طرق التسخين الكهربائي. التحويل المباشر للحرارة النووية إلى كهرباء

من بين العديد من الأجهزة التي تسمح لك بالحصول على الكهرباء ، هناك مكان خاص تشغله الأجهزة التي تسمح لك بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية. مهمتهم الرئيسية هي التحويل المباشر لنوع من الطاقة إلى نوع آخر بأقل عدد من الروابط الوسيطة المختلفة. في الوقت نفسه ، يتم حل مشكلة زيادة كفاءة هذه العملية.

جهاز المحول

يتكون جهاز المحول من عناصر ساخنة وطاقة كهربائية. لتصنيع العناصر الساخنة ، يتم استخدام مادة مغناطيسية ناعمة ، يتم تخفيض نقطة كوري منها. يفقد صفاته المغناطيسية عند تسخينه ويظهر انتقالًا في الطور.

يتم تضمين هذه العناصر في الدائرة المغناطيسية على شكل الحرف F. ولها قضيب متوسط ​​وقضبان جانبيان. تتكون القضبان الجانبية من عنصرين ، توجد بينهما فجوات هوائية. إنها متاخمة للقضيب الأوسط وتتواجد بشكل متماثل على كلا الجانبين بالنسبة لها.

يتم توصيل العناصر الساخنة باستخدام شريط صلب. يتم تثبيته على مفصلة تقع على حافة القضيب الأوسط على طول محور التناظر. عندما يغير الشريط موضعه ، تقوم العناصر الساخنة بدورها بسد الفجوات الهوائية للقضبان الجانبية. يوجد أنبوب حراري في فجوات الهواء ، بمساعدة الحرارة التي يتم توفيرها من السخان. في حالة عدم وجود سد للفجوات الهوائية ، تتلامس العناصر الساخنة مع المبرد. يوجد في القضيب الأوسط ملف مثير يعمل بالتيار المباشر ، وتقع اللفات المولدة للمولد على قضبان جانبية.

التشغيل العملي للمحول

يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية وفقًا لمخطط معين. عندما يتم تطبيق الطاقة على الملف ، يتم إنشاء تدفق مغناطيسي يتباعد على طول القضبان الجانبية. ينجذب العنصر المتحرك إلى القضيب الجانبي ويغلق فجوة الهواء المطلوبة. هناك زيادة في التدفق المغناطيسي ، بينما يقع العنصر المسخن تحت تأثير موصل الحرارة. يتم تسخينه إلى درجة حرارة معينة يحدث فيها فقدان الخصائص المغناطيسية.

ينجذب العنصر المتحرك إلى الفجوة وتغلق الدائرة المغناطيسية للقضيب الجانبي ، وبالتالي يزداد المجال المغناطيسي في أحد القضبان الجانبية ويسقط في الآخر. تتكرر هذه العملية عدة مرات. النتيجة النهائية لكل هذه الإجراءات. تعتمد كميتها وقوتها تمامًا على معدل توفير الحرارة والتبريد. من نفس حسد وكفاءة النظام بأكمله.

مصادر التيار المادي

المولدات الحرارية: كيفية "لحام" الكهرباء موقد غاز

في أحد المنتديات الكهربائية تم طرح السؤال التالي: كيف يمكنني الحصول على الكهرباء باستخدام الغاز المنزلي العادي؟ كان الدافع وراء ذلك حقيقة أن غاز هذا الرفيق ، وفي الواقع ، مثل كثيرين آخرين ، يتم دفعه ببساطة وفقًا للمعايير دون عداد.

بغض النظر عن مقدار استخدامك ، ما زلت تدفع مبلغًا ثابتًا ، ولماذا لا تحول الغاز المدفوع بالفعل ، ولكن لا يستخدم إلى كهرباء مجانية؟ لذلك ظهر موضوع جديد في المنتدى ، تم اختياره من قبل بقية المشاركين: المحادثة من القلب إلى القلب لا تساعد فقط في تقصير يوم العمل ، ولكن أيضًا تقضي على وقت الفراغ.

تم اقتراح العديد من الخيارات. فقط اشتري مولد البنزين، وتعبئته بالبنزين الناتج عن تقطير الغاز المنزلي ، أو تحويل المولد للعمل على الغاز فورًا مثل السيارة.

بدلاً من محرك الاحتراق الداخلي ، تم اقتراح محرك ستيرلينغ ، المعروف أيضًا باسم محرك الاحتراق الخارجي. هنا فقط أحد كبار النجوم (الشخص الذي ابتكر موضوعًا جديدًا) طالب بقدرة مولد لا تقل عن 1 كيلو واط ، لكنهم يقولون إن مثل هذا التدوير لن يصلح حتى في مطبخ غرفة طعام صغيرة. بالإضافة إلى ذلك ، من المهم أن يكون المولد صامتًا ، وإلا ، فأنت تعرف ماذا.

بعد العديد من الاقتراحات ، تذكر أحدهم رؤية رسمًا في بعض الكتب يظهر مصباح كيروسين مع جهاز على شكل نجمة متعددة الحزم لتشغيل مستقبل الترانزستور. ولكن سيتم مناقشة هذا أبعد من ذلك بقليل ، ولكن في الوقت الحالي

المولدات الحرارية. التاريخ والنظرية

من أجل الحصول على الكهرباء مباشرة من موقد غاز أو مصدر حرارة آخر ، يتم استخدام المولدات الحرارية. تمامًا مثل المزدوجات الحرارية ، يعتمد مبدأ عملها على تأثير Seebeck. افتتح في عام 1821.

التأثير المذكور هو أن emf يظهر في دائرة مغلقة من موصلين مختلفين. إذا كانت تقاطعات الموصلات في درجات حرارة مختلفة. على سبيل المثال ، يوجد تقاطع ساخن في وعاء من الماء المغلي ، والآخر في كوب من الجليد الذائب.

ينشأ التأثير من حقيقة أن طاقة الإلكترونات الحرة تعتمد على درجة الحرارة. في هذه الحالة ، تبدأ الإلكترونات في الانتقال من الموصل ، حيث يكون لديها طاقة أعلى ، إلى الموصل ، حيث تكون طاقة الشحنات أقل. إذا تم تسخين إحدى الوصلات أكثر من الأخرى ، فإن الفرق في طاقات الشحنات عليها أكبر من الفرق في طاقات الشحنات الباردة. لذلك ، إذا كانت الدائرة مغلقة ، يظهر فيها تيار ، بالضبط نفس القدرة الكهروحرارية.

تقريبًا ، يمكن تحديد القدرة الكهروحرارية بصيغة بسيطة:

E = & alpha * (T1 - T2). هنا α هو المعامل الكهروحراري ، والذي يعتمد فقط على المعادن التي تتكون منها المزدوجات الحرارية أو العناصر الحرارية. عادة ما يتم التعبير عن قيمته في microvolts لكل درجة.

الفرق في درجة حرارة الوصلات في هذه الصيغة هو (T1 - T2): T1 هي درجة حرارة الوصلة الساخنة ، و T2 ، على التوالي ، للتقاطع البارد. الصيغة المذكورة أعلاه موضحة بوضوح في الشكل 1.

الشكل 1. مبدأ تشغيل المزدوج الحراري

هذا الرسم كلاسيكي ويمكن العثور عليه في أي كتاب فيزياء. يوضح الشكل حلقة مكونة من موصلين A و B. تسمى تقاطعات الموصلات تقاطعات. كما هو مبين في الشكل ، في التقاطع الساخن T1 ، يكون للقدرة الكهروحرارية اتجاه من المعدن B إلى المعدن A. A ، في الوصلة الباردة T2 ، من المعدن A إلى المعدن B. اتجاه الطاقة الحرارية المشار إليها في الشكل هو صالح للحالة عندما تكون الطاقة الكهروحرارية للمعدن أ موجبة بالنسبة للمعدن ب.

كيفية تحديد الطاقة الحرارية للمعدن

يتم تحديد الطاقة الحرارية للمعدن بالنسبة إلى البلاتين. لهذا الغرض ، يتم تسخين المزدوجة الحرارية ، أحد قطبيها من البلاتين (Pt) والآخر هو المعدن قيد الاختبار ، إلى 100 درجة مئوية. يتم عرض القيمة الناتجة بالميليفولت لبعض المعادن أدناه. علاوة على ذلك ، يجب الانتباه إلى حقيقة أنه ليس فقط قيمة الطاقة الحرارية تتغير ، ولكن أيضًا علامتها فيما يتعلق بالبلاتين.

يلعب البلاتين في هذه الحالة نفس دور 0 درجة على مقياس درجة الحرارة ، ويبدو المقياس الكامل لقيم الطاقة الحرارية مثل بالطريقة الآتية:

الأنتيمون +4.7 ، الحديد +1.6 ، الكادميوم +0.9 ، الزنك +0.75 ، النحاس +0.74 ، الذهب +0.73 ، الفضة +0.71 ، القصدير +0.41 ، الألومنيوم + 0.38 ، الزئبق 0 ، البلاتين 0.

بعد البلاتين تأتي المعادن بقوة حرارية سلبية:

كوبالت -1.54 ، نيكل -1.64 ، كونستانتان (سبيكة من النحاس والنيكل) -3.4 ، بزموت -6.5.

باستخدام هذا المقياس ، من السهل جدًا تحديد قيمة الطاقة الحرارية التي تم تطويرها بواسطة مزدوج حراري مصنوع من معادن مختلفة. للقيام بذلك ، يكفي حساب الفرق الجبري بين قيم المعادن التي تتكون منها الأقطاب الكهربائية الحرارية.

على سبيل المثال ، بالنسبة لزوج من الأنتيمون - البزموت ، ستكون هذه القيمة +4.7 - (- 6.5) \ u003d 11.2 مللي فولت. إذا تم استخدام زوج من الحديد والألمنيوم كأقطاب كهربائية ، فستكون هذه القيمة +1.6 فقط - (+0.38) = 1.22 ملي فولت ، وهو ما يقرب من عشر مرات أقل من الزوج الأول.

إذا تم الحفاظ على الوصلة الباردة عند درجة حرارة ثابتة ، على سبيل المثال 0 درجة ، فإن الطاقة الحرارية للوصل الساخن ستكون متناسبة مع التغير في درجة الحرارة ، والتي تستخدم في المزدوجات الحرارية.

كيف تم إنشاء المولدات الحرارية

بالفعل في منتصف القرن التاسع عشر ، بذلت محاولات عديدة للإبداع المولدات الحرارية- أجهزة لتوليد الطاقة الكهربائية ، أي لتزويد مختلف المستهلكين. على هذا النحو ، كان من المفترض استخدام بطاريات من العناصر الحرارية المتصلة بالسلسلة. يظهر تصميم هذه البطارية في الشكل 2.

الشكل 2. ثيرموبيل ، جهاز تخطيطي

أول ر بطارية حراريةتم إنشاؤه في منتصف القرن التاسع عشر من قبل الفيزيائيين أورستيد وفورييه. تم استخدام البزموت والأنتيمون كأقطاب كهربائية حرارية ، فقط نفس الزوج من المعادن النقية ، الذي يتمتع بأقصى قدر من الطاقة الحرارية. تسخين الوصلات الساخنة مواقد الغاز، والباردة توضع في وعاء به ثلج.

في عملية التجارب مع الكهرباء الحرارية ، تم اختراع قوالب حرارية في وقت لاحق ، مناسبة للاستخدام في البعض العمليات التكنولوجيةوحتى الإضاءة. مثال على ذلك هو بطارية Clamont ، التي تم تطويرها في عام 1874 ، والتي كانت قوتها كافية تمامًا للأغراض العملية: على سبيل المثال ، للطلاء بالكهرباء ، وكذلك للاستخدام في دور الطباعة وورش الحفر الضوئي. في نفس الوقت تقريبًا ، شارك العالم Noe أيضًا في دراسة القوائم الحرارية ، كما تم توزيع بطارياته الحرارية على نطاق واسع في وقت واحد.

لكن كل هذه التجارب ، على الرغم من نجاحها ، كان محكومًا عليها بالفشل ، حيث كان للقوالب الحرارية القائمة على العناصر الحرارية المعدنية النقية كفاءة منخفضة للغاية ، مما أعاق تطبيقها العملي. تتمتع الأبخرة المعدنية النقية بكفاءة تبلغ بضعة أعشار بالمائة فقط. تتمتع مواد أشباه الموصلات بكفاءة أعلى بكثير: بعض الأكاسيد والكبريتيدات والمركبات بين المعادن.

العناصر الحرارية لأشباه الموصلات

تم إجراء ثورة حقيقية في إنشاء العناصر الحرارية من خلال أعمال الأكاديمي A.I. إيفي. في أوائل الثلاثينيات من القرن العشرين ، طرح فكرة أنه بمساعدة أشباه الموصلات ، من الممكن تحويل الطاقة الحرارية ، بما في ذلك الطاقة الشمسية ، إلى طاقة كهربائية. بفضل البحث ، في عام 1940 ، تم إنشاء خلية ضوئية شبه موصلة لتحويل الطاقة الضوئية الشمسية إلى طاقة كهربائية.

أولا تطبيق عملي العناصر الحرارية أشباه الموصلاتيجب اعتبارها ، على ما يبدو ، غلاية حزبية ، مما جعل من الممكن توفير الطاقة لبعض محطات الراديو الحزبية المحمولة.

اعتمد مولد الحرارة على عناصر من Constantan و SbZn. تم تثبيت درجة حرارة الوصلات الباردة بواسطة الماء المغلي ، بينما تم تسخين الوصلات الساخنة بواسطة لهب نار ، وبالتالي ضمان فرق درجة الحرارة لا يقل عن 250300 درجة. لم تكن كفاءة مثل هذا الجهاز أكثر من 1.5-2.0 ٪ ، ولكن كانت هناك طاقة كافية لتشغيل محطات الراديو. بالطبع ، في أوقات الحرب تلك ، كان تصميم قبعة الرولر من أسرار الدولة ، وحتى الآن تتم مناقشة جهازها في العديد من المنتديات على الإنترنت.

المولدات الحرارية المنزلية

بالفعل في الخمسينيات ما بعد الحرب الصناعة السوفيتيةبدأ الإنتاج المولدات الحرارية TGK - 3. كان الغرض الرئيسي منه هو تشغيل أجهزة الراديو التي تعمل بالبطاريات في المناطق الريفية غير المكهربة. كانت طاقة المولد 3 وات ، مما جعل من الممكن تشغيل مستقبلات البطارية ، مثل Tula و Iskra و Tallinn B-2 و Rodina - 47 و Rodina - 52 وغيرها.

مظهريظهر مولد الحرارة TGK-3 في الشكل 3.

الشكل 3. مولد للحرارة TGK-3

تصميم المولدات الحرارية

كما ذكرنا سابقًا ، تم تصميم مولد الحرارة للاستخدام في المناطق الريفية ، حيث برق مصباح الكيروسين. مثل هذا المصباح ، المجهز بمولد حرارة ، لم يصبح مصدرًا للضوء فحسب ، بل أصبح أيضًا مصدرًا للكهرباء.

في الوقت نفسه ، لم تكن هناك حاجة لتكاليف وقود إضافية ، لأن ذلك الجزء من الكيروسين هو الذي طار ببساطة في الأنبوب الذي تحول إلى كهرباء. بالإضافة إلى ذلك ، كان هذا المولد جاهزًا دائمًا للعمل ، وكان تصميمه بحيث لا يوجد شيء يكسر فيه. يمكن للمولد أن يظل خاملاً ، ويعمل بدون تحميل ، ولم يكن خائفًا دوائر قصيرة. بدت فترة خدمة المولد ، مقارنة بالبطاريات الجلفانية ، أبدية ببساطة.

يتم لعب دور أنبوب العادم لمصباح الكيروسين بواسطة جزء أسطواني ممدود من الزجاج. عند استخدام مصباح مع مولد حراري ، تم تقصير الزجاج وإدخال جهاز نقل الحرارة المعدني 1 فيه ، كما هو موضح في الشكل 4.

الشكل 4 مصباح الكيروسينمع مولد كهربائي حراري

يحتوي الجزء الخارجي من جهاز نقل الحرارة على شكل منشور متعدد السطوح يتم تركيب أعمدة حرارية عليه. لزيادة كفاءة نقل الحرارة ، كان لجهاز نقل الحرارة عدة قنوات طولية بالداخل. بالمرور عبر هذه القنوات ، دخلت الغازات الساخنة ماسورة العادم 3 ، تسخين الحرارية في وقت واحد ، وبشكل أكثر دقة ، تقاطعاتها الساخنة.

تم استخدام المبرد لتبريد الوصلات الباردة. تبريد الهواء. وتتكون من أضلاع معدنية ملحقة الأسطح الخارجيةكتل حرارية.

مولد حراري - TGK3تتألف من قسمين مستقلين. أحدهم يولد جهدًا 2 فولت عند تحميل تيار يصل إلى 2 أمبير. تم استخدام هذا القسم للحصول على جهد الأنود للمصابيح باستخدام محول طاقة الاهتزاز. تم استخدام قسم آخر بجهد 1.2 فولت وحمل تيار 0.5 أمبير لتشغيل خيوط المصابيح.

من السهل حساب أن قوة مولد الحرارة هذا لم تتجاوز 5 واط ، لكنها كانت كافية تمامًا لجهاز الاستقبال ، مما جعل من الممكن أن يضيء لفترة طويلة أمسيات الشتاء. الآن ، بالطبع ، يبدو الأمر ببساطة سخيفًا ، لكن في تلك الأوقات البعيدة كان مثل هذا الجهاز بلا شك معجزة تكنولوجية.

في عام 1834 ، اكتشف الفرنسي جان تشارلز أثناسي بلتيير تأثيرًا معاكسًا لتأثير سيبيك. معنى الاكتشاف هو أنه عندما يمر التيار عبر تقاطع مواد غير متشابهة (معادن وسبائك وأشباه موصلات) ، يتم إطلاق الحرارة أو امتصاصها ، وهذا يعتمد على اتجاه التيار وأنواع المواد. وهذا موصوف بالتفصيل هنا: تأثير بلتيير: التأثير السحري للتيار الكهربائي

العلامات:تكنولوجيا النانو والفيزياء

ابتكر فيزيائيون من إسبانيا والولايات المتحدة الأمريكية وسويسرا جهازًا مجهريًا لتحويل الحرارة إلى كهرباء. وهو يقوم على ما يسمى بالنقاط الكمومية.

في صفحات Physical Review B ، وصف الباحثون النظام الذي طوروه. الذي يسمح لك بتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية - ومع ذلك ، لهذا ، يجب أن تكون التدفئة غير متساوية. حول المنطقة الساخنة يوجد ما يسمى بالنقاط الكمومية ، والتي يمكن للإلكترونات أن تتحرك بينها ؛ يتم وضعها بحيث تنقل الاهتزازات الحرارية حاملات الشحنة في اتجاه معين فقط.

النقاط الكمومية ، بدورها ، هي قطع صغيرة (أقل من 10 نانومتر - 50 ذرة - عبر) من مادة أشباه الموصلات. نظرًا لصغر حجمها ، فإنها لم تعد تتصرف مثل كتلة صلبة من المادة ، ولكن كنظائر للذرات الفردية ، فإن لها مستويات طاقتها الخاصة والإلكترونات في مثل هذه النقاط لا يمكن أن تكون إلا في حالات ذات طاقة معينة. وبالتالي ، الانتقال من حالة إلى أخرى ، من مستوى طاقة إلى آخر.

يعني وجود مستويات الطاقة الفردية أيضًا أنه عند الانتقال من مستويات أعلى إلى نقاط كمومية أقل ، يمكن أن تتألق بشكل جميل. علاوة على ذلك ، فإن حجم الفجوة يعتمد فقط على حجم النقاط الكمومية ، لذا يمكنك الحصول على أي منها اللون المطلوبيتم بالفعل استخدام النقاط الكمومية اللمعان بشكل نشط كأصباغ خاصة. الصورة: ويكيميديا ​​/ Travis.jennings

النقطة الكمومية المُسخنة هي نقطة تلقت جزءًا معينًا من الطاقة ، لأن درجة الحرارة ، بحكم تعريفها ، هي متوسط ​​طاقة الجسيمات المجهرية. تتسبب قوانين الديناميكا الحرارية أيضًا في تبديد هذه الطاقة (وهذا هو سبب تبريد جميع الأجسام الساخنة) ، ولكن هنا تظهر الخصائص الكمومية للنانودوت في المقدمة. نظرًا لأن لديهم عددًا محدودًا فقط من مستويات الطاقة ، فلا يمكنهم السماح بمرور جميع الإلكترونات ، ولكن فقط تلك الجسيمات التي تتوافق طاقتها مع الفرق بين مستوى وآخر.

توجد مثل هذه الإلكترونات في المنطقة الساخنة وتتغلب على الحاجز بأمان. بعد ذلك ، يطلقون الطاقة في القسم البارد ، لكن لم يعد من الممكن العودة بسبب نقص الطاقة. نتيجة لذلك ، تتراكم شحنة كهربائية في أحد طرفي سلسلة النقاط الكمومية. أين التهمة - هناك و الحقل الكهربائيمع توترها وإمكاناتها حيث يكون فرق الجهد هناك جهد. البطارية جاهزة!

الألواح الشمسية، أذكر ، استخدم مبدأ مماثل: الكوانتا الضوئية تقوم أولاً بنقل الإلكترونات من خلال بعض حواجز الطاقة ، ثم تتراكم الإلكترونات في منطقة واحدة ، مما يخلق مجالًا كهربائيًا وفرق جهد. أتاحت دراسة جديدة نقل هذا النهج إلى النظم النانوية والطاقة الحرارية ، لذلك لا يُتوقع هنا انقلاب الأسس وآلة الحركة الدائمة. من المتوقع فقط الأجهزة التي ستستخدم الطاقة الحرارية ، وتحويلها إلى كهرباء مباشرة ، وتجاوز المعقد الأجهزة الميكانيكيةمثل محرك "ستيرلنغ".

لا ، هذه ليست حالتك.

لاحظ أن هذا العمل لا علاقة له بجميع أنواع الاختراعات بكفاءة تزيد عن 100٪. لا يؤكد بأي حال من الأحوال صحة جميع أدوات كشف الأسس المحلية ، وذلك فقط لأن الكفاءة النظرية لمحول النانو موصوفة بدقة بواسطة الصيغة المدرسية - درجة حرارة السخان بالدرجات كلفن مقسومة على فرق درجة الحرارة بين السخان والثلاجة. في عالم النانو ، عشوائي و الانتهاكات المحليةقوانين الديناميكا الحرارية (على سبيل المثال ، سوف تتجمع جزيئات الغاز في نصف الوعاء. جميع الجزيئات الخمسة في وقت واحد) - ولكن هذا أيضًا لا يمكن استخدامه لبناء آلة دائمة الحركة.

كما تعلم ، تتكون كل الأجسام من جزيئات ، وهذه الجزيئات ليست في حالة راحة ، ولكنها تتحرك باستمرار. كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم ، زادت سرعة حركة جزيئات مادة هذا الجسم. عندما يمر تيار كهربائي عبر موصل ، تتصادم الإلكترونات مع الجزيئات المتحركة للموصل وتزيد من حركتها ، مما يؤدي إلى تسخين الموصل.

تحدث زيادة في درجة حرارة الموصل نتيجة لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية. سابقًا (انظر الفقرة 13) تم الحصول على تعبير لعمل تيار كهربائي (طاقة كهربائية)

أ \ u003d أنا 2 جول.

تأسست هذه العلاقة في البداية (في عام 1841) نتيجة للتجارب التي أجراها الفيزيائي الإنجليزي جول وبعد ذلك بقليل (في عام 1844) بشكل مستقل من قبل الأكاديمي الروسي لينز.

من أجل التعبير عن كمية الطاقة الحرارية المستلمة بالسعرات الحرارية ، من الضروري أيضًا إدخال عامل 0.24 ، نظرًا لأن 1 J = 0.24 كالوري. ثم Q = 0.24I 2 rt. تعبر هذه المعادلة عن قانون جول لينز.

أنشأ إميل خريستيانوفيتش لينز (1804-1865) قوانين العمل الحراريالتجارب الحالية المعممة على الحث الكهرومغناطيسي ، والتي تحدد هذا التعميم في شكل "قاعدة لينز". في كتاباته عن النظرية آلات كهربائيةوصف لينز ظاهرة "تفاعل المحرك" في آلات التيار المستمر ، وأثبت مبدأ انعكاس الآلات الكهربائية. قام لينز ، بالعمل مع جاكوبي ، بالتحقيق في قوة جذب المغناطيسات الكهربائية ، وأثبت اعتماد العزم المغناطيسي على القوة الممغنطة.

وبالتالي ، فإن كمية الحرارة الناتجة عن التيار عند المرور عبر الموصل تعتمد على المقاومة r للموصل نفسه ، ومربع التيار I 2 ومدة مروره t.

مثال 1. حدد مقدار الحرارة التي سيطلقها تيار 6 أ ، والذي يمر عبر موصل بمقاومة 2 أوم لمدة 3 دقائق.

س \ u003d أنا 2 رت \ u003d 36 ⋅ 2 ⋅ 180 \ u003d 12960 ج.

يمكن كتابة صيغة قانون جول لينز على النحو التالي.

اختراع
براءة اختراع الاتحاد الروسي RU2121246

طريقة تحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارة
وإنشاء نقل الحرارة

اسم المخترع: كوكوشين فيكتور بانتيليفيتش
اسم صاحب البراءة: كوكوشين فيكتور بانتيليفيتش
عنوان للمراسلة:
تاريخ بدء براءة الاختراع: 1997.04.16

يتم تنفيذ الطريقة باستخدام واحد أو أكثر من الدورات المغلقة لموصل تيار كهربائي كعنصر تسخين ، والتي تشكل الملف الثانوي لمحول كهربائي ، وعن طريق إدخال المبرد في اتصال مع أسطح الموصل. التأثير: يعمل الاختراع على تحسين موثوقية تحويل الطاقة الكهربائية أثناء التبادل الحراري.

وصف الاختراع

يتعلق الاختراع بتقنية لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية وخلق نقل الحرارة. يمكن استخدامه للتدفئة السائلة في أنظمة التسخين المسبق لمحركات الاحتراق الداخلي ، والتدفئة وإمداد الماء الساخن للمؤسسات الصناعية والمباني السكنية ، لتسخين البلازما والمواد الأخرى.

طريقة معروفة لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية وخلق نقل الحرارة، بناءً على النقل المباشر للتيار الكهربائي من خلال المبرد ، والذي تم إنشاؤه عن طريق تزويد الجهد الكهربائي من خلال التيار المؤدي إلى الأقطاب الكهربائية ( انظر A.P. Althausen وآخرون ، "التسخين الكهربائي بدرجة حرارة منخفضة" ، موسكو ، إنيرجيا ، 1968). يتم استخدامه لتسخين السوائل والخرسانة ولذوبان التربة والخام والرمل ومواد أخرى. تتمثل العيوب الرئيسية لهذه الطريقة في زيادة المخاطر الكهربائية بسبب الفولتية العالية نسبيًا ( 380V أو 220V) ، وكذلك اعتماد التدفئة الكهربائية ونقل الحرارة على المقاومة الكهربائية لسائل التبريد. على وجه الخصوص ، يتم إضافة إضافات خاصة إلى الماء الساخن من أجل توفير قيمة معينة للمقاومة الكهربائية.

هناك طريقة معروفة لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية وخلق التبادل الحراري بين عنصر التسخين والمبرد ، بما في ذلك إمداد الطاقة لعنصر التسخين ، وهو عبارة عن أنبوب معدني ، يوجد بداخله ملف تسخين مضغوط في حشو خاص ، يمر التيار الكهربائي عبر ملف التسخين ( انظر A.P. Althausen وآخرون ، "التسخين الكهربائي بدرجة حرارة منخفضة" ، موسكو ، إنيرجيا ، 1968). انتشرت هذه الطريقة في مختلف المجالات. اقتصاد وطني. سخان كهربائي أنبوبي ( عنصر التسخين) يمكن وضعها في الماء ، الملح ، المعدن السائل ، القالب ، علبة المرافق لمحرك الاحتراق الداخلي ، إلخ. ومع ذلك ، يتم توفير الجهد الكهربائي للملف المسخن مباشرة من التيار الكهربائي ، ولا تسمح المقاومة الكهربائية العالية نسبيًا للملف بتقليل الجهد المطبق ، مما يستلزم الحاجة إلى عزل كهربائي للملف لضمان السلامة الكهربائية والتي في بدوره يقلل من التوصيل الحراري بين الملف والأنبوب المعدني ، وبالتالي يزيد من سوء انتقال الحرارة بين عنصر التسخين (أوم)والمبرد بشكل عام. لا يستبعد العزل الكهربائي للولب إمكانية تعطله الكهربائي والتلامس مع أنبوب معدني TEN (أ)قدرة كهربائية عالية ، مما يؤدي إلى الحاجة إلى تأريضها. بجانب، عنصر التسخين(ق) لها عمر خدمة محدود بسبب نضوب الملف.

طريقة معروفة لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية وخلق نقل الحرارة، يسمى "اللحام بالتلامس" (انظر NS Kabanov ، "Welding on Contact Machines" ، Moscow ، ed. "Higher School" ، 1985 ؛ Yu.N. Bobrinsky and N.P. Sergeev ، "تصميم وتعديل آلات اللحام بالتلامس" ، موسكو ، محرر "الهندسة" ، 1967 ؛ VG Gevorkyan ، "أساسيات اللحام" ، موسكو ، طبعة "المدرسة العليا" ، 1991). في هذه الطريقة ، يكون عنصر التسخين والمبرد هو المعدن الذي يتم لحامه ، والذي يغلق الملف الثانوي لمحول اللحام ، ونتيجة لذلك يتدفق تيار كهربائي عبر الدائرة المغلقة ، وهو ما يكفي لتسخين المعدن ولحامه. في هذه الحالة ، كل دورة من اللف الثانوي للمحول هي مصدر منفصل للكهرباء ، لأنها تغطي نفس التدفق المغناطيسي الذي تم إنشاؤه في الدائرة المغناطيسية بواسطة الملف الأولي للمحول.

هذه الطريقة هي نموذج أولي. عيب هذه الطريقة هو أنها قابلة للتطبيق فقط على المبردات ذات المقاومة الكهربائية المنخفضة نسبيًا. في حالة استخدام سائل ، على سبيل المثال الماء ، سيكون من الضروري رفض خفض الجهد باستخدام محول ، وستتحول الطريقة إلى الطريقة الأولى التي يتم أخذها في الاعتبار بكل عيوبها.

يتم تحقيق أمان وموثوقية تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية ، ويتم تحقيق كفاءة نقل الحرارة في الطريقة المقترحة باستخدام حلقة مغلقة لموصل تيار كهربائي أو عدة لفات لتشكيل الملف الثانوي للمحول كعنصر تسخين ، وإدخال المبرد على اتصال مع أسطح الموصل. عند إغلاق ملف الموصل ، الذي يغطي الدائرة المغناطيسية للمحول ، يتم تحريضه EMFأقل من عدد الدورات التي يتم توفيرها للملف الأساسي ، مما يضمن السلامة الكهربائية ، ويزداد التيار المتدفق عبر الملف المغلق بشكل حاد بسبب المقاومة الكهربائية المنخفضة للملف وتسخينه بغض النظر عن المقاومة الكهربائية لسائل التبريد. في الوقت نفسه ، يؤدي الاتصال المباشر لسائل التبريد مع أسطح حلقة مغلقة للموصل إلى زيادة كفاءة نقل الحرارة بسبب الانخفاض الحاد في فقد الحرارة. يمكن إنشاء ظروف تستبعد إمكانية احتراق الملف ، مما يضمن موثوقية التحويل.

يُظهر الرسم مثالاً على المعدات التي تنفذ الطريقة المقترحة.

يتم تنفيذ الطريقة على النحو التالي. مع المفتاح K ، اللف الأساسي للمحول مع عدد الدورات دبليو 1الاتصال بالشبكة التيار المتناوب. في الدائرة المغناطيسية 1 ، يحدث تدفق مغناطيسي متناوب ، والذي يستحث EMFفي المنعطفات المغلقة للموصلات 2 و 3 وتسبب تيارًا كهربائيًا فيها ، وتسخينها. الموصل 2 مصنوع على شكل أنبوب ، الموصل 3 مصنوع من حزمة مغلقة سلك نحاس. يتم إدخال المبرد البارد في المدخل A ، على سبيل المثال ، الماء ، الذي يدخل الموصل 2 ويغسل الموصل 3 من الخارج. يحدث التبادل الحراري من خلال واجهات الموصلات 2 و 3 والمبرد ، يسخن المبرد ، ونتيجة لذلك للحمل ، يدخل المخرج B. في حالة واحدة معينة ، قد يكون الموصل 3 غائبًا (يكون ضروريًا عندما لا تتوافق المقاومة الكهربائية للموصل 2 مع قوة المحول). في حالة أخرى خاصة ، من أجل منع تبديد الحرارة من السطح الخارجي للموصل 2 ، بدلاً من الموصل 2 ، يمكن استخدام أنبوب عازل كهربائي ، وبعد ذلك ستتدفق الحرارة إلى المبرد فقط من الموصل 3. في الحالة الثالثة ، المبرد نفسه ، الذي يوضع داخل الأنبوب العازل ، يمكن أن يكون الموصل أو في حجم شكل آخر ، يغطي النواة المغناطيسية.

مثال على التنفيذ المحدد للطريقة

تم أخذ مشعاع فولاذي مختوم من العلامة التجارية 2M3-500 (انظر ص 189 ، كتيب الأعمال الخاصة الذي حرره N. 3.53 إيكم(ما يعادل 11 - مقطعي المبرد الحديد الزهرM-140 وفقًا لـ GOST 8690-58) بسعة 13.3 لتر. من أنبوب فولاذي بقطر 3/4"" تم صنع ملف مغلق يغطي الدائرة المغناطيسية لمحول إمداد الطاقة بقوة 1.5 كيلو واط. تم توصيل مدخل الملف A بالمخرج (الأنبوب الموجود في الجزء السفلي من المبرد المركب عموديًا) ، وتم توصيل مخرج الملف B بمدخل المبرد (الأنبوب في الأعلى) باستخدام خراطيم مطاطية. تم تركيب خزان تمدد في الجزء العلوي من المبرد بسعة 0.25 لتر. ثم امتلأ النظام (الرادياتير - الدوران) بالماء وتم توصيل الملف الأولي للمحول بالشبكة بالجهد. 220 فولت. كانت درجة الحرارة المحيطة بالرادياتير قبل تشغيل المحول 4.5 درجة مئويةفي حجم الغرفة 300 م 3. بعد تشغيل المحول ، تم قياس الجهد الكهربائي على الملف 0.8 فولتوالتيار الكهربائي الذي يمر عبر الملف والذي بلغ 1875 أ. عير 20 دقيقةارتفعت درجة حرارة الماء في المبرد إلى 96 درجة مئوية(كانت درجة حرارة الماء الأولية 12 درجة مئوية) ، وبعد ذلك ، بمساعدة نظام التحكم في الثايرستور ، تم تقليل الطاقة المستهلكة من الشبكة في البداية إلى 800 واط 82 درجة مئويةومن ثم من خلال 2 ساعات تصل إلى 500 واط، مما يضمن الحفاظ على درجة حرارة الماء عند 60 درجة مئوية. نتيجة اختبار لمدة 4 ساعات ، وصلت درجة حرارة الغرفة 18 درجة مئوية. في اليوم التالي تم تشغيل النظام لاستهلاك الطاقة. 1.5 كيلو واط. عير 4 ساعاتوصلت درجة حرارة الغرفة 23 درجة مئوية، وبعد ذلك تم تحويل النظام إلى الاستهلاك 500 واطويتم تشغيله لمدة شهر كجهاز تدفئة.

تم إجراء الاختبارات على تسخين نظام التدفئة بسعة 150 لترحسب الطريقة المقترحة مع استهلاك الطاقة 800 واط. أثناء الاختبارات ، تسخين المياه من 16 درجة مئوية إلى 58.5 درجة مئوية لمدة 7ساعات ، وبعد ذلك تم تحويل النظام إلى الوضع الذي يحافظ على درجة الحرارة عند 58 درجة مئويةفي استهلاك الطاقة 500 واط.

تم إجراء الاختبارات على مقدمة داخل ملف مغلق لحزمة أنابيب فولاذية من أسلاك نحاسية مغلقة بواسطة لحام (موصل 3). نتيجة للاختبارات ، ثبت أنه باستخدام الموصل 3 ، من الممكن تقليل المقاومة الكهربائية المكافئة للانعطافات المغلقة في أي نطاق تقريبًا وزيادة استهلاك الطاقة حتى يتم تحميل المحول بالكامل.

أظهرت الاختبارات إمكانية تقليل استهلاك الكهرباء في 1,5 -2 مرات عند استخدام الطريقة المقترحة مقارنة بالطرق التقليدية.

مطالبة

طريقة لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية وخلق تبادل حراري بين عنصر تسخين وحامل حراري ، باستخدام عنصر تسخين اللف الثانوي لمحول كهربائي ، مصنوع في شكل حلقة مغلقة من موصل على شكل أنبوب مع مدخل ومخرج لسائل التبريد ، يتميز بأنه يتم توفير اتفاقية المبرد من خلاله عنصر تسخينمن خلال توصيل مدخله بمخرج سائل التبريد من المبرد ، ومخرج سائل التبريد من عنصر التسخين إلى مدخل الرادياتير ، يتم إجراء التوصيلات بخراطيم ، ويتم تثبيت المبرد عموديًا بحيث يكون مخرج المبرد من الرادياتير في الجزء السفلي منه ، يتم تثبيت خزان التمدد في الجزء العلوي من الرادياتير ويمتلئ النظام بأكمله بسائل التبريد ويتم توصيل المحول بالشبكة.

الطريقة وفقًا لعنصر الحماية 1 ، تتميز بأن الملف المغلق على شكل أنبوب مصنوع من مادة عازلة كهربائياً ، ويتم تثبيت ملف أو أكثر من لفات الموصل المغلقة بداخله.

طاقة حراريةتحتل مكانة خاصة في النشاط البشري ، حيث تستخدم في جميع قطاعات الاقتصاد ، وترافق معظم العمليات الصناعية ومعيشة الناس. في معظم الحالات ، يتم فقدان الحرارة المهدرة بشكل نهائي وبدون أي فائدة اقتصادية. لم يعد هذا المورد المفقود يستحق أي شيء ، لذا فإن إعادة استخدامه سيساعد في تقليل أزمة الطاقة وحماية البيئة. لذلك ، طرق جديدة لتحويل الحرارة إلى طاقة كهربائيةوأصبح تحويل الحرارة المهدرة إلى كهرباء أكثر أهمية اليوم من أي وقت مضى.

يتطلب تحويل مصادر الطاقة الطبيعية إلى كهرباء أو حرارة أو طاقة حركية أقصى قدر من الكفاءة، خاصة في محطات الطاقة التي تعمل بالغاز والفحم ، لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. يخرج طرق مختلفةتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية حسب أنواع الطاقة الأولية.

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

جدول الأداء الأنظمة الموجودةتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية.

يعتمد اختيار طريقة تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية وجدواها الاقتصادية على احتياجات ناقلات الطاقة وتوافر الوقود الطبيعي وكفاية موقع البناء. يختلف نوع التوليد في جميع أنحاء العالم ، مما يؤدي إلى مجموعة واسعة من أسعار الكهرباء.

تقنيات تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية ، مثل TPP و NPP و KPP و GTPP و TEP والمولدات الكهروحرارية ومولدات MHD لها فوائد مختلفةوعيوب. معهد البحوثتوضح صناعة الطاقة (EPRI) مزايا وعيوب تقنيات توليد الطاقة الطبيعية ، بالنظر إلى العوامل الحاسمة مثل البناء وتكاليف الكهرباء والأرض ومتطلبات المياه وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون والنفايات والقدرة على تحمل التكاليف والمرونة.

تبرز نتائج EPRI أنه لا يوجد نهج واحد يناسب الجميع عند التفكير في تقنيات توليد الطاقة ، ولكن لا يزال للغاز الطبيعي مزايا أكثر ، وكونه ميسور التكلفة للبناء ، وتكلفة منخفضة للكهرباء ، وانبعاثات أقل من الفحم. ومع ذلك ، ليس كل البلدان لديها إمكانية الوصول إلى وفيرة ورخيصة غاز طبيعي. في بعض الحالات ، يكون الوصول إلى الغاز الطبيعي مهددًا بسبب التوترات الجيوسياسية ، كما كان الحال مع أوروبا الشرقيةوبعض دول أوروبا الغربية.

تنتج تقنيات الطاقة المتجددة مثل الوحدات الكهروضوئية الشمسية كهرباء مشعة. ومع ذلك ، فإنها تميل إلى طلب الكثير من الأراضي ، ونتائج فعاليتها غير مستقرة وتعتمد على الطقس. الفحم ، المصدر الرئيسي للحرارة ، هو الأكثر إشكالية. يؤدي في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ويتطلب الكثير منها ماء نظيفلتبريد المبرد ويأخذ مساحة كبيرةلبناء المحطة.

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

محطات توليد الطاقة الحرارية

في محطات الطاقة الحرارية ، يتم الحصول على بخار عالي الضغط ودرجة حرارة عالية من تسخين المياه أثناء الاحتراق وقود صلب(الفحم بشكل أساسي) ، يدور توربينًا متصلًا بمولد. وبالتالي ، فإنه يحول طاقته الحركية إلى طاقة كهربائية. مكونات التشغيل لمحطة الطاقة الحرارية:

1. غلاية تعمل بالغاز.
2. توربينات البخار.
3. مولد كهرباء.
4. مكثف.
5. أبراج التبريد.
6. مضخة مياه متداولة.
7. مضخة مياه الغلايات.
8. مراوح العادم القسري.
9. فواصل.

يظهر الرسم التخطيطي النموذجي أدناه.

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

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

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

يقوم المولد بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى الجزء الثابت والدوار. يتكون الجزء الثابت من مبيت يحتوي على الملفات ، وتتكون المحطة الدوارة للمجال المغناطيسي من قلب يحتوي على الملف.

وفقًا لنوع الطاقة المنتجة ، يتم تقسيم محطات الطاقة الحرارية إلى محطات طاقة مكثفة ، والتي تنتج طاقة كهربائية ومحطات توليد الحرارة والطاقة المشتركة ، والتي تنتج بشكل مشترك الحرارة (البخار و ماء ساخن) والكهرباء. هذا الأخير لديه القدرة على تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية مع كفاءة عالية.

محطات الطاقة النووية

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

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

تتعلق الأنشطة المتعلقة بإنتاج الكهرباء ، في مجملها ، بدورة الوقود النووي لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية في محطات الطاقة النووية. تبدأ دورة الوقود النووي باستخراج اليورانيوم وتنتهي بالتخلص من النفايات النووية. عند إعادة معالجة الوقود المستخدم كخيار للطاقة النووية ، فإن خطواتها تشكل دورة حقيقية.

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

1. إحتراق اليورانيوم 235.
2. الخبث - 235U و (239Pu ، 241Pu) من 238U.
3. في عملية اضمحلال 235U ، ينخفض ​​استهلاكه ، ويتم الحصول على النظائر من 238U أثناء توليد الكهرباء.

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

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

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

حصة توليد الكهرباء في محطات الطاقة النووية من إجمالي رصيد توليدها أنواع مختلفةالموارد ، في سياق بعض البلدان وفي العالم - في الصورة أدناه.

يشبه مبدأ تشغيل محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية مبدأ محطة توليد الطاقة التوربينية البخارية. الاختلاف الوحيد هو أنه في محطة توليد الطاقة التوربينية البخارية ، يتم استخدام البخار المضغوط لتشغيل التوربين ، بينما في محطة توليد الطاقة بالغاز ، يتم استخدام الغاز.

ضع في اعتبارك مبدأ تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية في محطة توليد طاقة توربينية غازية.

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

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

تصميم محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية أبسط بكثير من تصميم محطة توليد الطاقة التوربينية البخارية. حجم محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية أصغر من حجم محطة توليد الطاقة التوربينية البخارية. لا يوجد مكون مرجل وبالتالي فإن النظام أقل تعقيدًا. بدون بخار ، لذلك لا حاجة لمكثف أو برج تبريد.

تصميم وبناء محطات توليد الطاقة التوربينية الغازية الكبيرة أسهل بكثير وأرخص تكلفة ، وتكاليف رأس المال وتكاليف التشغيل إلى حد كبير اقل تكلفةمحطة توليد الطاقة التوربينية البخارية المماثلة.

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

عيوب محطة التوربينات الغازية:

1. تُستخدم الطاقة الميكانيكية المتولدة في التوربين أيضًا لتشغيل ضاغط الهواء.
2. نظرًا لأن معظم الطاقة الميكانيكية المتولدة في التوربين تستخدم للقيادة ضاغط الهواء، الكفاءة الكلية لمحطة توليد الطاقة التوربينية الغازية ليست عالية مثل محطة توليد الطاقة التوربينية البخارية المكافئة.
3. تختلف غازات العادم في محطة توليد الطاقة بتوربينات الغاز اختلافًا كبيرًا عن المرجل.
4. قبل بدء تشغيل التوربين فعليًا ، يجب ضغط الهواء مسبقًا ، الأمر الذي يتطلب مصدرًا إضافيًا للطاقة لبدء تشغيل محطة توليد التوربينات الغازية.
5. درجة حرارة الغاز عالية جدًا في محطة توليد الطاقة بتوربينات الغاز. ينتج عن هذا عمر نظام أقصر من التوربينات البخارية المكافئة.

نظرًا لانخفاض كفاءتها ، لا يمكن استخدام محطة توليد الطاقة التوربينية الغازية لتوليد الطاقة التجارية ، وعادة ما يتم استخدامها لتزويد الطاقة المساعدة لمحطات الطاقة التقليدية الأخرى مثل محطة الطاقة الكهرومائية.

محولات الطاقة الحرارية

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

المبدأ الأساسي لتشغيل محولات الطاقة الحرارية هو أن الإلكترونات تتبخر من سطح الكاثود الساخن في فراغ ثم تتكثف على أنود أكثر برودة. منذ العرض العملي الأول في عام 1957 ، تم استخدام محولات الطاقة الحرارية مع مصادر متعددةالحرارة ، لكنهم جميعًا يحتاجون إلى العمل في درجات حرارة عالية- أعلى من 1500 ك.بينما يكون تشغيل محولات الطاقة الحرارية عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (700 كلفن - 900 كلفن) أمرًا ممكنًا ، فإن كفاءة العملية ، والتي تكون عادةً> 50٪ ، تقل بشكل كبير ، نظرًا لأن عدد الإلكترونات المنبعثة لكل تعتمد مساحة الوحدة من الكاثود على درجة حرارة التسخين.

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

مخطط الرسم البيانيتظهر عملية الانبعاث الحراري الإلكتروني في الصورة.

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

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

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

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

تعد الكهرباء الحرارية مصدرًا مثيرًا للاهتمام للغاية للكهرباء نظرًا لقدرتها على تحويل تدفق الحرارة مباشرة إلى كهرباء. إنه محول طاقة قابل للتطوير بدرجة كبيرة ولا يحتوي على أجزاء متحركة أو وقود سائل ، مما يجعله مناسبًا لأي موقف تقريبًا عدد كبير منعادة ما يتم إرسال الحرارة إلى النفايات ، من الملابس إلى المنشآت الصناعية الكبيرة.

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

تطبيقات الكهرباء الحرارية:

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

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

المبدأ الأساسي وراء جيل تقنيات MHD أنيق. كقاعدة عامة ، عندما يتشكل غاز موصل كهربائيًا ضغط مرتفععن طريق حرق الوقود الأحفوري. ثم يتم توجيه الغاز من خلال مجال مغناطيسي ، مما يتسبب في وجود قوة دافعة كهربائية تعمل بداخله وفقًا لقانون فاراداي للحث (سمي على اسم الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي مايكل فاراداي في القرن التاسع عشر).

نظام MHD هو محرك حراري يتضمن تمدد الغاز من الأعلى إلى ضغط منخفضبنفس الطريقة كما هو الحال في مولد التوربينات الغازية التقليدية. في نظام MHD الطاقة الحركيةيتم تحويل الغاز مباشرة إلى طاقة كهربائية حيث يُسمح له بالتمدد. بدأ الاهتمام بتوليد MHD في البداية من خلال اكتشاف أن تفاعل البلازما مع المجال المغناطيسي يمكن أن يحدث في درجات حرارة أعلى بكثير مما هو ممكن في التوربين الميكانيكي الدوار.

تم وضع حدود الأداء من حيث الكفاءة في المحركات الحرارية التاسع عشر في وقت مبكرقرن من قبل المهندس الفرنسي سادي كارنو. الطاقة الناتجة من مولد MHD لكل منهما متر مكعبحجمه يتناسب طرديًا مع ناتج التوصيل للغاز ، ومربع سرعة الغاز ومربع قوة المجال المغناطيسي الذي يمر الغاز من خلاله. لكي تعمل مولدات MHD بشكل تنافسي ، مع الأداء الجيد والأبعاد الفيزيائية المعقولة ، يجب أن تكون الموصلية الكهربائية للبلازما في نطاق درجة حرارة أعلى من 1800 كلفن (حوالي 1500 درجة مئوية أو 2800 فهرنهايت).

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