Автономное энергоснабжение от возобновляемых источников энергии целого поселения стало реальным

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автономное энергоснабжение от ВИЭ целого поселения стало реальным

В ранее опубликованной в Интернете статье «Автономному дому - свою микро-ТЭЦ» показан пример энергоснабжения «малых» объектов с помощью единой энергоустановки - микро-ТЭЦ, работающей по гибридной схеме от возобновляемых энергоисточников. Приводом электрогенератора в ней является паротурбинный блок. Однако позднее для подобных целей был специально разработан твёрдотельный безроторный тепломеханический преобразователь (ТМП) с рекуперацией тепловой энергии. Конструкция его предельно простая. К тому же, он может работать и при температуре в теплоаккумуляторе ниже 100°С, что значительно расширяет временной интервал использования теплоаккумулятора без пополнения его энергоресурса. Ниже мы подробно остановимся на конструкции этого ТМП. А теперь же отметим, что разговор в этой статье касался комплексного автономного энергоснабжения только небольших объектов. А вот теперь - с появлением нового изобретения (патент РФ № 2643877, 2018 г.) - можно продолжить его уже в несколько расширенном плане. Если взять, например, небольшое поселение, садовое общество, аграрный комплекс, некрупный производственный объект, то масштабы потребления энергии будут во много раз больше по сравнению с мощностью рассмотренной микро-ТЭЦ. Но и такую потребность при стабильном энергоснабжении можно удовлетворить с помощью представленной мини-ТЭЦ с сезонным теплоаккумулятором, работающей на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), самыми доступными из которых являются солнце, ветер, горные реки.

Касаясь проблемы обеспечения бесперебойности энергоснабжения потребителей, следует сказать, что непостоянство источников энергии относится не только к солнечной радиации и ветровому потоку, но и к стоку горных рек, создание на которых маломощных бесплотинных ГЭС является вполне посильным даже для небольшого сообщества потребителей энергии.

При возрастающих в наше время темпах освоения возобновляемых энергоисточников использование относительно мощных энергоустановок с учётом непостоянства этих источников сопряжено в основном с двумя проблемами: отсутствием разработанных образцов недорогих энергоёмких (сезонных) тепловых аккумуляторов (ТА) и мощных тепломеханических преобразователей (ТМП) для привода электрогенератора, рассчитанных на использование более низкой температуры рабочего тела, чем в традиционных паровых машинах.

Что касается первой проблемы, то в настоящее время уже есть примеры использования мощных тепло-аккумуляторов. В известном, например, ТА солнечной установки на 10 МВт в г. Барстоу (США) аккумулирующий резервуар сделан в виде цилиндрического сосуда объемом 3058 куб. м, аккумулирующая среда создана из гранитной щебенки массой 6100 т, а в качестве теплоносителя используется масло в объеме 712 куб. м. Сосуд аккумулятора заряжается острым паром при температуре 510° С, которая при этом снижается до 348° С. В режиме разрядки питательная вода с температурой 127° С поступает в разрядный теплообменник, где образуется слегка перегретый пар, имеющий температуру 277° С и давление 2,7 МПа, который направляется к турбине.

Описанный ТА с указанной энергоёмкостью при таком отборе тепла всё-таки не может работать в режиме сезонного аккумулятора, а стоимость его очень высокая.

Известны аккумуляторы солнечной энергии, резервуаром в которых является полость в скальных породах, содержащая до 100 тыс. куб. м воды, имеющая кольцевую форму и не теплоизолированная. Прилежащие к полости слои скальной породы принимают участие в тепловом аккумулировании энергии№.

Сдерживающим фактором в широком освоении таких ТА являются их высокая стоимость, а также ограниченность распространения пригодных для них геологических формаций.

Концепция в создании недорогих сезонных теплоаккумуляторов с энергоресурсом, достаточным для обеспечения бесперебойной работы упомянутой мини-ТЭЦ при самых неблагоприятных погодных условиях, основана на использовании естественного грунта в качестве теплоаккумулирующей среды.

Метод расчёта грунтового ТА с "открытым дном" изложен в ИнтернетеІ, где рассмотрен тепловой аккумулятор объёмом, равным площади занимаемого им участка, умноженной на усредненную глубину воздухопроницаемого пласта до подстилающих водоупорных пород.

Другая проблема состоит в том, что для работы известных паровых турбин, где рабочим телом служит вода, требуется высокая температура, которую не просто получить от ВИЭ, а тем более - сохранить длительное время в теплоаккумуляторах.

В нашей мини-ТЭЦ привод электрогенератора может работать при температуре рабочего тела ниже 100°С, что решает указанную проблему. Из всех известных тепломеханических преобразователей такого класса в эту мини-ТЭЦ, как и в ранее рассмотренную микро-ТЭЦ, наилучшим образом вписываются упомянутые выше безроторные ТМП.

Что касается первичных преобразователей возобновляемых энергоресурсов, то в качестве солнечных коллекторов можно использовать очень эффективный коллектор-приёмник оптического излучения (патент РФ № 2269726, 2006.), солнечный самонаводящийся коллектор-нагнетатель (патент РФ № 2535193, 2014.), солнечный нагреватель с защитой от атмосферных осадков (патент РФ № 2569423, 2015.), многозеркальная гелиоустановка с общим приводом системы ориентации (патент РФ № 2661169, 2018.) и другие солнечные нагреватели с давлением нагретого воздуха, достаточным для прокачки через сухой грунт теплоаккумулятора.

Ветро- и гидротурбины должны быть оснащены компрессорами, работающими так же в замкнутом контуре. Кстати, в этом плане есть принципиально новые технические решения, как, например, вихревая гидротурбина (патент РФ № 2659837, 2018.), а также конвейерная ветроустановка (патент РФ № 2667860, 2018.).

Важным отличием их компрессоров является отсутствие охлаждающего оребрения и обдува. Более того, они имеют хорошую "адиабатную" теплоизоляцию, чтобы всё создаваемое ими тепло сбрасывалось воздушным потоком в теплоаккумулятор.

Далее рассмотрим устройство всего сооружения. Участок под теплоаккумулятор следует выбрать на ровной местности с залегающими на приемлемой глубине водоупорными пластами. Теплоаккумулирующий грунт в просушенном виде должен быть воздухопроницаемым. Особых требований к его экологичности не предъявляется, поскольку циркуляция теплоносителя происходит в замкнутых контурах.

Мощный теплоаккумулирующий пласт 1 (рис. 1) естественного грунта, расположенный в теплогидроизолированном верхней кровлей 2 и граничной стенкой 3 пространстве, контактирует внизу с водоупорным (скальным) подстилающим пластом 4, который вместе с ниже расположенными породами составляет «подошву» теплоаккумулятора и является "открытым дном" в расчёте его теплового баланса. Под верхней кровлей 2 имеются каналы - коллекторы 5, между ними расположены экраны 6 для лучшего распределения потока теплоносителя, а также как промежуточные опоры самой кровли. В центральной части теплоаккумулятора предусмотрены полости 7, где могут быть установлены приводы 8 электрогенераторов.

Над теплоаккумулятором можно разместить солнечные коллекторы, ветроустановки, теплицы и другие лёгкие сооружения.

Предельный тепловой ресурс теплоаккумулятора зависит от суммарного сброса в него тепла. Для солнечной энергии в умеренных широтах интервал времени с достаточной эффективностью, как правило, составляет 5 месяцев (в северном полушарии - с мая по сентябрь), другие ВИЭ учитываются по местным условиям.

Относительное изменение температурной амплитуды равно

Здесь: щ=2р/Т - период воздействия,

a = k/с?с,

k - коэффициент теплопроводности,

с - теплоемкость грунта, с - плотность грунта.

Эта формула показывает, что основное тепло сосредоточено в верхней (утеплённой) части теплоаккумулятора. И очень быстро убывает вниз. При этом необходимо учесть следующие обстоятельства: потери тепла через нижерасположенные горизонты будут повышенными только в первые годы эксплуатации ТА, затем (через 2 - 3 года) по мере прогревания этих горизонтов потери резко сократятся и, в зависимости от теплопроводности пород, составят в полугодие не более 30% начального запаса. Следовательно, основная часть тепла, накопленного главным образом за летний период, может быть использована на отопление, горячее водоснабжение и на производство электроэнергии.

При этом следует учесть, что в самый начальный период зарядки ТА много тепла израсходуется на просушку его теплоаккумулирующего слоя (при разомкнутых контурах первичных преобразователей), однако, поскольку в нормальном режиме работы микро-ТЭЦ этот слой изолирован от окружающей среды, увлажнение грунта в дальнейшем исключено, поэтому впредь таких теплопотерь не будет.

Итак, созданный первичными преобразователями возобновляемой энергии запас тепла частично расходуется на производство электроэнергии. Вся не преобразованная в механическую энергию, необходимую для работы электрогенератора, тепловая энергия сбрасывается в теплосеть. Сам этот контур непосредственной связи с нагретым пространством ТА не имеет.

Дефицит тепловой энергии для её потребителей может быть восполнен по отдельным каналам от ТА через теплообменники.

Таким образом, грамотно обустроенный теплоаккумулятор обеспечит надежную работу мини-ТЭЦ в любое время года и при минимальных эксплуатационных издержках.

Как было сказано выше, в качестве привода электрогенераторов могут быть использованы наиболее совершенные "беспаровые" ТМП. В нашей мини-ТЭЦ их может быть несколько. Это необходимо как для увеличения общей мощности, так и для создания резерва, необходимого в целях обеспечения бесперебойного электроснабжения.

Что касается использования «беспаровых» ТМП, следует упомянуть первый из них - по патенту RU №2442906, 2012 г. Его более совершенный аналог - компактный ТМП с жидкостным рабочим телом (по патенту RU №2613337, 2017.) - имеет по сравнению с первым повышенный к.п.д. (по крайней мере - на порядок!) при уменьшенных (в разы) габаритах. Следующий - «Русский двигатель», (патент РФ № 2623728, 2017.), - отличается тем, что его ротор выполнен в виде цилиндрического биметаллического барабана, посаженного на упругую втулку с теплообменными каналами, примыкающими к золотниковому устройству, при этом барабан оснащен контактирующими с его поверхностью роликами. Он компактен, способен, как и его аналоги, работать в режиме когенерации, имеет систему рекуперации тепловой энергии.

Но все эти преобразователи довольно сложны и могут быть установлены только вне теплоаккумулятора, а вот вышеупомянутый безроторный ТМП (патент RU № 2636956, 2017.) легко вписывается в него (снаружи устанавливается только электрогенератор). Сам же ТМП представляет собой двухслойный металлический барабан с контактирующими с его внешней поверхностью роликами. Этот тепловой двигатель можно изготовить даже в условиях обычных механических мастерских. энергоснабжение тепловой аккумулятор преобразователь

На его конструкции остановимся подробно.

Для начала рассмотрим принцип его работы. На рис. 2 изображён контур цилиндрического теплочувствительного элемента (ТЧЭ). На рис. 3 обозначен цифрой 1. Он состоит из двух упругих оболочек 2 и 3 с теплоизолирующим слоем 4. Внутренняя оболочка 2 изготовлена из материала с высоким коэффициентом теплового расширения. Внешняя оболочка 3 - из металла с малым тепловым расширением. В свободном состоянии ТЧЭ представляет собой круговой цилиндр. При его нагревании внутренняя оболочка испытывает напряжение упругого сжатия, однако форма ТЧЭ не нарушается. Но если, например, три сегмента этой оболочки, расположенные равномерно по окружности, подвергнуть охлаждению, величина внутренних напряжений в них снизится и ТЧЭ примет форму - назовём её так условно - "трёхосного" овала, показанного на принципиальном чертеже сплошной тонкой линией (при этом, для наглядности, деформации преувеличены).

Если теперь свести ролики 5 в положение, где они показаны на этом чертеже сплошной линией, с дополнительной деформацией указанного овала, он повернётся в положение, показанное штрих-пунктирной линией, в котором указанная дополнительная его деформация практически исчезнет.

Если бы зоны нагрева и охлаждения повернулись вместе с овалом, то процесс был бы закончен. Однако указанные зоны остаются на месте, и вызванное этим обстоятельством перераспределение температур и внутренних напряжений приведёт к восстановлению прежней ориентации осей овала при сохранении совершённого поворота самих оболочек. А это снова вызовет их поворот. И это вращение плавно продолжится, пока сохраняется разность температур в указанных стабильно расположенных зонах.

Итак, рабочим органом преобразователя является ТЧЭ 1, показанный на рис. 3 утолщенной линией. В простейшем варианте - это цилиндр, состоящий из двух оболочек: внутренней - 2 и внешней - 3, связанных теплоизолирующим слоем 4 (см. сечение А-А).

С внешней оболочкой 3 контактируют ролики 5 с кинематической (например, фрикционной) связью хотя бы одного из них, передающего вращение электрогенератору. Ролики установлены с возможностью регулировочного синхронного перемещения, как в радиальном, так и в окружном направлениях.

Нагрев сегментов внутренней - рабочей - оболочки 2 предусмотрен как горячей воздушной средой аккумулятора (максимальный нагрев), так и потоком, нагретым охлаждаемыми участками ТЧЭ воздухом (предварительный нагрев). Такая система с рекуперацией тепла обеспечивается теплообменными камерами 6, стенки которых теплоизолированы, а входные и выходные каналы соединены с соответствующими коллекторами внешней сети. Торцевые стенки 7 теплообменных камер 6 плотно прилегают к торцам барабана, а подвижные части этих камер, контактирующие с его внутренней поверхностью, подпружинены.

На рис. 3 показаны все температурные зоны, а также направления потоков теплоносителей.

Горячий воздух в полости теплоаккумулятора находится в контакте с поверхностью внутренней оболочки ТМП только на её открытых участках, где теплообменные камеры отходят от этой поверхности (здесь, кстати сказать, для лучшего теплообмена в рабочем режиме целесообразно предусмотреть принудительную циркуляцию воздуха).

При отсутствии охлаждающего воздушного потока температура в разных сегментах оболочки выравнивается, это состояние преобразователя - нерабочее. Включение его в работу производится подачей охлаждающего потока, который из своего коллектора поступает в зоны охлаждения и отбирает тепло у сегментов оболочки, примыкающих к входным каналам теплообменных камер. Далее это тепло переносится потоком в области предварительного нагрева сегментов ТЧЭ, откуда потоки уже в частично охлажденном состоянии уходят в другой коллектор - на утилизацию оставшейся тепловой энергии. И только открытые участки внутренней оболочки получают максимальный нагрев непосредственно от теплоаккумулятора.

При этом реализуются заданные процессы и рекуперации тепла, и работы преобразователя в режиме когенерации.

Итак, при взаимно независимой работе первичных преобразователей возобновляемой энергии все они создают запас тепла в грунтовом ТА. При этом энергия, затрачиваемая нагнетателями на прокачку теплоносителя, используется на аэродинамический нагрев грунта ТА. Следует заметить, что из его воздухозаборных коллекторов 5 (рис.1) в первичные преобразователи подается уже нагретый теплоноситель. Здесь он ещё более нагревается и снова поступает в ТА, прогревая его грунтовый слой во всём его объеме, что обеспечивается более равномерным распределением воздушного потока в грунте с помощью экранов 6.

Распространенность территорий с пригодными для таких теплоаккумуляторов грунтами позволяет строить описанные мини-ТЭЦ практически в любых регионах, располагающих достаточным ресурсом возобновляемых источников энергии.

А широкое освоение рассмотренного энергокомплекса позволит не только обеспечить энергоснабжение многих как существующих, так и вновь создаваемых объектов, но и решать проблемы сбережения энергоресурсов, занятости населения и защиты окружающей среды.

Н. Ясаков. Новороссийск.

Литература

1.Бекман Г., Гилли П., Тепловые аккумулированные энергии. М. Мир, 1987, с.130.

2. Публикация Роспатента от 29.11.2017. Бюл. № 34.

Размещено на Allbest.ru