Conversie MHD

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 1/22

Conversia termoelectric ă. Conversia MHD

Cursul 14

Resurse şi conversia energiei

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 2/22

Problematic ă

• Efecte termoelectrice• Schema de principiu a unei pile termoelectrică• Explicarea funcŃionării

– fenomene fizice– termodinamica pilelor termoelectrice

• Realizări tehnologice ale pilelor termoelectrice• Principiul de funcŃionare al GMHD• GMHD liniar în c.c. de tip Faraday• Alte tipuri de GMHD:

– de tip Hall– de tip asincron 1n c.a– circulare– GMHD cu radioizotopi

• Scheme de centrale MHD• Realizări practice de GMHD (instalaŃii pilot)

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 3/22

Efecte termoelectriceEfectele termoelectrice sunt fenomenele cauzate de cuplarea interacŃiunilor de natură termică (diferenŃă de temperatură) cu cele de natură electrică (diferenŃă de potenŃial electric).

• Efectul Joule – degajare de căldură într-un conductor electric supus unei diferenŃe de potenŃial electric, ca urmare a ireversibilităŃii procesului de conducŃie electrică

• Efectul Seebeck– apariŃia unei t.e.mîntr-un circuit electric format din conductoare cu proprietăŃi electrice diferitecare sunt supuse unei diferenŃe de temperatură

• Efectul Peltier – absorbŃia sau degajarea de căldură în funcŃie denatura materialelor şi de sensul de trecere a curentului electric prin joncŃiunile a 2 (semi)conductoarediferite

• Efectul Thompson– absorbŃie sau degajare de căldură în funcŃie de natura materialului şi de sensul curentului printr-un singur conductorsupus unei diferenŃe de temperatură

dttiRQ ⋅⋅= )(2δ

elQ dqδ = Π ⋅

elQ T dqδ τ= ⋅ ∆ ⋅

2

121

( ) grad ( )SE x T x dxα= ⋅ ⋅∫

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 4/22

Schema de principiu a convertorului termoelectric

Surs ă de energie electric ă Refrigerator

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 5/22

Schema echivalent ă

( ) ( )

A B j

e A B cald rece

T

r r r r

U T Tα α∆

= + +

= − ⋅ −1442443

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 6/22

Explica Ńie fenomenologic ă

Efectul Thompson

Efectul Thompson E

fect

ul P

eltie

r

Efe

ctul

Pel

tier

Efectul Seebeck

Trece Tcald

p

n

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 7/22

Explica Ńie termodinamic ă

2 2

2 2

e i e

i i e

X X R J

J C X J

αα

′ ′= ⋅ − ⋅′= ⋅ + ⋅

22 1

1 21

2 2

1 2 1 21 1

1grad ;

grad( ) ;

im m

e e

T T TX T dr T T

T T T

X V dr dV V V V V V

− ∆ ′ = ⋅ ⋅ = − = >

′ = − ⋅ = − = − = ∆ >

∫

∫ ∫R

semiconductor p

semiconductor n

∆V

∆T= T1 –T2

T1 T2

JQ

iel

1 1 2

i Q

e q el

J J

J J i

=

= =

22

22

elm

Q elm

V T R iT

CJ T i

T

α

α

∆ = ⋅ ∆ − ⋅

= ⋅ ∆ + ⋅

0

2 20; ;

St t

el e Qm m

A

l

Ci V T J T

T Tα λ

α

Λ = ⋅

= ∆ = ⋅ ∆ = ⋅ ∆

2

/

0; ;

ohm

el Q S m el

l A

T V R i J T iρ

α⋅ Π

∆ = ∆ = − ⋅ = ⋅ ⋅123

2

2 22( / ) ( )

S el

Q t el

t m el

V T R i

J T i

D T T R i

α∆ = ⋅ ∆ − ⋅= Λ ⋅ ∆ + Π ⋅

= Λ ⋅ ∆ + ⋅

max

2

2

1 11 ; ;

1 1m S

opt m tt ohmm

z TR R z T z

z T

αηλ ρ

+ ⋅ −= ⋅ + ⋅ = =

⋅+ ⋅ +

max

3 -1

(150 250) [µV/K]; (5 15) [µΩ/m]; (1 3) [W/m]

(1.5 4) 10 [K ]; (400 800) [K]; =(4.7 12) [%]

S ohm t

m tz T

α ρ λ

η−

= ÷ = ÷ = ÷

= ÷ ⋅ = ÷ ÷

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 8/22

Realizări practice

• Avantaje:– robuste

– fără piese în mişcare

– întreŃinere uşoară

• Dezavantaje:– cost ridicat

– randament mic

– puteri mici

ImpurităŃi Temperatura [°C]

Materiale semiconductoare Tip p Tip n

Z [1/K]

maxη [%]

PreŃ [$/W]

Înaltă =1000

SoluŃie solidă Ge (20% ) + Si(80%)

B Ph 5.5·10-4 10 100

Medie =500

TePb Na I 8.5·10-4 6.8 15

Joasă =250

Bi2Te3 Bi2Se3 Sb2Te3 1.6·10-3 4.7 10

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 9/22

Solu Ńii constructive pentru pile termoelectrice

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 10/22

Generatorul termoelectric cu radioizotopi

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 11/22

Aplica Ńii ale conversiei termoelectrice

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 12/22

Conversia Magnetohidrodinamic ă (MHD)Conversia MHD este tehnologia prin care se obŃine direct energie electrică din căldură cu ajutorul unui fluid conductor electric care se deplasează în câmp magnetic.

• Fluidul conductor electric:– Mercur (Hg), metale topite (Na, K)– SoluŃie de apă sărată– Plasmă – gaz puternic ionizat (a 4-a stare a materiei)

l

A A1

R

C C1

B

v

E

v i

; ( )LE v B F e v B

e E dl

= × = − ⋅ ×

= ⋅∫

r r r rr r

rr1000

1 1 0.62500

r

c

T

Tη = − ≈ − =

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 13/22

GMHD de tip Faraday (liniar, de c.c.)

Schema GMHD liniar de c.c. cu electrozi comple Ńi

Electrozi segmenta Ńi complet

Efectul de cap ăt

GMHD cu efect Hall Electrozi segmenta Ńi conecta Ńi serie

Efectul de reac Ńie

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 14/22

MHD cu canal liniar

Circula Ńia curen Ńilor la electrozii segmenta Ńi

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 15/22

GMHD cu canale concentrice

GMHD tip disc GMHD disc de tip Hall

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 16/22

GMHD asincron în c.a.

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 17/22

Central ă MHD cu circuit închis de plasm ă

Schema centralei MHD cu circuit închis de plasmă

Ciclul de funcŃionare al centralei MHD cu circuit închis de plasmă

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 18/22

CNE cu GMHD func Ńionând în ciclu închis

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 19/22

Central ă MHD cu ciclu deschis

Schema bloc

Schemă explicativă

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 20/22

Ciclul binar deschis: GMHD + turbin ă cu abur

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 21/22

GMHD pilot

GMHD pilot la Universitatea din Bologna (Italia)

GMHD pilot în func Ńiune

2010, Timişoara prof. Bucur LUŞTREA - Resurse şi conversia energei - C14 22/22

Detalii constructive ale unui GMHD

Canalul MHD cu electrozii sec Ńiona Ńi

Bobinele GMHD