Автор – Николай Ясаков, инженер-изобретатель из Новороссийска.
В настоящее время освоены самые разнообразные возобновляемые энергоресурсы и созданы установки для их использования: от солнечных фонарей до гигантских ветряков – этих чудищ в архитектуре и дизайне. При этом многие варианты преобразователей ВИЭ не обеспечивают бесперебойность энергоснабжения, а также высоких экономических показателей, эксплуатационных удобств и полной безопасности. К тому же они практически исчерпали все возможности своего усовершенствования.
В этой ситуации назрела необходимость поиска новых технических решений. И они стали появляться в последних изобретениях, что стало возможным с разработкой, главным образом, принципиально новых низкопотенциальных тепломеханических преобразователей (ТМП), а также энергоёмких аккумуляторов энергии. Рассмотрим некоторые из этих разработок. Начнём с термальных энергоустановок.
Термальные энергоустановки
В настоящее время в системах электроснабжения используются только высокотемпературные термальные источники, позволяющие применение паровых турбин. Однако основной ресурс составляют источники с температурой ниже 100°С. Они позволяют обеспечить теплоснабжение потребителей, но решение проблемы электроснабжения на их основе до последнего времени оставалось за пределами возможного. А теперь эта задача решена. Изобретён модульный энергоблок геотермальной ТЭЦ (патент № 2752682 от 29.07.2021.), рассчитанный на использование источников с температурой от 60°С для производства электроэнергии.
В основе предельно упрощенной конструкции энергоблока использован тепломеханический преобразователь (рис 1), в котором тонкостенная труба 1, являющаяся одновременно и приводным валом с подшипниковыми узлами 2 по торцам (рис 2), а также с мультипликатором 3 и электрогенератором 4. В средней части труба 1 усилена рабочей втулкой 5, контактирующей при температурном изгибе трубы с упорным роликом 6. Снизу к поверхности трубы (см. рис. 1) примыкает желоб 7, который соединен с каналом термального потока.
Сверху имеется аналогичный желоб 8, образующий канал для охлаждающего воздушного потока. Компрессорный агрегат, представленный в схематическом виде, состоит из компрессора 9, ресиверов 10, являющихся заодно и теплообменниками, а также дросселя 11. Энергоблок запускается в работу подачей термального потока в нижний желоб и включением компрессора.
При этом под нагревом сегмента трубы в этом желобе при охлажденном противолежащем сегменте в верхнем желобе труба изгибается и давит своей втулкой на ролик с силой F. Тангенциальная составляющая F1 поворачивает трубу в указанном стрелкой направлении, При этом в зонах нагрева и охлаждения оказываются её новые сегменты, которые, изменяя свой продольный размер, восстанавливают первоначальное направление изгиба трубы с её давлением на ролик — поворот трубы продолжается, пока сохраняется достаточная разность температур в тепловых зонах.
Эта разность увеличивается подогревом подаваемой в нижний желоб воды в теплообменнике-ресивере воздухом, нагретым в зоне охлаждения трубы и последующим сжатием компрессором до высокой температуры, а также резким ее спадом в теплообменниках и — особенно — за дросселем перед поступлением в зону охлаждения, из которой воздух снова поступает в компрессор.
Вращение трубы, установленной в подшипниках, передается через мультипликатор 3 электрогенератору 4 (см. рис. 2). Простая конструкция модульного энергоблока при его высокой эффективности работы на низкопотенциальных термальных источниках позволит освоить этот вид альтернативной энергетики во многих регионах страны, в основном — ее предгорных территориях.
На рис. 3 представлена гибридная мини-ТЭЦ с жидкостным теплоаккумулятором, обеспечивающим бесперебойную работу электроагрегата, состоящего из приводного ТМП 1 (например, по патенту № 2728009 от 28.07.2020.) с электрогенератором.
В состав мини-ТЭЦ входит ветроагрегат 2 (например, по патенту №2767434 от 17.03.2022.) с генератором 4, подающим ток в теплоаккумулятор 7 к электронагревателю 5. Вторым нагревателем воды является солнечный коллектор, например, по патенту №2661169 от 12.07.2018., с панелью водонагрева 6. Дополнительным и постоянным подогревателем служит теплообменник 8 рекуперации теплового сброса приводного ТМП. В контур его зоны нагрева входят компрессор 10 и дроссель 11.
Принцип работы ТМП электроагрегата такой же, как у выше описанного модульного энергоблока. Крыльчатка 9 со своим приводом обеспечивает не только принудительное перемещение горячего потока под нижним сегментом трубы двигателя 1, но и его регулирование, обеспечивающее постоянство скорости вращения двигателя.
И наконец, сделаны очень важные изобретения в использовании самого мощного и стабильного возобновляемого энергоресурса планеты – теплового потенциала водной среды. Во-первых, это «Морской энергокомплекс» (патент № 2650916 от 18.04.2018.). Он позволит обеспечить комплексное энергоснабжение прибрежных поселений, а также обеспечение пресной водой и самым «зелёным» водородом. Однако здесь мы рассмотрим следующее в этом плане изобретение – «Судовой двигатель» (патент №2739089 от 21.12.2020.).
«Судовой двигатель»
Это изобретение позволяет не только отказаться от всякого топлива на судах, но и строить самые экономичные бесплотинные ТЭЦ на берегах рек и других водных акваторий. Как известно, практически все самоходные плавсредства оснащены тепловыми двигателями, использующими разные виды топлива, в т.ч. и ядерного. Помимо больших затрат на топливо, это требует содержания заправочных комплексов, их обслуживающего персонала, создания противопожарных систем, причиняет вред окружающей среде в нормальном рабочем режиме судов, а — главное — в аварийных ситуациях. Альтернативных решений в приводных системах крупных судов не было.
Однако, поскольку судоходство связано с окружающей водной средой, а она в любых регионах — даже в заполярье — обладает достаточным тепловым ресурсом, то вполне возможно его использование вместо традиционного топлива. Вариантов исполнения бестопливного судового двигателя может быть несколько. На более крупных судах предпочтителен ТМП по патенту № 2728009 от 28.07.2020. Малые плавсредства могут работать на тепловых двигателях по патентам №№ 2613337, 2017., 2623728, 2017., 2694568, 2019.
Неотъемлемым устройством в них является тепловой насос, повышающий температуру теплоносителя в контуре нагревающего потока до расчётного уровня. Испаритель теплового насоса может быть расположен как вне судна, например, под кормовой частью, у катамаранов — под водой между корпусами, так и внутри, при этом стенкой испарителя может быть «подводная» часть судового корпуса (см. рис. 4).
В таком случае пространство между внутренними стенками испарительных камер может использоваться как рефрижераторный отсек в транспортных и промысловых судах. Компрессор теплового насоса и нагнетатели для циркуляции теплоносителей подключены к бортовой электросети с резервными аккумуляторами. Рассмотрим конструкцию наиболее простого судового двигателя. На рис. 4 он показан в разрезе.
Запуск двигателя происходит при включении нагнетателей в контурах циркуляции теплоносителей и компрессора теплового насоса. При этом испаренный тепловой агент, сжимаясь, резко нагревается и отдает свое тепло нагревающему теплоносителю судового двигателя. Этот теплоноситель поступает в зону нагрева, где отдает основную часть своего тепла нижнему сегменту трубы, верхний же сегмент ее остается холодным.
Под действием разности температуры сегментов трубы она испытывает прогиб, при котором с силой F давит своей втулкой в упорный ролик и под действием силы F1 поворачивается на некоторый угол. При этом в тепловые зоны перемещаются новые сегменты стенки, которые, изменяя свою температуру и размер, восстанавливают прежнюю ориентацию прогиба трубы, в результате чего она продолжает поворот с сохранением ориентации прогиба. Труба, вращаясь в подшипниках, передает через мультипликатор вращение гребному винту и электрогенератору (как в модульном энергоблоке геотермальной ТЭЦ).
При этом в зоне охлаждения низкая температура поддерживается циркулирующим охлаждающим потоком, отдающим свое тепло на предварительный нагрев теплового агента перед испарителем, где главным источником потребляемого тепла является тепловой ресурс забортной воды с повышенным теплообменом при движении судна. Каналы подачи теплоносителей создают плавное изменение температуры по окружности трубы на всей ее длине. Параметры всех элементов двигателя и теплового насоса определяются расчетами, исходя из требуемой мощности силовой установки.
Переход на альтернативные энергоресурсы в судоходстве сэкономит традиционное топливо, устранит расходы, связанные с его использованием, повысит безопасность при эксплуатации водного транспорта, снимет экологические проблемы. Не менее важные перспективы появляются при использовании таких энергоустановок в бесплотинных ТЭЦ. Для их работы достаточно установить в руслах рек испарители тепловых насосов. Конструкция одного из таких испарителей показана на рис. 5.
Он содержит блок модулей 1, внутри которых установлены диафрагмы 2 с рифлеными боковыми кромками. Для подвода конденсата хладагента служит коллектор конденсата 3, для отвода пара – паровой коллектор 4. Размеры блока и число модулей определяются при проектировании. В рабочем режиме конденсат распределяется рифлёными кромками по всей внутренней поверхности модуля и испаряется за счёт теплоты водного потока. Пары хладагента через паровой коллектор подаются к компрессору теплового насоса, обеспечивающего работу электроагрегатов расположенной на берегу мини-ТЭЦ, скромные размеры и архитектура которой позволяют использовать их даже в населённой местности с любыми реками. Рассмотренные энергоустановки позволят решить проблему надёжного автономного энергоснабжения в глубинках и отдалённых регионах страны, конечно, при заинтересованности предпринимателей и поддержке государства.
Новые комментарии: