Л.Н. Смирнов, В.Г. Сухоруков, ГУП "НИИЭнергоцветмет"
Перспективы термоэмиссионной энергетики
В энергетике основная доля выработки тепловой, механической и электрической видов энергии производится путем сжигания углеводородного топлива. Растущая стоимость добываемого топлива приводит к необходимости поиска путей его экономного расходования. Особенно остро стоит проблема эффективного преобразования тепла сжигания топлива в электрическую энергию.
Выработка электроэнергии паросиловыми агрегатами, составляющими основу современной электроэнергетики, из тепловой энергии осуществляется с малым коэффициентом полезного действия, значение которого не превосходит 28-31%. Проблема более эффективного преобразования тепловой энергии в электрическую не решается и с помощью тепловых машин внутреннего сгорания -дизельных газотурбинных. КПД машин внутреннего сгорания лишь незначительно превосходит КПД паросиловых агрегатов, при этом используются дорогие виды топлива.
При решении задачи эффективного использования тепловой энергии в электрическую особую актуальность приобретает проблема использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) в металлургии. Металлургия является одной из самых энергоемких отраслей народного хозяйства Российской федерации. В 2002 году потребление энергоресурсов в целом по отрасли составило 152,2 млн. тонн условного топлива, из них на долю электроэнергии приходится 48,6%. По причине низкого значения КПД преобразования паросиловых агрегатов стоимость электрической энергии превосходит стоимость тепловой энергии в 3-4 раза. Доля тепла сжигаемого топлива, полезно используемого при выплавке металлов, не превосходит 25%. Остальное тепло плавки уходит с дымом в атмосферу. Применяемые в металлургии для полезного использования "бросового" тепла котлы-утилизаторы и элементы испарительного охлаждения вырабатывают пар и горячую воду, большая доля тепловой энергии которых в летний период времени не находит применения.
Существующее положение вызывает незатухающий интерес к разработкам преобразователей химической, солнечной, термоядерной и других видов энергии непосредственно в электрическую. Наиболее эффективными по производству электроэнергии с единицы объема являются батареи термоэмиссионных статических преобразователей, нашедшие применение в аэрокосмической технике. В качестве источника тепла применен ядерный источник. Так, базовую систему космической ядерной энергии США составляют элементы термоэсмиссионного преобразователя. Система имеет следующие характеристики: энергетическая мощность 2 МВт, КПД 9,3%, масса 24 тонны, расчетный ресурс 7 лет. В разработке преобразующих элементов принимала участие и Россия. Контактный способ передачи тепла от источника к термоэмиссионным элементам, примененный в космическом преобразователе, обеспечивает компактность устройства, но не позволяет осуществлять эффективно преобразование тепла источника в электрическую энергию, и поэтому значение КПД космического термоэмиссионного преобразователя невелико. При способе передачи тепла посредством подвижного теплоносителя (горячих газов от сжигания углеводородного топлива или бросовых горячих газов металлургических печей) обеспечивается резкое увеличение эффективности преобразования тепла в электрическую энергию. Способ легко реализуется в наземном варианте термоэмиссионного генератора (патент № 2144241).
В 1992 году при содействии действительного члена АИН РФ, доктора технических наук, профессора Ф.М. Черномурова в "НИИЭнергоцветмет" была поставлена задача создания опытно-промышленного образца термоэмиссионного преобразователя высокой эффективности и формой напряжения в потребительских вариантах.
Термоэмиссионный генератор является устройством внешнего сгорания и может работать на всех видах топлива - газообразном, жидком, твердом, а также на тепле отходящих газов металлургических печей. Он бесшумен, обладает пониженным уровнем вредных выбросов, что характерно для машин с внешним подводом тепла. Плоские термоэмиссионные элементы располагаются в виде ширм в канале для прохода топочных горячих газов. Горячие газы, омывая поверхности термоэмиссионных элементов, отдают тепло через них. Оно расходуется на испарение электронов в элементах и образование электрического тока термоэмиссии. Термоэмиссионные элементы объединены в единую электрическую сеть. Генератор имеет КПД преобразования свыше 80%, его работа поддается полной автоматизации. Устройство управления генератором позволяет обеспечивать его работу в одном из трех режимов - постоянный ток, трехфазный переменный и однофазный переменный. Предусмотрено частотное регулирование в диапазоне изменения частоты 0-2000 гц.
Технология изготовления термоэмиссионных элементов известна. Генераторы могут быть созданы на неограниченную мощность. При этом не требуется применение сложных и дорогих паровых турбин, электрогенераторов и других комплектующих, характерных для электростанций, оснащаемых паросиловыми агрегатами. Термоэмиссионные генераторы могут использовать в качестве автономных электростанций и как альтернатива котельным ЖКХ. В этом случае удобно применять электрическую энергию, и это будет недорого, т.к. КПД преобразования тепла в электроэнергию термоэмиссионных генераторов близок к КПД нагрева воды в котлах ЖКХ, достигающем 92%.
В комплекте с электродвигателем термоэмиссионный генератор может использоваться в качестве электропривода универсального назначения. Энергоустановка -термоэмиссионный малогабаритный асинхронный двигатель -достаточно компактна и может быть легко размещена в моторно-транспортных отделениях транспортных средств.
При установке термоэмиссионных элементов в виде ширм в газоходах отходящих газов металлургических печей для выработки электроэнергии металлургическая отрасль могла бы перейти на самообеспечение электроэнергией до уровня, составляющего 60% от требуемого потребления.
Прямое преобразование тепловой энергии непосредственно в электрическую посредством термоэмиссии в условиях развитой добычи углеводородного топлива может послужить существенной перестройке как на рынке генерации энергии, так и на рынке распределяющих сетей.
Здесь есть
рисунок
Проекты | Инновационный портал УрФО (Уральский федеральный округ)