Pośrednia i bezpośrednia zamiana energii cieplną na energię elektryczną

Michał Cienciała*

Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczny



Abstrakt

Opisana jest konwersja energii cieplnej na energię elektryczną. Konwersja energii jest to proces zmiany jednej formy energii na drugą. Istnieją dwie metody konwersji: bezpośrednia, gdy energia cieplna jest konwertowana bezpośrednio na energię elektryczną i pośrednia, kiedy energia cieplna jest przekształcana najpierw w energię mechaniczną, a potem w energię elektryczną. Podstawą metody bezpośredniej jest efekt termoelektryczny, który składa się z trzech odrębnie określonych efektów: efekt Seebeck, efekt Peltiera i efekt Thomsona. W przypadku zamiany energii cieplnej na energię elektryczną mówimy o efekcie Seebecka. W metodzie pośredniej najpierw energia cieplna jest przekształcana w energię mechaniczną. Podstawą jest sprężanie i rozprężanie gazu ze względu na zmiany temperatury. Zjawisko to jest używane między innymi w: silniku parowym, silniku Stirlinga lub polską odmianą - silniku WASE2. Następnym krokiem jest przekształcanie energii mechanicznej w energię elektryczną. Podstawą jest indukcja elektromagnetyczna, która wytwarza siłę elektromotoryczną. Indukcja elektromagnetyczna jest używany m.in.: prądnicach, alternatorach i prądnicach typu „amerykanka”. }

Słowa kluczowe: energia cieplna, odzyskiwanie, elektryczność, energia mechaniczna, efekt Peltiera, efekt Seebeck'a, termoelekryczność

 

Pełna treść Artykułu wraz z poprawnym formatowaniem dostępna jest w wersji PDF czasopisma - dostęp dla osób zalogowanych

 

Wstęp do tematyki zamiany energii cieplnej na energię elektryczną


Konwersja energii polega na zamianie jednej postaci energii na inną. Zgodnie z zasadą zachowania energii całkowita wartość energii nie ulegnie zmianie. Natomiast składowe części tworzące energię całkowitą mogą rosnąć lub maleć. Jeśli celem jest zamienienie energii cieplnej na elektryczną można zaobserwować dwie metody:   

- bezpośrednią, gdzie energia cielna jest wprost przekształcona w energię elektryczną,

- pośrednią, gdzie energia cieplna jest początkowo zamieniana w energię mechaniczną, a dopiero następnie w energię elektryczną.   

Pomyśleć można, że lepszym rozwiązaniem ze względu na straty i skomplikowanie układu jest metoda bezpośrednia, ale czasami efektywniejsze jest rozwiązanie pośrednie. Poniżej przedstawiono kilka dostępnych rozwiązań technicznych.



Bezpośrednia i pośrednia zamiana energii cieplnej na energię elektryczną



Metody bezpośrednie ogólnie opierają się na zjawisku termoelektrycznym. Jest to efekt występującej między dwoma punktami układu ciał różnicy temperatur, która generuje napięcie elektryczne, lub odwrotnie. Zjawisko termoelektryczne, ze względu na kierunek transformacji dzieli się na:                                               
- zjawisko Seebecka,                                       
- zjawisko Peltiera,                                          
- zjawisko Thomsona.


W przypadku zamiany energii cieplnej na energię elektryczną ma się do czynienia z zjawiskiem Seebecka. Opiera się ono na powstaniu siły termoelektrycznej w zamkniętym obwodzie składającym się z dwóch różnych metali – półprzewodników, pod warunkiem, że miejsce styku tych metali znajduje się w ośrodku o innej temperaturze niż przeciwne ich końce (Rys. 1).
Zjawisko to jest wykorzystywane poprzez:

- termoparę,
- ogniwo Seebeck'a,
- nanoantenę.


Rys. 1. Idea zjawiska Seebecka

Rys. 2.  Zjawisko Peltiera


Rys. 3. Zasada działania modułu Peltiera


Znane jest wiele rozwiązań umożliwiających zamianę energii cieplnej na mechaniczną. Zagłębiając się w historię natrafić można na silniki parowe, które spełniały tę rolę. Już w latach 140 p.n.e. zbudowana została bania Herona. W pierwszej połowie XVIII wieku silniki te były używane do napędzania maszyn, natomiast pierwsze zastosowanie w pojeździe miało miejsce w 1771 r. Silniki te podlegały ciągłemu rozwojowi, w XIX wieku  używane były w parostatkach, parowozach, dyliżansach. Technika ta jednak, z braku wiedzy materiałowej powodowała częste wypadki i katastrofy. Rozwiązanie zaproponował Robert Stirling, który zbudował silnik cieplny, charakteryzujący się wysoką sprawnością i nie wymagający wysokiego ciśnienia i pary wodnej jako medium roboczego.
Silnik ten opiera się na podstawowych zjawiskach fizycznych. Polega na sprężaniu oraz rozprężaniu gazów na skutek zmian temperatur. Jeżeli szczelnie zamknięty pojemnik zostanie podgrzany - gaz w środku zwiększy swoją objętość, co spowoduje wzrost ciśnienia. Jeżeli ten sam pojemnik ulegnie ochłodzeniu – objętość gazu zmniejszy się, przez co nastąpi obniżenie wartości ciśnienia. Robert Stirling umieścił w takim pojemniku ruchomy tłok (a na Rys. 4), który nie ma bezpośredniego kontaktu ze ściankami pojemnika. Praca tłoka polegała na „przepychaniu” powietrza od ścianki zimnej do ogrzewanej. Taki rodzaj "luźnego" tłoka nazywany jest "wypornikiem".

Rys. 4 Budowa silnika Stirlinga

WASE 2. Jest to beztłokowy, rotacyjny silnik Stirlinga. Rozwinięcie skrótu to Wąsowski Andrzej Stirling Engine 2. Silnik składa się z dwóch hermetycznie zamkniętych cylindrów. W każdym z cylindrów znajduje się mimośrodowo umieszczony, obrotowy wypornik. (Rys. 5)

Rys. 5. Przekrój przez silnik WASE2

Podobnie jak w przypadku zamiany energii cieplnej na energię mechaniczną znanych jest wiele rozwiązań tego rodzaju konwersji. Umożliwia tę zamianę zjawisko indukcji elektromagnetycznej, które jest związane bezpośrednio z Równaniami Maxwella, które definiują indukowanie się prądów. Aby wykorzystać energię elektryczną, warunkiem koniecznym jest uzyskanie w układzie siły elektromotorycznej. Powstanie tej siły wymaga zmiennego strumienia magnetycznego w zamkniętym obwodzie przewodzącym.

Strumień ten tworzy się wskutek zmiennego pola magnetycznego w obszarze obwodu lub poprzez zmianę położenia obwodu  w stałym w czasie polu magnetycznym. Zmienne w czasie pole magnetyczne generuje falowe pole elektryczne i na odwrót. Efekt ten jest podstawą działania prądnic, transformatorów napięcia, silników elektrycznych oraz radia. Rozwiązania, które można wykorzystać aby zamienić energię mechaniczną na energię elektryczną to:                              
- prądnica klasyczna,                 
- alternator,                                            
- prądnica typu „amerykanka”.

 

Rys. 6. Schemat ideowy prądnicy

 

Rys. 7. Widok prądnicy typu „amerykanka”

 

Wnioski

Istnieje wiele znanych rozwiązań dla bezpośrednich i pośrednich metod konwersji energii z ciepła do energii elektrycznej. Niemniej jednak nie ma doskonałego rozwiązania i jest to obszar, który może być wykorzystywany do dalszych poszukiwań i rozwoju. Obecne propozycje nie spełniają wszystkich wymagań klientów, warto więc znaleźć rozwiązanie, które połączy w sobie najlepsze praktyki, najnowsze technologie i stworzyć jedno urządzenie, które sprostałoby oczekiwaniom ciągle pędzącego rozwoju.

Literatura

[1] Cienciała M., Badania silnika spalinowego o zapłonie samoczynnym współzasilanego mieszaniną tlenowo-wodorową, Wroclaw University of Technology, 2011.

[2] Kaźmierczak A., Silniki Pojazdów Samochodowych, REA, 2010, ISBN 978-83-7544-114-7.

[3] Kaźmierczak A., Tarcie i zużycie zespołu tłok-pierścienie-cylinder, Wroclaw University Press, Wrocław 2005.

[4] Kaźmierczak A., Wpływ zastosowania powłoki cermetalicznej na procesy tribologiczne w uszczelnieniu pierścieniowym silników spalinowych, Wroclaw University Press, Wrocław 2002.

[5] Kaźmierczak A., red. Tarcie, zużycie i smarowanie w silnikach spalinowych, Wroclaw University Press, Wrocław 1996.

 

Pełna treść Artykułu wraz z poprawnym formatowaniem dostępna jest w wersji PDF czasopisma - dostęp dla osób zalogowanych

 

Dodaj komentarz