Энергетика использующая разность температур это кратко
Обновлено: 05.07.2024
Один из видов возобновляемой энергии, которая в последнее время привлекает внимание ученых и исследователей — энергия температурного градиента морской воды. В случае использования специализированного оборудования становится возможным получение электрической энергии за счет использования разницы температур на глубине морского или океанского дна и на их поверхности.
Активно развивать технологию стали только после крупного нефтяного кризиса. На данный момент первым проектом по добыче электрической энергии путем использования температурного градиента морской воды считается станция, построенная властями США на Гавайях, которая работала вплоть до 1981 года. Несмотря на то, что база считалась по большей части экспериментальной, она продемонстрировала высокие показатели по добыче электричества.
Сам процесс по добыче электричества за счет потенциала температурного градиента возможен за счет особенностей прогрева солнечных лучей поверхности воды. Ближе к поверхности, солнечные лучи прогревают воду до 20 градусов и чем глубже поток воды, тем ниже его температура. Использование специальных приборов для освобождения энергии в каждом кубе воды позволяет получить до 1,5 гВт энергии из двадцати кубометров воды за одну секунду. Подобную мощность демонстрирует только атомная электрическая станция. Но, в отличие от атомной станции, установки на воде практически не наносят вреда окружающей среде.
За счет того, что воды Мирового океана занимают более 70% поверхности планеты, потенциал для выработки электричества огромен и он самовозобновляем. Так, каждый день солнечные лучи передают такое количество энергии, которое способно дать в результате переработки 250 млрд баррелей нефти.
Для получения электрической энергии путем конверсии энергии температурного градиента воды используются специальные гидротермальные станции. Они устанавливаются в пределах океанического акватория. Единственное, что не позволяет добиться максимального успеха в процессе получения электрической энергии — несовершенство актуальных технологий, большинство установок носит экспериментальный характер.
Принцип работы основан на термодинамическом цикле, когда осуществляется перенос тепла от прогретой воды с параллельным получением электрической энергии. Потенциал станции зависит от актуальной температуры — чем сильнее прогрета вода, тем выше продуктивность самой станции. Холодная вода с глубин используется для охлаждения системы, а прогретая вода с поверхности необходима для нагревания сектора, в котором низкокипящий элемент испаряется под давлением. Получение в результате испарения газ приводит в работу турбины генератора для выработки электрической энергии.
Использования гидростанций, получающих электрическую энергию за счет разницы температур воды, носят огромный потенциал для обеспечения удаленных регионов мира. В таком случае они смогут получать электричество на постоянной основе и не зависеть от транспортируемого топлива. Как продемонстрировал успешный запуск гавайской станции, такие станции являются выгодным элементом инвестирования.
В результате работ российского академика А.Ф. Иоффе и его сотрудников, были синтезированы полупроводниковые сплавы, которые позволили применить этот эффект на практике и приступить к серийному выпуску термоэлектрических охлаждающих приборов для широкого применения в различных областях человеческой деятельности.
Единичным элементом термоэлектрического модуля (ТЭМ) является термопара, состоящая из двух разнородных элементов с p- и n- типом проводимости. Элементы соединяются между собой при помощи коммутационной пластины из меди. В качестве материала элементов традиционно используются полупроводники на основе висмута, теллура, сурьмы и селена.
Термоэлектрический модуль (Элемент Пельтье) представляет собой совокупность термопар, электрически соединенных, как правило, последовательно. В стандартном термоэлектрическом модуле термопары помещаются между двух плоских керамических пластин на основе оксида или нитрида алюминия. Количество термопар может изменяться в широких пределах - от единиц до сотен пар, что позволяет создавать ТЭМ практически любой холодильной мощности - от десятых долей до сотен ватт.
При прохождении через термоэлектрический модуль постоянного электрического тока между его сторонами образуется перепад температур -одна сторона (холодная) охлаждается, а другая (горячая) нагревается. Если с горячей стороны ТЭМ обеспечить эффективный отвод тепла, например, с помощью радиатора, то на холодной стороне можно получить температуру, которая будет на десятки градусов ниже температуры окружающей среды. Степень охлаждения будет пропорциональной величине тока. При смене полярности тока горячая и холодная стороны меняются местами.
Лабораторная работа.
Элементы Пельте широко используются в системах охлаждения. Но не многие знают об их другом свойстве – вырабатывать энергию. Изучению этих их возможностей и посвящена данная лабораторная работа.
50*50 мм элемент, установлен между двумя алюминиевыми брусками. Предварительно их поверхности притёрты и смазаны пастой КПТ. В одном из брусков просверлены сквозные отверстия, через которые пропущена медная трубка, для водяного охлаждения. Вот, что получилось
Подключаем воду к охладителю и питание к Пельтье, проверяем работу элемента. Через десять минут брусок охладился до -10 градусов, а через 30 ещё больше. В помещении 22 градуса.
Чтож, всё хорошо работает, я в этом и не сомневался. Теперь отключаем блок питания и вместо него припаиваем 10Вт 6 вольтовою лампочку и ставим наш агрегат на конфорку.
Опыт доказывает, что элемент Пельтье хорошо вырабатывает электричество. Лампочка горит достаточно ярко, напряжение около 4.5 вольта.
Нагрев до 160 градусов оказался не оптималенлен, при 120 градусах результат был хуже всего на 10%.
Температура охлаждающей жидкости на выходе десять градусов, на входе на один градус меньше. Судя по таким результатам, вода, для охлаждения, не так уж необходима…
Отключаем подачу воды, и ставим на охладитель большой радиатор.
Результат предсказуем, напряжение снизилось до трёх вольт, ток до 0.5А. За пятнадцать минут радиатор нагрелся до 45 градусов.
После того, как я снял прибор с конфорки, лампочка продолжала светить ещё минут десять, даже при разнице температур брусков всего в двадцать градусов, можно было различить накал спирали.
Выводы этой лабораторной просты. При помощи элементов Пельтье можно добывать электричество в экспедиции, в турпоходе, на охотничьем зимовье, словом в любом месте, где это может понадобиться. Естественно, при наличии дров или яркого солнца, ну и обязательно смекалки.
источник: Опыты с элементами Пельтье
а вот и заводская модель
Отопительная печь "Индигирка"
Электрогенерирующая дровяная отопительно-варочная печь
Все бы хорошо, но в некоторых районах балерины такой же дефицит, как и электричество. Не напасешься балерин. И не каждая согласится зимой делать фуэте в валенках.
Получать жизненно необходимое электричество из тепла дровяной печи нам представилось более реальным. Ничего нового мы не изобретали. Просто адаптировали надежный тепловой электрогенератор к печи длительного горения.
Много ли электричества можно вытянуть из бытовой печки? На пару лампочек Ильича хватит. Зарядить аккумуляторы ноутбука-мобильника-навигатора хватит. Включить телевизорчик-радиоприемничек-и-тому-подобное хватит.
Это небольшая твердотопливная отопительно-варочная печь со встроенным электрогенератором, который преобразует тепловую энергию горящего в печи топлива в электрическую энергию.
Во время работы печи по прямому назначению, то есть в процессе отопления или приготовления пищи, печь генерирует постоянный ток напряжением 12 вольт и мощностью не менее 50 ватт.
Много это или мало? Для пресыщенного комфортом городского жителя, наверное, мало. Для человека, по тем или иным причинам полностью отрезанного от внешнего мира и его благ — очень много. Зачастую эти спасительные 50 ватт могут стать гранью между жизнью и смертью.
При современном уровне развития энергосберегающих технологий эта мощность обеспечивает весь необходимый для цивилизованной жизни набор электрических устройств.
Из 21 миллиона дач в России около 5 миллионов либо вообще не подключены к электроснабжению, либо испытывают серьезные перебои с электроснабжением.
В северных широтах получение электроэнергии из тепла печи имеет ряд выраженных преимуществ по сравнению с получением электроэнергии ветряками, солнечными батареями и дизельными генераторами.
Легко представить реальные условия, где нет ни ветра, ни солнца, ни возможности доставки дизельного топлива.
Вырабатываемого печью тока достаточно для подключения 2—3 энергосберегающих лампочек, зарядки аккумуляторов ноутбука, мобильного или спутникового телефона, фото- или видеокамеры, подключения портативного телевизора, радиоприемника, DVD проигрывателя и других портативных энергосберегающих устройств.
По результатам лабораторных и полевых испытаний, электрогенератор печи выходит на стабильный режим через 6—8 минут после зажигания топлива в печи.
Подобные электрогенераторы производства нашего партнера используются в оборонной промышленности многих стран, космосе, высокотехнологичных отраслях промышленности.
Градиент-температурная энергетика – вид альтернативной энергетики, при котором добыча энергии основывается на разности температур. Он распространен не слишком широко. С помощью данного метода можно вырабатывать достаточно большой объем энергии при усредненной себестоимости производства электрической энергии.
Множество градиент-температурных электростанций находятся на морском побережье и для работы используют морскую воду. Мировой океан поглощает примерно 70% энергии солнца, падающей на нашу планету. Перепад температур между холодными глубинными водами, находящимися на глубине в несколько сотен метров, и теплыми водами, расположенными на поверхности океана является огромным источником энергии, который оценивается в 20-40 тысяч ТВт, из которых может быть использовано только 4 ТВт.
Одновременно с этим, морские тепловые станции, работающие на основе перепадов температур морской воды и являющиеся еще одним видом альтернативной энергетики, способствуют выработке огромного количества углекислоты, снижению давления, нагреву глубинных вод и остыванию вод поверхностных слоев. Эти процессы непременно сказываются на флоре и фауне, а также на климате региона.
Биомассовая энергетика. В процессе гниения биомассы (умершие организмы, навоз, растения) выделяется биогаз с большим содержанием метана, который применяется для обогрева, выработки электрической энергии и т.д.
Следующим преимуществом данного вида альтернативной энергетики является то, что при использовании влажного навоза для генерирования энергии, от него остается остаток в сухом виде, который является отличным удобрением для полей.
В качестве биотоплива могут также использоваться быстрорастущие водоросли и другие виды органических отходов (стебли тростника, кукурузы и т.д.).
Эффект запоминания формы – физическое явление, которое впервые обнаружили советские ученые Хондрос и Курдюмов в 1949 году.
Эффект запоминания формы проявляют особые сплавы, он состоит в том, что детали из них после деформации восстанавливают свою первоначальную форму под воздействием тепла. В процессе восстановления изначальной формы может происходить работа, превосходящая значительно ту, которая была необходима для деформации в остывшем состоянии. При восстановлении своей первоначальной формы сплавы производят большое количество энергии (тепла).
Недостатком данного метода получения энергии является низкий КПД – всего 5-6%.
Использование температурного перепада между нижними слоями воды и воздухом
В нетрадиционной возобновляемой энергетике используется также энергетический потенциал, заключенный в разнице температур между нижними и верхними слоями воды водоемов или нижними слоями воды и наружным воздухом.
Примером такой установки может быть разработанная институтом химии твердого топлива (ИХТТ) и институтом теплофизики (ИТ) Сибирского отделения Российской Академии наук (СО РАН) малая энергетическая установка, использующая естественный температурный перепад между подледной водой и наружным воздухом.
Естественные температурные перепады в природе присутствуют практически везде и бывают часто весьма значительны. Перепад температур между поверхностными и глубинными слоями океана достигают 15. 20 К и свидетельствуют об огромном запасе тепловой энергии. Значительно большая разность температур между горячим источником и окружающим воздухом или водой в реке в долине гейзеров. Температура воздуха и воды в горной реке Средней Азии может различаться на 25. 30 К. И даже в условиях Сибири и Крайнего Севера имеется перепад температур между водой подо льдом и наружным воздухом. Таким образом, практически повсеместно имеется возможность создания энергетических установок, использующих тепловой потенциал, базирующийся на разности температур между слоями одной или разных сред. В установках с замкнутым циклом (Ренкина), испаряясь, легкокипящая жидкость такая, как фреон, аммиак, после турбины конденсируется в конденсаторе и возвращается в парогенератор. В установках с разомкнутым циклом теплая вода поверхностного слоя океана вскипает в испарительном участке с низким давлением, затем пар расширяется в турбине и конденсируется в контактном теплообменнике на холодной воде, забираемой с глубины порядка 1000 м.
Температурный перепад в зимний период между подледной водой и наружным воздухом составляет 20. 40°С. Этого достаточно, чтобы обеспечить работоспособность малых энергетических установок мощностью 1. 2 кВт.
Рис.1. Установка ИХМТТ для получения энергии (1. 2 кВт)
за счет перепада температур между проточной водой
подо льдом и наружным холодным воздухом:
1 - котел, 2 - турбина, 3 - генератор,
4 - циркулярный насос, 5 - конденсатор, 6 – вентилятор
Расчет термодинамического цикла
Мощность установки 1. 2 кВт;
Температура пара перед турбиной 0°С
Расчетная температура пара за турбиной 20. 40°С
Подогрев охлаждающего воздуха в конденсаторе 5 К
Результаты расчета приведены ниже.
Для мощности турбины равной 1,5 кВт имеем:
Расход пара на расчетном режиме 0,0729 кг/с;
Объемный расход пара 0,019 м 3 ;
Расход воздуха через конденсатор 7,419 кг/с;
Объемный расход воздуха 5,087 м 3 ;
В расчетном режиме КПД цикла составляет 7,1%
На рис.1 показана разработанная ИХМТТ и ИТ СО РАН компактная энергетическая установка для получения энергии мощностью 1. 2 кВт, реализующая температурный перепад между проточной водой подо льдом какого-либо водоема и холодным наружным воздухом с основными расчетными параметрами термодинамического цикла.
Установка реализует замкнутый цикл Ренкина и содержит следующие элементы (рис.1): котел - 1, турбина - 2, генератор - 3, циркуляционный насос для перекачки конденсата - 4, конденсатор - 5, вентилятор с электроприводом для подачи холодного воздуха в конденсатор - 6.
Конструкция содержит электронный блок, управляющий включением омической нагрузки при сбросе внешней нагрузки. Кроме того, предусмотрен преобразователь постоянного тока в переменный со стабилизированным напряжением 220 В, 50 Гц. При проектировании энергетической установки учитывались основные эксплуатационные принципы: автономность в работе, простота запуска и эксплуатации, достаточная мобильность, простота монтажа и демонтажа, хранения в летний период времени.
Читайте также: