Аналитический обзор аналогов автономного электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аналитический обзор аналогов автономного электроснабжения

Развитие современной техники и технологий неразрывно связано с поиском новых источников энергии, в первую очередь - электрической. Основное требование - увеличить объем ее выработки, но в последнее время все большее внимание привлекает энергия, которая должна вырабатываться экологически чистым путем, должна быть возобновляемая и никак не связана с углеродом. Сегодня усилия многих ученых направлены на развитие «зеленой» энергетики. Не стало исключением и явление, открытое в 1821 году Т.И. Зеебеком (Th. J. Seebeck) и названное позже «Эффектом Зеебека». Эффект Зеебека, открытый в начале XIX века, актуален и в настоящее время [1]. Возможности его применения неограничены. Множество лабораторий и исследовательских центров занимаются разработкой способов применения эффекта Пельтье (обратный эффекту Зеебека) и очень малая часть занимается исследованием эффектов Зеебека, Пельтье и Томсона, практических же приборов и устройств автономного электроснабжения на основе элементов Зеебека нет.

Приведем лишь малый список тех аналогов, которые нашли промышленное применение на сегодняшний день. Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. В таком преобразовании отсутствует промежуточное звено, как, например, в работе тепловой или атомной электростанции, где тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую.

За последние десятилетия в разных промышленно развитых странах были разработаны, испытаны и поставлены на серийное производство термоэлектрические генераторы (ТЭГ) мощностью от нескольких микроватт до десятков киловатт. Большинство ТЭГ предназначены для так называемой «малой энергетики». Они обладают такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, бесшумность и долговечность [2]. ТЭГ используются для энергоснабжения объектов, удаленных от линий электропередачи, а также при целом ряде условий, где они являются единственно возможным источником электрической энергии.

В упрощенном виде термоэлектрический генератор можно представить в виде металлической теплораспределительной пластины со стороны источника тепла, термоэлектрического генераторного модуля (ТГМ) и охлаждающего радиатора, отводящего тепло, проходящее через модуль в окружающим среду и создающего необходимый для работы ТГМ перепад температур, как представлено на рисунке 1. Вся конструкция должна сжиматься с усилием, обеспечивающим надежную передачу тепла от источника в окружающую среду с одной стороны и не допускающей превышения допустимого усилия при тепловом расширении конструкции.

Рисунок 1. Базовая конструкция термоэлектрического генератора

электроэнергия альтернативный промышленный

На рисунке видно, что сжатие обеспечивается с помощью резьбовых соединений и рессорной пружины. Пружины могут быть также иной конструкции, например витой или дисковой. Целью конструкции является обеспечение равномерности усилия сжатия в заданном интервале температур. Благодаря своей простоте базовая конструкция обладает высокой надежностью и долговечностью (срок службы может превышать 10 лет) [3].

Среди преимуществ, определяющих при выборе среди прочих приоритет термоэлектрического преобразования, во многих приложениях - это отсутствие движущихся частей и, как одно из следствий, отсутствие вибраций, а также необходимости применения жидкостей и / или газов под высоким давлением, причем преобразование происходит в самом термоэлектрическом веществе. Работоспособность не зависит от пространственного положения и наличия гравитации.

ТЭГ можно применять при больших и малых перепадах температур. Последнее становится наиболее актуальным, если учесть, что до 90% сбрасываемой (отходящей) тепловой энергии выделяется на промышленных объектах и оборудовании при температуре поверхностей до 300°С [4].

Термоэлектрическое преобразование универсально, оно допускает использование практически любых источников теплового потока, в том числе при малых перепадах температур, при которых применение иных способов преобразования невозможно. Совсем недавно практическое применение получили устройства, утилизирующие энергию тепловых потоков при перепаде температур менее 10 К [5, 6].

До настоящего времени существенным ограничением преимуществ термоэлектрического преобразования остается относительно низкий коэффициент эффективности преобразования теплового потока в электрическую энергию - от 3 до 8%. Однако в ситуации, когда для относительно небольших нагрузок невозможно или экономически нецелесообразно подвести обычные линии электропередачи, ТЭГ становится незаменимым [7]. Сферы таких применений крайне разнообразны: от энергообеспечения космических аппаратов, находящихся на удаленных от Солнца орбитах, а также питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем и до бытовых генераторных устройств, например, в составе дровяной топочноварочной печи, печи для сауны, камина и отопительного котла. Приведем еще несколько примеров практического применения ТЭГ [8]:

1. использование отводимого от двигателей (автомобильных, корабельных и др.) тепла;

2. автономные источники питания электроэнергии для обеспечения работоспособности котельных, установок по переработке отходов и др.;

3. источники питания для катодной защиты нефте- и газопроводов (например, рисунок 2);

4. преобразование тепла природных источников (например, геотермальных вод) в электрическую энергию;

5. обеспечение питанием различных устройств телеметрии и автоматики на объектах, удаленных от линий электропередачи, один из примеров приведен на рисунке 3;

6. измерение тепловых потоков (тепломеры);

7. обеспечение автономным питанием маломощных электронных устройств (беспроводные датчики) за счет накапливаемой энергии (Energy Harvesting), собираемой при наличии минимальных перепадов температур (менее 10°С);

8. получение электрической энергии на солнечных концентраторах за счет разности температур горячего и охлажденного теплоносителя в контуре (рисунок 4).

Рисунок 2. Термоэлектрический генератор ТЭГ-15 на газораспределительных пунктах - а, среднетемпературный генераторный модуль серии Mars - б

Рисунок 3. Генератор ТЭГ-5

Рисунок 4. Солнечные концентраторы

Приведенный аналитический обзор послужит вводной страницей к теме создания устройства для автономного электроснабжения широкого применения на основе эффекта Зеебека. Поскольку техническое решение такого позволит выработать требуемую электрическую энергию без дополнительных затрат.

Список литературы

электроэнергия альтернативный промышленный

1. Шостаковский, П. Термоэлектрические источники альтернативного электропитания. / П. Шостаковский. // Новые технологии. - 2010. №12. - С. 131-138.

2. Крылов Е.Н. Региоселективность реакции нитрования алкилбензолов ацетилнитратом в бинарных органических растворителях. / Е.Н. Крылов, Л.В. Вирзум, Н.А. Жирова. // Вестник Ивановского государственного университета. - Иваново, 2004. №3. С. 58-62.

3. Топоров А.В. Применение методов конечных элементов для расчета магнитных систем магнитожидкостных устройств. / А.В. Топоров, Н.А. Кропотова, А.Н. Мальцев, Е.А. Топорова, К.М. Волкова. // Фундаментальные и прикладные вопросы науки и образования. Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции 30 сентября 2016 г. Ч. 2. - Смоленск: ООО «Новаленсо», 2016. - 175. С. 54-56.

4. Крылов Е.Н. Расчет селективности при нитровании алкилбензолов в трифторуксусной кислоте. / Е.Н. Крылов, Н.А. Жирова. // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. - Иваново, 2007. Т. 50. №1. С. 10-15.

5. Разумов А.А. Оценка потребления количества теплоты в бакелизаторах при изготовлении абразивных изделий на бакелитовой связке. Технологические приемы экономии энергии при термообработке. / А.А. Разумов, Н.А. Кропотова. // Сборник статей по материалам III всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Пожарная безопасность: проблемы и перспективы». ИВИ ГПС МЧС России. - Иваново, 2012. С. 312-314.

6. Пучков П.В. Магнитожидкостное уплотнение подшипника качения. / П.В. Пучков, А.В. Топоров, Н.А. Кропотова, И.А. Легкова. // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Наука и образование в социокультурном пространстве современного общества». В 3-х частях. - Смоленск. 2016. С. 33-35.

7. Кропотова Н.А. Технические характеристики изготовления абразивного инструмента для работы в арктических условиях. / Н.А. Кропотова, Е.Ю. Моисеева, В.Е. Иванов. // Сборник материалов X Международной студенческой научно-практической конференции «Научное сообщество студентов». - М.: ИнтерактивПлюс, 2016. С. 125-127.

8. Кропотова Н.А. Технология изготовления абразивного инструмента для работы в суровых условиях. / Н.А. Кропотова, Е.Ю. Моисеева // Новая наука: от идеи к результату: Международное научное периодическое издание по итогам Международной научно-практической конференции (29 июня 2016 г., г. Сургут). / в 2 ч. - Стерлитамак: АМИ, 2016. №6-2 (90). Ч. 2. Стр. 133-136.

Размещено на Allbest.ru