![](https://habrastorage.org/webt/zb/v1/rp/zbv1rpi1bd07de3_gax2xyh39u8.jpeg)
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.
![](https://habrastorage.org/webt/lz/tg/ra/lztgrak4jtbmek6gyv6-9snezqw.jpeg)
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.
![](https://habrastorage.org/webt/dd/j7/-b/ddj7-bkalxllarqru5rypxciujc.jpeg)
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.
![](https://habrastorage.org/webt/hw/9b/2d/hw9b2drjrgxdrofe7wqqr_nbmru.jpeg)
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.
![](https://habrastorage.org/webt/zg/yi/3q/zgyi3qtpnz3w-bu7wfcyyby9d8w.jpeg)
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.
![](https://habrastorage.org/webt/pc/jb/wn/pcjbwnlud0ceczauwgizn9dybuw.jpeg)
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.
![](https://habrastorage.org/webt/dt/oq/wk/dtoqwk-hnafpmnu5bdnwyveuplm.jpeg)
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.
![](https://habrastorage.org/webt/eg/7s/su/eg7ssutgucizxoj1ged0gdcy5kq.jpeg)
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
![](https://habrastorage.org/webt/m0/vq/ie/m0vqie3atbefeclgsp78hdkzeb8.jpeg)
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.
![](https://habrastorage.org/webt/lj/mf/9f/ljmf9fwsik8fsdyrkcc3tt620le.jpeg)
Рис. 10. Карта солнечной инсоляции на территории России
![](https://habrastorage.org/webt/qc/ng/0d/qcng0dz5vezeiv4ezezhs-ehzck.jpeg)
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.
![](https://habrastorage.org/webt/s-/so/tl/s-sotlb9pbha-dvxi325fwbi7ne.jpeg)
Рис. 12. Мини-ТЭЦ на сжиженном и природном газе в г. Клин, Московская область
Также получили распространение в России микротурбинные газогенераторные установки фирмы Capstone.
![](https://habrastorage.org/webt/0d/q7/ts/0dq7tsgvfx1xz4asn-4f9rsvbo8.jpeg)
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.
![](https://habrastorage.org/webt/hg/71/aq/hg71aq7m7kp608i7xqkjj6kjvwm.jpeg)
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).
![](https://habrastorage.org/webt/m1/q6/jn/m1q6jnm7imtc4cwt28ddqqenu64.jpeg)
![](https://habrastorage.org/webt/pm/ng/hn/pmnghn_iptgkpx8hgk432seh4gq.jpeg)
![](https://habrastorage.org/webt/r0/xl/ee/r0xleeou3mebrkcjiytrogsvyli.jpeg)
![](https://habrastorage.org/webt/s_/fb/dh/s_fbdh4jx-x5p3xqxywhzgjq8v8.jpeg)
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.
![](https://habrastorage.org/webt/gq/dr/my/gqdrmysa-ifev0tdlrf2ziw20vm.jpeg)
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»
![](https://habrastorage.org/webt/gn/gm/wz/gngmwzueqlfjok7n1cab3szdny8.jpeg)
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:
![](https://habrastorage.org/webt/i4/mq/mv/i4mqmvt2rix00ogkrhttzpl7ru4.png)
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.
Комментарии (28)
MikeVC
10.02.2019 21:48+2Рассуждения 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 Автор
10.02.2019 21:53+1Можно вот таким вот образом преобразовать
Mesklin
10.02.2019 23:16А 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 )).
Zmiy666
10.02.2019 23:20ну 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 сталarheops
11.02.2019 00:51КПД 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).
9660
11.02.2019 05:19так как хоть использование установки и становиться через несколько лет дешевле, чем подключение к электросети
Это как такое может быть?Rapasantra Автор
12.02.2019 12:37В 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.
BiosUefi
11.02.2019 12:21>>В странах, в которых законодательно
разрешено продавать[ принуждают выкупать] излишки вырабатываемой электроэнергии [ сливаемой ] в общую сеть
Bedal
11.02.2019 12:39турбина 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 :-DRamusAkaRami
11.02.2019 15:01-1Конечно 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
11.02.2019 16:19Как 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 Автор
12.02.2019 12:38Будет применяться аргон в качестве рабочего тела. У него довольно большая молярная масса
Bedal
12.02.2019 12:40-1Зачем 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.
alex-open-plc
11.02.2019 12:48Gryphon88
12.02.2019 13:56Они 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.
lingvo
11.02.2019 16:49Микро-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 Автор
12.02.2019 12:40Можно 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
Ivanii
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
А можно мне подробнее про
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
«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
Там же
То есть насчёт смертельно опасного шума выслегка перегнулиразводите спекуляции.Bedal
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
Боюсь показаться нескромным, но опять-же я не могу найти никаких ссылок по научным исследованиям на тему
Я отнесу завтра свой гуголь в ремонт, а сегодня прошу поделиться вашими источниками. Благодарю.
Bedal
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.