, ,
Мини ТЭЦ и мини электростанции на основе двигателя Стирлинга для энергообеспечения жилых и промышленных объектов
Рост потребления энергоресурсов сопряжён с экологической проблемой, напрямую связанной с загрязнением окружающей среды и истощением минеральных ресурсов, так как около 80 процентов электроэнергии вырабатывается тепловыми электростанциями. Существует острая необходимость к 2050 году существенно сократить выбросов СО2 в атмосферу земли. Сегодня необходимо уделить внимание развитию энергосберегающих технологий и их использованию в сфере энергетики, для снижения негативных последствий глобального потепления. При игнорировании этих обстоятельств человечество может оказаться на пороге катастрофы. Сейчас остро встает необходимость в решении важных научных задач оптимального и рационального энергопотребления, а на практике необходимо реализовать принцип сокращения потерь энергии при ее производстве, транспортировке и в процессе потребления. Выработанная электрическая и тепловая энергия передается на значительные расстояния, что связано со значительными потерями и материальными затратами. Внедрение альтернативных источников энергии для энергообеспечения жилых и промышленных объектов, способных генерировать энергию непосредственно на объекте. Рациональнее сократить потерю одного киловатт в час выработанной энергии, чем его выработать, особенно это обстоятельство касается систем теплоснабжения городов и населенных пунктов. Сегодня необходимо уделить внимание решению проблем малой энергетики.
Разработка высокоэффективных систем энергообеспечения полностью отвечает приоритетам сформулированных в послании Главы государства народу Казахстана, где отмечалась необходимость формирования индустриальной технологической стратегии для Казахстана. Развитие экономики сопровождается ростом энергопотребления и увеличением добычи полезных ископаемых, что приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению окружающей среды. В связи с этим, согласно концепции научно-технической политики Республики Казахстан, к приоритетным направлениям относятся работы, посвященные развитию энергетической отрасли, созданию новых эффективных научных методов и технологических приемов, обеспечивающих экономичность и экологичность энергопотребления. Энергоснабжение современных городов построено на основе централизованной схемы, которая имеет огромную материалоемкость, конструктивную сложность, высокую аварийность и как следствие, постоянное возрастание непосильных расходов на содержание и ремонт данных систем.
Рассмотрим некоторые вопросы функционирования современных систем энергообеспечения связанные с электроснабжением удаленных потребителей малых мощностей, которыми могут быть к примеру фермерские хозяйства, зимовки, частные строения малого и среднего бизнеса, дома отдыха, автомастерскии и др.. для функционирования таких объектов необходим подвод электрической и тепловой энергии.
Электрический ток передается по проводам линии от электростанции до потребителей порой со значительными потерями, особенно когда дело касается удаленных потребителей малой мощности, к примеру котеджей, крестьянских хозяйств и предприятий агропрома. В таких случаях из – за незначительной мощности и большой удаленности существенно возрастают затраты на транспортировку энергоносителей.
Одним из решений данных проблем является создание независимых энергокомплексов минитепловых электростанций (мини ТЭЦ), которых полностью соответствующие требованию программы энергосбережения и повышения энергетической эффективности объектов в соответствии с программой энергосбережения Республики Казахстан «Энергосбережение 2020», который не имеет аналогов в Республике Казахстан и позволит существенно сократить затраты электрической и тепловой энергии расходуемой на поддержание жизнедеятельности жилых зданий. Для этого надо будет переосмыслить и начать внедрять новую стратегию электро и теплоснабжения, основной принцип, которой основан на том, что энергия должно вырабатываться по месту его потребления и потребляться при конкретной необходимости, постепенно отходить от традиционных систем теплоснабжения и переходить на энергосберегающие технологии, не требующих дальнейших эксплуатационных затрат, менять систему учета и расчетов за потребляемое тепло и т. д.
Конструктивной основой мини ТЭЦ может быть двигатель Р. Стирлинга (ДС) [1]. ДС имеет ряд преимуществ по отношению к двигателям внутреннего сгорания: способностью работать на любом виде топлива (газ, дрова, уголь), меньшей токсичности отработанных газов, так как сгорание топлива происходит при атмосферном давлении, большой ресурс. Сжигание топлива осуществляется вне рабочих цилиндров. Еще одними из преимуществ двигателя является простота конструкции, увеличенный ресурс, экономичность и экологичность. Ряд зарубежных фирм производят ДС с техническими характеристиками превосходящими ДВС и газотурбинные установки. Основными недостатками является громоздкость и материалоёмкость, наименьшие показатели мощности на кг веса по сравнению с ДВС и электродвигателями [1].
Нами разрабатывается четырех цилиндровый двигатель с жидкостной системой охлаждения, приводящий в движение электрический генератор. Данный энергоагрегат способен вырабатывать электроэнергию, а полученное тепло направлено на нагрев теплоносителя для системы теплоснабжения. Основной принцип работы ДС основан на разнице температуры между горячей и холодной частью рабочего цилиндра, чем больше разница температур, тем выше эффективность и КПД. Благодаря тому, что охлаждение рабочих цилиндров, осуществляется за счет циркулирующего теплоносителя, достигается наилучший режим охлаждения низкотемпературной части рабочих цилиндров.
Принципиальным отличием разработанной нами системы охлаждения является использование тепловых трубок, которые позволяют наиболее эффективно отводить тепло из рабочей зоны в зоны нагрева теплоносителя. Это позволяет создать мини электростанции с форсированным охлаждением, а также резко повысить КПД установки в зимний период, благодаря использованию природных факторов. Вторым отличием является использование линейного генератора переменного тока без вращающихся частей. Данное отличие позволит повысить надежность и существенно упростить конструкцию генератора.
Еще одним отличительной особенностью является турбо надув воздуха подаваемого в камеру сгорания, при этом воздух предварительно нагревается за счет отведенного тепла зоны охлаждения рабочих цилиндров. Благодаря подачи подогретого воздуха возможно повышение КПД установки до 5 %.
Важной особенностью разрабатываемой ними мини ТЭЦ является создание керамической камеры сгорания с многослойной термоизоляцией и 16 слоев алюминиевой фольги. Камера выполнена из пористой керамики с двумя стенками в внутренней полости создается технический вакуум, что позволяет максимально сократить тепловые потери, по принципу термоса.
Уходящие дымовые газы обладают значительной энергией, которую можно, использовать для дополнительного нагрева теплоносителя, системы теплоснабжения.
Основное преимущество мини ТЭЦ и мини электростанций заключается в возможности их работать на любом виде топлива. Для работы генератора необходим только источник тепла, поэтому для производства тепловой и электрической энергии пригодно низкокалорийное, на пример сланцы, отходы промышленного и сельхоз хозяйственного производства. Учитывая задачи поставленные государственной программы «Зеленая экономика» возможно использование в качестве топливо биогаз, а также солнечной энергии концентрированной при помощи рефлекторов.
Большой перспективой использования в качестве привода мини электростанций использование низкотемпературных ДС с увеличенным диаметром поршня, которые способны преобразовать энергию солнечного излучения в электрическую энергию с КПД 35 – 40 %, что более чем в два раза превосходит КПД солнечных модулей, но значительно проще в технологии производства и стоимости. В данной установки для повышения эффективности охлаждения будут использованы тепловые трубки.
Рисунок 1 – Использование ДС на производстве
В качестве примера высоэффективной системы энергообеспечения сельхоз производства с учетом требований «Зеленой экономики» можно предложить использование мини ТЭЦ на птицефабрике. Структурная схема энергообеспечения основана на использовании мини ТЭЦ использующей в качестве топлива гранулированную смесь состоящую из пера, помета, отходов производства кормов, соломы. Энергообеспечение обеспечивает мини ТЭЦ и солнечная электростанция на основе ДС. Выработанная электрическая энергия поступает на центральную подстанцию, откуда распределяется по объектам производственной цепочки. В процессе сгорания топлива образуется зола, которая используется для удобрения полей на которых выращиваются корма для птицы, также в качестве удобрения может быть использована косная мука. Все удобрения производятся на собственном заводе.
Выводом является огромная перспектива использования мини ТЭЦ и мини электростанции на основе двигателя Стирлинга для энергообеспечения жилых и промышленных объектов. Создание когенерационных альтернативного источника энергии на основе тепловой машины с рекуператором и линейным или вращающимся генератором переменного тока, позволит создать утилизатор отходов промышленного и сельхоз хозяйственного производства, а также использования источников тепла технологической цепочки производства продукции. Большой перспективой для производства электроэнергии является использование низкотемпературных ДС, как альтернативы солнечным модулям.
Список литературы
вигатели Стирлинга / Сокр. пер. с англ. и . – М.: Машиностроение, 1985. – 408 с., ил.