Энергетические установки (преобразователи)

Несомненно, наиболее важным устройством нетрадиционной энергетики и энергоресурсосбережения является тепловой насос, хотя более общим понятием является термотрансформатор, который может работать в различных режимах - теплового насоса, холодильной машины, машины для комбинированного производства тепла и холода.

Особенность теплового насоса состоит в том, что произведенное тепло всегда больше подведенной энергии от энергоисточника высокого потенциала. Суть заключается в том, что тепло производится не только за счет энергии энергоисточника (газа, угля, электрической энергии или пара), но и за счет дополнительной тепловой энергии, отбираемой от низкопотенциального источника, то есть источника с более низкой температурой (геотермального источника, жидких промышленных или бытовых стоков, воздуха, грунта, реки). В промышленно выпускаемых установках экономия топлива составляет 20-70%. Возможный диапазон температур низкопотенциального источника очень широкий (от +80°С до -17°С).

Во многих развитых странах тепловые насосы являются основой энергосберегающей политики. Так, в Швеции 22% домов (350 тысяч) обогреваются тепловыми насосами. В мире насчитывается около 40 млн штук тепловых насосов, в то время как в России всего 140 штук. Планируется, что к 2020 году вклад тепловых насосов в теплоснабжение в развитых странах составит 75%. В России тепловым насосам не уделяется никакого внимания.

Незаслуженно мало внимания уделяется двигателю Стирлинга. Он работает с максимально возможным КПД, как и машины на цикле Карно. Это двигатель внешнего сгорания, он имеет простую конструкцию и может работать практически от любого источника энергии. Рабочим телом являются газы типа водорода или гелия, то есть это экологически чистый двигатель. Сегодня он привлекает очень много внимания в связи с его использованием в системах автономного энергообеспечения. Пока он не получил широкого распространения. Но в качестве примера его применения к возобновляемым источникам энергии можно привести недавно запущенную в эксплуатацию демонстрационную ТЭЦ на древесине в Австрии мощностью 35 МВт (эл) и КПД 20%. Это небольшой КПД, но в этих же условиях КПД паросилового цикла раза в 2 меньше.

Очень простым устройством, которое применяется для локального нагрева, охлаждения, кондиционирования, осушения газов является так называемая вихревая трубка или трубка Ранка-Хилша. В этом устройстве происходит разделение воздуха на горячий и холодный с перепадом температур до 100 градусов. Устройство представляет собой участок цилиндрической трубки с тангенциальным вводом воздуха под большим давлением (десятки атмосфер). При этом по центру трубки выводят холодный воздух, а по периферии с другого конца трубки - горячий. Такое устройство имеет низкий КПД и характеризуется очень высоким уровнем шума в связи с высокими скоростями воздуха. Но из-за своей простоты и дешевизны широко применяется в технике и сейчас планируется к использованию в комбинированных энергетических установках.

Несомненно, наибольший интерес привлекают методы прямого преобразования энергии. К ним относятся электрохимические, фотоэлектрические, термоэлектрические, термоэмиссионные и магнитогидродинамические (МГД) преобразователи. Из электрохимических преобразователей сегодня наибольший интерес (и даже бум) вызывают топливные элементы. В топливных элементах происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. В отличие от гальванических элементов здесь имеются расходуемые материалы - топливо и окислитель. Наиболее популярная схема - это применение водорода в качестве топлива, а кислорода в качестве окислителя. При этом единственным продуктом электрохимической реакции является вода, то есть топливный элемент представляет собой совершенно чистый с экологической точки зрения источник энергии. С энергетической точки зрения привлекательность топливных элементов (ТЭ) состоит в максимальном на сегодня коэффициенте полезного действия (то есть коэффициенте преобразования химической энергии в электрическую) - до 50-70%. Однако для того, чтобы химическая реакция протекала с достаточной скоростью, необходимо использовать катализаторы - металлы платиновой группы. Хотя топливные элементы были предложены более полутора веков назад, пока они не получили промышленного применения в связи с дороговизной устройств и стоимости генерируемой электроэнергии, а также в связи с техническими проблемами, решение которых возможно лишь на новом уровне развития техники.

Сейчас в мире отмечается резкий скачок интереса к этим устройствам. Множество фирм и научных организаций работают над различными схемами и практическими приложениями топливных элементов. Основной интерес проявляется со стороны энергетики, космической техники, транспорта, микроэлектроники. Одна из технических проблем состоит в том, что для электродов (катода) и мембран необходимо использовать высокоразвитые поверхности. И здесь надежда связывается с достижениями в области нанотехнологий, которые позволяют производить наноструктуры типа нанотрубок, наноконусов, фуллеренов с размерами в несколько нанометров. И именно такиенаноструктуры могут быть основой для принципиально новых и высокоэффективных составляющих топливных элементов. Сегодня уже есть примеры применения топливных элементов в энергетике, но их суммарная мощность пока составляет несколько десятков МВт. Заметим, что топливные элементы на водороде - это многообещающий, но не единственный тип топливных элементов. Проявляется интерес к портативным топливным элементам на жидком топливе (метанол, соединения бора), а также топливным элементам с использованием алюминия в качестве топлива. В отличие от водорода алюминий и соединения бора являются совершенно безопасными и экологически чистыми.

Следующий тип устройства прямого преобразования энергии - это термоэмиссионный преобразователь. Принцип действия основан на эмиссии электронов при сильном нагреве эмиттера. Это устройство типа электронной лампы. В качестве источника энергии можно применять ядерное топливо, органическое топливо, солнечное излучение. Одно из наиболее перспективных направлений в данной области связано с созданием автономных ядерных энергетических установок с термоэмиссионным реактором-преобразователем.

Что касается термоэлектричества, то оно давно используется в технике и основано на эффекте Пелтье. Последний заключается в возникновении термоЭДС в замкнутой цепи из двух разнородных проводников (полупроводников) с разной температурой спаев. Такие системы обладают очень низким КПД (2-3%), но есть и много достоинств - автономность, компактность, безопасность, бесшумность.