Тепло в энергию

Типы преобразования тепла в энергию

Преобразование тепла в энергию относится к процессу преобразования тепла в другие виды энергии, пригодные для использования, как правило, в электрическую энергию. Этот процесс обычно включает в себя использование отработанного тепла от промышленных процессов или геотермальных источников. Для преобразования тепла в энергию используются различные технологии в зависимости от типа источника тепла. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных типов:

• Термоэлектрические генераторы: Эти устройства преобразования тепла в энергию используют эффект Зеебека для прямого преобразования разницы температур в электричество. Это твердотельные устройства, способные производить энергию от отработанного тепла в автомобильной промышленности, промышленных условиях и т. д., эффективно используя в противном случае потерянную тепловую энергию.
• Двигатели Стирлинга: Двигатель Стирлинга представляет собой двигатель внешнего сгорания, который может использовать любую форму тепла, включая солнечную, геотермальную или отработанное тепло, для производства механической работы, которую затем можно преобразовать в электричество. Они отличаются высокой эффективностью и относительно низкими выбросами, что делает их подходящими для систем комбинированного производства тепла и электроэнергии (CHP).
• Системы органического цикла Ранкина (ORC): Системы ORC работают аналогично традиционным паровым турбинам, но используют органические жидкости с более низкими точками кипения, чем вода. Они могут преобразовывать низкотемпературные источники тепла, такие как геотермальная энергия или отработанное тепло промышленности, в электричество.
• Системы аккумулирования тепловой энергии (TES): Системы TES накапливают избыточную тепловую энергию для последующего использования, что помогает сбалансировать предложение и спрос на энергию, интегрируя возобновляемые источники энергии в сеть. Накапливая собранное тепло в пиковые периоды и высвобождая его по мере необходимости, системы TES обеспечивают резервную мощность и повышают стабильность сети, оптимизируя использование ресурсов.
• Тепловые насосы: Тепловые насосы переносят тепло из одного места в другое с помощью механической работы; они также могут производить или использовать тепловую энергию посредством процессов сжатия или расширения, тем самым преобразуя ее в электричество, например, из геотермальной энергии или отработанного тепла, что способствует климатическому контролю и промышленным применениям.

Функция и особенности преобразования тепла в энергию

Основная функция системы преобразования тепла в энергию заключается в преобразовании отработанного тепла в пригодную для использования энергию. Конкретные особенности системы будут зависеть от используемого типа технологии, но некоторые общие особенности перечислены ниже.

• Источник тепла

  Система преобразования тепла в энергию использует в качестве топлива отработанное тепло. Отработанное тепло может поступать из различных источников, включая промышленные процессы, электростанции, геотермальную энергию и солнечную энергию. Источник тепла будет влиять на конструкцию системы.

• Рабочая жидкость

  Рабочая жидкость поглощает тепло от горячего источника и переносит его к преобразователю энергии. Тип используемой рабочей жидкости будет зависеть от применяемой технологии. Например, в системах органического цикла Ранкина используются органические жидкости, а в гидроэлектростанциях - вода.

• Преобразователь энергии

  Преобразователь энергии преобразует тепло от рабочей жидкости в механическую энергию. Тип используемого устройства будет отличаться в зависимости от технологии и конструкции системы. Турбинные системы имеют ротор, который вращается, чтобы создать мощность, а поршневые системы имеют подвижный поршень.

• Генератор

  Генератор - это устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую с помощью электромагнитной индукции. Размер и мощность генератора будут варьироваться в зависимости от энергетических потребностей проекта.

• Система управления

  Система управления оптимизирует работу системы. Она отслеживает температуру и скорость потока рабочей жидкости, регулирует ребра теплообменника и обеспечивает эффективную работу системы.

• Конденсатор

  После того, как рабочая жидкость проходит через преобразователь энергии, она переходит в конденсатор. Здесь жидкость охлаждается перед отправкой обратно в теплообменник. Конденсатор снижает температуру жидкости, чтобы она могла поглотить больше тепла в следующем цикле.

• Теплообменник

  Теплообменник повышает температуру рабочей жидкости с помощью отработанного тепла. Затем нагретая жидкость перемещается к преобразователю энергии для выработки электроэнергии. Теплообменники являются важнейшими элементами систем преобразования тепла в энергию. Они максимизируют энергетическую эффективность, передавая тепло между двумя жидкостями.

Сценарии

Системы преобразования тепла в энергию находят применение в различных отраслях промышленности, каждая из которых имеет свои уникальные применения;

• Выработка энергии: Электростанции используют тепло от двигателей внутреннего сгорания, газовых или паровых турбин для производства электроэнергии в больших масштабах. В качестве альтернативы, возобновляемые источники тепла, такие как солнечные тепловые электростанции и геотермальная энергия, также вносят свой вклад в выработку электроэнергии.
• Промышленные процессы: Ряд отраслей промышленности, включая металлообработку, нефтепереработку и химическое производство, нуждаются в тепле для различных процессов. Пользователи систем преобразования тепла в энергию могут обеспечить необходимое тепло для этих операций с помощью прямого нагрева процессов и сушильных установок для текстильных предприятий.
• Переработка и сохранение пищевых продуктов: Тепло играет жизненно важную роль в приготовлении пищи, ее консервации и переработке. Предприятия, занимающиеся пастеризацией, стерилизацией, приготовлением пищи или сушкой пищевых продуктов, могут использовать решения по преобразованию тепла в энергию для достижения необходимых температур.
• ОВКВ и энергоснабжение зданий: Тепло, выделяемое системами кондиционирования воздуха или отопления, может быть извлечено и использовано для нагрева воды или обогрева помещений с помощью вентиляции с рекуперацией тепла. Это способствует повышению энергоэффективности жилых зданий и снижению затрат на потребление.
• Управление отходами: Муниципалитеты используют мусоросжигательные заводы для переработки отходов, где тепло, выделяемое при сгорании, генерирует электроэнергию или полезную энергию. Кроме того, сочетание газа, образующегося на свалках, с биомассовыми котлами также позволяет преобразовать отходы в ценные ресурсы за счет производства энергии, одновременно снижая воздействие на окружающую среду при управлении отходами.

Выбор правильного метода преобразования тепла в энергию зависит от ряда факторов, в том числе от температуры и количества доступного тепла, типа используемого топлива, финансовых затрат и воздействия на окружающую среду. Каждый из этих факторов играет важную роль в процессе принятия решений.

• Температура и количество доступного тепла: Источники тепла с более высокой температурой (выше 200°C) могут использоваться с такими системами, как паровые турбины, или с передовыми методами преобразования тепловой энергии. Если доступное тепло имеет более низкую температуру, более подходящими вариантами могут быть системы с термическим маслом, реакторами с водой под давлением или органическим циклом Ранкина. При выборе технологии необходимо учитывать и количество выделяемого тепла, поскольку некоторые технологии лучше подходят для обработки больших объемов нагретого воздуха или воды, чем другие.
• Тип топлива: Тип топлива, используемого для генерации тепла, также необходимо учитывать при выборе метода преобразования, поскольку определенные виды топлива лучше всего работают с определенными технологиями. Например, топливо из биомассы можно сочетать с поршневыми двигателями или газификаторами, а природный газ может более соответствовать турбинным подходам.
• Затраты: Финансовые затраты всегда будут играть неотъемлемую роль в любом процессе принятия решений, поэтому важно сопоставить капитальные затраты с эксплуатационными расходами, а также потенциальный доход от продажи электроэнергии, генерируемой за счет этих преобразований, со всеми инвестиционными затратами, прежде чем принимать окончательное решение о том, какая технология была бы наиболее подходящей с финансовой точки зрения для конкретной ситуации.
• Воздействие на окружающую среду: Наконец, необходимо учитывать воздействие на окружающую среду различных способов преобразования тепловой энергии. Это включает в себя выбросы, образующиеся во время эксплуатации, а также использование водных ресурсов, например, находящихся в системах, использующих градирни, а также любой физический след, оставленный заводами, построенными для проведения таких преобразований и т. д. Все эти факторы необходимо тщательно учитывать вместе с ранее упомянутыми, прежде чем принимать решение о том или ином решении.

Часто задаваемые вопросы о преобразовании тепла в энергию

В1. Являются ли преобразователи тепла в энергию экологически чистыми?

О1. Некоторые преобразователи тепла в энергию, такие как геотермальная энергия, экологически чисты, поскольку они имеют минимальные выбросы. Однако экологическая чистота также зависит от источника тепла; например, утилизация отработанного тепла оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем тепло от ископаемого топлива.

В2. Сколько стоит установка системы преобразования тепла в энергию?

О2. Стоимость реализации системы преобразования тепла в энергию варьируется в зависимости от используемого типа технологии, размера системы и того, является ли это коммерческая или жилая установка. Она также может варьироваться в зависимости от места реализации, поскольку в некоторых регионах действуют государственные субсидии или стимулы для снижения стоимости. Тщательная оценка проекта поможет определить предполагаемые затраты.

В3. Предоставляются ли государственные стимулы для систем преобразования тепла в энергию?

О3. Государственные стимулы для систем преобразования тепла в энергию варьируются в зависимости от страны и региона, но могут включать налоговые кредиты, гранты, скидки и программы финансирования. Эти стимулы могут предоставляться для конкретных технологий, таких как системы CHP, биомассовые котлы, геотермальные тепловые насосы и солнечные водонагреватели. Они также могут предоставляться для жилых или коммерческих систем.

В4. Требуют ли системы преобразования тепла в энергию технического обслуживания?

О4. Системы преобразования тепла в энергию, как и любое другое оборудование, требуют регулярного технического обслуживания для обеспечения оптимальной работы и долговечности. Требования к техническому обслуживанию зависят от типа и сложности системы. Это включает в себя проверку и замену фильтров, осмотр и смазку насосов и двигателей, а также мониторинг и регулировку элементов управления.

В5. Могут ли системы преобразования тепла в энергию обеспечивать резервное питание в чрезвычайных ситуациях?

О5. Некоторые системы преобразования тепла в энергию могут обеспечивать резервное питание в чрезвычайных ситуациях. К ним относятся системы на биомассе, биомассовые печи и системы CHP. Система на биомассе может обеспечивать электроэнергию даже во время отключения сети, если она имеет достаточно большой запас топлива из биомассы и мощности преобразования энергии. Системы CHP могут обеспечивать электроэнергию, продолжая производить тепло и используя отработанное тепло для вторичной генерации энергии в форме районных энергетических систем, таких как электростанции комбинированного производства тепла и электроэнергии (CHP).