Зачем нужен термоакустический генератор? +27




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.

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (28):

  1. Ivanii
    /#19739158 / +2

    Другая сторона — КПД мелких генераторов всегда хуже, долговечность меньше, если нет электросети то и газопровода в 99% случаев нет, соляру возить? Единственный плюс — утилизация бросового тепла электростанции на обогрев жилья.
    Солнечные панели с трудом окупаются за весь врок службы, ветряки создают смертельно опасный шум.
    Устойчивость сети не увеличивается, а снижается — сети придется приспосабливаться не только к переменной нагрузке но и к переменной внеплановой генерации.

    Мини ТЭЦ все таки могут быть рентабельны — масштаба небольшого города.

    • sergof
      /#19740270

      А можно мне подробнее про

      ветряки создают смертельно опасный шум

      Почему я спрашиваю а сам как-бы не даю себе труда погуглить? Потому что на самом деле я вижу эту мантру довольно регулярно, и на самом деле каждый раз гуглю, но нахожу источники только со ничтожными индексами доверия. То какие-то страницы где смешаны «исследования» с астрологиями и увеличениями пенисов, то вообще, извините, ЖЖ. Однако почти в каждом обсуждении источников возобновляемой (и не только) энергии, почти гарантированно находится такой комментарий. Я прошу поделиться со мной тайным знанием в виде ссылок на публикации работ про «ветряки создают смертельно опасный шум». Спасибо заранее.

      • Ivanii
        /#19740768 / -1

        «В германской федеральной земле Баден-Вюртемберг установлено минимальное расстояние от жилых домов в 700 метров, в земле Гессен 1000 м от границы поселения», они не дураки и проводили исследования.

        «Многочисленные научные исследования доказывают, что сверхнизкий шум ветровых турбин (инфразвук) не представляет опасности для человека в случае соблюдения этого разумного расстояния

        От сюда renen.ru/mify-o-vetroenergetike-shum-i-infrazvuk

        • adictive_max
          /#19740822 / +1

          Там же

          Шум от ветровых генераторов не является каким-то «особо вредным звуковым загрязнением». Да, оборудование шумит, как это делают машины. Для того, чтобы этот шум не слышать, нужно жить на разумном расстоянии от ветровых электростанций.
          То есть насчёт смертельно опасного шума вы слегка перегнули разводите спекуляции.

      • Bedal
        /#19741038

        Никаких достоверных свидетельств опасности инфразвука ветряков и не найдёте. Хотя бы по той простой причине, что подобных исследований с учётом долговременности воздействия не проводилось. И ещё потому, что затухание у инфразвука меньше, и рассматривать его влияние нужно на очень большой территории. С воздействием в случае ветряков надо водой нужно, к тому же, вообще другую задачу решать.

        Так что данных о вредности — просто нет. Это верно. Как верно и то, что вред, вероятнее всего есть — но пока не наблюдаем из-за кратковременности наблюдений и непроработанности методик.

        Во всяком случае, падение выработки рядом стоящих ветряков именно из-за инфразвукового взаимодействия — уже известно. Оно не так велико (в сравнении с влиянием создаваемой турбулентности), но есть.

        • sergof
          /#19741700

          Боюсь показаться нескромным, но опять-же я не могу найти никаких ссылок по научным исследованиям на тему

          падение выработки рядом стоящих ветряков именно из-за инфразвукового взаимодействия

          Я отнесу завтра свой гуголь в ремонт, а сегодня прошу поделиться вашими источниками. Благодарю.

          • Bedal
            /#19741794

            Мы делаем динамические модели энергосистем и там, соответственно, модели оборудования. Получили запрос на корректировку модели — снижение мощности ветропарка, так как реальные значения ниже модельных. Причина — взаимовлияние, в частноси — по инфразвуку (срывные процессы на концах лопастей).
            На генераторы, работающие в режиме активного срыва, не влияет — ну, так они по определению вырабатывают меньше. Зато регулируются проще.
            Впрочем, можно и из исследований на подобные темы что-то найти. Ну, к примеру: journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.3.124603
            Там именно этот момент не отражён, но о совместной работе ветряков — написано.

  2. MikeVC
    /#19739200 / +2

    Рассуждения замечательные, но отсутствует самое главное звено.
    Как преобразовать энергию акустическую в электрическую?
    Ну сделали мы крутую термоакустическую «гуделку». Она гудит так что стены трескаются и у соседей дома трясутся. Дальше то что?
    Чтобы крутить турбину, в нее надо подавать рабочее тело под большим давлением.
    Ну ладно, вот сейчас пойду бриться, у бритвы электро магнит делает «бззззззззз» и дергает лезвия.
    Подозреваю, что обратный эффект тоже имеет место быть. Но с каким КПД?

    • Rapasantra
      /#19739214 / +1

      Можно вот таким вот образом преобразовать

      • arheops
        /#19739452

        КПД, все упирается в КПД
        Естественно, с реализацией «из труб без токарной обработки» и низкой разницей температур.
        И чето мне сложно представить чтото, что ремонтируется проще низкооборотистого дизеля.
        А эта турбина шикарна описана. 90-92% КПД, не написано относительно чего, и «генератор под нее еще не готов».

      • MikeVC
        /#19740072

        Я подумал про 2 вещи:
        1. Это заслонка на шарнире внутри канала которая дергает катушку в поле магнитов.
        Но возвратно — поступательное движение это плохо. Динамически движимая масса отнимет всю энергию. И механическая надежность низкая. Опять все проблемы устройств с ДВС и т.д
        2. 2 хитротурбины с соединенными валами, каждая в свою сторону. Причем чтобы лопасти перекрывали поток когда работает соседняя. Если такое синхронизировать…
        Или да одна хитротурбина как на видео. Но она опять же сильно привязана к частоте и потоку. Из-за конструкции ротора.
        Но тут опять сильно сложно.
        А еще когда нагрузишь всю эту систему, частота резонанса будет уплывать… Или вобще генерация срываться. Так что это на первый взгляд нет движущихся частей.
        В паровом котле их тоже нет. Но вот когда прикрутишь к нему турбину…

  3. kinall
    /#19739436

    Без неонки внутре работать не будет.

  4. Mesklin
    /#19739446

    А что это за странная картинка с тушением пожара якобы на Фукусиме? Если найти это фото полностью, видно что имеются явные причалы для заправки танкеров и какие-то сооружения для переработки нефтепродуктов за горящими емкостями (первый снимок статьи, увеличить, правый край снимка).
    medium.com/@hajarkasmi/the-fear-of-nuclear-energy-intensified-by-fukushima-accident-1e24aafb6427

    Да и местность совершенно не похожа на Фукусиму. Смотри спутниковый снимок электростанции:
    www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwj9-crL-7HgAhVtlYsKHdHCCnMQjRx6BAgBEAU&url=https%3A%2F%2Fwww.satimagingcorp.com%2Fgallery%2Fikonos%2Fikonos-fukushima-daiichi-before%2F&psig=AOvVaw0eLVgzv1_WdZ3CMWGt4jxP&ust=1549915541912076
    Википедия такая википедия )).

  5. Zmiy666
    /#19739456

    ну вроде как любые колебания с достаточно большой амплитудой можно превратить в электричество, как в линейном электродвигателе, совсем не надо что-то крутить для этого, хватит колебаний магнита в катушке. И кпд вроде как не самое плохое.

    А на счет микро тэц… всегда интересовало, можно ли сделать рентабельной установку, питающую село в 100-200 домов. То есть там же еще понадобиться блок аккумуляторов, чтоб гасить пики потребления. И сколько мог бы стоить киловатт если жечь мазут ну или бензин 80 ил 92… потому как дизель чего-то уже дороже стал

    • arheops
      /#19739742

      КПД перевода колебаний то 90.
      А сколько, чтоб их получить?
      Интересует то общий КПД.
      Например, в принципе не получиться в 0 заюзать весь звук(всю амплитуду).

  6. 9660
    /#19739986

    так как хоть использование установки и становиться через несколько лет дешевле, чем подключение к электросети

    Это как такое может быть?

    • Rapasantra
      /#19746152

      В месте, в котором есть газ и нет подключения к электросети, можно купить микро-ТЭЦ, либо можно всё таки подключиться к электросети и купить газовый котёл. По моим расчётам на пятом году использования, микро-ТЭЦ становиться такой же по стоимости (начальная цена + все эксплуатационные расходы) как и подключение к сети + газовый котёл. Если надёжность позволяет работать более 5 лет без затрат на тех обслуживание, то далее микро-ТЭЦ становиться уже дешевле связки электросети+котёл.

  7. BiosUefi
    /#19741182

    >>В странах, в которых законодательно разрешено продавать [ принуждают выкупать] излишки вырабатываемой электроэнергии [ сливаемой ] в общую сеть

  8. Bedal
    /#19741252

    турбина на 40° градиента температуры будет иметь замечательный размер. А размер — это стоимость. И не только строительства, но и стоимость разработки, позволяющей иметь хоть сколько-нибудь приемлемый КПД.
    Кроме того, при гелиевой среде применение «обычных стальных труб» несколько сомнительно :-D

    • RamusAkaRami
      /#19742118 / -1

      Конечно сомнительно, гелий прекрасно проникает через обычный металл, для него нужны вроде как металлы платиновой группы, как минимум покрытие должно быть такое. Что-то мельком читал на этот счет.
      В общем в статье очень много воды и практически никакой конкретики, она создает больше вопросов чем ответов.

      • johnfound
        /#19742564

        Как раз, гелий проникает лучше через диэлектрики. Почти все пластиковые трубы текут как дуршлаг.
        А водород, наоборот, через металлы. Но это все сравнивая гелий с водородом. А так, через 1мм металла практически ни тот, ни другой не проникнет в измеримых количествах.

    • Rapasantra
      /#19746154

      Будет применяться аргон в качестве рабочего тела. У него довольно большая молярная масса

      • Bedal
        /#19746166 / -1

        Зачем тогда блабла про гелий? И — почему аргон, а не азот, к примеру? Чтобы дороже было?
        В любом случае, градиент в 40 градусов и сколько-нибудь приемлемый КПД — только за счёт очень больших строительных размеров и цены.

    • Gryphon88
      /#19746552

      Они обычно как вспомогательные, маломощные продаются, ну и стоят дороговато. А то, что можно сделать в сарае, проигрывает не только дизелю, но и стирлингу, менее чувствительному к точности изготовления.

  9. lingvo
    /#19742734

    Микро-ТЭЦ уже достаточно давно и успешно используются на Западе. Недостаток их в том, что электрогенератор работает только тогда, когда нужно отопление. Если же отопление или горячая вода не нужна, газ жечь незачем и электричество не получится.


    Как термоакустический двигатель может решить эту проблему?

    • Rapasantra
      /#19746168

      Можно решить эту проблему путём совместного использования горючих топлив и солнечной энергии. Зимой мало солнца, придётся использовать газ. Летом много солнца, можно использовать солнце. На дизельном генераторе это сделать невозможно