Автономные источники энергия для космических аппаратов. Источники энергии автономные


Автономные источники энергия для космических аппаратов

Основная проблема всех автоматических межпланетных станций или спутников – отсутствие независимого источника энергии, питающего аппарат, а без этого, процесс освоения  исследования значительно осложняется. Использовать всегда и везде солнечные батареи далеко не выход – слишком зависимы от дальности и положения Солнца, к тому же требуют дополнительных усилий и вычислений. Именно поэтому ученые и исследователи уже десятки лет размышляют над экономным и удобным способом обеспечения космических аппаратов энергией.

Существует множество вариантов, и некоторые из них мы рассмотрим. Так еще в далеком 1913 году, ученый Генри Мозли разработал генератор, преобразующий энергию спонтанных ядерных реакций в электрический ток. Гениальная простота конструкции приковала к ней взгляды научного мира.  Посеребренная изнутри сфера, в которую помещали радий, давала возможность получить электрическую энергию, однако КПД этой батареи оказался очень мал, но вот выделение тепла, которое образовывалось в процессе – сослужило свою службу.

генри мозли со своим изобретением

В советских «Луноходах» подобные капсулы применялись для обогрева приборного отсека. Не смотря на то, что капсулу рассматривал лишь как тепловыделяющий элемент, а количество выделяемой электрической энергии оставалось на слишком низком уровне – разработки в этом направлении продолжались, и ученые смогли добиться неплохого результата.  Об этом говорит хотя бы то, что силовая установка MarsScience Labaratory NASA(приземлившуюся на Марсе 6 августа 2012 года) использует силовую установку, основанную на принципе преобразования отдаваемого плутонием-238 тепла в электричество.

радиоизотопный генератор используемый в MarsScience Labaratory

Разработки и доработки NASA не останавливаются на радиоизотопном генераторе. Еще более ранний проект сейчас дорабатывается и усовершенствуется в их лабораториях. В 1816 году, общественности стал известен так называемый двигатель Роберта Стирлинга. Его плюс, в отличие от радиоизотопного генератора состоит в серьезном КПД устройства – до 30% (по сравнению с 7% предыдущего генератора). Работа двигателя основана на циклическом изменении температуры рабочего тела. При нагревании – газ расширяется и приводит в действие поршень, заполняя охлаждаемую часть цилиндра. Остывая – он, соответственно сжимается.

принцип действия двигателя стирлинга

Если читатель задумается, то представить процесс преобразования ядерной энергии в тепловую, после – в кинетическую и лишь потом в электричество, довольно сложно. А представить атомную энергоустановку с поршнем – так совсем напоминает что-то из фантастического steam-панка, однако на практике все обстоит куда легче и никаких проблем не возникает. NASA обещают уже к 2016 году выпустить подобный двигатель, а на данном этапе решают проблему поведения механизма в условиях перегрузок и изменения температур за время полета, впрочем, решение этой проблемы вряд ли окажется для специалистов чрезмерно сложной задачей.

И еще один вариант – использование в качестве генератора ядерный реактор. За всю историю космонавтики, ядерные реакторы не так часто бывали в космосе и тем более, не так часто использовались. А большая часть из этих установок так и совсем не использовали цепную реакцию, а полагались исключительно на выделяемое при распаде плутония-238 тепло. Впрочем, все это не исключает новых возможностей.

Традиционно, проблемы у реактора одни – их масса на порядок больше, чем у радиоизотопных батарей, а вот надежность гораздо ниже. Если попытаться уменьшить реактор, то появляется другая проблема – цепная реакция при падении содержания 235-го изотопа прекращается.  Более того – довольно небольшой срок службы. Конечно, возможно представить сценарий при котором отработанное горючее будет извлекаться и пройдет заправка на орбите, но затраты того не стоят (а из строя реактор будет выходить через каждый год).

ядерная энергетическая установка тополь

Да и проблемой возвращения реактора на Землю тоже можно обеспокоиться, все таки и на планете хватает различного мусора. Так или иначе, разработки в различных направлениях решения проблемы автономного обеспечения космических аппаратов будут проводиться и дальше, а новые подходы и методы радуют уже сегодня. Остается поверить NASA и подождать 10-20 лет – именно через такой промежуток агентство обещает разрешить эту непростую задачу.

www.sciencedebate2008.com

Автономные источники энергии - fiziku5.ru

а)

b)

Рис. 54. a) осциллограмма на клеммах электролизёра при контрольных испытаниях;

b) осциллограмма импульсной разрядки аккумулятора

Итак, доказано экспериментально, что все счётчики электроэнергии увеличивают реальный её импульсный расход в количество раз, равное скважности импульсов напряжения. Так как новые счётчики электроэнергии ещё не разработаны, то у нас остаётся одна возможность – показать реальную энергетическую эффективность импульсных её потребителей путём измерения средней величины импульсной электрической мощности на клеммах потребителя. В результате мы увидим значительные энергетические резервы, которые человечество ещё не научилось использовать из-за ошибочности математической модели, заложенной в электронные программы всех электроизмерительных приборов. Вполне естественно, что многовековая математическая ошибка будет исправлена и уже полученные экспериментально энергетические эффекты будут реализованы практически. Мы не будем часто напоминать об этом по ходу изложения результатов экспериментальных исследований, но читатель должен понимать, что время их практической реализации уже пришло.

18. Автономные источники энергии

Электромотор-генератор МГ-1 (рис. 43) получал энергию из сети. Это исключало возможность проверки реальной величины импульсной мощности на его привод. Такая возможность появляется при питании его от первичного источника питания с явным ограничением величины его электрической энергии. Этим свойством обладают аккумуляторы, поэтому вторая модель электромотора – генератора МГ-2 (рис. 55), не имеющего постороннего привода, была сделана для подключения к аккумулятору [5], [6].

Сложности изготовления первых моделей новых изделий известны. Не всегда удаётся сразу точно рассчитать проектные параметры, закладываемые в конструкцию такого изделия. Возникающие несоответствия быстро исправляются после первых испытаний таких изделий и экспериментальный цех немедленно изготовляет следующий образец с исправленными погрешностями. Мы такой возможности лишены. Экспериментальный образец изготовляется в единственном экземпляре, а недостаток финансовых средств лишает нас возможности быстрого исправления допущенных погрешностей путём изготовления следующего экспериментального образца такого устройства. Поэтому мы представляем результаты испытаний первого образца электромотора – генератора МГ-2 с теми погрешностями, которые были допущены при его изготовлении (рис. 55).

Рис. 55. Электромотор – генератор МГ-2

Главная из них – низкая амплитуда импульсов ЭДС индукции в обмотке статора, которая исключает возможность использовать эти импульсы для зарядки 12-ти вольтового аккумулятора, питающего МГ-2 (рис. 55). Величина амплитуды импульса ЭДС индукции в обмотке статора оказалась около 8 Вольт, что исключило возможность использовать этот импульс для зарядки 12-ти вольтового аккумулятора.

Главное достоинство МГ-2 – полное отсутствие электроники в системе его питания. Все функции управления этим процессом принадлежат щёткам и коллектору, которые позволяют менять ступенчато обороты ротора в интервале от 1000 до 3600 об./мин. Ротор массой 2,33 кг можно приводить во вращение источником питания с напряжением от 3 до 36 Вольт. Суть небольшого дополнения в системе питания МГ-2 в том, что импульсы ЭДС самоиндукции, рождающиеся в обмотке возбуждения ротора, возвращаются в конденсаторы блока питания и их действие прослеживается на осциллограммах, снятых с клемм аккумуляторов, питающих МГ-2 (рис. 56) [3], [4].

Рис. 56. Осциллограмма напряжения и тока на клеммах ротора МГ-2

На рис. 56 видно, что после отключения подачи напряжения в обмотку возбуждения ротора (амплитуда тока уменьшается до нуля), возникающий импульс ЭДС самоиндукции в его обмотке возвращается в конденсаторы блока питания и на клеммах аккумулятора появляются импульсы Р, Р, Р, …. Р. напряжения подзаряжающие аккумулятор, и соответствующие импульсы тока k, k, k,….k, полярность которых противоположна полярности импульсов тока с амплитудами , разряжающими аккумулятор импульсной энергией привода ротора (рис. 56). Полученный экспериментальный результат убедительно доказывает возможность рекуперации электрической энергии [3], [6]. В следующей модели импульсы ЭДС самоиндукции ротора будут направлены на подзарядку аккумуляторов в режиме их зарядки, а не в режиме подачи напряжения в обмотку возбуждения ротора.

Наиболее приемлемый выход из невозможности использования импульса ЭДС индукции статора для зарядки аккумуляторов – подключение МГ-2 к двум 6-ти вольтовым аккумуляторам, соединённым последовательно и образующим 12-ти вольтовый источник энергии. Так как один и тот же аккумулятор нежелательно использовать в режиме разрядки и зарядки одновременно, то нужна вторая пара таких же аккумуляторов. Для того чтобы одна пара таких аккумуляторов питала МГ-2, а вторая в этот же момент заряжалась импульсами ЭДС индукции статора, потребовалась схема их подключения (рис. 57), которая позволяла использовать их в режиме питания МГ-2, соединёнными последовательно, а в режиме зарядки – соединёнными параллельно. В этом случае достаточно амплитуды импульсов ЭДС индукции статора, равной 8 Вольт, для зарядки двух 6-ти вольтовых аккумуляторов, соединённых параллельно. На рис. 57 представлена электрическая схема, позволившая реализовать описанное, при ручном переключении режима разрядки аккумулятора, питающего МГ-2 в режим его зарядки.

Рис. 57. Электрическая схема питания МГ-2 в режимах разрядки и зарядки аккумуляторов

Масса ротора МГ-2 составляет 2,33 кг. Его обмотка возбуждения подключалась к двум 6-ти вольтовым мотоциклетным аккумуляторам 6МТС-9, соединённым последовательно. Два других таких аккумулятора, соединённых на момент зарядки параллельно, подключались к импульсам ЭДС индукции статора. К импульсам ЭДС самоиндукции статора подключалась ячейка электролизёра (рис. 58).

Рис. 58. Фото МГ-2 + 2 аккумулятора 6МТС-9 + ячейка электролизёра

Процесс контрольных испытаний длился 3 часа 10 минут при 1800 оборотах ротора в минуту. Электролизёр производил 2,70 литра смеси водорода и кислорода в час. Аккумуляторы переключались с режима разрядки (питания МГ-2) на режим зарядки вручную через пол часа. За 3 часа 10 минут напряжение на клеммах каждой пары аккумуляторов уменьшилось с 12,28В до 12,00В. Импульсы ЭДС индукции статора не дозаряжали каждую пару 6-ти вольтовых аккумуляторов на 0,10 Вольта в час, а каждый из них в отдельности, на 0,05 Вольта в час.

Для проверки величины мощности, необходимой для поддержания постоянного напряжения на клеммах аккумуляторов был проведён дополнительный эксперимент. К клеммам аккумуляторов, находившимся в режиме зарядки, подключалось зарядное устройство, включённое в обычную электрическую сеть. Измерения показали, что дополнительное зарядное устройство забирало из сети на холостом ходу 10 Ватт, а после подключения заряжаемых аккумуляторов мощность увеличивалась на 4-5 Ватт. Диск счётчика электроэнергии не реагировал на такую нагрузку и не вращался.

Из этого следует, что увеличение витков обмотки статора способно обеспечить работу МГ-2 в автономном режиме без посторонних источников энергии. В результате длительность автономной работы такого источника энергии в режиме, так называемого «вечного» двигателя будет ограничена только сроком службы аккумуляторов.

Все вопросы о коэффициенте полезного действия МГ-2 теряют смысл и понятие электротехнический закон сохранения энергии, согласно которому потребитель электроэнергии не может производить энергии больше потребляемой, уходят в историю [3], [6].

Научно-технические достижения человечества – фантастика, которую теоретики приписывают себе, а экспериментаторы скромно молчат, являясь реальными авторами этих достижений. Новые экспериментальные данные увеличивают указанные разногласия. Наиболее значительные из них, как мы уже отметили и доказали, — в Динамике и Электродинамике [4].

Из первого закона динамики Ньютона следует, что если тело движется равномерно и прямолинейно, то сумма сил, действующих на него, равна нулю, а если тело вращается равномерно, то сумма моментов, действующих на него, также равна нулю.

Однако, автомобиль, проехав равномерно и прямолинейно, например, 10км., расходует бензин. В результате совершается работа, величину которой можно рассчитать теоретически. Или, если тело вращается равномерно, то на это вращение также расходуется энергия и её тоже можно рассчитать теоретически и определить экспериментально, а первый закон Ньютона отрицает это, утверждая, что сумма моментов, действующих на равномерно вращающееся тело, равна нулю. Это значит, что на равномерное вращение тела энергия не расходуется. Забавно получается, когда начинаешь осознавать, что эти фундаментальные теоретические противоречия спокойно живут столетия и заполняют головы учащейся молодёжи. Теоретики, вместо поиска причин этих противоречий, яростно доказывают их отсутствие [4].

fiziku5.ru

Автономные источники электроэнергии для загородного дома

Идеи организации систем автономного электроснабжения загородного дома становятся все популярнее среди их владельцев. Основное преимущество автономного источника энергии – независимость от поставщика электрической энергии. За последние годы стоимость электроэнергии неуклонно растет, однако качество, как самой электроэнергии, так и предоставляемых услуг зачастую не отвечает современным требованиям. Кроме того, развитая сеть электроснабжения имеется не в каждой местности.

Далее постараемся рассмотреть наиболее распространенные автономные источники получения электрической энергии, а также определить их преимущества и недостатки.

1. Генераторные установки на жидком топливе (бензин или дизель). Именно бензиновые (БГУ) или дизельные (ДГУ) генераторы позволяют обеспечить полную автономность в электроснабжении загородного дома. При соблюдении несложных требований в техническом обслуживании установки и достаточном количестве топлива, такие системы электроснабжения способны полностью заменить внешние источники получения электроэнергии.

Однако широкому распространению БГУ и ДГУ препятствует стоимость топлива. Расход топлива для самого экономичного дизельного генератора составляет не менее 250 гр. на 1 кВт/ч электроэнергии. Не сложно подсчитать, что для загородного дома с потребляемой электроэнергией в несколько киловатт, расход дизельного топлива составит не менее 1 литра в час. Стоимость же такого топлива растет еще бОльшими темпами, чем стоимость электроэнергии, поэтому БГУ и ДГУ применяются лишь в качестве резервных источников питания. Кроме того, стоимость самой генераторной установки может достигать нескольких тысяч у.е.

2. Электростанция на солнечных батареях. Самым большим преимуществом солнечных электростанций можно считать то, что солнечная энергия абсолютно бесплатна. Однако с эти связан и существенный недостаток – непостоянство получения солнечной энергии.

Мощность, вырабатываемая солнечными батареями, напрямую зависит от площади самой батареи. Батарея в 1 кв. м. вырабатывает около 100 Вт электроэнергии при выходном постоянном напряжении 15…25 В. Кроме того, выходное постоянное напряжение необходимо преобразовывать в переменное, «пригодное» для домашнего использования. Для этого необходимо устанавливать инвертор напряжения. Непостоянство получения солнечной энергии приводит к необходимости использования аккумуляторных батарей для бесперебойного электроснабжения. Управление же всей этой системой необходимо осуществлять через контроллер. Стоимость всего необходимо оборудования для установки солнечных батарей в загородном доме начинается от 4000$ на 1 кВт производимой электроэнергии.

3. Электростанция на основе ветряного генератора. Ветрогенераторные установки весьма схожи с солнечными электростанциями: бесплатный энергоноситель; необходимость установки аккумуляторных батарей, инвертора, системы управления. Кроме того эти электроустановки имеют все те же преимущества и недостатки.

Однако ветряки своей работой могут создавать помехи для многих приборов и средств связи, поэтому для их установки потребуется свободная площадка на загородном участке. Кроме того, многие жители в Европе, живущие по соседству с ветряными установками жалуются на определенный шум, издаваемый самим генератором. Ну и главный недостаток ветряной установки для загородного дома – это ее стоимость.

Всего комментариев: 0

ukrelektrik.com

Автономные источники энергии для космических аппаратов

Основная проблема всех автоматических межпланетных станций или спутников – отсутствие независимого источника энергии, питающего аппарат, а без этого, процесс освоения  исследования значительно осложняется. Использовать всегда и везде солнечные батареи далеко не выход – слишком зависимы от дальности и положения Солнца, к тому же требуют дополнительных усилий и вычислений. Именно поэтому ученые и исследователи уже десятки лет размышляют над экономным и удобным способом обеспечения космических аппаратов энергией.

Существует множество вариантов, и некоторые из них мы рассмотрим. Так еще в далеком 1913 году, ученый Генри Мозли разработал генератор, преобразующий энергию спонтанных ядерных реакций в электрический ток. Гениальная простота конструкции приковала к ней взгляды научного мира.  Посеребренная изнутри сфера, в которую помещали радий, давала возможность получить электрическую энергию, однако КПД этой батареи оказался очень мал, но вот выделение тепла, которое образовывалось в процессе – сослужило свою службу.

генри мозли со своим изобретением

В советских «Луноходах» подобные капсулы применялись для обогрева приборного отсека. Не смотря на то, что капсулу рассматривал лишь как тепловыделяющий элемент, а количество выделяемой электрической энергии оставалось на слишком низком уровне – разработки в этом направлении продолжались, и ученые смогли добиться неплохого результата.  Об этом говорит хотя бы то, что силовая установка MarsScience Labaratory NASA(приземлившуюся на Марсе 6 августа 2012 года) использует силовую установку, основанную на принципе преобразования отдаваемого плутонием-238 тепла в электричество.

радиоизотопный генератор используемый в MarsScience Labaratory

Разработки и доработки NASA не останавливаются на радиоизотопном генераторе. Еще более ранний проект сейчас дорабатывается и усовершенствуется в их лабораториях. В 1816 году, общественности стал известен так называемый двигатель Роберта Стирлинга. Его плюс, в отличие от радиоизотопного генератора состоит в серьезном КПД устройства – до 30% (по сравнению с 7% предыдущего генератора). Работа двигателя основана на циклическом изменении температуры рабочего тела. При нагревании – газ расширяется и приводит в действие поршень, заполняя охлаждаемую часть цилиндра. Остывая – он, соответственно сжимается.

принцип действия двигателя стирлинга

Если читатель задумается, то представить процесс преобразования ядерной энергии в тепловую, после – в кинетическую и лишь потом в электричество, довольно сложно. А представить атомную энергоустановку с поршнем – так совсем напоминает что-то из фантастического steam-панка, однако на практике все обстоит куда легче и никаких проблем не возникает. NASA обещают уже к 2016 году выпустить подобный двигатель, а на данном этапе решают проблему поведения механизма в условиях перегрузок и изменения температур за время полета, впрочем, решение этой проблемы вряд ли окажется для специалистов чрезмерно сложной задачей.

И еще один вариант – использование в качестве генератора ядерный реактор. За всю историю космонавтики, ядерные реакторы не так часто бывали в космосе и тем более, не так часто использовались. А большая часть из этих установок так и совсем не использовали цепную реакцию, а полагались исключительно на выделяемое при распаде плутония-238 тепло. Впрочем, все это не исключает новых возможностей.

Традиционно, проблемы у реактора одни – их масса на порядок больше, чем у радиоизотопных батарей, а вот надежность гораздо ниже. Если попытаться уменьшить реактор, то появляется другая проблема – цепная реакция при падении содержания 235-го изотопа прекращается.  Более того – довольно небольшой срок службы. Конечно, возможно представить сценарий при котором отработанное горючее будет извлекаться и пройдет заправка на орбите, но затраты того не стоят (а из строя реактор будет выходить через каждый год).

ядерная энергетическая установка тополь

Да и проблемой возвращения реактора на Землю тоже можно обеспокоиться, все таки и на планете хватает различного мусора. Так или иначе, разработки в различных направлениях решения проблемы автономного обеспечения космических аппаратов будут проводиться и дальше, а новые подходы и методы радуют уже сегодня. Остается поверить NASA и подождать 10-20 лет – именно через такой промежуток агентство обещает разрешить эту непростую задачу.

Воспользуйтесь нашими услугами

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!

integral-russia.ru

Автономные источники тепла и электроэнергии

Процесс получения, преобразования и передачи энергии весьма сложен и трудоемок.

От его организации на каждом отдельном этапе напрямую зависят затраты конечного потребителя. Транспортировка до места использования больше всего влияет на удорожание энергии. Поэтому для предприятий стоимость тепла и электроэнергии от собственных источников оказывается значительно более низкой, чем при покупке у традиционных поставщиков. Это - первое преимущество автономных энергетических установок. Вторым является тот факт, что в случае нового строительства их приобретение, монтаж и наладка могут обойтись дешевле сооружения питающих линий, подстанций и платы за подключение к централизованным сетям. В российских условиях на стремление предприятий обзавестись собственными источниками энергии влияет также ненадежность централизованных энергетических сооружений и непредсказуемая тарифная политика энергоснабжающих организаций.

Наибольший экономический эффект достигается при совместной выработке на месте потребления электричества и тепла. Данный процесс получил название когенерации В этом случае есть возможность использовать бросовую энергию - тепло выхлопных газов и систем охлаждения агрегатов, приводящих в движение электрические генераторы, или излишнее давление в трубопроводах. Утилизируемую тепловую энергию можно использовать также для производства холода в абсорбционных машинах (тригенерация).

Сегодня в промышленной энергетике широко применяется три вида оборудования для когенерации: газотурбинные установки, энергоблоки на базе двигателей внутреннего сгорания, а также сочетание паровых котлов и турбин. Существуют и другие решения, например, турбодетандер, который утилизирует избыточное давление природного газа и в некоторых случаях также может использоваться в качестве основного источника электроэнергии. 

Газотурбинные установки

Газотурбинные двигатели (ГТД) традиционно используются в энергетике. Если коротко говорить об устройстве и принципе действия ГТД, следует разделить двигатель на две основные части - газогенератор и силовую турбину, - размещенные в одном корпусе. Первая составляющая включает турбокомпрессор и камеру сгорания; здесь создается высокотемпературный поток газов, который воздействует на лопатки силовой турбины.  В зависимости от конструкции газотурбинный двигатель может быть одновальным или с так называемым разрезным валом. Во втором случае обычно применяются два механически не связанных между собой и с силовой турбиной турбокомпрессора, которые приводятся в движение отдельными турбинами (рис. 1). В энергетике большим предпочтением пользуются одновальные ГТД. Значительная часть газотурбинных теплоэлектростанций малой и средней мощности создана на базе авиационных и судовых двигателей, но существуют также ГТД, изначально разработанные как энергетические.

В настоящее время для промышленной и коммунальной энергетики выпускаются газотурбинные установки (ГТУ) электрической мощностью от 0,8 до 30 МВт. Нижний уровень обусловлен неэффективностью менее мощных теплоэлектростанций данного типа, верхний не является конечным, поскольку автономная станция может включать несколько энергоблоков.

Схема когенераторной ГТУ показана на рис. 2. Тепловая производительность обеспечивается утилизацией тепла выхлопных газов с помощью теплообменника, водогрейного или парового котла-утилизатора. Мощность может быть увеличена за счет применения пиковых котлов или дополнительного сжигания топлива в потоке выхлопных газов перед утилизационным аппаратом.

Автономные газотурбинные теплоэлектростанции выпускаются в виде модулей полной заводской готовности для стационарного размещения или в блочно-контейнерном исполнении {рис. 3). Они включают все необходимое оборудование (электрическое, водоподготовительное и т. д.) и легко транспортируются. Подробнее о представленных на российском рынке газотурбинных когенераторных установках можно узнать из обзора на с. 52.

Недостатками малых ТЭЦ с газотурбинными двигателями являются довольно низкий электрический КПД (около 30%) и относительно высокий расход топлива. Дополнительные расходы связаны с необходимостью подавать топливный газ под высоким давлением (например, для газотурбинной электростанции «Урал» мощностью 2,5 МВт оно составляет 10-12 кг/см2; для более мощных установок этот показатель выше). Следует учесть также значительные затраты, обусловленные необходимостью приглашать для технического обслуживания ГТД специалистов из сторонних организаций.

К достоинствам данного оборудования следует отнести его способность работать на различном топливе, в том числе - на мазуте, относительно небольшой удельный вес, высокий потенциал утилизируемого тепла. Благодаря последнему свойству, ГТУ предпочтительнее там, где на выходе требуется пар. В качестве преимущества необходимо отметить также продолжительность периода, на протяжении которого допускается эксплуатировать данные машины без остановки (в среднем - до года). 

Поршневые когенераторы

Двигатели внутреннего сгорания уже давно используются для привода автономных электростанций. В наиболее известном случае это - дизельные моторы, которые традиционно применяются районах, где отсутствует централизованное энергоснабжение, и резервные источники электрической энергии. Они бывают оснащены теплообменным оборудованием и тогда представляют собой мини-ТЭЦ. При этом находит применение бросовое тепло выхлопных газов (их температура обычно составляет 450-500°С), а в моделях с глубокой утилизацией - также тепло систем охлаждения и смазки двигателя. Тепловая энергия от таких энергоагрегатов идет на отопление и горячее водоснабжение. 

Кроме дизелей в качестве базы для мини-ТЭЦ используют газовые (рис. 4) и газодизельные двигатели внутреннего сгорания. В так называемом газовом режиме газодизели обычно действуют на смеси газа и небольшого количества (от 1 до 10%) дизельного топлива. С точки зрения капитальных затрат наиболее дешевыми являются дизельные мини-ТЭЦ. Однако из-за дороговизны солярки, большего расхода масла и высоких эксплуатационных затрат себестоимость вырабатываемой ими электроэнергии оказывается в несколько раз выше, чем у газовых установок (обладающих к тому же большим ресурсом до капремонта). Таким образом, дизельные когенераторы лучше использовать в негазифицированных районах. Энергия, получаемая от газодизельных мини-ТЭЦ, также дороже той, что вырабатывают установки на чистом газе. Энергоблоки на базе двигателей внутреннего сгорания поставляются в блочно-модульном исполнении для стационарной установки или в транспортабельных контейнерах. Кроме того, часто применяются специальные кожухи, поглощающие шум. На российском рынке представлены газовые когенераторные установки на базе двигателей внутреннего сгорания электрической мощностью от 8 кВт до 5 МВт (см. обзор на с. 52). Их электрический КПД составляет порядка 40%, а общий коэффициент использования топлива достигает 90%.

Техническое обслуживание поршневых машин проводится чаще, чем обслуживание газотурбинных мини-ТЭЦ (через каждые 1000-2000 ч, в зависимости от уровня изготовления). Однако общие эксплуатационные затраты, включающие оплату работы специалистов и стоимость запасных частей, оказываются на 30-40% ниже. Они также уменьшаются при проведении ТО собственными силами предприятия.

С точки зрения использования различных видов топлива и простоты перехода с одного из них на другое поршневые двигатели также обладают большими возможностями. В качестве горючего могут быть использованы природный газ, биогаз, газы мусорных свалок, пиролизные газы, пропан, бутан, дизельное топливо, топочные мазуты, сырая нефть и т. д.

Обычно мини-ТЭЦ с газовыми двигателями внутреннего сгорания оказываются эффективнее и экономичнее газотурбинных установок. Исключение составляют случаи, когда на предприятии есть потребность в получении постоянного количества теплоносителя с температурой более 110°С, при большой потребляемой мощности, а также при ограниченном количестве пусков.

Паровые турбины

Небольшие паровые турбины позволяют создавать мини-ТЭЦ на базе уже действующих паровых котлов, давление пара на выходе из которых обычно значительно выше, чем необходимо для промышленных нужд. Избыток гасится специальным дроссельным устройством, при этом на каждой тонне пара теряется 40-50 кВт энергии. Установив параллельно дроссельному устройству турбину с генератором, можно получать электроэнергию. В других случаях может оказаться целесообразным специально установить паровой котел и турбину. В частности, это позволяет использовать для когенерации альтернативное топливо типа древесных отходов. Этим не исчерпываются возможные варианты. Например, для получения электрической энергии с наиболее эффективным использованием топлива разработаны комбинированные парогазотурбинные установки. В них тепло выхлопных газов газотурбинного двигателя утилизируется в паровом котле, а пар приводит в движение отдельно стоящую турбину с собственным электрогенератором.

Таким образом, получается три варианта использования паровой турбины: генераторный, турбоприводный и комбинированный. Генераторный вариант (Г) включает паровую турбину, приводящую в действие электрический генератор асинхронного или синхронного типов, подключенный на шины котельной, а трубопроводы отработавшего пара и промежуточных отборов - на трубопроводы соответствующих потребителей по уровням давления пара. Вырабатываемая электроэнергия, поступая на шины котельной вытесняет потребляемую из энергосистемы, а при ее избытке выдается в энергосистему через существующие электрические связи. Турбопроиводный (ТП) вариант включает паровую турбину, приводящую в действие механизм собственных нужд котельной и (или) другие механизмы. Такими механизмами являются питательные и сетевые насосы, дутьевые вентиляторы и дымососы, а также другое оборудование. Комбинированный вариант (К) включает паровую турбину, приводящую в действие генератор и механизм.

Типовыми, наиболее эффективными мощностями, на которых имеет смысл использовать паровые турбины, является диапазон мощностей от 5 мВт до 25 мВт.

Преимущества паровой турбины: высокая производительность, гибкость по отношению к типу сжигаемого топлива, длительный срок службы. Недостатки: высокая инертность (длительный период запуска), высокая стоимость, производство тепла преобладает над электроэнергией, нижний порог эффективного применения (от 5 мвт электроэнергии).

Микротурбины

Микротурбина используется в качестве двигателя компактных модульных генераторов электроэнергии, работающих в диапазоне мощностей от 25 до 200 квт.

Все движущиеся части микротурбинного двигателя - воздушный компрессор, генератор и сама турбина - расположены на одном валу, скорость вращения которого находится в диапазоне 45000-96000 оборотов в минуту. Вал закреплен на воздушных подшипниках, что позволяет отказаться от жидкостной смазки и использовать для этого воздух. Воздух также обеспечивает охлаждение двигателя и управляющей электроники. Это позволяет значительно снизить стоимость обслуживания оборудования по сравнению с другими технологиями. Для микротурбин стандартным считается проведение регламентных работ не чаще чем 1 раз в год, что обеспечивает работоспособность не ниже 99%.

Основным видом топлива для микротурбин является природный газ, но они также могут эффективно работать и на другом коммерческом или условно бесплатном углеводородном топливе (попутный нефтяной, биологический газы, шахтный метан, сжиженный пропан, бутан). Микротурбины демонстрируют наилучшие показатели по экологическим параметрам по сравнению с остальными приведенными в настоящем обзоре технологиями: содержание N0X в отходящих газах не превышает 9 ppm, CO - 40 ppm (частей на миллион), что в 10 раз лучше, чем у поршневых двигателей и в 5 - чем у индустриальных турбин.

Микротурбины не вибрируют, акустическая эмиссия не превышает 65 ДБ и легко гасится с помощью дополнительных кожухов. Корпус микротурбины имеет защиту от влаги и позволяет устанавливать оборудование на открытой площадке, снижая тем самым расходы на организацию специальных помещений.

По совокупности все эти преимущества позволяют применять микротурбины в качестве постоянно работающего основного генератора даже в густонаселенных городских центрах внутри и вне помещений, отводя сети роль резерва.

К стандартным, и серьёзным минусам микротурбин относят:

  • Высокую стоимость капиталовложений.
  • Высокую стоимость аммортизационных отчислений.
  • Высокую стоимость и необходимость регулярной замены аккумуляторных батарей, которые необходимо менять в процессе работы установки.
  • Низкий электрический КПД и высокий расход газа.

Топливные элементы

Топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, вырабатывающие электроэнергию без процесса горения - химическим путем, почти так же, как батарейки. Разница лишь в том, что в них используются другие химические вещества, водород и кислород, а продуктом химической реакции является вода. Можно использовать и природный газ, однако при использовании углеводородного топлива, конечно же, неизбежен определенный уровень выбросов двуокиси углерода. Поскольку топливные элементы могут работать с высоким КПД и без вредных выбросов, с ними связаны большие перспективы в отношении экологически рационального источника энергии, который будет способствовать снижению выбросов парниковых газов и других загрязняющих веществ. Основное препятствие на пути широкомасштабного использования топливных элементов это их высокая стоимость по сравнению с другими устройствами, вырабатывающими электричество.

На базе топливных ячеек в настоящее время доступны когенераторные установки в диапазоне электрических мощностей 0,3-10 МВт. Достоинства данной технологии:

  • Высокий электрический КПД (до 54%)
  • Высокая экологичность (выхлопные газы представляют собой водяной пар и углекислый газ)
  • Низкие эксплуатационные издержки
  • Абсолютная безопасность
  • Компактность
  • Низкий уровень шума
  • Отсутствие вибраций

Выбор установки

В ходе разработки технико-экономического обоснования на строительство автономной теплоэлектростанции необходимо в первую очередь рассчитать возможный экономический эффект. Для этого сравниваются различные варианты покрытия потребности предприятия в тепловой и электрической энергии. В каждом случае учитываются затраты на энергоносители и материалы (электричество, газ, тепло, моторное масло и т. д.), на проектирование, приобретение, монтаж, наладку оборудования, прокладку инженерных коммуникаций, эксплуатационные издержки. Для всех вариантов определяется конечная себестоимость тепла и электричества, производится расчет годовой экономии и срока окупаемости капитальных вложений. Рассматриваются также вопросы надежности энергоснабжения. Здесь особого внимания заслуживает тема общего ресурса оборудования и интервала между капремонтами.

По заявлениям мировых изготовителей, после проведения капитального ремонта в полном объеме и с рекомендуемой инструкциями периодичностью работоспособность техники полностью восстанавливается. Как правило, общий срок службы рассчитан не менее чем на три кап. ремонта (при правильной эксплуатации может быть более продолжительным) Следует помнить, что ресурс до капитального ремонта диктуется вероятностью отказа оборудования в результате износа. Для газовых моторов западного производства он составляет порядка 60 тыс. ч. У газотурбинных установок этот показатель равняется обычно 25-35 тыс. ч. Требованием надежности обусловливается также выбор числа и единичной мощности энергетических агрегатов. Ему должно предшествовать решение о том, будет мини-ТЭЦ работать автономно или параллельно с централизованной сетью (если такой режим возможен). Для этого следует сравнить расходы на энергию, потребляемую из сети, и оплату резервирования мощности при параллельной работе с расходами на приобретение, установку и обслуживание резервного агрегата, необходимого в случае полной автономности.

В расчете числа и единичной мощности установок следует учитывать следующее:
  • Единичная электрическая мощность агрегата должна в 2,0- 2,5 раза превышать минимальную потребность предприятия; общая мощность агрегатов должна превышать максимальную потребность предприятия на 5-10%;
  • Агрегаты по возможности должны быть одинаковой мощности. Перечисленные моменты в большей мере относятся к автономному режиму, но их желательно учитывать и при работе параллельно с сетью.
  • Мини-ТЭЦ на базе газового двигателя должна покрывать приблизительно 30-50% максимальной ежегодной потребности предприятия в тепловой энергии; остальная тепловая нагрузка обеспечивается пиковыми водогрейными котлами.

Российские проблемы автономного энергоснабжения

В большинстве развитых стран (Германия, Австрия, Великобритания и т. д.) автономные когенераторные установки уже нашли широкое применение. На Западе понимают, что это выгодно не только предприятиям, использующим данную технику, но и обществу в целом: снижаются потери энергии, выбросы в атмосферу вредных веществ, себестоимость выпускаемой продукции. В нашей стране на пути к энергетической независимости существует ряд административных препятствий, порой непреодолимых. Во-первых, речь идет о так называемых лимитах на газ. Поскольку в настоящее время продавать газ за рубеж выгоднее, чем реализовывать его в России, газовые монополисты неохотно идут на дополнительные поставки этого топлива отечественным предприятиям. Хотя, в целом по стране увеличение числа малых ТЭЦ позволило бы снизить потребление газа менее рентабельными крупными электростанциями. Во-вторых, нередки случаи, когда построить автономную теплоэлектростанцию невозможно из-за сопротивления организаций централизованного энергоснабжения, которым невыгодно терять клиентов, ведь именно они выдают необходимые разрешения (например, на параллельную работу мини-ТЭЦ с сетью). 

В то же время, энергетика является основой экономического развития общества и независимо от формы собственности должна быть подконтрольна государству. Так что окончательные решения, касающиеся автономного энергоснабжения, должны принимать все-таки государственные структуры, с учетом всех аспектов. 

Развитие малой энергетики сдерживается относительно низкой покупательной способностью российского рынка. Данное оборудование окупается за 1-4 года, но требует ощутимых для отдельного предприятия капитальных затрат. Заинтересовать предпринимателей могли бы таможенные и налоговые льготы на покупку и ввоз энергосберегающего оборудования, компенсация расходов из налоговой части бюджетов предприятий и т. д. Принятие таких решений - также прерогатива государства. 

Сегодня реальные льготы действуют при приобретении оборудования в лизинг, но это - тема отдельного материала.

С.В. Беляков И.Н. Плохих. АКВА-ТЕРМ март 2002

www.esist.ru

Автономные источники энергии | Москва

Внушительная часть регионов России, удалённых от центра страны, испытывают нехватку тепловой и электрической энергии. Причём с газом проблем, как правило, нет: сложность возникает именно с подключением отдалённых районов к централизованным газовым магистралям. К сожалению, получать многочисленные разрешения и «тянуть» систему к своему дому в большинстве случаев нет смысла — не хватит мощности самого газопровода, и с этим едва ли можно что-либо сделать.

Неудивительно, что многие россияне сегодня предпочитают централизованному отоплению и электроснабжению автономные источники энергии, как тепловой, так и электрической. Удивительный факт: такие автономные мини-ТЭЦ и котельные не только эффективнее и удобнее в обращении, но и гораздо экономичнее благодаря быстроокупаемости.

Преимущества установки автономных источников энергии

Стоит ли игра свеч? Нужно ли устанавливать свою собственную котельную или мини-ТЭЦ, или лучше обратиться к централизованным системам? Разумеется, в некоторых случаях автономное энергоснабжение просто не имеет смысла, но если для пользователей имеют значение следующие факторы:

  • возможность включать и выключать отопление, бесперебойность и независимость систем от аварий на государственных магистралях;
  • желание использовать альтернативный газу вид топлива — например, актуально на лесоперерабатывающих предприятиях или рядом с местом добычи нефти, у угольных шахт, в регионах, где нет магистралей;
  • нежелание «терять» тепло, пока горячая вода «путешествует» по трубам;
  • высокий КПД и быстроокупаемость собственного автономного источника энергии,

то это — нужный им выбор.

Виды автономных котельных

Совершенно автономными (то есть, независящими от подачи газа) можно считать жидкотопливные и твердотопливные котельные, работающие на дизельном топливе, дровах, угле, пеллетах, щепах, на торфе и т. д. Работа таких котельных опирается исключительно на поставки топлива. Современные жидкотопливные и твердотопливные котельные могут быть как механизированными, требующими участия человека, так и автоматизированными, способными самостоятельно «забрать» топливо из ёмкости и распределить его.

Из-за экологической вредности и высоких цен на топливо жидкотопливные котлы уже практически не используются, только как резервный источник энергии. Зато определённой популярностью пользуются комбинированные установки — котлы, которые в нормальном режиме работают на одном виде топлива, а случае перебоев автоматически «переключаются» на другой. Подобная система гарантирует постоянную подачу тепла, что особенно актуально для холодных регионов, а также больниц, детских учреждений и др.

Автономные источники энергии — это совершенное и достаточно доступное оборудование, на которое постепенно переходят новые районы, коммерческие предприятия, производства, не говоря о частных жителях, владельцах коттеджей и дач.

www.kotel-modul.ru

Автономные источники энергии

Гидроэнергетика
Автономные источники энергии      Бесперебойное   обеспечение   энергией   предполагает наличие автономного источника. Выбор типа   источника   определяется   его назначением,   потребляемой   мощностью, наличием или отсутствием сети электроснабжения, географическим положением потребителя   и допустимыми затратами.      По    сей    день    универсальным    автономным    источником, безусловно,   является   дизель-генератор.   Он   находит    широкое применение    благодаря    высокой   надежности.   Кроме   того,   он обеспечивает не только электроэнергией, но и теплом.       Большинство источников энергии так   или   иначе   загрязняют или   изменяют   природные   условия.   Лишь   солнце и ветер – два поставщика энергии, правда,   достаточно   капризные,   не   вносят практически   никаких нарушений. Использование солнечной энергии позволяет   расширить   энергетические    ресурсы    и      экономить значительное   количество   топлива   от   экватора   до широты 60o. Возобновляемые    источники    энергии    --    ветрогенераторы    и гелиостанции делают первые реальные шаги в энергетике.      Гелиоэнергетика   (гелио...   [гр.   helios солнце] – первая составная часть сложных слов, означающая: относящийся к   солнцу или   солнечным   лучам)   развивается   быстрыми   темпами   в самых разных   направлениях.   Гелиоэнергетические   программы    приняты более   чем в 70 странах -- от северной Скандинавии до выжженных пустынь   Африки.   Устройства,    использующие    энергию    солнца разработаны для отопления и вентиляции зданий, опреснения воды, производства   электроэнергии.   Такие   устройства используются в различных   технологических   процессах.   Появились   транспортные средства    с   "солнечным   приводом":   моторные   лодки   и   яхты, солнцелеты и дирижабли   с   солнечными   панелями.   Солнцемобили, вчера    сравниваемые     с    забавным   автоаттракционом,   сегодня пересекают   страны   и   континенты   со    скоростью,    почти    не уступающей обычному автомобилю.      Ветер   стал   первым   природным   источником   использованным человеком для своего блага.   Первыми   изобретениями   в   области энергетики были парус и ветродвигатель. Парус позволил человеку открыть мир. За 200 лет до нашей эры ветряные мельницы работали в   Персии,   а   еще   раньше   их   использовали   в   Китае.   Спустя несколько тысячелетий пришло   время   пара   и   электричества.   С обострением   энергетических   кризисов интерес к ветроустановкам периодически возрастал, а   теория   ветродвигателей   развивалась   параллельно с теорией авиации.      Солнце     и     ветер    представляют    собой    неиссякаемые экологически чистые источники энергии.   Обострение   сырьевых   и экологических   проблем   стимулирует   коммерческое использование нетрадиционных источников энергии.   Проектируются,   строятся   и эксплуатируются       экспериментальные       и       промышленные энергоустановки.    Стоимость    вырабатываемой     ими     энергии определяется     затратами     на    изготовление,    установку    и обслуживание.
Энергия воздуха
Энергия солнца

www.wewees.ru