การแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูง: วิธีการและอุปกรณ์

2024 ผู้เขียน: Howard Calhoun | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-17 19:10

พลังงานความร้อนครอบครองพื้นที่พิเศษในกิจกรรมของมนุษย์ เนื่องจากมีใช้ในทุกภาคส่วนของเศรษฐกิจ ควบคู่ไปกับกระบวนการทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่และการดำรงชีวิตของผู้คน ในกรณีส่วนใหญ่ ความร้อนทิ้งจะสูญเสียไปโดยไม่สามารถเพิกถอนได้และไม่เกิดประโยชน์ทางเศรษฐกิจใดๆ ทรัพยากรที่สูญเสียไปนี้ไม่คุ้มค่าอีกต่อไป ดังนั้นการนำกลับมาใช้ใหม่จะช่วยลดวิกฤตด้านพลังงานและปกป้องสิ่งแวดล้อม ดังนั้นวิธีการใหม่ในการแปลงความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าและการแปลงความร้อนเหลือทิ้งเป็นไฟฟ้าจึงมีความเกี่ยวข้องมากขึ้นในปัจจุบัน

ประเภทการผลิตไฟฟ้า

การเปลี่ยนแหล่งพลังงานธรรมชาติให้เป็นไฟฟ้า ความร้อน หรือพลังงานจลน์ต้องมีประสิทธิภาพสูงสุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโรงไฟฟ้าที่ใช้ก๊าซและถ่านหินเป็นเชื้อเพลิง เพื่อลดการปล่อย CO2_{2 มีหลายวิธีในการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าขึ้นอยู่กับประเภทของพลังงานปฐมภูมิ}

ในบรรดาแหล่งพลังงาน ถ่านหินและก๊าซธรรมชาติถูกใช้เพื่อผลิตไฟฟ้าโดยการเผาไหม้ (พลังงานความร้อน) และยูเรเนียมโดยปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชัน (พลังงานนิวเคลียร์) เพื่อใช้พลังงานไอน้ำเพื่อหมุนกังหันไอน้ำ แสดง 10 ประเทศผู้ผลิตไฟฟ้าสูงสุดในปี 2560 ในรูป

ตารางประสิทธิภาพของระบบที่มีอยู่สำหรับการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า

	การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานความร้อน	ประสิทธิภาพ %
1	โรงไฟฟ้าพลังความร้อน โรงไฟฟ้า CHP	32
2	โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์	80
3	โรงไฟฟ้าควบแน่น IES	40
4	โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ GTPP	60
5	ทรานสดิวเซอร์ความร้อน, TEC	40
6	เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก	7
7	MHD เครื่องกำเนิดไฟฟ้าพร้อม CHP	60

การเลือกวิธีการแปลงพลังงานความร้อนเป็นไฟฟ้าและความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจขึ้นอยู่กับความต้องการพลังงาน ความพร้อมใช้ของเชื้อเพลิงธรรมชาติ และความเพียงพอของสถานที่ก่อสร้าง ประเภทของการผลิตไฟฟ้าจะแตกต่างกันไปทั่วโลก ส่งผลให้ราคาไฟฟ้ามีราคาที่หลากหลาย

ปัญหาของอุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้าแบบดั้งเดิม

เทคโนโลยีสำหรับการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้า เช่น โรงไฟฟ้าพลังความร้อน โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ IES โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ โรงไฟฟ้าพลังความร้อน เครื่องกำเนิดความร้อน เครื่องกำเนิด MHD มีข้อดีและข้อเสียต่างกัน สถาบันวิจัยพลังงานไฟฟ้า (EPRI) แสดงให้เห็นถึงข้อดีและข้อเสียของเทคโนโลยีการผลิตพลังงานธรรมชาติ โดยพิจารณาจากปัจจัยสำคัญ เช่น การก่อสร้างและต้นทุนไฟฟ้า ที่ดิน ข้อกำหนดน้ำ การปล่อย CO_{2 ของเสีย ความสามารถในการจ่ายได้ และความยืดหยุ่น}

ผลลัพธ์ EPRI เน้นว่าไม่มีแนวทางใดที่ลงตัวเมื่อพิจารณาถึงเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้า แต่ก๊าซธรรมชาติยังคงให้ประโยชน์มากกว่าเพราะมีราคาไม่แพงสำหรับการก่อสร้าง มีต้นทุนไฟฟ้าต่ำ สร้างการปล่อยมลพิษน้อยกว่า ถ่านหิน. อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ทุกประเทศที่สามารถเข้าถึงก๊าซธรรมชาติที่มีราคาถูกและอุดมสมบูรณ์ ในบางกรณี การเข้าถึงก๊าซธรรมชาติอยู่ภายใต้การคุกคามเนื่องจากความตึงเครียดทางการเมือง เช่นเดียวกับในยุโรปตะวันออกและบางประเทศในยุโรปตะวันตก

เทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียน เช่น ลมกังหัน โมดูลโซลาร์เซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ผลิตไฟฟ้าปล่อย อย่างไรก็ตาม พวกเขามักจะต้องการที่ดินจำนวนมาก และผลลัพธ์ของประสิทธิภาพก็จะไม่เสถียรและขึ้นอยู่กับสภาพอากาศ ถ่านหินซึ่งเป็นแหล่งความร้อนหลักเป็นปัญหามากที่สุด มันนำไปสู่การปล่อย CO_{2 ต้องใช้น้ำสะอาดจำนวนมากเพื่อทำให้น้ำหล่อเย็นเย็นลง และใช้พื้นที่ขนาดใหญ่สำหรับการก่อสร้างสถานี}

เทคโนโลยีใหม่มุ่งลดปัญหาที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าจำนวนหนึ่ง ตัวอย่างเช่น กังหันก๊าซรวมกับแบตเตอรี่สำรองช่วยให้สามารถสำรองพลังงานฉุกเฉินได้โดยไม่ต้องเผาไหม้เชื้อเพลิง และสามารถบรรเทาปัญหาทรัพยากรหมุนเวียนที่ไม่ต่อเนื่องได้ด้วยการสร้างแหล่งกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่ในราคาประหยัด ดังนั้น วันนี้จึงไม่มีวิธีใดที่สมบูรณ์แบบในการแปลงพลังงานความร้อนเป็นไฟฟ้า ซึ่งสามารถให้ไฟฟ้าที่เชื่อถือได้และคุ้มค่า โดยมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุด

โรงไฟฟ้าพลังความร้อน

ที่โรงไฟฟ้าพลังความร้อน ไอน้ำแรงดันสูงและอุณหภูมิสูง ที่ได้จากการทำน้ำร้อนโดยการเผาเชื้อเพลิงแข็ง (ส่วนใหญ่เป็นถ่านหิน) จะหมุนกังหันที่เชื่อมต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ดังนั้นมันจึงแปลงพลังงานจลน์เป็นพลังงานไฟฟ้า ส่วนประกอบการดำเนินงานของโรงไฟฟ้าพลังความร้อน:

1. หม้อต้มพร้อมเตาแก๊ส
2. กังหันไอน้ำ
3. เครื่องกำเนิดไฟฟ้า
4. ตัวเก็บประจุ
5. คูลลิ่งทาวเวอร์
6. ปั๊มน้ำหมุนเวียน
7. ปั๊มป้อนน้ำเข้าหม้อต้ม
8. บังคับพัดลมดูดอากาศ
9. คั่น

แผนภาพทั่วไปของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนแสดงอยู่ด้านล่าง

หม้อต้มไอน้ำใช้แปลงน้ำเป็นไอน้ำ กระบวนการนี้ดำเนินการโดยทำน้ำร้อนในท่อที่มีความร้อนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง กระบวนการเผาไหม้ดำเนินการอย่างต่อเนื่องในห้องเผาไหม้เชื้อเพลิงโดยมีการจ่ายอากาศจากภายนอก

กังหันไอน้ำส่งพลังงานไอน้ำไปขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ไอน้ำที่มีความดันสูงและอุณหภูมิสูงจะดันใบพัดกังหันที่ติดตั้งอยู่บนเพลาเพื่อให้เริ่มหมุน ในกรณีนี้ พารามิเตอร์ของไอน้ำร้อนยวดยิ่งที่เข้าสู่กังหันจะลดลงสู่สถานะอิ่มตัว ไอน้ำอิ่มตัวเข้าสู่คอนเดนเซอร์ และใช้พลังงานแบบหมุนเพื่อหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งผลิตกระแสไฟฟ้า กังหันไอน้ำเกือบทั้งหมดในปัจจุบันเป็นประเภทคอนเดนเซอร์

คอนเดนเซอร์เป็นอุปกรณ์สำหรับแปลงไอน้ำเป็นน้ำ ไอน้ำไหลออกนอกท่อและน้ำหล่อเย็นจะไหลภายในท่อ การออกแบบนี้เรียกว่าตัวเก็บประจุพื้นผิว อัตราการถ่ายเทความร้อนขึ้นอยู่กับการไหลของน้ำหล่อเย็น พื้นที่ผิวของท่อ และความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างไอน้ำกับน้ำหล่อเย็น กระบวนการเปลี่ยนไอน้ำเกิดขึ้นภายใต้แรงดันและอุณหภูมิอิ่มตัว ในกรณีนี้คอนเดนเซอร์อยู่ภายใต้สุญญากาศ เนื่องจากอุณหภูมิของน้ำหล่อเย็นเท่ากับอุณหภูมิภายนอก อุณหภูมิสูงสุดของน้ำคอนเดนเสทอยู่ใกล้กับอุณหภูมิภายนอก

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแปลงกลไกพลังงานให้เป็นไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าประกอบด้วยสเตเตอร์และโรเตอร์ สเตเตอร์ประกอบด้วยตัวเรือนที่มีขดลวด และสถานีหมุนสนามแม่เหล็กประกอบด้วยแกนที่มีขดลวด

ตามประเภทของพลังงานที่ผลิต TPP แบ่งออกเป็น IES ควบแน่น ซึ่งผลิตไฟฟ้าและโรงไฟฟ้าพลังความร้อนร่วมซึ่งร่วมกันผลิตความร้อน (ไอน้ำและน้ำร้อน) และไฟฟ้า หลังมีความสามารถในการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์

โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใช้ความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันเพื่อทำให้น้ำร้อนและผลิตไอน้ำ ไอน้ำใช้หมุนกังหันขนาดใหญ่ที่ผลิตกระแสไฟฟ้า ในการแตกตัว อะตอมจะแยกตัวออกเป็นอะตอมที่มีขนาดเล็กลงและปล่อยพลังงานออกมา กระบวนการนี้เกิดขึ้นภายในเครื่องปฏิกรณ์ ที่ศูนย์กลางของมันคือแกนกลางที่ประกอบด้วยยูเรเนียม 235 เชื้อเพลิงสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ได้มาจากยูเรเนียมซึ่งมีไอโซโทป 235U (0.7%) และ 238U ที่ไม่แตกแยก (99.3%)

วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เป็นชุดของขั้นตอนทางอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับการผลิตไฟฟ้าจากยูเรเนียมในเครื่องปฏิกรณ์พลังงานนิวเคลียร์ ยูเรเนียมเป็นองค์ประกอบที่พบได้ทั่วไปทั่วโลก มีการขุดในหลายประเทศและแปรรูปก่อนนำไปใช้เป็นเชื้อเพลิง

กิจกรรมที่เกี่ยวข้องกับการผลิตไฟฟ้าเรียกรวมกันว่าวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์สำหรับการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ นิวเคลียร์วัฏจักรเชื้อเพลิงเริ่มต้นด้วยการขุดยูเรเนียมและจบลงด้วยการกำจัดกากนิวเคลียร์ เมื่อนำเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วกลับมาใช้ใหม่เป็นทางเลือกสำหรับพลังงานนิวเคลียร์ ขั้นตอนของเชื้อเพลิงจะก่อให้เกิดวัฏจักรที่แท้จริง

วัฏจักรเชื้อเพลิงยูเรเนียมกับพลูโทเนียม

เพื่อเตรียมเชื้อเพลิงสำหรับใช้ที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ กระบวนการจะดำเนินการสำหรับการสกัด แปรรูป การแปลงสภาพ การเพิ่มสมรรถนะ และการผลิตองค์ประกอบเชื้อเพลิง วัฏจักรเชื้อเพลิง:

1. ยูเรเนียม 235 เผาไหม้
2. Slag - 235U and (239Pu, 241Pu) จาก 238U.
3. ในช่วงการสลายตัวของ 235U ปริมาณการใช้จะลดลง และไอโซโทปได้มาจาก 238U เมื่อผลิตไฟฟ้า

แท่งเชื้อเพลิงสำหรับ VVR มีค่าใช้จ่ายประมาณ 20% ของต้นทุนการผลิตไฟฟ้า

หลังจากที่ยูเรเนียมใช้เวลาประมาณสามปีในเครื่องปฏิกรณ์ เชื้อเพลิงที่ใช้สามารถผ่านขั้นตอนการใช้งานอื่นได้ ซึ่งรวมถึงการจัดเก็บชั่วคราว การนำกลับมาใช้ใหม่ และการรีไซเคิลก่อนการกำจัดของเสีย โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ให้การแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง ความร้อนที่ปล่อยออกมาในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียร์ในแกนเครื่องปฏิกรณ์จะใช้เพื่อเปลี่ยนน้ำให้เป็นไอน้ำ ซึ่งหมุนใบพัดของกังหันไอน้ำ ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

ไอน้ำถูกทำให้เย็นลงโดยเปลี่ยนเป็นน้ำในโครงสร้างที่แยกจากกันในโรงไฟฟ้าที่เรียกว่าคูลลิ่งทาวเวอร์ ซึ่งใช้น้ำจากบ่อน้ำ แม่น้ำ หรือมหาสมุทรเพื่อทำให้น้ำสะอาดของวงจรพลังงานไอน้ำเย็นลง จากนั้นนำน้ำเย็นกลับมาผลิตไอน้ำ

ส่วนแบ่งการผลิตไฟฟ้าที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์สัมพันธ์ความสมดุลโดยรวมของการผลิตทรัพยากรประเภทต่าง ๆ ในบริบทของบางประเทศและในโลก - ในภาพด้านล่าง

โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ

หลักการทำงานของโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซคล้ายกับโรงไฟฟ้ากังหันไอน้ำ ข้อแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือโรงไฟฟ้ากังหันไอน้ำใช้ไอน้ำอัดเพื่อหมุนกังหัน ในขณะที่โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซใช้ก๊าซ

ลองพิจารณาหลักการของการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานไฟฟ้าในโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซกัน

ในโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ อากาศถูกอัดในคอมเพรสเซอร์ จากนั้นอากาศอัดนี้จะไหลผ่านห้องเผาไหม้ ซึ่งเป็นที่ที่ส่วนผสมของก๊าซและอากาศก่อตัวขึ้น อุณหภูมิของอากาศอัดจะเพิ่มขึ้น ส่วนผสมที่มีอุณหภูมิสูงและแรงดันสูงนี้จะถูกส่งผ่านกังหันก๊าซ ในเทอร์ไบน์ มันขยายตัวอย่างรวดเร็วและได้รับพลังงานจลน์มากพอที่จะหมุนกังหัน

ในโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ เพลากังหัน เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ และเครื่องอัดอากาศเป็นเรื่องปกติ พลังงานกลที่สร้างขึ้นในกังหันเป็นส่วนหนึ่งของการอัดอากาศ โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซมักใช้เป็นพลังงานสำรองให้กับโรงไฟฟ้าพลังน้ำ มันสร้างพลังงานเสริมในระหว่างการเริ่มต้นของโรงไฟฟ้าพลังน้ำ

ข้อดีและข้อเสียของโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ

ออกแบบโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซง่ายกว่าโรงไฟฟ้ากังหันไอน้ำมาก ขนาดของโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซมีขนาดเล็กกว่าโรงไฟฟ้ากังหันไอน้ำ ไม่มีส่วนประกอบของหม้อไอน้ำในโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ และระบบจึงไม่ซับซ้อน ไม่ต้องใช้ไอน้ำ ไม่ต้องใช้คอนเดนเซอร์หรือคูลลิ่งทาวเวอร์

การออกแบบและก่อสร้างโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซอันทรงพลังนั้นง่ายกว่าและถูกกว่ามาก ต้นทุนเงินทุนและการดำเนินงานน้อยกว่าต้นทุนของโรงไฟฟ้ากังหันไอน้ำที่คล้ายกันมาก

การสูญเสียอย่างถาวรในโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซมีน้อยมากเมื่อเทียบกับโรงไฟฟ้ากังหันไอน้ำ เนื่องจากในกังหันไอน้ำ โรงไฟฟ้าหม้อไอน้ำต้องทำงานอย่างต่อเนื่อง แม้ว่าระบบจะไม่จ่ายโหลดให้กับเครือข่าย. โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซสามารถเริ่มต้นได้ทันที

ข้อเสียของโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ:

1. พลังงานกลที่สร้างขึ้นในกังหันก็ถูกใช้เพื่อขับเคลื่อนเครื่องอัดอากาศด้วย
2. เนื่องจากพลังงานกลส่วนใหญ่ที่สร้างขึ้นในกังหันถูกใช้เพื่อขับเคลื่อนเครื่องอัดอากาศ ประสิทธิภาพโดยรวมของโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซจึงไม่สูงเท่ากับโรงไฟฟ้ากังหันไอน้ำเทียบเท่า
3. ก๊าซไอเสียในโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซแตกต่างจากหม้อไอน้ำมาก
4. ก่อนเริ่มกังหันจริง อากาศจะต้องถูกบีบอัดล่วงหน้า ซึ่งต้องใช้แหล่งพลังงานเพิ่มเติมเพื่อเริ่มโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ
5. อุณหภูมิของแก๊สสูงพอสำหรับโรงไฟฟ้ากังหันก๊าซ ส่งผลให้อายุการใช้งานของระบบสั้นลงกว่ากังหันไอน้ำเทียบเท่า

เนื่องจากประสิทธิภาพที่ต่ำกว่า โรงไฟฟ้ากังหันก๊าซจึงไม่สามารถนำมาใช้สำหรับการผลิตไฟฟ้าเชิงพาณิชย์ได้ โดยปกติแล้วจะใช้เพื่อจ่ายพลังงานเสริมให้กับโรงไฟฟ้าทั่วไปอื่นๆ เช่น โรงไฟฟ้าพลังน้ำ

ตัวแปลงความร้อน

เรียกอีกอย่างว่าเครื่องกำเนิดความร้อนหรือมอเตอร์เทอร์โมอิเล็กทริกซึ่งแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าโดยตรงโดยใช้การปล่อยความร้อน พลังงานความร้อนสามารถแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพที่สูงมากผ่านกระบวนการไหลของอิเล็กตรอนที่เกิดจากอุณหภูมิที่เรียกว่าการแผ่รังสีความร้อน

หลักการพื้นฐานของการทำงานของตัวแปลงพลังงานความร้อนคืออิเล็กตรอนระเหยจากพื้นผิวของแคโทดที่ให้ความร้อนในสุญญากาศแล้วควบแน่นบนขั้วบวกที่เย็นกว่า นับตั้งแต่การสาธิตเชิงปฏิบัติครั้งแรกในปี 2500 ตัวแปลงพลังงานความร้อนได้ถูกนำมาใช้กับแหล่งความร้อนที่หลากหลาย แต่ทั้งหมดต้องการการทำงานที่อุณหภูมิสูง - สูงกว่า 1500 K ในขณะที่การทำงานของตัวแปลงพลังงานความร้อนที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ (700 K - 900 K) เป็นไปได้ ประสิทธิภาพของกระบวนการ ซึ่งปกติ > 50% จะลดลงอย่างมากเนื่องจากจำนวนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยพื้นที่จากแคโทดขึ้นอยู่กับอุณหภูมิความร้อน

สำหรับวัสดุแคโทดทั่วไป เช่นเช่นเดียวกับโลหะและเซมิคอนดักเตอร์ จำนวนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของอุณหภูมิแคโทด อย่างไรก็ตาม การศึกษาเมื่อเร็ว ๆ นี้แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิความร้อนสามารถลดลงได้ตามลำดับความสำคัญโดยใช้กราฟีนเป็นแคโทดร้อน ข้อมูลที่ได้รับแสดงให้เห็นว่าตัวแปลงความร้อนแคโทดที่ใช้กราฟีนทำงานที่ 900 K สามารถบรรลุประสิทธิภาพ 45%

แผนผังของกระบวนการปล่อยอิเล็กตรอนเทอร์มิโอนิกแสดงอยู่ในรูปภาพ

TIC อิงจากกราฟีน โดยที่ Tc และ Ta คืออุณหภูมิของแคโทดและอุณหภูมิของขั้วบวกตามลำดับ จากกลไกใหม่ของการปล่อยความร้อน นักวิจัยแนะนำว่าตัวแปลงพลังงานแคโทดที่ใช้กราฟีนสามารถนำไปใช้ในการรีไซเคิลความร้อนเหลือทิ้งจากอุตสาหกรรม ซึ่งมักจะถึงช่วงอุณหภูมิ 700 ถึง 900 K

โมเดลใหม่ที่นำเสนอโดย Liang และ Eng อาจเป็นประโยชน์ต่อการออกแบบตัวแปลงพลังงานที่ใช้กราฟีน ตัวแปลงพลังงานโซลิดสเตตซึ่งส่วนใหญ่เป็นเครื่องกำเนิดเทอร์โมอิเล็กทริก มักจะทำงานอย่างไม่มีประสิทธิภาพในช่วงอุณหภูมิต่ำ (ประสิทธิภาพน้อยกว่า 7%)

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก

การรีไซเคิลพลังงานเหลือใช้ได้กลายเป็นเป้าหมายยอดนิยมสำหรับนักวิจัยและนักวิทยาศาสตร์ที่คิดค้นวิธีการใหม่ๆ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ หนึ่งในพื้นที่ที่มีแนวโน้มมากที่สุดคืออุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกที่ใช้เทคโนโลยีนาโนซึ่งดูเหมือนแนวทางใหม่ในการประหยัดพลังงาน การแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าโดยตรงหรือไฟฟ้าเป็นความร้อนเรียกว่าเทอร์โมอิเล็กทริกโดยอิงจากเอฟเฟกต์เพลเทียร์ เพื่อความแม่นยำ เอฟเฟกต์นี้ตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์สองคน - Jean Peltier และ Thomas Seebeck

Peltier ค้นพบว่ากระแสไฟฟ้าที่ส่งไปยังตัวนำไฟฟ้าที่แตกต่างกันสองตัวที่เชื่อมต่อกันที่ทางแยกสองทางจะทำให้ชุมทางสายหนึ่งร้อนขึ้นในขณะที่ทางแยกอีกสายหนึ่งเย็นลง เพลเทียร์ทำการวิจัยต่อไปและพบว่าหยดน้ำสามารถทำให้กลายเป็นน้ำแข็งที่จุดแยกบิสมัท-พลวง (BiSb) โดยเพียงแค่เปลี่ยนกระแส เพลเทียร์ยังพบว่ากระแสไฟฟ้าสามารถไหลได้เมื่อวางความแตกต่างของอุณหภูมิไว้บนทางแยกของตัวนำไฟฟ้าต่างๆ

เทอร์โมอิเล็กทริกเป็นแหล่งไฟฟ้าที่น่าสนใจอย่างยิ่งเนื่องจากความสามารถในการแปลงกระแสความร้อนเป็นไฟฟ้าโดยตรง มันคือตัวแปลงพลังงานที่สามารถปรับขนาดได้สูงและไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวหรือเชื้อเพลิงเหลว ทำให้เหมาะสำหรับเกือบทุกสถานการณ์ที่ความร้อนจำนวนมากมักจะทิ้งไป ตั้งแต่เสื้อผ้าไปจนถึงโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่

โครงสร้างนาโนที่ใช้ในวัสดุกึ่งตัวนำเทอร์โมคัปเปิลจะช่วยรักษาค่าการนำไฟฟ้าที่ดีและช่วยลดการนำความร้อน ดังนั้นประสิทธิภาพของอุปกรณ์เทอร์โมอิเล็กทริกสามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยการใช้วัสดุที่ใช้เทคโนโลยีนาโนโดยใช้เอฟเฟกต์เพลเทียร์ พวกเขาได้ปรับปรุงคุณสมบัติเทอร์โมอิเล็กทริกและความสามารถในการดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ที่ดี

การประยุกต์ใช้เทอร์โมอิเล็กทริก:

1. ผู้ให้บริการพลังงานและเซ็นเซอร์ในช่วง
2. ตะเกียงน้ำมันเผาไหม้ที่ควบคุมเครื่องรับไร้สายสำหรับการสื่อสารทางไกล
3. การใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก เช่น เครื่องเล่น MP3, นาฬิกาดิจิตอล, ชิป GPS/GSM และเครื่องวัดแรงกระตุ้นด้วยความร้อนจากร่างกาย
4. เบาะนั่งเย็นเร็วในรถหรู
5. ล้างความร้อนทิ้งในรถโดยแปลงเป็นไฟฟ้า
6. เปลี่ยนความร้อนทิ้งจากโรงงานหรือโรงงานอุตสาหกรรมให้เป็นพลังงานเพิ่มเติม
7. เทอร์โมอิเล็กทริกจากแสงอาทิตย์อาจมีประสิทธิภาพมากกว่าเซลล์แสงอาทิตย์สำหรับการผลิตกระแสไฟฟ้า โดยเฉพาะในพื้นที่ที่มีแสงแดดน้อย

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าMHD

เครื่องกำเนิดพลังงานแมกนีโตไฮโดรไดนามิกส์สร้างกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาของของไหลเคลื่อนที่ (โดยปกติคือก๊าซหรือพลาสมาที่แตกตัวเป็นไอออน) และสนามแม่เหล็ก ตั้งแต่ปี 1970 โครงการวิจัย MHD ได้ดำเนินการในหลายประเทศโดยเน้นที่การใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงโดยเฉพาะ

หลักการพื้นฐานของการสร้างเทคโนโลยี MHD นั้นสง่างาม โดยปกติก๊าซที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าจะผลิตขึ้นที่ความดันสูงโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล จากนั้นก๊าซจะถูกส่งผ่านสนามแม่เหล็ก ส่งผลให้มีแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระทำภายในตามกฎการเหนี่ยวนำฟาราเดย์ (ตั้งชื่อตาม Michael Faraday นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวอังกฤษในศตวรรษที่ 19)

ระบบ MHD เป็นเครื่องยนต์ความร้อนที่รวมการขยายตัวของก๊าซจากแรงดันสูงไปยังแรงดันต่ำในลักษณะเดียวกับเครื่องกำเนิดกังหันก๊าซทั่วไป ในระบบ MHD พลังงานจลน์ของก๊าซจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง เนื่องจากสามารถขยายได้ ความสนใจในการสร้าง MHD เริ่มต้นจากการค้นพบว่าปฏิกิริยาของพลาสมากับสนามแม่เหล็กสามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิสูงกว่าที่เป็นไปได้ในกังหันเครื่องกลที่หมุนได้

ประสิทธิภาพที่จำกัดในแง่ของประสิทธิภาพในเครื่องยนต์ความร้อนถูกกำหนดขึ้นเมื่อต้นศตวรรษที่ 19 โดยวิศวกรชาวฝรั่งเศส Sadi Carnot กำลังขับของเครื่องกำเนิด MHD สำหรับปริมาตรแต่ละลูกบาศก์เมตรเป็นสัดส่วนกับผลิตภัณฑ์ค่าการนำไฟฟ้าของแก๊ส กำลังสองของความเร็วของแก๊ส และกำลังสองของความแรงของสนามแม่เหล็กที่ก๊าซผ่าน เพื่อให้เครื่องกำเนิด MHD สามารถแข่งขันได้ ด้วยประสิทธิภาพที่ดีและขนาดทางกายภาพที่เหมาะสม การนำไฟฟ้าของพลาสม่าต้องอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่สูงกว่า 1800 K (ประมาณ 1500 C หรือ 2800 F)

การเลือกประเภทของเครื่องกำเนิด MHD ขึ้นอยู่กับเชื้อเพลิงที่ใช้และแอพพลิเคชั่น ปริมาณสำรองถ่านหินที่มีอยู่อย่างมากมายในหลายประเทศทั่วโลกมีส่วนช่วยในการพัฒนาระบบคาร์บอน MHD สำหรับการผลิตไฟฟ้า