Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:26 • sest 21:28 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 21:24 • Sest 05:22 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 06:10 • Síðdegis: 18:30 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 00:11 • Síðdegis: 12:20 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Orkumál
Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: í daglegu lífi

Hvernig er raforka framleidd með heitu vatni (ekki gufu)?

Þorsteinn I. Sigfússon (1954-2019)

Margir þekkja hvernig raforka er framleidd með gufu. Þá er varmaorka gufunnar látin hreyfa hjól í gufuhverfli eða túrbínu sem tengt er við rafal (e. dynamo, generator). Ef heita lindin er hins vegar vatn en ekki gufa þá er gufuþrýstingurinn ekki nægur til að framleiða raforku að neinu marki. Til dæmis er ekki talið hagkvæmt að vinna raforku úr gufu ef hitastig hennar er aðeins nokkra tugi gráða yfir suðumarki.

Ef heita lindin er vatn er nauðsynlegt að styðjast við aðra eðlisfræðilega eiginleika til að nýta varmann til raforkuframleiðslu. Vatnið í heita krananum býr yfir meiri varmaorku en vatnið í þeim kalda og þessi orkumunur er býsna mikill. Varmaorka eins lítra af sjóðandi vatni umfram vatn við frostmark er jafnmikil og stöðuorkan sem felst í lítra af vatni í um það bil 40 km hæð við yfirborð jarðar. En hvernig er þá hægt að breyta þessari orku í heita vatninu í raforku?

Allri varmahreyfingu í efni fylgir hreyfing hleðslna. Í heitu efni eins og vatni eru hleðslur á sífelldu iði um allt efnið þó að sameindirnar sem heild séu að vísu yfirleitt óhlaðnar. Í málmum er þó tiltölulega miklu meira af hleðslum á hreyfingu því að svokallaðar leiðnirafeindir, ein eða fleiri frá hverju atómi, eru þar á stöðugu sveimi um kristallsgrindina svipað og sameindir í gasi og flytja bæði rafstraum og varma þegar því er að skipta.

Hvernig er raforkar framleidd með heitu vatni?

Ef við setjum málmbút milli tveggja íláta, þar sem heitt vatn er í öðru en kalt í hinu, þá getum við flutt varmaorku frá heita ílátinu til þess kalda. Varmi streymir sem sagt um málmbútinn og heita vatnið kólnar og kalda vatnið hitnar. Ef ílátin eru tiltölulega stór er hitabreyting þeirra þó ekki ör. Rafeindirnar í heita endanum fá að meðaltali meiri hreyfiorku en hinar í kalda endanum og fram kemur eins konar þrýstingsmunur í rafeindagasinu. Rafeindirnar laga sig að þessum þrýstingsmun með því að færast í átt að kalda endanum þar til jafnvægi er náð. Dreifing þeirra er þá ekki lengur jöfn og það hefur í för með sér spennumun milli enda málmbútsins. Þetta er mjög misjafnt eftir efnum, en getur auðveldlega numið nokkrum tugum míkróvolta á hverja gráðu í hitamun. Fyrirbærið nefnist varmarafmagn eða hitarafhrif (e. thermoelectric effect, thermoelectricity).

Einfaldasta rafmagnsvirkjunin gæti til dæmis verið að setja bút úr kísiljárni, sem er þekkt varmarafefni með háa svokallaða hitaspennu, milli heita vatnsins og kælivatnsins. Með því að tengja rafmagnsvír í kalda endann og annan í heita endann er unnt að láta varmamuninn skapa rafstraum og gera hann síðan sýnilegan með því að hafa litla ljósaperu eða tvist (díóðu) í rásinni. Með réttu efnisvali og margfaldri rás er svo hægt að auka raforkuna.

Nýtni slíkra kerfa eru takmörk sett. Í fyrsta lagi er hún takmörkuð af svokallaðri nýtni Carnots, en það er mesta nýtni sem næst í virkjun varmaorku. Milli sjóðandi vatns og stofuheits vatns er þessi nýtni um þriðjungur. Með varmarafefni er þó einungis hægt að ná hluta af Carnot-nýtninni. Hver sá hluti er fer eftir svokölluðum nýtnistuðli varmarafefnisins. Í bestu kerfum sem völ er á í dag og tilraunir eru gerðar með hér á landi má vænta þess að ná um fimmtungi af Carnot-nýtni þegar þessari tækni er beitt á sjóðandi vatn sem tengt er við nokkurra gráða heitt vatn.

Frekara lesefni á Vísindavefnum:

Mynd:

Höfundur

Þorsteinn I. Sigfússon (1954-2019)

prófessor í eðlisfræði

Útgáfudagur

28.1.2002

Spyrjandi

Hjalti Reynisson

Efnisorð

Tilvísun

Þorsteinn I. Sigfússon (1954-2019). „Hvernig er raforka framleidd með heitu vatni (ekki gufu)?“ Vísindavefurinn, 28. janúar 2002. Sótt 23. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=2078.

Þorsteinn I. Sigfússon (1954-2019). (2002, 28. janúar). Hvernig er raforka framleidd með heitu vatni (ekki gufu)? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=2078

Þorsteinn I. Sigfússon (1954-2019). „Hvernig er raforka framleidd með heitu vatni (ekki gufu)?“ Vísindavefurinn. 28. jan. 2002. Vefsíða. 23. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=2078>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvernig er raforka framleidd með heitu vatni (ekki gufu)?
Margir þekkja hvernig raforka er framleidd með gufu. Þá er varmaorka gufunnar látin hreyfa hjól í gufuhverfli eða túrbínu sem tengt er við rafal (e. dynamo, generator). Ef heita lindin er hins vegar vatn en ekki gufa þá er gufuþrýstingurinn ekki nægur til að framleiða raforku að neinu marki. Til dæmis er ekki talið hagkvæmt að vinna raforku úr gufu ef hitastig hennar er aðeins nokkra tugi gráða yfir suðumarki.

Ef heita lindin er vatn er nauðsynlegt að styðjast við aðra eðlisfræðilega eiginleika til að nýta varmann til raforkuframleiðslu. Vatnið í heita krananum býr yfir meiri varmaorku en vatnið í þeim kalda og þessi orkumunur er býsna mikill. Varmaorka eins lítra af sjóðandi vatni umfram vatn við frostmark er jafnmikil og stöðuorkan sem felst í lítra af vatni í um það bil 40 km hæð við yfirborð jarðar. En hvernig er þá hægt að breyta þessari orku í heita vatninu í raforku?

Allri varmahreyfingu í efni fylgir hreyfing hleðslna. Í heitu efni eins og vatni eru hleðslur á sífelldu iði um allt efnið þó að sameindirnar sem heild séu að vísu yfirleitt óhlaðnar. Í málmum er þó tiltölulega miklu meira af hleðslum á hreyfingu því að svokallaðar leiðnirafeindir, ein eða fleiri frá hverju atómi, eru þar á stöðugu sveimi um kristallsgrindina svipað og sameindir í gasi og flytja bæði rafstraum og varma þegar því er að skipta.

Hvernig er raforkar framleidd með heitu vatni?

Ef við setjum málmbút milli tveggja íláta, þar sem heitt vatn er í öðru en kalt í hinu, þá getum við flutt varmaorku frá heita ílátinu til þess kalda. Varmi streymir sem sagt um málmbútinn og heita vatnið kólnar og kalda vatnið hitnar. Ef ílátin eru tiltölulega stór er hitabreyting þeirra þó ekki ör. Rafeindirnar í heita endanum fá að meðaltali meiri hreyfiorku en hinar í kalda endanum og fram kemur eins konar þrýstingsmunur í rafeindagasinu. Rafeindirnar laga sig að þessum þrýstingsmun með því að færast í átt að kalda endanum þar til jafnvægi er náð. Dreifing þeirra er þá ekki lengur jöfn og það hefur í för með sér spennumun milli enda málmbútsins. Þetta er mjög misjafnt eftir efnum, en getur auðveldlega numið nokkrum tugum míkróvolta á hverja gráðu í hitamun. Fyrirbærið nefnist varmarafmagn eða hitarafhrif (e. thermoelectric effect, thermoelectricity).

Einfaldasta rafmagnsvirkjunin gæti til dæmis verið að setja bút úr kísiljárni, sem er þekkt varmarafefni með háa svokallaða hitaspennu, milli heita vatnsins og kælivatnsins. Með því að tengja rafmagnsvír í kalda endann og annan í heita endann er unnt að láta varmamuninn skapa rafstraum og gera hann síðan sýnilegan með því að hafa litla ljósaperu eða tvist (díóðu) í rásinni. Með réttu efnisvali og margfaldri rás er svo hægt að auka raforkuna.

Nýtni slíkra kerfa eru takmörk sett. Í fyrsta lagi er hún takmörkuð af svokallaðri nýtni Carnots, en það er mesta nýtni sem næst í virkjun varmaorku. Milli sjóðandi vatns og stofuheits vatns er þessi nýtni um þriðjungur. Með varmarafefni er þó einungis hægt að ná hluta af Carnot-nýtninni. Hver sá hluti er fer eftir svokölluðum nýtnistuðli varmarafefnisins. Í bestu kerfum sem völ er á í dag og tilraunir eru gerðar með hér á landi má vænta þess að ná um fimmtungi af Carnot-nýtni þegar þessari tækni er beitt á sjóðandi vatn sem tengt er við nokkurra gráða heitt vatn.

Frekara lesefni á Vísindavefnum:

Mynd:...