Зачем нужен термоакустический генератор?
Рис. 1 Предполагаемый внешний вид домашнего термоакустического газового генератора
В одной из предыдущих статей я рассказывал о том, что занимаюсь разработкой термоакустического генератора: «Создание и первый запуск термоакустического двигателя с бегущей волной». В этой статье я хочу рассказать подробнее о возможных применениях данного генератора и о том, как его встроить в существующую энергосистему.
Один из мировых трендов в последнее время — это децентрализация. Всё большее число людей хотят быть максимально независимыми от крупных организаций. Это проявляется, например, в виде желания иметь собственную микро фабрику в виде 3D принтера, в виде желания самому выпускать собственные деньги, такие как криптовалюты, или в виде желания иметь своё собственное средство массовой информации, в виде канала на ютубе. Энергетика тоже уже давно взяла курс на децентрализацию. Всё большее число людей хотят иметь свой собственный источник электрической и тепловой энергии.
Рис. 2. Иллюстрация децентрализации энергетики в Дании на основе распределенной когенерации. Источник: Danish Energy Agency
К примеру, в Дании очень активно идет децентрализация энергетики (рис. 2).
Какие плюсы у децентрализации энергетики?
Помимо увеличения самостоятельности, независимости каждого отдельного человека при децентрализации, преимущества заключаются в том, что:
— Микро-ТЭЦ находиться всегда гораздо ближе к потребителю, чем крупная ТЭЦ. Таким образом, практически исчезают потери электрической и тепловой энергии, при передаче по проводам и теплотрассам соответственно.
Рис. 3. Микро-ТЭЦ Senertec Dachs F5.5 на двигателе внутреннего сгорания, мощностью 5.5 кВт
— Появляется возможность строительства домов и предприятий в тех местах, куда было слишком дорого либо вообще невозможно подвести энергию. Например, вам понравилось какое либо место красотой пейзажа, но подвести электроэнергию туда не возможно. В таком случае, единственным способом питания дома энергией, является генерация электрической и тепловой энергии на месте, то есть в самом доме.
Рис. 4. Частный дом на удалении от цивилизации
— Распределённая генерация энергии увеличивает устойчивость энергетической системы к различным авариям и катастрофам. В случае катастрофы на крупной ТЭЦ, при децентрализованной генерации, снижается количество людей, отрезанных от энергоснабжения.
Рис. 5. Катастрофа на электростанции Фукусима
— Распределённая генерация обладает большой гибкостью и адаптивностью при резких, неравномерных по территории изменениях в потреблении энергии. Благодаря децентрализации становиться возможным объединение множества источников энергии в единую интеллектуальную сеть под названием Micro Grid, которая выравнивает и оптимизирует выработку и потребление энергии.
Рис. 6. Схематичное изображение Micro Grid — интеллектуальной энергетической сети, оптимизирующей выработку и потребление энергии
— В странах, в которых законодательно разрешено продавать излишки вырабатываемой электроэнергии в общую сеть, с помощью микро ТЭЦ можно заработать деньги. Наиболее распространён такой тип заработка на данный момент в солнечных районах, в которых, закрепив на крышу своего дома солнечные панели, можно за несколько лет продажи электроэнергии вернуть стоимость панелей и затем уже получать с них прибыль.
Рис. 7. Солнечная электростанция на крыше дома
— Затем, перспективность микро ТЭЦ заключается в том, что когда ресурс существующих крупных электростанций подходит к концу, то появляется дилемма: строить новую крупную электростанцию или множество небольших? Последнее время выбор всё чаще останавливается на создании сети из средних, мини и микро ТЭЦ, взамен вышедшей из строя крупной.
Ограничения при децентрализации энергетики
У децентрализации энергетики много преимуществ. В тоже время нельзя сказать, что нужно обязательно стремиться к случаю максимально возможной децентрализации. То есть к случаю, когда в каждом частном, в каждом многоэтажном доме, на каждом предприятии и в каждом здании установлена своя собственная тепловая электростанция. В местах плотного скопления потребителей энергии крупная ТЭЦ будет опережать группу из микро-ТЭЦ благодаря более низкой стоимости выработки энергии, связанной с более оптимизированными процессами обслуживания, меньшей сложностью и материалоёмкостью.
Рис. 8. Северо-Западная ТЭЦ
Однако существуют места, с низкой плотностью скопления потребителей и места в которых строительство крупных ТЭЦ либо невозможно, либо необоснованно. Именно в таких местах микро-ТЭЦ постепенно занимают рынок и вытесняют крупные ТЭЦ. Наряду с микро-ТЭЦ так же существуют и альтернативные источники энергии, такие как солнечные и ветряные электростанции, которые также ориентированы на не плотно заселённые и труднодоступные районы планеты, однако они не работоспособны в местах с низкой солнечной активностью и при отсутствии необходимого количества ветряной энергии.
Таким образом, можно сказать, что децентрализация выработки энергии при помощи микро-ТЭЦ наиболее перспективна в не густонаселённых районах с относительно низкой солнечной активностью и с относительно небольшой силой ветра или нестабильным ветром.
Зона, оптимальная для использования микро-ТЭЦ в России
Рис. 9. Карта выработки энергии в России
Так каковы же размеры оптимальной для использования микро-ТЭЦ территории и сколько на ней проживает людей? Для примера возьмём Россию. В зоне неохваченной централизованным электроснабжением (на 2018 год) находиться около 13% населения, то есть 19,1 млн. человек. Только треть территории страны охвачена централизованным электроснабжением.
Рис. 10. Карта солнечной инсоляции на территории России
Рис. 11. Карта ветровой активности на территории России
Если посмотреть на карты солнечной активности и ветровой энергии, то можно увидеть, что большинство пользователей европейской части России, не подключённых к централизованному энергоснабжению, находятся в зоне с низкой солнечной и ветровой активностью. Таким образом, они находятся в зоне оптимальной для микро-ТЭЦ.
На данный момент в подавляющем большинстве случаев в данном регионе используются микро-ТЭЦ на основе двигателей внутреннего сгорания, либо связка генератор на двигателе внутреннего сгорания и отопительный котёл.
Рис. 12. Мини-ТЭЦ на сжиженном и природном газе в г. Клин, Московская область
Также получили распространение в России микротурбинные газогенераторные установки фирмы Capstone.
Рис. 13. микрогенераторы Capstone
Какие имеются проблемы у существующих на данный момент микро — ТЭЦ?
Основные проблемы существующих активно эксплуатируемых микро-ТЭЦ — это:
— маленький интервал между техническим обслуживанием, низкая надёжность.
Рис. 14. Ремонт дизельного генератора
Дизельные и газотурбинные генераторы требуют обслуживания в лучшем случае раз в год. Это увеличивает стоимость выработки электроэнергии, создаёт лишнюю организационную работу владельцам такой установки, а во время проведения обслуживания установку естественно приходится останавливать на определённое время, что создаёт проблемы потребителям.
— У дизельных и газотурбинных установок отсутствует возможность использовать все виды горючих топлив (жидкое, газообразное, твёрдое горючее), а также отсутствует возможность использовать альтернативные источники тепловой энергии (солнечная, геотермальная, бросовое тепло).
Рис. 15. Возможные виды тепловой энергии для микро ТЭЦ. Слева на право: бросовое тепло предприятия, геотермальная энергия, солнечная энергия, энергия горючих топлив
Далеко не у всех потребителей оптимальный источник тепловой энергии для микро-ТЭЦ — это дизельное топливо или природный газ. Бывает гораздо дешевле использовать другие источники тепловой энергии. Например на предприятии, на котором тепловая энергия сбрасывается в атмосферу, можно спасать часть этой энергии, вырабатывая с её помощью электроэнергию на микро-ТЭЦ. Либо в районах с геотермальными источниками (например, Камчатский край) использовать тепловую энергию недр земли. В районах с высокой солнечной активностью можно использовать для нагрева солнечную энергию или совместно солнечную энергию и энергию сжигаемого горючего топлива.
Таким образом, использование дизельными и газотурбинными генераторами только горючих топлив, является их явным недостатком.
— Высокая начальная цена микро-ТЭЦ. Из-за высокой цены многие люди отказываются от приобретения установки, так как хоть использование установки и становиться через несколько лет дешевле, чем подключение к электросети, но осилить сразу же цену микро-ТЭЦ люди не в состоянии.
Решение проблем
Первые две выше обозначенные проблемы с низким интервалом между тех. обслуживанием и всеядностью решают установки, построенные на основе двигателей Стирлинга.
Рис. 16. микро-ТЭЦ Viessmann Vitotwin 300-W
Ещё одно решение первых двух проблем, это установки на основе паровых микротурбин, то есть установки, работающие по циклу Ренкина.
Как пример такой установки, разработанный в России, можно привести микроэнергетический комплекс на базе влажно-паровой микротурбины, созданный научно-производственным предприятием «Донские технологии»
Рис. 17. МЭК «Донские технологии» электрической мощностью 5 кВт
Не смотря на все преимущества данных установок по сравнению с установками на двигателях внутреннего сгорания и газотурбинных двигателях, они пока не обрели большой популярности из-за более высокой начальной стоимости, сложности ремонта или внепланового обслуживания (отсутствия квалифицированных работников, способных произвести внеплановый ремонт) и по причине долгого привыкания людей к новой технологии.
Термоакустический генератор
Так же как установки на двигателе Стирлинга и на паротурбинном цикле решают проблемы с низким интервалом между тех. обслуживанием и отсутствием всеядности при выборе топлива, термоакустический генератор аналогично решает эти проблемы. Соответственно, для того чтобы занять место на рынке, термоакустическому генератору необходимо иметь начальную стоимость ниже, чем у данных установок, а желательно и ниже чем у дизельных и газотурбинных. Рассмотрим, за счёт чего в термоакустическом генераторе решаются проблемы с тех. обслуживанием и всеядностью, и можно ли решить проблему с высокой начальной ценой.
Напомню, для тех, кто не читал предыдущие статьи »1 статья»,»2 статья», что разрабатываемый мной термоакустический двигатель схематично выглядит примерно так:
Рис. 18. Схема четырёхступенчатого двигателя с бегущей волной
Система, состоящая из резонатора и теплообменников, генерирует под воздействием тепловой энергии энергию акустическую. То есть при наличии определённой разности температур между теплообменниками, в резонаторе возникает бегущая акустическая волна.
У термоакустического двигателя в таком виде крайне высокий ресурс, так как он не содержит никаких движущихся частей. Но для выработки электроэнергии нужны дополнительно турбогенераторы, которые должны преобразовывать акустическую энергию сначала в механическую энергию вращения ротора турбогенераторов, а затем и в электроэнергию. Таким образом, ожидается, что максимальный интервал между тех. обслуживанием в этой части будет ограничен необходимостью обслуживать турбогенераторы и в последнюю очередь сам двигатель.
То есть получается с одной стороны всё как у паротурбинной установки. Однако турбогенератор в термоакустическом двигателе работает при гораздо меньших температурах (около 40 градусов по Цельсию), чем в паротурбинном цикле, где температура турбины достигает более 200 градусов. При этом в термоакустическом двигателе турбина находится в среде инертного газа — гелия, либо аргона, в отличие от паровой турбины, которая изнашивается под ударами капель, содержащихся в паре. Таким образом, можно ожидать повышение ресурса турбогенератора в термоакустическом двигателе по сравнению с паровым турбогенератором.
Термоакустический двигатель может использовать почти любой источник тепловой энергии, так как является двигателем с внешним подводом тепла, так же как и двигатель Стирлинга. При этом имеет очень низкую разность температур между горячим и холодным теплообменниками, необходимую для старта двигателя (самое низкое значение разности температур, встречавшееся мне в литературе, составляет 17 градусов). Поэтому очевидно, что данный двигатель решает проблему с использованием различных видов тепловой энергии.
Посмотрим, за счёт чего термоакустический генератор может быть дешевле, чем генератор на двигателе Стирлинга и чем паротурбинный.
— Во первых благодаря использованию стандартных труб в качестве корпуса резонатора. В отличие от двигателя Стирлинга, корпус термоакустического двигателя не должен иметь высокую точность изготовления. Сгодятся обычные стальные трубы без токарной обработки.
— Затем, по сравнению со свободнопоршневым двигателем Стирлинга, термоакустический генератор имеет не линейный, а вращающийся генератор, что уменьшает его материалоёмкость, а, следовательно, и стоимость.
— Ну и наконец, турбогенератор, так как работает практически при комнатной температуре, то может использовать в своём составе детали из пластика, что снижает стоимость его изготовления.
Таким образом, доведённый до коммерческого образца термоакустический генератор должен занять свою нишу на рынке микро-ТЭЦ
