, ,
Альтернативный источник энергии на основе двигателя Стирлинга для энергообеспечения жилых и промышленных объектов
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 на прямую влияет на развитие экономики сопровождается ростом энергопотребления и увеличением добычи полезных ископаемых, что приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению окружающей среды. 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), которые не имеют 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.
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.
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.УДК 697.275.7
, ,
КОНВЕКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРООБОГРЕВАТЕЛЬ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ КЭНД
Актуальность проблемы обеспечения энергосбережения, энергоэффективности и оптимальной работы теплоэнергетических систем городов остается не полностью не решенной. Для поддержания в рабочем состоянии не эффективных традиционных систем теплоснабжения тратятся значительные материальные средства, но при этом их надежность с каждым годом снижается. Рациональнее сократить потерю одного киловатт в час выработанной энергии, чем его выработать, особенно это обстоятельство касается систем теплоснабжения городов и населенных пунктов. Теплоносителю приходится преодолевать расстояния в десятки километров от тепловой станции до радиаторов отопления в жилых помещениях. При значительной протяженности магистральных и внутриквартальных тепловых сетей и удаленности тепловой станции потери тепловой энергии, с учетом утечек и неудовлетворительной тепловой изоляции трубопроводов, составляют 30-40 %. Немаловажным фактором являются затраты электроэнергии на работу насосов с энергоемкими приводами, обеспечивающих циркуляцию теплоносителя в системе и поддержание его рабочих параметров. Среди недостатков существующих систем водного теплоснабжения можно отметить значительную протяженность магистралей, высокую металлоемкость, аварийность, возможность «разморозки» системы. Теплоснабжение удаленных объектов различного назначения сопровождается значительными потерями, так как теплоносителю приходиться преодолевать значительные расстояния, в некоторых случаях подключение объекта к теплоцентрали невозможно в силу технических проблем или значительных материальных затрат на монтаж трубопроводов. В этих случаях используются различные источники тепла и в частности электрообогреватели, они широко используются для обогрева жилых и производственных помещений, а также могут быть использованы как альтернативный источник тепла для высотных зданий или новостроек к которым не возможен подвод теплоцентрали. Данный вид отопления является экологически чистым и не является источником вредных выбросов в атмосферу, например, как котельные агрегаты работающие на угле.
По предварительному обзору рынок электрообогревателей в Казахстане оценивается в 1360 тыс. долларов США. При этом весь рынок электрообогревателей заполнен импортным товаром, в основном китайского производства. Разработка КЭНД позволит создать качественный отечественный радиатор который превосходит зарубежные аналоги по технико – экономическим показателям. Решением данной проблемы может заключаться в создание принципиально нового энергосберегающего электрообогревателя с автоматизированной системой «Климат контроля», что позволяет достичь высоких технико - экономическими показателей, а также занять нишу на рынке электрообогревателей Казахстанским содержанием. Конвективный электрообогреватель низкого давления (КЭНД) обладает высокой конкурентоспособностью по отношению к существующим электрическим тепловым приборам. КЭНД не имеет аналогов и является энергосберегающим электрическим обогревателем нового поколения основанном на использовании наукоемких технологий. Использование КЭНД позволит решить проблему обогрева удаленных от теплоцентрали объектов или в случае, когда подключение к ней здания сопряжено со значительными технологическими проблемами.
Принцип работы КЭНД основан на эффекте вакуумной тепловой трубки. КЭНД состоит из независимых колонок во внутренней полости, в которых создается низкое добавление (примерно -1 Атм), куда помещается эффективный теплоноситель в малом объеме, с температурой кипения 35 - 45 °С. Малый объем теплоносителя быстро нагревается электрическим ТЭНом и превращается в пар. КЭНД имеет возможность работать как от общей сети переменного тока так и от источника постоянного тока. Независимые колонки оснащены дополнительными конвективными ребрами позволяющими повысить эффективность теплообмена. Потребляемая мощность одной колонки КЭНД составляет 55 Вт, при этом площадь рабочей поверхности в два раза больше, чем у чугунного радиатора марки МС – 90. Колонки объединяются в общую конструкцию и размещаются в защитном кожухе. Рабочая температура поверхностей нагрева 70-80 °С. Конструктивное исполнение КЭНД исключает воздушные пробок, наличие технической воды и «разморозку» отсутствие явления коррозии и засорению проточной части. Срок эксплуатации КЭНД составляет более 20 лет. Безопасность - конвективные электрообогреватели низкого давления соответствуют всем нормативам и требованиям ГОСТ 31311-2005 п. п. 5.2,5.9 Республики Казахстан. Важными факторами являются: практически нулевая вероятность износа проточной части и возникновения утечки; отсутствие подвижных и вращающихся частей. Конструктивное исполнение КЭНД представлено на рисунке 1, н рисунке 2 представлена фотография опытного экспериментального образеца КЭНД мощностью 600 Вт.
Рисунок 1 – Конвективный электрообогреватель низкого давления
Для повышения эффективности работы КЭНД оснащается системой «Климат контроля» с внешними и внутренними температурными датчиками, подключенными к термореле. Это конструктивное решение позволяет выполнять контроль температуры нагрева рабочих поверхностей КЭНД по внешним и внутренним тепловым параметрам и обеспечивает экономичный режим работы устройства. Внешний температурный датчик обеспечивает контроль температуры внутри помещения и не допускает ненужную работу при нормальной внутрикомнатной температуре, а внутренний контролирует нагрев теплоносителя и не допускает его перегрева. При этом рабочая температура поверхностей нагрева КЭНД не превышает допустимые 80 0 С, но остается способность обогревать одной секцией радиатора 2-х м2 жилого помещения при затратах электроэнергии до 50 Вт в час на одно ребро. Хочется отметить несколько положительных факторов повышающих показатели надежности работы КЭНД. Это отсутствие: циркулирующей под давлением рабочей жидкости; отрытых нагревательных элементов, подвижных частей и автономность каждых колонок.
КЭНД производит абсолютно комфортное тепло и имеет ряд преимуществ, одним из которых является высокий КПД (90 %) по отношению к воздушно-тэновых (40 %) и масляных электронагревателей (60-70 %). При это не имеет недостатки масленых обогревателей связанных с возможностью утечки и снижение эффективности из - за деградации масла, полный выход из строя электрообогревателя при отказе ТЭНа, тепловая инерция и длительный срок нагрева до рабочей температуры, опасность возникновения пожара и взрыва. Конструкция КЭНД исключает недостатками воздушно-тэновых обогревателей связанных с наличием инфракрасного спектра излучения от нагревателя, окислением поверхности ТЭНа и его разрушения, приводящее в дальнейшем к выходу его из строя.
Рисунок 2 – Экспериментальный образец КЭНД мощностью 600 Вт.
КЭНД обладает высокой конкурентоспособностью, так как не имеет аналогов и является электрическим обогревателем нового поколения основанном на использовании наукоемких технологий. Основными потребителями КЭНД являются компании, занимающиеся гражданским строительством в местности, где затруднено или невозможно проведение центрального отопления, а также частные лица. Возможно его использование в: автономных системах теплоснабжения зданий и сооружений населенных пунктов, высотных зданиях, частных коттеджах, а также удаленных от теплоцентрали новостройках, автомастерских, домах отдыха, предприятиях малого бизнеса и др..
Электростанция
Развитие экономики сопровождается ростом энергопотребления и увеличением добычи полезных ископаемых, что приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению окружающей среды. Мировая тенденция роста стоимости энергоносителей и истощение природных запасов углеводородного топлива создают серьезные проблемы с энергоносителями во многих странах мира, в частности на евро-азиатском континенте. Сегодня уже не вызывает всякого сомнения перспективность использования альтернативных источников, на практики многие страны активно внедряют их в свои энергосистемы. Казахстан обладает значительными ресурсами в области солнечной и ветровой энергетики, который сегодня практически не реализуется в полном объеме. 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 производства электроэнергии, а также создание условий обеспечивающих экономичность и экологичность ее потребления.
Перспективы новых научных направлений в энергетике на сегодняшний день зависят от реального применения результатов исследований на практике. В связи с этим следует заметить, что одним из актуальных направлений является применение в данной отрасли высокотехнологичного оборудования с высоким технико-экономическим эффектом. Предложенный проект соответствует основным приоритетным направлениям развития науки РК в области создания экономичных и высокоэффективных технологий применения альтернативных источников энергии для последующей реализации их во многих сферах жизнедеятельности человечества. СЭС позволит компенсировать дефицит электрической мощности в дневное время и снизит нагрузки на электростанции.
На сегодняшний день в мире активно развиваются передовые технологии и инновационные направления альтернативных источников. Лидерами в этом направлении являются Германия, Япония, США, страны Евросоюза, но доля процентного соотношения к традиционным источникам составляет максимально около 10%. Сейчас в процесс развития данных технологий активно включились Россия, Украина, Казахстан у каждой из стран есть свои планы развития и практической реализации. В настоящий момент времени примерно из двух тысяч компаний производят солнечные модули осталось примерно 900, так как многие свернули свое производство из за отсутствия спроса на их продукцию. Стоимость 1 Вт сегодня составляет примерно 4-5 долларов за ватт мощности и КПД 10-15 %, это обстоятельство делает их не доступными для широкого круга потребителей, из –за высоких капитальных и эксплуатационных затрат. Без государственных субсидий и дотаций производство электроэнергии становиться не рентабельным по отношению к традиционным источникам. Сегодня в некоторых странах для развития альтернативной энергетики Правительство компенсирует частично затраты и закупает произведенную ими энергию по повышенному тарифу. Актуальным сегодня например является снижение стоимости 1 Вт промышленного производства фотоэлектрических модулей и повышения КПД, а также уменьшения площади фотоэлектрических электростанций и повышение эффективности работы. Мировыми лидерами в разработке передовых технологий и производстве солнечных модулей и ветрогенераторов являются США, Германия и страны Евросоюза, Япония, активно развиваются в этом направлении Китай и Корея.
Фотоэлектрическими преобразователями занимаются В России занимаются многие ВУЗы НИИ физических проблем им. . Панель, созданная на основе сульфида индия и цианида меди, имеет эффективность всего 3,2%, но при этом, особенностью этой технологии является её прозрачность, что позволит использовать такие фотопреобразователи в качестве автомобильных или оконных стёкол. В случае получения финансовой поддержки, учёные намерены увеличить коэффициент полезного действия этой технологии до 7%, став, таким образом, конкурентоспособными на мировом рынке.
Совместная команда исследователей из Физического института им. РАН и МГУ разрабатывают гибкую полимерную солнечную батарею. Технология представляет собой многослойную тонкоплёночную структуру, состоящую из защитного покрытия, алюминиевых электродов и активного полимера, имеющего свойства полупроводника и гибкое органическое основание. Эффективность таких солнечных элементов пока составляет 1-4%. В ближайшее время учёные намерены повысить эффективность пластичной электробатареи до 8-10 процентов и внедрить в неё защитное покрытие с более высокой проходимостью световых лучей. Как рассказал доктор физико-математических наук Дмитрий Паращук, входивший в команду, использовав графен в качестве прозрачного электрода и создав недорогой полимер и уменьшить стоимость полимерных батарей почти в 8 раз.
Научная новизна и значимость:
Отличительной особенностью от своих аналогов предложенная нами альтернативная гибридная система имеет принципиально новую концепцию построения, основанную на достижении самых передовых технологий и нашими разработками основанных на оригинальных решениях и системном научном подходе. Особенностью нашего проекта является использование комплекса источника электроэнергии объединённых в одно целое. Современные фотоэлектрические станции в зарубежных странах, например Германии работают без аккумуляторных накопителей только в дневное время на прямой отпуск электроэнергии в сеть, и могут быть только использованы, как дополнительные источники для компенсации пика дефицита мощности, их целесообразность использования и рентабельность в основном заключается в тарифной политике европейских стран. Самым распространённым вариантом хранения электроэнергии является использование аккумуляторных батарей, которые имеют относительно малый ресурс работы (3-5 лет) и высокую стоимость, практически равную до 40% от стоимости установки. Это позволяет осуществлять питание потребителей в тёмное время суток и при плохих погодных условиях. Наш проект не имеет недостатков своих аналогов описанных выше, благодаря использованию системы выработки водорода и его хранения, который преобразуется в топливных элементах. Для увеличения выработки водорода при электролизе применяется оригинальный способ катализации существенно повышающий КПД. Выработанный водород более удобен для хранения и дальнейшего использования и в отличии от аккумуляторов ресурс накопительных устройств не зависит от количества циклов зарядки и разрядки. В топливных элементах не используется платина, что значительно уменьшает их стоимость и снижает себестоимость вырабатываемой электроэнергии. Благодаря использованию гибридного источника на основе фотоэлектрических модулей и ветрогенератора повышается эффективность выработки электрической энергии и снижается зависимость от интенсивности солнечного излучения. В связи с климатическими условиями и характером ветровых потоков Республики Казахстан разработан вертикальный ветрогенератор, с высоким КПД крыла, который обладает низкой стартовой скоростью, способном работать при любом направлении ветра. Система абсолютно безвредна для птиц, пчел и окружающей среды. Шумовая нагрузка в пределах 20 ДБ. Вращение вне зависимости от направления ветра, и начало вращения с самого тихого бриза. Защищен от воздействия молний вследствие применения алюминиевой конструкции. Высоко устойчивый к сильному ветру, достаточно устойчив, чтобы выдержать ураганный ветер. Новизной конструкции является использование синхронного генератора с микропроцессорным регулированием возбуждения без постоянных магнитов, что обеспечивает старт и эффективную работу при любых скоростях ветрового потока.
Одной из особенностью является использование двухсторонних фотоэлектрических модулей с трехслойным полупроводником, которые охватывают практически весь спектр солнечного излучения, включая инфракрасный спектр, что позволит повысить их КПД до 30%. Это обстоятельство обеспечит уменьшение общей площади электростанции и выработку электроэнергии даже в пасмурный или дождливый дни. В перспективе возможна выработка электроэнергии от света луны. Предложенная нами концепция построения гибридной станции позволит в итоге снизить стоимость выработанной электроэнергии и расширит вероятность массового использования.
