, предусматривали применение радиаторов. Они были или тяжелыми, жесткими и громоздкими, или были способны вырабатывать мощность всего до одного микроватта на квадратный сантиметр (мкВт / см2)», — говорит Дариуш Вашаи (Daryoosh Vashaee), доцент Кафедры электротехники и вычислительной техники Университета штата Северная Каролина и автор данного научного исследования. — «В нашей технологии не используется радиатор, что делает ее легче и удобнее. Однако при этом генерируемая мощность достигает 20 мкВт / см2».

Новая система состоит из нескольких слоев. Первый слой выполнен из теплопроводного материала, который прилегает к коже и собирает тепло. Сверху этот материал покрыт полимерным изолирующим слоем. Он предотвращает рассеивание собранного тепла в окружающую среду. Тепло тела отводится в расположенный по центру термоэлектрический генератор (TEG), который занимает площадь в один квадратный сантиметр. Та часть тепла, которая осталась не преобразованной в электричество, проходит через TEG в наружный слой, состоящий также из теплопроводного материала. Здесь тепло быстро рассеивается. Вся эта многослойная система в сборе обладает отличной гибкостью. А ее толщина составляет всего 2 миллиметра.

«В данном прототипе генератор TEG занимает лишь один квадратный сантиметр. Но мы с легкостью можем сделать его больше. Размер генератора будет зависеть от того, сколько электроэнергии потребуется для того или иного устройства», — поясняет Дариуш Вашаи. Проект, над которым он работает, проводится в рамках деятельности Научно-исследовательского центра наносистемной техники (ASSIST), относящегося к университету NC State и функционирующего под эгидой Национального научного фонда США.

Исследователи также обнаружили, что для сбора тепла самым оптимальным местом является верхняя часть руки. Вообще, более высокая температура поверхности кожи бывает обычно вокруг запястья. Но это очень ограниченная область, где, к тому же, часто нарушается контакт между кожей и термоэлектрическим генератором TEG. В то же время носить накладные полосы на груди тоже не рационально, поскольку в этой зоне из-за одежды наблюдается ограниченный поток воздуха. Следовательно, рассеивание тепла здесь также будет ограничено.

Для проведения экспериментов полосы материала с TEG вшили в футболки. Исследователи обнаружили, что вшитый в футболку генератор мог вырабатывать 6 мкВт / см2, если человек находился в состоянии относительного покоя, или 16 мкВт / см2, если он активно двигался.

«Футболки с TEG, безусловно, имеют право на существование и могут применяться для зарядки носимых устройств. Но они не так эффективны, как накладки на верхнюю часть руки», — говорит Вашаи.

Научно-исследовательский центр ASSIST ставит своей целью разработку носимых технологий, которые могут быть использованы для постоянного длительного мониторинга состояния здоровья человека. Это могут быть, например, такие устройства, которые позволяют отслеживать параметры работы сердца и, тем самым, контролировать его здоровье. Или же это может быть контроль физических и экологических показателей, которые имеют первостепенное значение для прогнозирования и предотвращения приступов астмы.

По утверждению Дариуша Вашаи добиться поставленных целей можно, но для этого нужно сделать так, чтобы устройства, осуществляющие контроль над состоянием здоровья человека, не зависели от состояния заряда батарей. Новая технология, которая была разработана усилиями исследователей из Университета штата Северная Каролина, позволяет в значительной мере приблизить тот момент, когда намеченные учеными цели станут реальностью».

Открыть счет для торговли акциями высокотехнологичных компаний

Термоэлектричество: современность

October 09, 2014 2:07pm

Термоэлектрическая генерация может стать серьезным конкурентом других способов получения электроэнергии. Для этого потребуется поднять КПД термоэлектрических генераторов с 10÷13% до 20÷30%, что возможно при помощи разработки полупроводниковых термоэлектрических материалов нового поколения, а также за счет конструктивных решений, повышающих удельно-весовые мощностные характеристики.


 

 Активно занимаются поисками новых решений в области термоэлектричества и три компании-резидента Фонда «Сколково»: ООО «СмС тензотерм Рус», ООО «Метемп», ООО «ФЕМТОИНТЕХ». О современном состоянии проблемы, новейших разработках и интересах потребителя – в предлагаемой вашему вниманию статье.

В первой части нашего рассказа речь шла об открытии термоэлектрических явлений: эффекта Зеебека и эффекта Пельтье. Теперь пришла очередь поговорить о современных разработках в этой области. Кратко напомним, что эффект Зеебека состоит в появлении электрического тока при перепаде температур на противоположных сторонах термоэлектрического материала, а эффект Пельтье – наоборот, в охлаждении или нагревании сторон материала при пропускании электрического тока. Наиболее известны устройства на элементах Пельтье – термоэлектрические охладители.

Сейчас на основе элементов Пельтье создают, например, автомобильные холодильники, которые работают от электрической сети машины. Есть даже небольшие устройства, которые можно через USB-порт подключить к персональному компьютеру и охладить в них, например, пиво в жестяной банке.

USB-охладитель напитков на основе элемента Пельтье

 

Конечно, у элементов Пельтье есть и более серьезные задачи. Они охлаждают микросхемы во многих электронных устройствах, ПЗС-матрицы в инфракрасных датчиках (например, в приборах ночного видения и цифровых камерах), полупроводниковые лазеры. Приборы, в которых проходит столь важная для современных исследований в молекулярной биологии полимеразная цепная реакция (ПЦР), также используют для охлаждения элементы Пельтье. Разные стадии ПЦР должны проходить при температурах более 90°, 70° – 72° и около 60°. При этом цикл повторяется много раз. Чтобы быстро охладить пробирки с образцами с 90° до 70°, требуется помощь элемента Пельтье.

Эффект Зеебека, как мы помним, использовался партизанами Великой Отечественной войны, чтобы подзаряжать батареи радиопередатчика от костра. Теперь же термоэлектрогенераторы отправились далеко в космос. И на марсоходе Curiosity, и на межпланетном аппарате Cassini, и на станции New Horizons, которая эти летом пересекла орбиту Нептуна и устремилась к Плутону, источником электроэнергии служат радиоизотопные термогенераторы. Тепло, необходимое для появления разности температур, в них выделяется при распаде радиоактивного плутония-238. Например, работу Cassini обеспечивают целых три термоэлектрогенератора, каждый из которых содержит по 11 килограммов плутония-238.

Сейчас производят и предназначенные для туристов приборы, позволяющие подзарядить при помощи костра свой телефон. Но на термоэлектричество обращают пристальное внимание и крупные компании, выпускающие технику, снабженную двигателями внутреннего сгорания. В таких двигателях, например, в автомобилях выделяется достаточно много тепла, и расходуется это тепло совершенно зря. Если использовать его для генерации электроэнергии, автомобиль станет куда более экономичным. Пока термоэлектрические генераторы устанавливают в экспериментальных образцах. Но концерн BMW намерен уже ближайшие годы начать их применение в серийных автомобилях.

Есть и еще одна сфера, где работает эффект Зеебека. Это разнообразные тензорезисторы, датчики давления и температуры. Температурные датчики, основанные на возникновении электрического тока при нагревании, оказались очень точны, а размер их весьма мал. Определение потерь тепла в различных производствах, регистрация тепловыделения животными и растениями в биологических опытах – все это случаи, где применяют такие датчики. Сейчас становятся все более востребованными технологии Energy Harvesting, основанные на использовании маломощных автономных электронных устройств, которые работают, не требуя замены батареи. От термоэлектрических генераторов получают энергию беспроводные датчики, сенсоры, системы контроля параметров и передачи информации в труднодоступных или подвижных частях оборудования. Еще одна сфера применения – системы управления отоплением помещений внутри дома и снятия показаний с различных счетчиков учета расходуемых ресурсов («умный дом»).

Конечно, технологии термоэлектричества шагнули далеко вперед с тех пор, как партизаны в лесах заряжали у костров аккумуляторы для радиопередатчиков. Но есть и большие перспективы для их развития. КПД «партизанского котелка» составлял не более 2%, у современных многокаскадных термогенераторов он равен примерно 13%, а в недалеком будущем с разработкой новых полупроводниковых материалов его рассчитывают поднять и до 20% и более. Тогда термоэлектричество станет серьезным конкурентом других способов получения электроэнергии.

Создатели новых термоэлектрических генераторов стремятся заставить их работать при более высоких температурах. Особенно это важно, если мы хотим применить эту технологию, например, в автомобиле. Увы, обычно вещество, которое хорошо проводит электричество, хорошо проводит и тепло. Когда тепло распространяется по веществу, разница температур между холодной и горячей частями генератора снижается, а, как установил еще сам Зеебек, эффект пропорционален разнице этих температур. С общим нагревом, эффективность генератора падает. Чтобы победить теплопроводность, надо получать новые материалы, структура которых на наноуровне придает им необходимые свойства.

Активно используют термоэлектрогенераторы в нефте- и газодобыче. Там для выработки электроэнергии можно использовать даровое тепло от сжигания попутного газа. Устройства обеспечивают работу разнообразных систем дистанционного контроля, телемеханики и других аппаратов, которые должны долго функционировать без обслуживания людьми в отдаленных и труднодоступных районах.

Несколько компаний-резидентов «Фонда Сколково» занимаются проблемами термоэнергетики. ООО «СмС тензотерм Рус» занято созданием устройств на основе сульфида самария (SmS). Благодаря свойствам этого вещества они должны превзойти имеющиеся аналоги по целому ряду параметров. В планах компании разработка как термоэлектрических генероторов, так и охлаждающих устройств, и тензодатчиков.

«Несмотря на то, что наши разработки находятся на стадии научных исследований, у нас уже есть первые результаты и они весьма обнадеживающие, — рассказал Полит.ру директор «Смс Тензотерм» Андрей Молодых. — Измерения показывают, что у нас высокий коэффициент полезного действия. Принципиальное отличие нашего термогенератора от существующих в том, что он работает без создания искусственного градиента температур. Обычно термоэлектрика работает так: на одном конце холодно, на другом — горячо. За счет этого возникает электродвижущая сила и появляется входное напряжение. В наших устройствах этого нет — принудительного охлаждения или специально созданного градиента температур не требуется».

По словам Молодых, в настоящее время компания проводит исследования в области градиента концентрации. «Мы создаем образцы с большим градиентом концентраций и тем самым получаем выходное напряжение при равномерном нагреве. Сейчас все усилия брошены на то, чтобы изучить технологические возможности создания более резкого градиента концентраций за счёт применения всевозможных легирующих примесей», — говорит он.

По мнению директора «СмС Тензотерм», разработки компании могут применяться во всевозможных отраслях. «В первую очередь мы сконцентрированы на создании термоэлектрогенераторов для автономных источников питания, — отмечает он. — Это необслуживаемые источники питания, которые могут быть установлены на маяки и метеостанции. Во-вторых, их использование возможно в автомобильной промышленности — для утилизации вторичного тепла, которое возникает в автомобилях. Нашими разработками уже заинтересовался АВТОВАЗ, а также BMW, которая намерена использовать термоэлектрогенератор для создания серийного гибридного автомобиля. Кроме этого, он может быть использован в атомной энергетике для утилизации вторичного тепла».

«Грант, полученный нами от Сколково, позволил приобрести недостающее оборудование, благодаря которому мы можем намного качественнее и значительно с большей скоростью проводить эксперименты, отмечает специалист. — Кроме того, Сколково также привлекает нас ко всевозможным мероприятиям, как в рамках фонда, так и в России и за рубежом. В частности, в этом году мы смогли поучаствовать в выставке Hannover Messe. Фонд всячески помогает в продвижении нашего проекта, предоставляя таким образом возможность знакомиться с потенциальными инвесторами или партнерами для развития наших исследований».

Созданием новых термоэлектрических материалов занимается компания «Метемп». Ее продукция должна будет работать при высоких температурах. Повышенная эффективность новых материалов достигается работой с их структурой на наноуровне. Основатель компании «Метемп» — резидента Фонда «Сколково», сотрудник Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» Андрей Воронин рассказывает о создании компании на базе Национального Исследовательского Технологического Университета «МИСиС»: «Исследования термоэлектрических материалов для университета не является новым, большей частью работы были направлены на основной термоэлектрический материал — сплавы на основе висмута, теллура и сурьмы. Этот материал в свое время открыл наш соотечественник Абрам Федорович Иоффе, что послужило отправной точкой внедрения термоэлектричества как явления в нашу жизнь. Этот материал позволил массово создавать устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую и обратно прямым способом.

Сейчас теллурид висмута является доминирующим на рынке. Именно он работает в автомобильных холодильниках, кулерах с водой и простых устройств генерации энергии от источников тепла (до 250 С). Наш коллектив нацелен на создание материалов, которые способны эффективно преобразовывать тепловую энергию в самом широком диапазоне температур».

Превращать в электроэнергию можно тепло от различных источников, например, от выхлопных газов автомобилей, температура которых достигает 800 С: «Создаются устройства, преобразующие это тепло в электроэнергию, которая возвращается в аккумуляторную батарею автомобиля. В итоге это приводит к экономии топлива. Другое перспективное направление применения термоэлектричества — электроснабжение удаленных объектов. Сейчас мы можем зарядить свой телефон на берегу озера Байкал от костра, но и только. Мы работаем над материалами, которые способны вырабатывать больше энергии, чем это может сделать применяемый сейчас на рынке туллурид висмута. Сейчас подобные материалы находят только специальное применение, так, например, знаменитый марсоход Curiosity получает энергию только от термоэлектрического генератора, источником тепла в котором является радиоактивный изотоп. Но эффективность такого преобразования не достигает и 10%», — поясняет Воронин.

По мнению специалиста, при создании более эффективного материала многие отрасли экономики изменятся: исчезнут фреоновые холодильники, радикально повысится эффективность двигателей внутреннего сгорания и появятся универсальные устройства генерации энергии в любых условиях.

Коллектив ООО «Метемп» проводит исследования материалов на основе оксидов, сплавов Гейслера, скуттерудитов, сплавов кремний-германий. «Все эти материалы эффективно могут преобразовывать тепловую энергию в электрическую в различных диапазонах, вплоть до 1100 С в случае сплавов на основе кремния и германия, — уточняет Андрей Воронин. Технологическая база НИТУ «МИСиС» позволяет создавать необходимые структуры, вплоть до наноструктурированного материала. Именно эффект наноструктурированния позволяет создавать центры рассеяния фононов, что значительно снижает теплопроводность и повышает эффективность материалов». 

Нас не интересуют исследования ради исследований, наша цель — создание новых продуктов на основе эффекта термоэлектрического преобразования энергии. Именно по этой причине мы обратились с заявкой на статус участника Фонда «Сколково» и проект был поддержан. Статус резидента открывает свободный доступ к людям, которые вдохновляют, критикуют, инвестируют. Так проектом заинтересовались крупные автопроизводители. 

«Недавно вернулся с крупнейшей в Европе конференции по термоэлектричеству, которая подтвердила перспективность применяемых нами подходов и используемых материалов, — делится впечатлениями основатель ООО «Метемп». — Конференция также подтвердила, что радикального прорыва пока не произошло, а это значит, что ставки в погоне за эффективным материалом возрастают. Мы в игре».

Полупроводниковые материалы для генерации создает ООО «ФЕМТОИНТЕХ». Они будут использовать для своей работы тепло автомобильных выхлопных газов, а также низкопотенциальное тепло промышленных тепловых выбросов.

«В настоящее время по линии Сколково мы разрабатываем термоэлектрические материалы повышенной эффективности, — рассказал представитель компании «ФЕМТОИНТЕХ» Анатолий Кузнецов. — Обычно коэффициент добротности термоэлектрических материалов находится на уровне 1,0÷1,2, при этом коэффициент полезного действия генерирующих устройств на основе этих материалов в однокаскадном исполнении равен 4-6 процентам. Мы планируем достичь таких результатов, чтобы КПД составил от 12 до 18%, что будет на порядок выше, чем показатель устройств на материалах, используемых сейчас. В настоящее время в этом же направлении работают американцы и японцы, наши разработки не уступают им или даже немного опережают их разработки».

«В отличие от используемых сейчас теллуросодержащих термоэлектрических материалов, в наших разработках используются материалы, не содержащие теллура, на основе олова, кремния и германия. Теллуросодержащие элементы достаточно ядовиты и довольно неустойчивы в атмосфере воздуха, поэтому они требуют специальных оболочек, отделяющих их от воздействия воздуха. Наши материалы имеют высокую химическую и термическую устойчивость, экологически безопасны и не требуют подобных оболочек. Так как не нужно изготавливать такие оболочки, конструкция устройств на их основе обходится значительно дешевле. В соответствии с этим заметно повышается эффективность создания изделий на основе наших материалов», — отмечает специалист.  

«Наш материал основан на супрамолекулярных соединениях — это композитные клатраты и клатрато-подобные соединения на основе олова, кремния и германия. Рабочие температуры материалов находятся в пределах 150-500 градусов Цельсия. Для повышения термоэлектрических характеристик материалов используются специальные нанодобавки, которые встраиваются в кристаллическую решетку материалов, существенно повышая электропроводность, и снижая теплопроводность, что крайне важно для повышения эффективности полупроводниковых термоэлектрических материалов. Состав и свойства этих материалов и подбор добавок и являются основой наших разработок. Сейчас уже получены показатели добротности на уровне 1,0÷1,2. Мы планируем достичь показателя добротности материала 1,6. Это выше, чем показатели аналогов».

По словам Кузнецова, основной областью применения разрабатываемых термоэлектрических материалов является генерирование электроэнергии с использованием выбросов низкопотенциального тепла, в том числе выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, а также промышленных тепловых выбросов.

«Кроме этого, важной сферой применения термоэлектрогенераторов является оснащение автономным энергопитанием станций катодной защиты и пунктов телеметрии и управления газопроводами в удаленных и труднодоступных местах, где нет линий электропередач, и невозможно обеспечить регулярное обслуживание и ремонт генерирующих устройств.

Термоэлектрогенераторы необходимы для автономного энергоснабжения добывающих платформ на арктическом шельфе. Они представляют собой надежные и долговечные устройства, не требующие дополнительных расходных материалов и регулярного технического обслуживания и ремонта, — объясняет Анатолий Кузнецов. — В условияхсложной геополитической обстановки и возникающих военно-политических и экономических вызовов требуется применение войск быстрого реагирования и десантных подразделений в труднодоступных районах крайнего севера, высокогорья и других районах с экстремально-тяжелыми условиями пребывания, оснащенных источниками энергообеспечения, как индивидуального пользования, так и группового, являющимися при этом мобильными, компактными, малошумными и с большим ресурсом непрерывной работы, не требующими для работы дополнительных расходных материалов».

«Мы очень надеемся на сотрудничество со Сколково. В ближайшее время мы планируем  подавать в Фонд «Сколково» заявку на предоставления гранта для финансирования наших дальнейших исследований.

Нам также хотелось бы, чтобы на наши разработки обратило внимание оборонное ведомство, учитывая номенклатуру и эффективность тех изделий, которые могут быть изготовлены с применением разрабатываемых нами материалов», — подчеркнул Кузнецов.

«Термоэлектрические материалы и генераторы на их основе являются перспективной областью развития энергоэффективных технологий. Вместе с ростом коэффициента термоэлектрической добротности, ростом КПД и снижением удельной стоимости за кВт установленной мощности, термоэлектрические генераторы будут находить все новые области применения включая утилизацию низкопотенциального тепла, использование в автомобилестроении и, возможно, даже в солнечной энергетике как способ утилизации тепла от солнечных панелей, – комментирует руководитель направления «ВИЭ и новые материалы» Кластера энергоэффективных технологий Фонда «Сколково» Юрий Сибирский. – Мы надеемся, что разработки наших резидентов будут способствовать технологическому прорыву в этой области и созданию новых рынков».

   

Источник: polit.ru

Системы утилизации тепла, когенерационные установки

Использование газопоршневых установок в качестве автономных источников энергии имеет серьезные перспективы. Это обусловлено относительно невысокой ценой на природный газ, высокими тарифами на электроэнергию и тепло, приобретаемые в сбытовых компаниях.

В то же время электрический коэффициент полезного действия (КПД) надежных электрогенераторных установок, оснащённых двигателями внутреннего сгорания, не превышает 44%. Это значит, что более половины топлива сгорает впустую. Кардинальным решением этой проблемы является система утилизации тепла, позволяющая повысить общий КПД газопоршневых установок в некоторых случаях почти до 90–95%.

Основная идея системы утилизации тепла заключается в полезном применении тепловой энергии, которую газопоршневый двигатель выделяет в процессе работы. Тепло, получаемое таким образом, может использоваться для нужд отопления, горячего водоснабжения, выработки пара и решения различного рода технологических задач.

Установки когенерации и тригенерации

Тепловая энергия, извлекаемая в результате утилизации вторичного энергоресурса (тепла выхлопных газов и эксплуатационных жидкостей газопоршневого двигателя), может быть получена в виде горячей воды или пара. Для отбора тепла из систем охлаждения, смазки двигателя и отвода выхлопных газов применяются водо-водяные и газо-водяные теплообменники, паровые котлы-утилизаторы. Нагрев теплоносителя происходит в два этапа: сначала сетевая вода нагревается от системы охлаждения двигателя до температуры 80–85 градусов, после чего происходит её дальнейший нагрев выхлопными газами до 90–115 градусов. Для выработки пара применяют специальные паровые котлы-утилизаторы для ГПУ.

По такому принципу работают установки когенерации. Но мы также предлагаем инновационные решения по тригенерации — в этом случае производятся не только электроэнергия и тепло, но и холод.

Комплексные решения от компании IEC Energy

IEC Energy предлагает заказчикам комплексные решения «под ключ», выполняя все этапы по организации систем для утилизации тепла:

  • проектирование;
  • поставку и монтаж оборудования;
  • производство пусконаладочных работ;
  • сдачу готовых объектов заказчику;
  • сервисное обслуживание.

В штате компании IEC Energy работают специалисты высокого класса, имеющие богатый опыт разработки и внедрения систем утилизации тепла газопоршневых установок. В нашем портфолио — целый ряд успешно выполненных проектов, примеры которых представлены на сайте.

В компании IEC Energy вы можете по выгодной цене купить котлы-утилизаторы, установки когенерации и тригенерации. Позвоните по бесплатному телефону +7 495 799 74 64 и получите необходимую консультацию или запросите коммерческое предложение. Также вы можете заказать обратный звонок, заполнив форму на нашем сайте.

Варианты утилизации

Система утилизации тепла с газопоршневой установки представляет собой решения, при которых Заказчик получает от газопоршневой установки непосредственно электрическую энергию и еще несколько дополнительных видов полезного продукта.

Их можно классифицировать как:
Когенерация – совместная выработка электроэнергии, тепла в виде горячей воды, пара
Тригенерация — совместная выработка электроэнергии, тепла в виде горячей воды или пара, холода в виде холодной воды или лёд воды.

Например, для газопоршневой установки MTU 20V4000L33 система утилизации тепла дает следующие преимущества:

  • Увеличение общего КПД установки до 87,9%
  • Бесплатные» 2239 кВт тепловой энергии (при 100% — й загрузке ГПУ)
  • Независимость от поставщиков тепловой энергии

В ГПУ может полезно использоваться тепловая энергия следующих потоков:
1. Тепловая мощность системы охлаждения двигателя включая тепловую мощность:

  • охлаждения масла,
  • охлаждения воды рубашки мотора,
  • 1-ой ступени охлаждения топливной смеси

2. Тепловая мощность потока выхлопных газов

Когенерация – совместное производство электроэнергии и тепла

В зависимости от применяемой системы утилизации тепла, полезную тепловую мощность ГПУ можно преобразовать:
1. Водогрейная система утилизации – продуктом является горячая вода с температурным графиком 70/80 .. 100ᴼС
2. Паровая система утилизации – одним из продуктов является горячая вода с температурным графиком 70/80 .. 85ᴼС и 1078 кВт насыщенного или перегретого пара, давлением 6 … 32 бар.

ТРИГЕНЕРАЦИЯ – совместное производство электроэнергии, тепла и холода

Решение «Тригенерация» интересно для Заказчиков, у которых существуют потребность в нагрузке холодоснабжения в виде холодной воды с температурой +1 … +15ᴼС. Предлагаемое решение основано на применении абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин, конвертирующих тепловую энергию в энергию холода в виде холодной воды с температурой +1 … +15ᴼС.

Абсорбционные холодильные машины работают на натуральном хладагенте (раствор соли бромистого лития LiBr). В качестве теплового источника для работы абсорбционных холодильных машин используют бросовое тепло (низкопотенциальный пар, выхлопные и дымовые газы, конденсат, сетевую воду и т.п.).

Решения с абсорбционными холодильными машинами могут быть комбинированы как с водогрейной системой утилизации тепла, так и с паровой системой утилизации. В зависимости от специфики и требований проекта индивидуально разрабатывается конкретное решение на базе определенной модификации и типа холодильных машин, а также общая технологическая схема энергокомплекса.


Когенерация представляет собой решение, при котором Заказчик получает от установки два продукта:

  • Электрическую энергию
  • Тепловую энергию в виде горячей воды

Такое решение является оптимальным для объектов, где основная часть тепловой нагрузки потребляется в виде горячей воды. В этих решениях тепловая схема в части системы утилизации тепловой энергии выхлопных газов газопоршневых установок (ГПУ) выполняется с водогрейным котлом-утилизатором (газо-водяным теплообменником). Таким образом, 100% тепловой энергии, выработанной ГПА будет отпускаться в виде горячей воды.


Принцип работы системы утилизации тепловой энергии газопоршневых агрегатов построен следующим образом:

Тепловая мощность низко потенциального потока тепловой энергии от системы охлаждения двигателя отбирается с температурным графиком 80/70ºС. Поток сетевой воды проходит через разделительный теплообменник (1) системы охлаждения двигателя, в котором в свою очередь отбирается тепловая мощность от внутреннего контура двигателя, включая тепловую мощность охлаждения масла, охлаждения воды рубашки мотора, охлаждения топливной смеси;

далее сетевая вода поступает в газо-водяной теплообменник (2) подогрева сетевой воды, где производится ее догрев выхлопными газами до температуры 90-115ºС. В газо-водяном теплообменнике происходит охлаждение выхлопных газов с температуры 450ºС (температура выхлопа двигателя) до температуры 120ºС (температура на выходе из дымовой трубы).

дополнительно в комплекте поставки каждой из газопоршневых установок предусматривается система аварийного охлаждения газопоршневых агрегатов, включающая в себя радиатор сухого типа в составе внутреннего контура охлаждения двигателя и систему байпаса выхлопных газов газо-водяного теплообменника, позволяющая сохранять работоспособность двигателей в аварийных режимах, как с частичным, так и полным отсутствием тепловых нагрузок.


Решения с паровыми системами утилизации позволяют Заказчику получить от установки три продукта:

  • электрическую энергию
  • тепловую энергию в виде горячей воды
  • тепловую энергию в виде пара

Такое решение является оптимальным для объектов, где есть потребность, как в паре, так и в горячей воде. Наши решения позволяют получить от систем утилизации как насыщенный пар давлением от 6 до 32 бар, так и перегретый пар, при использовании дожигающих устройств.

В решениях с паровыми системами тепловая схема в части системы утилизации тепловой энергии выхлопных газов газопоршневых установок (ГПУ) выполняется с паровыми котлами-утилизаторами. Котлы-утилизаторы, в зависимости от требуемого давления пара, необходимости использования дожигающих устройств и других особенностей каждого конкретного проекта, могут быть как жаротрубного, так и водотрубного типа с применением различных конфигураций экономайзеров.

В таких решениях порядка 48% тепловой энергии, выработанной ГПА, будет отпускаться в виде пара и 52% будет отпускаться в виде горячей воды.


В схемах с паровыми системами принцип работы системы утилизации тепловой энергии газопоршневых агрегатов построен следующим образом:

Выхлопные газы двигателей с температурой 450С (температура выхлопа двигателя) поступают в секции утилизации парового котла-утилизатора (2), где происходит нагрев и испарение котловой воды.

Тепловая мощность низко потенциального потока тепловой энергии от системы охлаждения двигателя отбирается с температурным графиком 80/70С. Поток сетевой воды проходит через разделительный теплообменник (1) системы охлаждения двигателя, в котором в свою очередь отбирается тепловая мощность от внутреннего контура двигателя, включая тепловую мощность охлаждения масла, охлаждения воды рубашки мотора, охлаждения топливной смеси, после снятия тепла сетевая вода поступает в экономайзер (3) на паровом котле-утилизаторе и обеспечивает снижение температуры выхлопных газов на выходе из выхлопной трубы до уровня 180-120С, данная энергия может быть использована для подогрева питательной и сетевой воды, что позволяет более полно использовать тепловую мощность выхлопных газов двигателей и достигнуть большей эффективности тепловой схемы.

Паровой котел-утилизатор конструктивно может быть выполнен одно -/ двух — / трех-секционным (1 или 2 секции утилизации и секция с горелкой, необходимость наличия и расчетная номинальная производительность которой определяется расчетом в каждом конкретном случае).

Решения с применением тригенерации позволяют Заказчику получить от установки три продукта:

  • электрическую энергию
  • тепловую энергию в виде горячей воды или пара
  • Холод

Решение «Тригенерация» является интересным для Заказчиков, у которых существуют потребность в нагрузке холодоснабжения в виде холодной воды с температурой +5… +15С.

Предлагаемое нами решение основано на применении абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин, конвертирующих тепловую энергию в энергию холода в виде холодной воды с температурным графиком +1… +15С.

Данная схема работы построена следующим образом:

Выхлопные газы двигателей с температурой 450С (температура выхлопа двигателя) поступают в секции утилизации парового котла-утилизатора (2), где происходит нагрев и испарение котловой воды.

Тепловая мощность низко потенциального потока тепловой энергии от системы охлаждения двигателя отбирается с температурным графиком 80/70С. Поток сетевой воды проходит через разделительный теплообменник (1) системы охлаждения двигателя, в котором в свою очередь отбирается тепловая мощность от внутреннего контура двигателя, включая тепловую мощность охлаждения масла, охлаждения воды рубашки мотора, охлаждения топливной смеси, после снятия тепла сетевая вода поступает в экономайзер (3) на паровом котле-утилизаторе и обеспечивает снижение температуры выхлопных газов на выходе из выхлопной трубы до уровня 180-120С, данная энергия может быть использована для подогрева питательной и сетевой воды, а так же являться теплоносителем для АБХМ (4), что позволяет более полно использовать тепловую мощность выхлопных газов двигателей и достигнуть большей эффективности тепловой схемы.

Абсорбционные холодильные машины работают на натуральном хладагенте (раствор соли бромистого лития LiBr). В качестве теплового источника для работы абсорбционных холодильных машин используют бросовое тепло (низкопотенциальный пар, выхлопные и дымовые газы, конденсат, сетевую воду и т. п.).

Абсорбционная холодильная установка состоит из основных четырех аппаратов: генератора, конденсатора, испарителя и абсорбера. В генераторе происходит кипение раствора бромида лития, за счет подогрева теплом греющего потока (бросовое тепло (низкопотенциальный пар, выхлопные и дымовые газы, конденсат, сетевую воду и т. п.)). Пары воды (хладагента) выпаренные из раствора бромида лития поступают в конденсатор, где конденсируются за счет охлаждения водой, подводимой в змеевик по трубопроводу из градирни (охлаждающая вода). Сконденсировавшаяся вода (хладагент) из конденсатора отводится в испаритель, в котором происходит ее испарение и охлаждение «холодной» воды поступающей от систем кондиционирования воздуха. Водяные пары из испарителя поступают в абсорбер, где поглощаются крепким раствором бромистого лития. Часть раствора бромида лития, насыщенная водяными парами из абсорбера, подается насосом через теплообменник в генератор для выпарки, остальная часть направляется обратно в абсорбер для лучшего насыщения водяными парами.

Решения с абсорбционными холодильными машинами могут быть комбинированы как с решениями «Теплофикационной когенерации», так и решениями «Паровые системы утилизации тепла». В зависимости от специфики и требований проекта индивидуально разрабатывается конкретное решение на базе определенной модификации и типа холодильных машин, а также общая схема энергокомплекса.

Решения совместной выработки горячей воды, пара и холода позволяют Заказчику получить от установки четыре продукта:
  • электрическую энергию
  • тепловую энергию в виде горячей воды
  • тепловую энергию в виде пара
  • Холод

Такое решение является оптимальным для объектов, где есть потребность, в паре, горячей воде и холоде.

Данное решение позволяют получить от систем утилизации как насыщенный пар давлением от 6 до 32 бар, так и перегретый пар, при использовании дожигающих устройств.

В решениях с паровыми системами тепловая схема в части системы утилизации тепловой энергии выхлопных газов газопоршневых установок (ГПУ) выполняется с паровыми котлами-утилизаторами. Котлы-утилизаторы, в зависимости от требуемого давления пара, необходимости использования дожигающих устройств и других особенностей каждого конкретного проекта, могут быть как жаротрубного, так и водотрубного типа с применением различных конфигураций экономайзеров.

Так же возможно получение холода по средствам абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин, конвертирующих тепловую энергию в энергию холода в виде холодной воды с температурным графиком +1… +15С.

Данная схема работы построена следующим образом:

Выхлопные газы двигателей с температурой 450С (температура выхлопа двигателя) поступают в секции утилизации парового котла-утилизатора (2), где происходит нагрев и испарение котловой воды.

Тепловая мощность низко потенциального потока тепловой энергии от системы охлаждения двигателя отбирается с температурным графиком 80/70С. Поток сетевой воды проходит через разделительный теплообменник (1) системы охлаждения двигателя, в котором в свою очередь отбирается тепловая мощность от внутреннего контура двигателя, включая тепловую мощность охлаждения масла, охлаждения воды рубашки мотора, охлаждения топливной смеси, после снятия тепла сетевая вода поступает в экономайзер (3) на паровом котле-утилизаторе и обеспечивает снижение температуры выхлопных газов на выходе из выхлопной трубы до уровня 180-120С, данная энергия может быть использована для подогрева питательной и сетевой воды, а так же являться теплоносителем для АБХМ (4), что позволяет более полно использовать тепловую мощность выхлопных газов двигателей и достигнуть большей эффективности тепловой схемы.

Абсорбционные холодильные машины работают на натуральном хладагенте (раствор соли бромистого лития LiBr). В качестве теплового источника для работы абсорбционных холодильных машин используют бросовое тепло (низкопотенциальный пар, выхлопные и дымовые газы, конденсат, сетевую воду и т. п.).

Абсорбционная холодильная установка состоит из основных четырех аппаратов: генератора, конденсатора, испарителя и абсорбера. В генераторе происходит кипение раствора бромида лития, за счет подогрева теплом греющего потока (бросовое тепло (низкопотенциальный пар, выхлопные и дымовые газы, конденсат, сетевую воду и т. п.)). Пары воды (хладагента) выпаренные из раствора бромида лития поступают в конденсатор, где конденсируются за счет охлаждения водой, подводимой в змеевик по трубопроводу из градирни (охлаждающая вода). Сконденсировавшаяся вода (хладагент) из конденсатора отводится в испаритель, в котором происходит ее испарение и охлаждение «холодной» воды поступающей от систем кондиционирования воздуха. Водяные пары из испарителя поступают в абсорбер, где поглощаются крепким раствором бромистого лития. Часть раствора бромида лития, насыщенная водяными парами из абсорбера, подается насосом через теплообменник в генератор для выпарки, остальная часть направляется обратно в абсорбер для лучшего насыщения водяными парами.

Дешевый, безопасный, экологичный, но редкий способ получения электричества в промышленных масштабах

После Чернобыля мир не испугался и не прекратил строительство атомных электростанций. Мир решил, наверное, что это сработал специфически советский человеческий фактор. После катастрофы на АЭС «Фукусима» в Японии человечество осознало, что атомная энергия опасна даже в руках осторожных, ответственных, и технически продвинутых цивилизаций. Германия и другие страны ЕС уже думают о полном прекращении использования АЭС. Поэтому поиск новых, менее опасных источников энергии сейчас актуален как никогда. Одним из таких источников может стать тепло земли.

Сидим на грелке

Под наружной оболочкой Земли — земной корой — находится разогретая мантия, где, возможно, зарождаются вулканы (по другим теориям, вулканы зарождаются во внешней, расплавленной оболочке ядра). Горячая магма поднимается вверх по тектоническим трещинам и вступает в контакт с океанической водой, которая инфильтрируется из придонных областей океана в околомагматические зоны. Там вода нагревается, вбирает часть растворенных в магме газов — таких как сероводород и углекислый газ — и других химических веществ, захватывая и элементы из пород, сквозь которые она фильтруется. Увеличение содержания СО2 вызывает образование сильного адсорбента — кальциевого силикагеля, что ведет к изменению проницаемости водовмещающих комплексов и, в конечном счете, к тепловой и геохимической самоизоляции геотермальной системы. Считается, что наличие силикагеля обусловливает высокие концентрации разных веществ в термальных водах.

На континентах земная кора обычно очень мощная — до 70, иногда до 100 километров. Более древние магматические породы обычно перекрыты толстым осадочным чехлом, и магме его просто не прорвать. Там же, где земная кора тоньше — например, в зонах перехода от континентальной коры к океанической — магме, раскаленным газам и перегретому водяному пару легче выбраться на поверхность. Именно в таких районах случаются самые интересные геологические события наших дней — извержения вулканов, землетрясения, именно там фыркают и плюются гейзеры, дымят фумаролы, и именно там сравнительно легок доступ к подземным источникам тепла. Вообще-то наиболее активные проявления вулканизма отмечаются в областях, где кора тоньше всего — на дне океанов, в зонах срединно-океанических хребтов, но ни видеть, ни толком изучать, ни тем более использовать этот вулканизм мы пока не научились.

Основная часть территории России расположена на двух древних, 2,5 — 3,5 млрд лет, платформах (Восточно-Европейской и Сибирской). Между ними лежит сравнительно молодая (всего 250-400 млн лет), но тоже надежная Западно-Сибирская плита. Поэтому в России районы с тонкой корой находятся только на дальних окраинах — на Камчатке и Курильских островах, которые входят в зону активных геологических процессов. «В областях современного вулканизма формируются и геотермальные месторождения, — говорит доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией тепломассопереноса ИВиС ДВО РАН Алексей Кирюхин. — Условия их формирования могут быть разными. Довольно часто работает правило: чем больше и активнее вулкан, тем меньше шансов найти в его окрестностях геотермальное месторождение (пример — вулкан Ключевский), чем крупнее геотермальное месторождение, тем меньше шансов увидеть в его пределах большой вулкан (пример — Долина гейзеров в Калифорнии)».

Области современного активного вулканизма в основном сосредоточены в так называемом Тихоокеанском огненном кольце — это практически все окраины Тихого Океана, включая Камчатку, Курилы, Японию, Индонезию, Филиппины, Анды и Кордильеры, цепочку Алеутских островов и архипелаг Огненная Земля. Все эти территории относятся к зонам самой молодой, альпийской складчатости, и на окраинах материков подвержены процессу субдукции — поддвиганию океанической коры под континентальную. В процессе субдукции окраинные участки континентальной коры вздымаются, формируя горные хребты, а «ныряющая» фронтальная зона тонкой океанической коры плавится, давая «сырье» для современных вулканов.

К зонам альпийской складчатости относятся также Альпы и Пиренеи, Крым, Кавказ, Памир, Гималаи. Многие вулканы здесь уже прошли активную стадию, и в породах, перекрывающих остывающую магму, происходят постмагматические процессы. В таких районах затухающего или «дремлющего» вулканизма — который проявляется не столько извержениями, сколько работой гейзеров, фумарол, грязевых вулканов — как раз и существует возможность получения электричества в промышленных масштабах. В других, менее активных, областях, впрочем, тоже можно использовать земное тепло. Даже в стабильных платформенных областях встречаются источники термальных вод, да и геотермический градиент может быть достаточно высоким.

Креативная, дешевая и чистая технология

Использовать геотермальное тепло можно по-разному. Во-первых, как древние римляне, можно непосредственно применять термальные воды для обогрева и ванн. Бесчисленные горячие источники в Европе ли, в Америке, на Филиппинах, — это проявления все тех же поствулканических процессов. В России тепло подземных вод используется для обогрева зданий и теплиц в Калининградской области, в Западной Сибири, в Краснодарском крае. Такое «прямое» использование тепла позволяет сэкономить и снизить нагрузку на окружающую среду.

Новозеландская геотермальная станция Ваиракеи открыта в 1958 году, первой после войны и второй в мире (самая первая построена в итальянском городе Лардерелло в 1904 году).

Фото: National Geographic/Getty Images/Fotobank

Можно использовать тепловые насосы, позволяющие обогревать или охлаждать жилые дома за счет разницы температур между воздухом и грунтом. А можно — в дополнение к простому обогреву — построить геотермальную электростанцию и получать очень дешевую электроэнергию. В зависимости от геологических условий, — то есть от температуры пород, наличия и состава воды в них — могут использоваться разные типы гидротермоэлектростанций.

В некоторых случаях геотермальная энергия позволяет убить сразу нескольких зайцев. Например, «Шеврон» использует для ее получения горячие воды, выкачиваемые из недр вместе с нефтью. На поверхности раскаленная смесь воды и пара отделяется от нефти, сепарируется, пар вращает турбины и дает электроэнергию, вода же закачивается обратно в породу. Это позволяет одновременно решить проблему токсичных сбросов и поддержать давление в нефтяном пласте, тем самым улучшая его нефтеотдачу и увеличивая срок использования скважины.

Геотермальная энергетика, новая отрасль на стыке нескольких наук и промышленности, привлекает внимание ученых и практиков разных специальностей. Одни задумываются, как добыть редкие и благородные металлы, растворенные в горячих подземных водах. Может быть, именно в фазе охлаждения этих вод когда-нибудь и удастся извлечь золото и платину.

Другие изобретают способы применения низкотемпературных вод. Главный инженер ОАО «Геотерм» Дмитрий Колесников считает, что вскоре будет разработана технология вторичного использования сепарата, то есть частично охлажденной воды: «Ее можно будет использовать на любых промышленных предприятиях, где есть горячие стоки. Больших мощностей ожидать не стоит, но, во-первых, горячая вода идет на второй цикл, то есть снижается непроизводственное использование энергии, а во-вторых, можно будет решать проблему энергоснабжения самого предприятия».

Россия отличается стабильностью

Геотермальная энергетика в России начала развиваться в 1960 годах. Тогда были построены первые — по сути, экспериментальные — электростанции. Паужетская ГеоЭС (11 МВт), на одноименном геотермальном месторождении была построена в 1967 году. «Эта электростанция служила как бы опытной площадкой, на ней опробовались технологии, испытывалась паро-водяная смесь», — рассказал Колесников. Неподалеку от нее расположены Мутновская ГеоЭС (50 МВт) и Верхне-Мутновская (12 МВт) ГеоЭС. На Курилах, на островах Кунашир и Итуруп, тоже работают две относительно небольшие ГеоЭС — 6 и 2,6 МВт. Собственно, этим недлинным списком и ограничивается действующая российская геотермальная энергетика.

Первая в России геотермальная электростанция — Паужетская — введена в эксплуатацию в 1966 году.

Фото: РИА НОВОСТИ

Не в силу политико-экономических или исторических причин, не потому, что за рубежом лучше головы или технологии, но исключительно из-за высокого уровня стабильности российского геологического устройства западные, восточные, юго-восточные и даже некоторые африканские страны оставили нас далеко позади в области геотермальной энергетики. В Исландии на геотермальных электростанциях получают 30% электроэнергии, на Филиппинах — более 25%, в Сальвадоре и Коста-Рике — около 15%, в Новой Зеландии и Никарагуа — 10%. В США доля «геотермального» электричества невелика, всего 0,3%, но по объемам выработки США опережают все остальные страны мира.

В США к широко известным геотермальным электростанциям в Калифорнии и Неваде в 2006 году добавилась маленькая, но необычная электростанция в самой что ни на есть глубокой американской глубинке — на Аляске, на курорте China Hot Springs. Хотя термальные источники там горячи для человека (74С), эта температура все же слишком низка для производства энергии по обычной технологии. Тем не менее, решение — применение бинарного цикла — было найдено: в теплообменнике природная вода отдает свое тепло специальному реагенту, который закипает даже при столь низкой температуре. Слегка охлажденная (примерно до 70 градусов) вода честно возвращается в исходный горизонт. За пять лет эксплуатации температура поступающей воды упала примерно на градус. Три генератора могут давать 650 кВт в час, что достаточно, например, для обслуживания целого поселка. Каждый генератор стоит около $800 000, и окупаемости за полгода ожидать не стоит. Но лет за 10 эти инвестиции окупятся даже при цене электричества в 6 центов за киловатт. Генератор, работающий на мазуте, «стоил» 30 центов за киловатт, так что разница очевидна.

А бинарная технология, использованная на Аляске, вообще-то изобретена в России еще в 1967 году, и использована на Паратунском геотермальном месторождении на Камчатке.

Экономика горячей воды

Как считает Дмитрий Колесников, преимущества геотермальной энергетики — в простоте процесса и дешевизне получаемой энергии. «Собственно, бурится скважина, из которой идет паро-водяная смесь, которая на станции сепарируется, пар вращает турбину, и дальше все работает как в обычной котельной», — объяснил он принцип работы.

Возле исландского города Гриндавика геотермальная электростанция совмещена со spa-курортом

Фото: AFP/EASTNEWS

Геотермальная энергия действительно обходится очень дешево, прежде всего за счет экономии на углеводородном сырье. Самое дорогое — это скважины и линии электропередач. Правда, там, где можно построить ГЭС, геотермальные электростанции будут не столь экономически привлекательными. Но в России мощнейшие ГЭС строились тогда, когда понятия частной собственности на землю не было. Сегодня, чтобы затопить гигантские территории, нужно будет их у кого-то выкупить, что сильно поднимет цену киловатт-часа. Да и землю жалко (поэтому современные ГЭС строятся в основном в горах, где площадь затопления минимальна). А вот при сравнении цены «геотермального» киловатт-часа с ценой электричества, вырабатываемого ТЭС, разница уже сегодня не в пользу углеводородной энергетики.

Экология соленой воды

Люди, которые занимаются геотермальной энергетикой, как-то с восхищением к ней относятся. Они понимают, что это сравнительно дешевый, сравнительно безопасный способ получения электроэнергии из возобновляемых источников. Тем не менее, как и во всех отраслях промышленности, здесь есть свои проблемы.

Да, углеводородного топлива на ГеоЭС нет, но проблема отходов существует. «Отходы» — это остывшая подземная вода, часто сильно соленая. Ее нельзя сбросить в ближайшую речку, она слишком токсична. Кроме того, при изъятии материала из недр обычно повышается сейсмическая активность, и из-за сейсмодислокаций приток пароводяной смеси на поверхность может вообще прекратиться. «Воды у нас (на Паужетской электростанции) — 1000 тонн в час, в идеале должен быть замкнутый цикл, на поверхность мы эту воду сливать не можем. Воду — сепарат — мы закачиваем обратно в пласт. Правда, не в то место, откуда мы ее берем, иначе мы быстро охладим «дающий» участок. Поэтому закачиваем не в него, а в соседние зоны», — объясняет Колесников.

В связи с высокой агрессивностью горячих подземных вод возникает проблема коррозии, износа оборудования. Но с коррозией, по мнению Колесникова, бороться можно — надо просто правильно подбирать материалы.

Геотермальную энергию добывать не всегда легко. Часто геотермальные месторождения находятся в труднодоступных местах или в зонах повышенной сейсмической активности. В сейсмически активных зонах постройка ГеоЭС не только сопряжена с угрозой для работников, но может оказаться экономически бессмысленной: при структурных подвижках геотермальное месторождение может просто исчезнуть или поменять режим так, что работа станции станет невыгодной.

Геотермы вообще недостаточно изучены. Поверхностные, более легкодоступные геотермы часто имеют довольно короткий срок жизни. Исследования же глубоко залегающих, более крупных геотермальных месторождений требуют больших средств. Пока российская экономика живет за счет высоких цен на углеводородное сырье, научные и практические работы по геотермам будут оставаться недофинансированными. Это приведет к тому, что Россия, некогда первой применившая бинарную технологию, вновь окажется в хвосте, как и со сланцевым газом.

«Хотим, не хотим, а развивать будем»

Вряд ли геотермальная энергия придет в каждый дом. В России, во всяком случае, не завтра. Низкотемпературные технологии получения электричества пока еще дороги, а самое главное — в платформенных областях, где проживает большая часть населения России, горячие напорные подземные воды редки. Поэтому в ближайшее время можно ожидать только развития применения тепловых насосов, которые позволяют напрямую использовать тепло земли.

Возможности для постройки ГеоТЭС, кроме Камчатки и Курил, существуют на Урале, в Краснодарском крае, на Ставрополье. Анализируются возможности строительства ГеоЭС в южных областях Западной Сибири. «А вообще, должна быть энергетическая стратегия по регионам, комплексный подход. Если есть возможность построить геотермальную электростанцию — надо строить: это и дешевая энергия, и отсутствие потребности в углеводородном сырье», — считает Колесников.

Алексей Кирюхин уверен, что геотермальную энергию можно получать всюду — вопрос в количестве и качестве. Но, конечно, для гидротермальных электростанций главным ограничивающим фактором еще долго будет служить строгая привязанность к источникам тепла.

Даже если экономия на геотермальной электроэнергии окажется меньше ожидаемой, выигрыш для природы очевиден. Валентина Свалова из Института геоэкологии РАН в работе «Геотермальные ресурсы России и их комплексное использование» показала, что если за счет геотермальной энергетики удастся достичь выработки электричества в 7800 ГВт.ч, то это позволит сэкономить 15,4 млн баррелей нефти, что исключит выброс приблизительно 7 млн тонн СО2.

Возобновляемость и дешевизна делают геотермальную энергию крайне привлекательной. «Хотя геотермальные электростанции имеют более низкий потенциал, дают меньшую мощность, они не требуют использования углеводородного сырья, — повторяет Колесников. — Ситуация с нефтью понятна, цены будут только расти, поэтому, хотим мы или не хотим, а геотермальную энергетику развивать будем».

Суммарная мощность геотермальных электростанций

Татьяна Крупина

Атомные электростанции | Ассоциация «НП Совет рынка»

Полезные разделы

Атомные электростанции

Атомные электростанции

Атомные электростанции —  Атомные электростанции, в настоящее время, являются одними из основных поставщиков электроэнергии для промышленности и бытового потребления. Примечательно то, что первая в мире атомная электростанция была построена в СССР, в городе Обнинске. Первоначальная её мощность составляла 5 МВт, однако именно Обнинская АЭС положила начало для бурного развития атомной энергетики во всем мире. Запустив первый на планете управляемый атомный реактор, практически была доказана сама возможность получения электроэнергии на основе расцепления урановых ядер. В то время, атомная энергетика являлась своего рода возможностью использования альтернативного топлива, однако очень быстро именно атомные электростанции стали доминировать среди прочих систем получения электроэнергии. Принцип работы атомной электростанции очень прост — это обычное преобразование тепловой энергии в электрическую. Иными словами АЭС работают по тому же принципу, что и обычные тепловые электростанции, с одним лишь отличием  — для нагрева воды используется энергия, получаемая при распаде ядер урана.  Источником тепловой энергии в АЭС служит ядерный реактор, в котором протекает управляемая ядерная реакция. Сама реакция протекает по цепному механизму: деление одного ядра самопроизвольно вызывает деление других ядер. Цепная реакция сама себя поддерживает, и может длиться до полного распада всех ядер вещества. А управление сводится лишь к регулированию её скорости и, соответственно, мощности, а также к произвольной её остановке в случае необходимости. Топливом для атомных электростанций служат вещества, способные, при определенном начальном стимулировании, совершать цепную реакцию расщепления ядер элементов, в основном трансурановой группы. В настоящее время основными являются плутоний и уран.Как же работает цепная реакция? При делении ядра урана высвобождаются нейтроны, которые воздействуют на другие ядра, вызывая их деление. Однако практически осуществить подобную реакцию не так просто, как кажется на первый взгляд. Дело в том, что такие нейтроны могут вызывать деление изотопов урана с массовым числом 235, тогда как в природной руде их содержится лишь 0,7%. Остальные 99,3% приходятся на долю изотопа 238, для деления которого, энергии нейтронов, не хватает. Именно поэтому для функционирования реактора важна критическая масса  — это минимальная масса урана, при которой возможно возникновение и протекание цепной реакции. Например, для урана-235 она составляет несколько десятков килограмм, что на самом деле, учитывая низкое его процентное соотношение, не так уж и мало.Перейдем к устройству и принципу выработки электричества АЭС.Та часть ядерного реактора, в котором находится топливо, и идут процессы деления ядер урана называется активной зоной. В результате протекания ядерной реакции выделяется огромное количество тепла — это и есть начальная тепловая энергия, преобразующаяся впоследствии в электрическую.Активная зона реактора имеет очень высокую степень защиты, обеспечивающей сравнительно безопасные условия для работы персонала АЭС. В активной зоне находятся специальные управляющие стержни, позволяющие регулировать скорость протекания реакции. Чаще всего — это бор или кадмий, которые достаточно сильно поглощают нейтроны. Иными словами, чем больше поглощено нейтронов, тем меньше ядер урана делиться, и, соответственно, снижается скорость реакции. Чем глубже погружаются стержни, тем меньше выделяется тепла, и наоборот.  Именно образование тепловой энергии и есть суть цепной реакции. Тепло из реактора выводится при помощи определенных теплоносителей, которыми, в зависимости от типа атомной электростанции, могут выступать вода, металлический натрий или некоторые газы. Они отбирают в активной зоне тепло, и переносят его в специальные теплообменники, попутно охлаждая реактор. Эта система называется первым контуром. Далее вступает в действие так называемый второй контур АЭС. В теплообменнике нагревается вода, образующийся в результате этого пар передается на лопасти турбины, которая через специальную систему приводит в действие генераторы, непосредственно вырабатывающие электричество.  Иными словами, атомные электростанции  — это очень большие «чайники», работающие на ядерном топливе и служащие, в первую очередь, для нагрева воды до кипения.  В настоящее время активно ведутся работы по проектированию и созданию термоядерных электростанций, основным преимуществом которых является возможность работать неопределенно долгое время.  Термоядерные электростанции, в отличие от атомных, протекают на основе термоядерного синтеза, в результате которого из изотопов водорода образуется гелий и выделяется огромное количество энергии. Кроме того, такие электростанции более безопасны и экологически чистые, так как реакция термоядерного синтеза не приводит к образованию радиоактивных продуктов, а топливом для неё может служить обычная вода, из которой получают тяжелый изотоп водорода — дейтерий.  К сожалению, на данный момент иной альтернативы атомным электростанциям, даже учитывая их потенциальную опасность, нет, так как в мире не предвидится скорого снижения спроса на электроэнергию, потребности в которой, напротив, растут год от года.   

Дешевый материал преобразует тепло в электричество | Наука

Так называемые термоэлектрические генераторы превращают отработанное тепло в электричество без выбросов парниковых газов, обеспечивая то, что похоже на бесплатный обед. Но, несмотря на то, что они помогли привести в действие марсоходы, высокая стоимость этих устройств помешала их широкому использованию. Теперь исследователи нашли способ делать дешевые термоэлектрики, которые работают так же хорошо, как и дорогие. Эта работа может проложить путь к новому поколению более экологичных автомобильных двигателей, промышленных печей и других устройств для выработки энергии.

«Похоже, это очень разумный способ добиться высокой производительности», — говорит Ли-Донг Чжао, ученый-материаловед из Университета Бейхан, который не принимал участия в работе. Он отмечает, что необходимо сделать еще несколько шагов, прежде чем эти материалы станут высокопроизводительными термоэлектрическими генераторами. Однако он говорит: «Я думаю, что это будет использовано в недалеком будущем».

Термоэлектрики — это полупроводниковые устройства, размещенные на горячей поверхности, например, автомобильный двигатель, работающий на газе. Это дает им горячую и прохладную сторону, вдали от горячей поверхности.Они работают, используя тепло для перемещения электрических зарядов от одного к другому. Если устройство позволяет горячей стороне нагревать прохладную сторону, электричество перестает течь. Успех устройства в предотвращении этого, а также его способность проводить электроны учитываются в оценке, известной как показатель качества, или ZT.

За последние два десятилетия исследователи создали термоэлектрические материалы с увеличивающимся ZT. Рекорд был достигнут в 2014 году, когда Меркури Канатзидис, ученый-материаловед из Северо-Западного университета, и его коллеги создали монокристалл селенида олова с ZT равным 3.1. Тем не менее, материал был трудным в изготовлении и слишком хрупким, чтобы работать с ним. «Для практических приложений это не пусковой механизм», — говорит Канатзидис.

Итак, его команда решила сделать свои термоэлектрики из легкодоступных порошков олова и селена, которые после обработки дают зерна поликристаллического селенида олова вместо монокристаллов. Поликристаллические зерна дешевы, их можно нагревать и прессовать в слитки длиной от 3 до 5 сантиметров, из которых можно делать устройства. Поликристаллические слитки также более прочные, и Канатзидис ожидал, что границы между отдельными зернами замедлят прохождение тепла.Но когда его команда проверила поликристаллические материалы, их теплопроводность резко возросла, и их оценка ZT упала до 1,2.

В 2016 году команда Северо-Запада обнаружила источник проблемы: ультратонкая пленка из оксида олова образовывалась вокруг отдельных зерен поликристаллического селенида олова, прежде чем они были спрессованы в слитки. И эта кожа действовала как экспресс-путь, по которому тепло передавалось от зерна к зерну через материал. Итак, в своем текущем исследовании Канатзидис и его коллеги придумали способ использовать тепло, чтобы отогнать кислород от порошкообразных прекурсоров, оставив при этом первозданный поликристаллический селенид олова.

Результатом, о котором они сообщают сегодня в Nature Materials , была не только теплопроводность ниже, чем у монокристаллического селенида олова, но также ZT, равный 3,1. «Это открывает двери для новых устройств, которые будут построены из гранул поликристаллического селенида олова, и для изучения их применения», — говорит Канатзидис.

Чтобы пройти через эту дверь, потребуется время. Поликристаллический селенид олова, который делает команда, насыщен атомами натрия, создавая так называемый материал «p-типа», который проводит положительные заряды.Для создания рабочих устройств исследователям также нужна версия «n-типа» для проведения отрицательных зарядов.

Команда Чжао недавно сообщила о создании монокристаллического селенида олова n-типа путем добавления в него атомов брома. И Канатзидис говорит, что его команда сейчас работает над созданием поликристаллической версии n-типа. После объединения устройств на основе селенида олова n-типа и p-типа у исследователей должен быть четкий путь к созданию нового поколения ультраэффективных термоэлектрических генераторов. Их можно установить повсюду, от автомобильных выхлопных труб до водонагревателей и промышленных печей, чтобы утилизировать 65% энергии ископаемого топлива, которая превращается в отработанное тепло.

Новый комплекс «золотой стандарт» для производства электроэнергии из тепла

Термоэлектрические генераторы, вырабатывающие электроэнергию из отработанного тепла, были бы полезным инструментом для сокращения выбросов парниковых газов, если бы не было самой неприятной проблемы: необходимости подключать электрические контакты к их горячей стороне, которая часто бывает слишком горячей для материалы, которые могут генерировать ток.

Из-за тепла устройства со временем выходят из строя.

Устройства, известные как поперечные термоэлектрики, позволяют избежать этой проблемы, создавая ток, идущий перпендикулярно проводящему устройству, требуя контактов только на холодном конце генератора.Несмотря на то, что они считаются многообещающей технологией, материалы, которые, как известно, создают такое поперечное напряжение, практически неэффективны — по крайней мере, так думали ученые.

Исследователи из Университета штата Огайо показывают в новом исследовании, что единый материал, слоистый кристалл, состоящий из элементов рения и кремния, оказывается золотым стандартом для поперечных термоэлектрических устройств.

Ученые продемонстрировали, что это единственное соединение функционирует как высокоэффективный термоэлектрический генератор из-за редкого свойства: одновременно несут как положительные, так и отрицательные заряды, которые могут двигаться независимо, а не идти параллельно друг другу, что заставляет их двигаться зигзагами. к контактам для генерации электрического тока.

Построив термоэлектрический генератор с кристаллом длиной около двух дюймов, исследователи также определили, что, когда кристалл расположен в устройстве под определенным углом, он может производить впечатляющее количество энергии.

«Мы показали, что эти материалы столь же эффективны, как и традиционные технологии термоэлектрических генераторов, но преодолевают их основные недостатки», — сказал соавтор исследования Джошуа Голдбергер, профессор химии и биохимии в штате Огайо.

«Это первый раз, когда было доказано, что такое устройство возможно.Обладая эффективностью, которая на порядки выше, чем у любого предыдущего поперечного устройства, этот состав так же хорош, как и то, что вы можете купить на коммерческой основе, но обещает быть намного проще и надежнее ».

Исследование опубликовано в Интернете в журнале Energy & Environmental Science .

Хотя 97% энергии вырабатывается за счет тепла, мы выбрасываем большую часть тепла, позволяя ему улетучиваться из дымовых труб, выхлопных труб автомобилей и т.п.

«Отработанное тепло действительно важно.Всегда было стремление повысить эффективность всех двигателей, которые вырабатывают энергию из тепла — объем работы, который вы можете получить от них, который вы можете использовать », — сказал соавтор исследования Джозеф Хереманс, профессор механики и аэрокосмической промышленности. инженера и выдающийся ученый в области нанотехнологий штата Огайо.

«В течение долгого времени мы мечтали найти маленькие двигатели, у которых не было бы движущихся частей, способных принимать тепло и вырабатывать электричество».

А теперь у них есть.

Большинство материалов проводят заряд только одного типа, что приводит к тому, что большинство термоэлектрических устройств состоит из нескольких соединений, однако сложность установления контактов с ними препятствует усилиям по созданию эффективного и действенного термоэлектрического генератора, который легко построить и может выдерживать высокие нагрузки. температуры.

Два года назад эта исследовательская группа обнаружила неожиданные свойства в другом соединении, которое позволяло электронам и дыркам, источникам отрицательного и положительного заряда, соответственно, генерирующим электрический ток, перемещаться по тому, что могло бы напоминать шоссе с севера на юг. за одну плату и шоссе восток-запад за другую.

После этого открытия исследователи просмотрели существующие исследования других кристаллов, которые, как было установлено другими учеными, делают то же самое.

«Мы заинтересовались этим, потому что сначала мы не осознавали, что это может существовать. Когда мы выяснили, что он может существовать, мы очень постарались найти эти материалы », — сказал Голдбергер. На сегодняшний день они экспериментально подтвердили 15 материалов с этими свойствами — из более чем 110 000 кристаллических структур, обнаруженных и занесенных в международную базу данных.

«Некоторые из них были обнаружены, но ни одна из них не использовалась для функциональности. Мы обнаружили, что мы действительно можем что-то с этим сделать », — сказал Вольфганг Виндл, профессор материаловедения и инженерии в штате Огайо и соавтор исследования.

«Все, что нам нужно сделать, это подвести провода к одному концу и сориентировать кристалл определенным образом, и внезапно у нас есть генератор энергии без движущихся частей. И вы согреваете его с помощью любого отходящего тепла, которое есть в вашем доме, машине или ракете, и это само по себе будет генерировать электроэнергию без выбросов и, по сути, бесконечно. Для меня это немного похоже на черную магию.

Теоретически, генератор, сделанный из этого соединения, можно было бы использовать в любом месте, где генерируется тепло — размер кристалла может варьироваться, и в этом исследовании он был продиктован размером печи, в которой он выращивался.

Хереманс сказал, что генератор может производить достаточно электроэнергии из выхлопных газов автомобиля, чтобы двигать автомобиль вперед, но он поддерживает идею использования этой технологии в меньшем масштабе: «В небольших приложениях сложные решения не приветствуются, потому что они слишком дорого », — сказал он. «Вот где такое простое решение, вероятно, лучше всего».

Эта работа была поддержана Управлением научных исследований ВВС США, Министерством энергетики США и Национальным научным фондом Emerging Frontiers in Research and Innovation.Рост кристаллов поддерживался платформой Национального научного фонда для ускоренной реализации, анализа и открытия интерфейсных материалов (PARADIM).

Соавторы: Майкл Скаддер, Бин Хе (сейчас в Институте Макса Планка) и Яксиан Ван (сейчас в Гарвардском университете) из штата Огайо, а также Акаш Рай и Дэвид Кэхилл из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн.

Преимущества преобразования отработанного тепла в энергию

Отработанное тепло для получения электроэнергии использует меньше топлива для выработки заданной мощности и позволяет избежать потерь при передаче и распределении, которые возникают при передаче электроэнергии по линиям электропередачи.Это также снижает влияние сбоев в работе энергосистемы.

Преимущества преобразования отработанного тепла в энергию

Лен Кальдероне для | AltEnergyMag

Типичная американская электростанция использует три единицы топлива для производства одной единицы электроэнергии. Остальное превращается в ненужную энергию, которая выбрасывается в атмосферу. Поскольку они расположены удаленно, большинство растений не могут повторно использовать это тепло, поскольку тепло не может далеко уйти, прежде чем станет холодным.

Более надежный метод производства электроэнергии — это сочетание тепла и электроэнергии (ТЭЦ), что является эффективным, чистым и надежным подходом к производству электроэнергии и тепловой энергии из одного источника топлива, такого как природный газ, биомасса, биогаз, уголь, отработанное тепло или масло. Это возможно за счет использования когенерационных установок, которые вырабатывают энергию на месте на производственных предприятиях.

Когенерация позволяет этим установкам перерабатывать отработанное тепло в чистую электроэнергию и полезный пар, который можно использовать для обогрева близлежащих зданий или для поддержки различных промышленных процессов.

ТЭЦ — это интегрированная энергетическая система, которую можно модифицировать в зависимости от потребностей конечного потребителя энергии. ТЭЦ обеспечивает бесшовную интеграцию различных технологий и видов топлива в существующую инфраструктуру зданий для выработки электроэнергии на месте. Рекуперацию отходящего тепла можно использовать для отопления, охлаждения или осушения.

Две наиболее распространенные конфигурации системы ТЭЦ — это газовая турбина или двигатель с рекуператором тепла и паровой котел с паровой турбиной.Система газотурбинной ТЭЦ вырабатывает электроэнергию путем сжигания природного газа или биогаза для выработки электроэнергии, а затем использует блок рекуперации тепла для получения тепла из выхлопного потока системы сжигания. Это тепло преобразуется в полезную тепловую энергию в виде пара или горячей воды.

Газовые турбины / двигатели идеально подходят для крупных промышленных или коммерческих ТЭЦ, требующих большого количества электроэнергии и тепла.

Паровая турбина вырабатывает электричество как побочный продукт производства пара, в отличие от газовой турбины или системы ТЭЦ с поршневым двигателем, где тепло является побочным продуктом производства энергии.

Системы ТЭЦ на базе паровых турбин обычно используются в промышленных процессах, где биомасса, уголь или отходы используются в качестве топлива для котельной.

Другой системой, используемой для преобразования отработанного тепла в электричество, является турбина с противодавлением, которая обычно используется в отраслях промышленности, требующих технологического пара, таких как бумажные и целлюлозные заводы и объекты природного газа. В паровой турбине с противодавлением энергия пара высокого давления на входе экономично преобразуется в электричество, а отработанный пар низкого давления используется для производственного процесса.Отработавший пар турбины имеет более низкую температуру, чем перегретый пар, образующийся при понижении давления через редукционный клапан. Настройка давления выхлопных газов для турбин с противодавлением регулируется регулирующим клапаном, который зависит от требований к давлению технологического пара для установки.

Капитальные затраты на котел высокого давления и турбогенератор высоки, но турбогенератор часто может производить достаточно электроэнергии, чтобы оправдать капитальные затраты.На предприятиях часто устанавливаются котлы, производящие пар с самым низким давлением, поскольку расход котельного топлива на единицу производства пара увеличивается с увеличением давления в котле.

Турбина с противодавлением снижает давление и энергосодержание пара, который впоследствии выбрасывается в технологический коллектор, тем самым не потребляя пар. По сути, турбогенератор выполняет ту же паровую функцию, что и редукционный клапан, но использует перепад давления для производства ценной электроэнергии в дополнение к пару низкого давления.Сопло направляет струи пара высокого давления на лопатки ротора турбины, вырабатывая мощность на валу, и ротор соединен с валом, который соединен с электрическим генератором.

Рекуперация факельного газа — это процесс регенерации отходящих газов, которые обычно сжигаются на факеле. Газовый факел или факельная труба — это устройство для сжигания газа, используемое на промышленных предприятиях, таких как нефтеперерабатывающие заводы, химические заводы, заводы по переработке природного газа и нефтедобывающие предприятия.

Улавливание факельного газа может привести к почти 100-процентному сокращению обычного сжигания, ограничивая работу факела аварийными выбросами и плановым техническим обслуживанием.Уловленный факельный газ затем можно использовать в качестве ценного топлива. Практически нулевое сжигание в факеле обеспечивает экологический контроль с немедленной окупаемостью инвестиций.

Когда давление в факельном коллекторе достигает заданного значения регулирования давления, включается жидкостный кольцевой компрессор, который начинает сжимать факельный газ. Компрессор использует рабочую жидкость, обычно воду, для выполнения работы по сжатию рекуперированного газа. Рабочая жидкость охлаждается в кожухотрубном теплообменнике, испарительном охладителе или теплообменнике с воздушным охлаждением для регулирования температуры нагнетания компрессора.Компрессор выпускает газ в трехфазный сепаратор, который отделяет рабочую жидкость от факельного газа, а затем конденсированные углеводороды от рабочей жидкости. Сжатые газы поступают в систему подачи топливного газа завода.

Нефтеперерабатывающие заводы могут повысить экономическую ценность за счет внедрения процесса газификации. Нефтеперерабатывающие заводы обычно перерабатывают свои отходы в асфальт или битум, которые имеют очень небольшую экономическую ценность. Технология газификации преобразует эти отходы в энергию, пар, кислород, водород и азот, которые используются в повседневных операциях нефтепереработки.Эта технология может обеспечить получение водорода высокой чистоты, который используется в различных операциях нефтепереработки, таких как удаление примесей и гидрокрекинг. Водород легко отделяется от других компонентов.

Газификация — это гибкий и эффективный процесс, который производит синтез-газ или синтез-газ из углеродного сырья, такого как уголь, нефтяной кокс, вакуумные остатки, биомасса и другие нефтяные остатки.

Есть три основных компонента газификации — разделение воздуха, газификация и очистка газа.При разделении воздуха образуется кислород, который подается в реактор с углеродным сырьем. В случае кокса сырье измельчается, смешивается с водой и подается в виде суспензии в газификатор, который работает при высоких температурах и давлениях для получения синтез-газа. Зола и типичные загрязнители в сырье объединяются в товарный застеклованный шлак. Затем синтез-газ охлаждается и очищается, включая высокоэффективное удаление серы перед использованием.

Турбина с рекуперацией верхнего давления (TRT) — это энергосберегающее устройство, используемое для доменной печи сталелитейных заводов, которое выполняет две функции.Один из них предназначен для управления верхним давлением доменной печи, а другой — для выработки электроэнергии путем приведения в действие турбины с использованием доменного газа, генерируемого в доменной печи.

Большинство доменных печей работают с дутьем под высоким давлением, при этом газы, выходящие из печи в верхней части, поддерживают давление до 3 бар и имеют температуру около 392 ° F. Этот газ под давлением может использоваться в турбине-рекуператоре с верхним давлением. для выработки электроэнергии. TRT могут производить 15–40 кВтч, и их мощность может удовлетворить около 30% всех потребностей в электроэнергии всего доменного оборудования, включая воздух.Газ, покидающий систему TRT, может по-прежнему использоваться в качестве топлива в других процессах производства чугуна и стали.

Существуют две системы TRT, влажная и сухая, в зависимости от метода, который они используют для удаления частиц пыли, что необходимо для правильной работы турбины. Сухие системы потребляют меньше воды и электроэнергии и обычно производят на 25–30% больше энергии, поскольку сохраняется более высокая температура газа. Поэтому считается, что сухие системы имеют более благоприятные экономические показатели.

Технология ТЭЦ полезна на энергоемких производственных предприятиях, таких как нефтепереработка, целлюлозно-бумажная промышленность и пищевая промышленность; учреждения, такие как университеты, больницы и тюрьмы; здания, такие как отели, аэропорты и большие офисные здания; муниципальные, например, очистные сооружения и школы; и многоквартирное жилье и запланированные сообщества.

Отработанное тепло для получения электроэнергии использует меньше топлива для выработки заданной мощности и позволяет избежать потерь при передаче и распределении, которые возникают при передаче электроэнергии по линиям электропередач. Это также снижает влияние сбоев в работе энергосистемы. ТЭЦ также снижает загрязнение воздуха, поскольку сжигается меньше топлива, и это может значительно сэкономить на счетах за электроэнергию.

Для дополнительной информации:

1. http://www.districtenergy.org/assets/pdfs/White-Papers/WhitepaperIDEACleanEnergy4-4-11.pdf

2. http://www1.eere.energy.gov/manufacturing/tech_assistance/pdfs/steam22_backpressure.pdf

3. http://www.epa.gov/chp/documents/waste_heat_power.pdf

4. http://www.bhpenergy.com/Downloaded%20Files/Data%20Center%20CHP%20Whitepaper%20-%20Final.pdf

Лен Кальдероне — Редактор, отвечающий за

Лен написал статьи для нескольких публикаций.Он также пишет редакционные статьи для местной газеты. Сейчас он на пенсии.


Содержание и мнения в этой статье принадлежат автору и не обязательно отражают точку зрения AltEnergyMag

Комментарии (2)

Автор: Валри де Гроот, 15.08.10, 14:40

Дорогой Стив, Прежде всего, я хотел бы искренне поздравить с хорошо проделанной работой.Ваша редакционная статья технически и описательно точна и ясна. Позвольте мне сделать следующие замечания / пояснения: Что касается заголовка вашей редакционной статьи: в Бельгии все показатели эффективности рассчитываются на основе LVH (низкая теплотворная способность), тогда как счета выставляются на основе HHV (высокой теплотворной способности). Для природного газа это приводит к разнице между HHV и LHV в 11%, вызывая некоторое замешательство среди европейских энергоменеджеров (100% для HHV = 111% для LHV). INDEA (Industrial Energy Advice) известна своим исследованием и проектированием многочисленных когенерационных установок с максимальной эффективностью (≥ 100% для LHV или ≥ 90% для HHV).Стив, разрешено ли ИНДЕА использовать вашу редакционную статью в качестве справочного документа в наших исследованиях энергетики и на семинарах для менеджеров по энергетике? Заранее благодарим вас за ваш ответ при первой возможности, С наилучшими пожеланиями, Вилли Сомерс

Автор: Валри де Гроот, 11.05.10, 12:10

Дорогой Стив, Прежде всего, я хотел бы искренне поздравить с хорошо проделанной работой.Ваша редакционная статья технически и описательно точна и ясна. Позвольте мне сделать следующие замечания / пояснения: Что касается заголовка вашей редакционной статьи: в Бельгии все показатели эффективности рассчитываются на основе LVH (низкая теплотворная способность), тогда как счета выставляются на основе HHV (высокой теплотворной способности). Для природного газа это приводит к разнице между HHV и LHV в 11%, вызывая некоторое замешательство среди европейских энергоменеджеров (100% для HHV = 111% для LHV). INDEA (Industrial Energy Advice) известна своим исследованием и проектированием многочисленных когенерационных установок с максимальной эффективностью (≥ 100% для LHV или ≥ 90% для HHV).Стив, разрешено ли ИНДЕА использовать вашу редакционную статью в качестве справочного документа в наших исследованиях энергетики и на семинарах для менеджеров по энергетике? Заранее благодарим вас за ваш ответ при первой возможности, С наилучшими пожеланиями, Валри де Гроот — INDEA bvba

Опубликовать комментарий

Вы должны войти в систему, прежде чем сможете оставлять комментарии. Авторизуйтесь сейчас.

Рекомендуемый продукт

Аккумуляторы Sun Xtender® Deep Cycle AGM

Аккумуляторы Sun Xtender® Deep Cycle AGM для хранения возобновляемой энергии производятся в США корпорацией Concorde Battery Corporation и соответствуют тем же строгим стандартам, которые имеют решающее значение для поддержки авиационной промышленности.Чтобы обеспечить максимальную проводимость и прием заряда, аккумуляторы Sun Xtender® сконструированы с бескоррозионными клеммами из медного сплава и прочными межэлементными соединениями. Долговечность и оптимальный срок службы поплавка достигаются за счет пластин, толще которых превышает промышленный стандарт. Необслуживаемая конструкция аккумуляторов Sun Xtender® AGM — идеальное решение для автономных и связанных с сетью систем.

Эта футболка использует тепло вашего тела для выработки электричества.

Что, если во время утренней пробежки по парку вырабатывается электричество, которое затем заряжает батареи или даже заряжает ваш телефон? Возможно, вы носите подходящую футболку.

Исследователи из Университета Малаги в Испании и Итальянского технологического института разработали футболку, которая вырабатывает электричество за счет разницы температур между телом пользователя и окружающей средой. Это означает, что тепло тела, исходящее от вас, когда вы бегаете, ходите или занимаетесь спортом, — и разница между этим теплом и более холодной температурой окружающего воздуха — может быть преобразовано в тепловую энергию.

В нашей жизни есть множество примеров использования тепловой энергии — солнце согревает нашу атмосферу, горелка печи нагревает кастрюлю с водой до кипения.Но есть также много примеров потраченного впустую тепла или «отходящего тепла», которое представляет собой все неиспользованное тепло, выбрасываемое в окружающую среду машинами, электрическими процессами или даже деятельностью человека, которое может быть использовано в качестве тепловой энергии.

Вы можете использовать это тепло, используя так называемый термоэлектрический эффект, который позволяет преобразовывать разницу температур в электрическое напряжение. Если два проводника соединены и одна сторона нагрета, электроны начинают двигаться к более холодной стороне, создавая ток, который течет по цепи.Некоторые материалы действуют как проводники, которые могут преобразовывать эту разницу температур в источник энергии. По словам исследователей, эта футболка улавливает тепло, исходящее от нашего тела, которое в отличие от прохладного воздуха производит электричество.

Как правило, термоэлектрические материалы регенерируют отходящее тепло от таких вещей, как автомобили или промышленные процессы, и наиболее распространенные материалы, которые преобразуют эту тепловую энергию в электрический ток, часто встречаются в дефиците и не очень безопасны для окружающей среды (например, теллур, который встречается так же редко, как золото и платина).Они также дорогие, жесткие и токсичные, — объяснил по электронной почте Хосе Алехандро Эредиа, член факультета молекулярной биологии и биохимии Университета Малаги и один из авторов этого проекта. носимое приложение.

[Фото: любезно предоставлено Университетом Малаги]

Эредиа и другие исследователи хотели разработать «гибкие, биоразлагаемые и пригодные для носки материалы для [термоэлектрических] приложений, которые могут генерировать электричество просто за счет разницы температур между телом и окружающей средой», и поэтому они стремились заменить эти обычные жесткие и дорогие материалы недорогими альтернативами, такими как широко доступные углеродные наночастицы (например, графен и углеродные нановолокна), которые работают как термоэлектрические генераторы.

Проблема, однако, заключалась в том, чтобы прикрепить эти материалы к хлопковой футболке, и для решения этой проблемы исследователи создали раствор из кожуры помидоров, который мог проникать в хлопок и придавать эти электрические свойства ткани посредством биоразлагаемых веществ. Почему кожура помидора? «Это каким-то образом был клей на биологической основе», — говорит Эредиа. И есть еще один экологический бонус от использования кожуры помидоров. «Интересно, что эта кожица является недорогим побочным продуктом переработки томатов. В этом смысле, с точки зрения экономики замкнутого цикла, мы даем этому остатку вторую жизнь.

Конечным результатом является жидкий раствор, состоящий из кожуры помидора и углеродных наночастиц, который можно распылить на обычную футболку, создав «электронный текстиль». Heredia говорит, что они проверили устойчивость этих материалов к циклам стирки одежды и дали многообещающие результаты. «Тем не менее, — добавляет он, — мы уже работаем над улучшенной версией, которая будет полностью пригодна для стирки и глажки».

Для этого прототипа электронного текстиля исследователи использовали углеродную проводящую ленту для соединения футболки с внешними проводами, чтобы показать, что она может вырабатывать электричество — рубашка могла включать светодиодный свет — но в настоящее время нет возможности для этого. ткань для хранения этой энергии.Heredia надеется развить это в будущем.

«Для начала, мы думаем, что эта ткань может быть использована в нишевых приложениях, например, для сбора энергии в экстремальных ситуациях (космические и военные миссии), но потенциально, при небольшом дальнейшем развитии, она также может быть применена в индустрии моды. , — говорит Эредиа. Также есть возможность интегрировать дополнительные функции непосредственно в ткань, такие как освещение, датчики и Wi-Fi (в предыдущем исследовании они создали антенну Wi-Fi из кожуры помидоров и графена).

Исследователи работают над способами зарядки сотового телефона без зарядного устройства или создания света, чтобы футболка стала светоотражающей. Эта технология также может вписаться в мир носимых устройств, питающих медицинские датчики, наручные часы и слуховые аппараты. Термоэлектрические ткани можно также использовать в качестве мгновенных охладителей тела при добавлении в спортивную одежду, офисные стулья или даже автомобильные сиденья. В конце концов, шутят исследователи, это может позволить нам надеть костюмы, подобные Железному Человеку, оснащенные датчиками, технологическими устройствами и способностью летать.

Наша одежда уже адаптируется к будущему и становится более мощной. Ученые уже ввели в одежду пьезоэлектричество, которое использует движение для выработки энергии. Эту футболку, генерирующую электричество, пока нельзя купить, но когда-нибудь, как надеются исследователи, у нас появится доступ к электронному текстилю, оснащенному всеми видами электронных устройств, что превратит нас в технологических супергероев, работающих за счет тепла нашего собственного тела.

% PDF-1.6 % 4676 0 объект > / Outlines 198 0 R / Metadata 4729 0 R / AcroForm 4724 0 R / Pages 4665 0 R / StructTreeRoot 209 0 R / Тип / Каталог >> эндобдж 198 0 объект > эндобдж 4729 0 объект > поток 2013-02-14T12: 00: 54 + 01: 002013-01-29T15: 36: 32 + 01: 002013-02-14T12: 00: 54 + 01: 00Adobe Acrobat 8.0 Приложение «Объединить файлы» / pdf

  • Bob Schnapp
  • uuid: 2b049b4c-6a43-485a-88fe-0f2865d31723uuid: 231ce380-e6b1-4816-9bbd-733874cfb080 Adobe Acrobat 8.0 конечный поток эндобдж 4724 0 объект > / Кодировка >>>>> эндобдж 4665 0 объект > эндобдж 209 0 объект > эндобдж 210 0 объект > эндобдж 211 0 объект > эндобдж 3839 0 объект > эндобдж 3838 0 объект > эндобдж 3837 0 объект > эндобдж 69 0 объект > / MediaBox [0 0 841.92 595.32] / Ресурсы> / Шрифт> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB / ImageC / ImageI] >> / Type / Page >> эндобдж 4669 0 объект > эндобдж 70 0 объект > поток x} [k0e # S $ -ӆc: u1.Sv ٿ_ PfT’u \ n] V ~ ش le77g * (G8 ‘@ Y JI] q.K ژ LmZ @ 0 > » 9QɈ [IqY «0yi. & So- |

    …` cV & _ks * $ d (\ QDZs: Ҡ \ $: _ | ‘mV> Uu]? VQh`J {Y: O, Q’Na`S: :(: ˨ = Eq \! HWnVBhT0gP | ƤTb конечный поток эндобдж 4678 0 объект > эндобдж 4694 0 объект > эндобдж 133 0 объект > эндобдж 135 0 объект > эндобдж 136 0 объект [278 0 0 0 0 0 0 0 333 333 389 584 278 333 278 278 556 556 556 556 556 556 556 556 556 556 278 0 0 0 0 0 1015 667 667 722 722 667 611 778 0 278 500 667 556833 722 0 667 0 0 667 611 722 0 0 0 667 0 0 0 0 0 556 0 556 556 500 556 556 278 556 556 222 0500 222 833 556 556 556 556 333 500 278 556 500 722 500 500 500 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 556 0 0 0 0 0 0 556] эндобдж 4697 0 объект > эндобдж 4698 0 объект [278 0 0 0 0 0 0 0 333 333 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 667 0 722 0 667 611 0 722 278 0 0 556 0 722 778 667 778 722 667 611 722 0 0 0 667 0 0 0 0 0 0 0 556 0500 0 556 278 0 0 222 0 0 222 0 556 556 0 0 333 500 278 556 0 0 0 500] эндобдж 4680 0 объект > эндобдж 4681 0 объект [250 0 0 0 0 0 0 0 333 333 0564 250 333250 278 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 500 278 278 0564 0 0 0 722 667 667 722 611 556 722 722 333 389 722 611 889 722 722 556 722 667 556 611 722 722 944 0 722 0 0 0 0 0 0 0 444 500 444 500 444 333 500 500 278 278 500 278 778 500 500 500 500 333 389 278 500 500 722 500 500 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 444] эндобдж 72 0 объект > поток x XMr [D (ReHE0eka 셊 $ eF ٕ}] YJH «! IqsHԭ |? {9a jXCƔk˜cM) 83V1 2! 0Pc_A1iq ‘~ pP: 36cl; cec (Oval! c # E / 壣?,

    ? 1 ֏ yDbKA | F36P% B161k3] f & c0v {ی 591 ^ X} & ~ @ 䰆 Ȥ ױ x +]] * `, + XDB ^ h \ wca * H8HHE + TPa: eһ ׁ ȊN0ķ

    Различные методы производства электроэнергии

    Для чего мы используем энергию?

    Различные методы производства электроэнергии

    Существуют различные методы производства электроэнергии в зависимости от видов энергии.
    Среди источников энергии уголь и природный газ используются для выработки электроэнергии путем сжигания (тепловая энергия), уран путем ядерного деления (ядерная энергия), чтобы использовать их тепло для кипячения воды и вращающейся паровой турбины.
    Среди возобновляемых источников энергии солнечный свет напрямую преобразуется в электричество (фотоэлектрическая энергия), энергия вращения ветра преобразуется в электричество (энергия ветра), вращение водяного колеса проточной водой для производства (гидро). Магматическое тепло закипает подземную воду, чтобы вращать паровую турбину для генерации (геотермальной энергии).
    Непрерывное развитие технологий для них продолжается для преобразования энергии ресурсов или возобновляемых источников энергии в электричество с меньшими потерями. Для эксплуатации электростанции также важно проводить техническое обслуживание или обучение операторов.


    Тепловая мощность

    Производство электроэнергии из пылевидного угля в настоящее время является основным методом производства электроэнергии на угле. Уголь измельчается до мелкого порошка и сжигается в котле. Нагрев в бойлере превращает воду в пар.Давление пара вращает паровую турбину, а генератор вырабатывает электричество.


    Электроэнергетика с комбинированным циклом сначала вырабатывает газ за счет сжигания топлива в сжатом воздухе.
    Давление газа вращает газовую турбину, а генератор вырабатывает электричество.
    Кроме того, тепло выхлопных газов газовой турбины используется для кипячения воды для выработки пара, который вращает турбину для генерации.


    Комбинированный цикл комплексной газификации угля (IGCC) газифицирует топливный уголь в газификаторе.Газифицированное топливо сжигается в сжатом воздухе с образованием газа. Давление газа вращает газовую турбину для выработки электроэнергии. Кроме того, тепло выхлопных газов газовой турбины используется для превращения воды в пар для выработки электроэнергии.

    Международное сравнение энергоэффективности производства тепловой энергии

    Международное сравнение эффективности производства тепловой энергии (ископаемое топливо). Установки для разжигания угля в Японии достигают наивысшего КПД, вырабатывая много электроэнергии с меньшим количеством топлива.Несмотря на то, что эффективность генерации может быть увеличена за счет использования мощностей (или технологий) по производству электроэнергии с новейшими и наивысшими показателями эффективности, важно проводить техническое обслуживание объекта или также поддерживать или повышать качество работы.


    Атомная энергетика

    Легкая вода означает обычную воду в отличие от тяжелой воды. В активной зоне реактора в результате ядерного деления вырабатывается тепло, которое затем вызывает кипение воды с образованием пара. Пар используется для вращения турбины для выработки электроэнергии, затем охлаждается в конденсаторе морской водой и снова превращается в жидкую воду.Затем эта вода возвращается в активную зону реактора.


    Легкая вода означает обычную воду в отличие от тяжелой воды. В активной зоне реактора при ядерном делении выделяется тепло, но нагретая вода подавляется перед закипанием за счет приложения высокого давления. Эта вода с высокой температурой и давлением направляется в парогенератор, превращает воду в пар, а затем вращает турбину для выработки электроэнергии в генераторе, после чего она охлаждается в конденсаторе морской водой и снова превращается в жидкую воду.Затем эта вода возвращается в паровую турбину.

    Глоссарий

    Информация и факты о геотермальной энергии

    Геотермальная энергия тысячелетиями использовалась в некоторых странах для приготовления пищи и обогрева. Это просто энергия, получаемая от внутреннего тепла Земли.

    Эта тепловая энергия содержится в породах и флюидах под земной корой. Его можно найти на мелководье до нескольких миль под поверхностью и даже дальше до чрезвычайно горячей расплавленной породы, называемой магмой.

    Как это используется?

    Эти подземные резервуары пара и горячей воды могут использоваться для выработки электроэнергии или непосредственного обогрева и охлаждения зданий.

    Система геотермального теплового насоса может использовать постоянную температуру верхних десяти футов (трех метров) поверхности Земли для обогрева дома зимой, извлекая тепло из здания и передавая его обратно в относительно более прохладную почву. летом.

    Геотермальная вода из глубин Земли может использоваться непосредственно для отопления домов и офисов или для выращивания растений в теплицах.Некоторые города США прокладывают геотермальную горячую воду под дорогами и тротуарами для таяния снега.

    Производство геотермальной энергии

    Для производства электроэнергии, вырабатываемой геотермальной энергией, в подземные резервуары пробурены скважины, иногда глубиной 1,6 км или более, для отбора пара и очень горячей воды, которая движется турбины, связанные с генераторами электроэнергии. Первое геотермальное электричество было произведено в Лардерелло, Италия, в 1904 году.

    Есть три типа геотермальных электростанций: сухие паровые, мгновенные и бинарные. Сухой пар, старейшая геотермальная технология, выводит пар из трещин в земле и использует его для непосредственного привода турбины. Установки мгновенного нагрева закачивают глубокую горячую воду под высоким давлением в более прохладную воду с низким давлением. Пар, образующийся в результате этого процесса, используется для привода турбины. В бинарных установках горячая вода проходит через вторичную жидкость с гораздо более низкой температурой кипения, чем вода. Это заставляет вторичную жидкость превращаться в пар, который затем приводит в движение турбину.Большинство геотермальных электростанций в будущем будут бинарными.

    Геотермальная энергия вырабатывается более чем в 20 странах. Соединенные Штаты являются крупнейшим производителем в мире, а крупнейшее геотермальное месторождение в мире — это Гейзеры к северу от Сан-Франциско в Калифорнии. В Исландии многие здания и даже бассейны отапливаются геотермальной горячей водой. В Исландии есть по крайней мере 25 действующих вулканов и множество горячих источников и гейзеров.

    Преимущества и недостатки

    Есть много преимуществ геотермальной энергии.Его можно добыть без сжигания ископаемого топлива, такого как уголь, газ или нефть. Геотермальные поля производят только около одной шестой углекислого газа, который производит относительно чистая электростанция, работающая на природном газе.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.