IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Система преобразования термальной энергии в электроэнергию
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Идея использовать внутреннее тепло Земли для получения энергии появилась давно. Для этого используются геотермальные тепловые насосы. Они извлекают из воды запасы накопленной в них энергии, и передают ее в отопительный контур дома, или накапливают энергию. Использование насосов окупается через 15 лет, и если есть рядом газ, то используют его. Данная технология, используется и для относительно «горячей» и «теплой» водой. Еще недостатком является установка насосов, особенно если субтермальная вода глубоко и приходится рыть глубокую скважину, которая может деформироваться при таянии или замерзании земли. Однако это экологичный вид энергии и поэтому он актуален, хотя и дорого стоит.
Проблема. Низкое покрытие линиями электропередач (ЛЭП) отдельных территорий.
Невозможность промышленного освоения территорий без электроэнергии.
Большое количество удаленных автономных пунктов потребления электроэнергии, пункты мониторинга трубопроводов нефти и газа, метеостанции, лесничества.
Углеводородное топливо в основе автономных электрогенераторов.
Актуальность. В последнее время очень много ресурсов тратиться на обеспечение людей энергией и при производстве этой энергии в атмосферу выделяется большое количество вредных веществ, данный проект призван решить эти две проблемы.
Объект исследования: термальные воды, использующиеся для получения энергии.
Предмет исследования: чертеж прототипа устройства использующего термальные воды для выработки энергии.
Гипотеза: возможно для Тюменской области создание установки способной использовать термальные воды для производства энергии
Цель: выявить наиболее оптимальный способ для передачи электроэнергии к автономным пунктам (пункты мониторинга трубопроводов нефти и газа, метеостанций, лесничество).
Задачи:
1.Определить возможность использования термальных вод для снабжения автономных пунктов энергией
2.Предложить принципиальную схему преобразования тепла в электричество
3. Рассмотреть риски конструкции и предложить пути их решения
4. Представить концепцию конструктивного исполнения установки.
Используемые методы: теоретический и эмпирический.
Полученные данные. Показана принципиальная схема установки преобразования тепловой энергии термальных вод в электроэнергию. Предложены варианты модернизации установки для повышения КПД. Обозначены риски работоспособности установки.
Разработка и создание проекта возобновляемого источника энергии использующего для обеспечения электричеством предприятий и домов поселка, района энергию термальных вод.
Колоссальные расходы поселок и предприятия тратит на электроэнергию. В поселке Голышманово увеличивается численность населения, строятся новые дома, предприятия, развивается инфраструктура, эти факты приводят к увеличению потребления энергии. Отсюда возникают проблемы с падением напряжения в поселке и скачками напряжения в построенных домах (их строят на новых улицах). В Голышмановском районе есть источники термальных вод, температура, которых 43 градуса. Их глубина составляет 5 метров, поэтому нужно установить дополнительные источники энергии, для потребителей. Данная разработка поможет снизить потребление вырабатываемой электроэнергии, и позволит использовать источник для потребления.
Основные методы создания – изучение работы, моделирование, конструирование модели. Создание принципиально новой модели источника энергии.
План исследований
Изучение научно-популярной литературы и сайтов в сети Интернет
Проектирование чертежа, модели, расчет системы работы.
Риски использования модели.
Корректировка моделированной системы
Библиография
Способ преобразования низкопотенциального тепла в электроэнергию.
[Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/209/2099543.html.
Преобразователь тепла в электричество по Виноградову. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://zaryad.com/forum/threads/preobrazovatel-tepla-v-ehlektrichestvo-po-vinogradovu.7286/.
Преобразование тепла. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://cryostar.com.ua/preobrazovanie-tepla.html
Основная часть
В мире есть множество залежей термальных вод, и Россия не исключение, часть этих вод находятся: в Тюменской области, на Алтае, на Камчатке, в Краснодарском крае, на Байкале. И все эти темальные источники возможно использовать для производства энергии. В ходе проведенного обзора литературы и существующих методов преобразования тепловой энергии в электрическую нами были рассмотрены две наиболее перспективные технологии, на основе которых можно разработать технологию по эффективному использованию тепла термальных вод в электроэнергию.
Первый способ - это использование технологии теплового насоса. Тепловой насос использует энергию возобновляемых источников - нагретого воздуха, земли, скальных пород или воды - для производства тепловой энергии. Это преобразование осуществляется с помощью особых веществ - хладагентов.
Тепловой насос
Конструктивно любой тепловой насос состоит из двух частей: наружной, которая «забирает» тепло возобновляемых источников, и внутренней, которая отдает это тепло в систему отопления или кондиционирования дома. Современные тепловые насосы отличаются высокой энергоэффективностью, что в практическом плане означает следующее - потребитель, т.е. владелец дома, используя тепловой насос, тратит на обогрев или охлаждение своего жилища, в среднем, всего четверть тех денег, которые он потратил бы, если теплового насоса не было.
Иначе говоря, в системе с тепловым насосом 75% полезного тепла (или холода) обеспечивается за счет бесплатных источников - тепла земли, грунтовых вод или нагретого в помещениях и выбрасываемого на улицу использованного воздуха.
Схема работы теплового насоса
Рассмотрим, как действует, пожалуй, самый популярный в быту тепловой насос, работающий за счет тепла земли. Работа теплонасоса происходит в несколько циклов.
Цикл 1, испарение.Наружная часть «земляного» теплового насоса представляет собой замкнутую систему труб, заглубленных в земле на определенной глубине, где температура круглый год стабильна и составляет 7-12°C. Чтобы «собрать» достаточное количество энергии земли, требуется, чтобы общая площадь, занимаемая системой подземных труб, была в 1,5-2 раза больше всей отапливаемой площади дома. Эти трубы заполнены хладагентом, который нагревается до температуры земли. Хладагент имеет очень низкую температуру кипения, поэтому способен прейти в газообразное состояние уже при температуре грунта. Далее этот газ поступает в компрессор.
Цикл 2, сжатие.Именно этот компрессор и расходует всю необходимую для работы теплового насоса энергию, но по сравнению, к примеру, с отоплением от газового котла, эти затраты заметно ниже. Итак, нагретый до температуры 7-12°C газообразный хладагент из подземных труб в камере компрессора сильно сжимается, что приводит к его резкому нагреву.
Цикл 3, конденсация. После цикла сжатия, мы получили горячий пар под высоким давлением, который подается уже во внутреннюю, «домашнюю» часть теплового насоса. Теперь этот газ может быть использован для системы воздушного отопления или для нагрева воды в системе водяного отопления и горячего водоснабжения. Также этот горячий пар может применяться с системой «теплый пол». Отдавая тепло в систему отопления, горячий газ охлаждается, конденсируется и превращается в жидкость.
Цикл 4, расширение. Эта жидкость поступает в расширительный клапан, где ее давление понижается. Теперь жидкий хладагент низкого давления снова направляется в подземную часть для нагрева до температуры земли. И все циклы повторяются. (Рисунок 1, приложение).
Термосвая
Вторым способом использования энергии тепла грунта или окружающего воздуха является использование технологии термосвай. Термосваи - сезонно-действующие охлаждающие устройства (СОУ) предназначенные для поддержания грунта в мерзлом состоянии, что обеспечивает устойчивость зданий, сооружений на сваях, а также сохраняет замерзший грунт вокруг опор ЛЭП и трубопроводов, вдоль насыпей железнодорожных путей и автомобильных магистралей. В основе технологии сезонно-действующих охлаждающих устройств лежит устройство передачи тепла (термосифон), которое в зимний период извлекает тепло из почвы и передает его в окружающую среду. Важной особенностью этой технологии является то, что она естественно-действующая, т.е. не нуждается во внешних источниках энергии.
Принцип работы всех видов сезонно-действующих охлаждающих устройств одинаков. Каждый из них состоит из герметичной трубы, в которой находится теплоноситель — хладагент: углекислота, аммиак и др. Труба состоит из двух секций. Одна секция размещается в земле и называется испарителем. Вторая, радиаторная секция трубы, расположена на поверхности. Когда температура окружающей среды опускается ниже температуры земли, где залегает испаритель, пары хладагента начинают конденсироваться в радиаторной секции. В результате снижается давление и хладагент в испарительной части начинает вскипать и испаряться. Этот процесс сопровождается переносом тепла из испарительной части в радиаторную.
Технологические риски
-Низкий расход жидкости через лопасти генератора
- Конденсация хладагента на боковых стенках
- Глубокое залегание термальных вод
- Нарушение герметичности системы в процессе эксплуатации
- Нестационарный градиент температуры между грунтовыми водами и поверхностью в течение суток/дней
- Сложность ремонта и обслуживания
Теплопередача с использованием термосифона
В настоящее время существует несколько типов конструкций сезонно-действующих охлаждающих устройств.
1) Термостабилизатор. Представляют собой вертикальную трубу термосифона, вокруг которой замораживается грунт.
2) Термосвая. Представляет собой вертикальную сваю с интегрированным термосифоном. Термосвая может нести некоторую нагрузку, например, опору нефтепровода.
3) Глубинное сезонно-действующее охлаждающее устройство. Представляет собой длинную (до 100 метров) трубу термосифона с увеличенным диаметром. Такие охлаждающие устройства применяются для температурной стабилизации грунтов на большой глубине, например, для термостабилизации дамб и плотин.
4) Наклонное сезонно-действующее охлаждающее устройство. Этот тип охлаждающего устройства отличается от термостабилизатора тем, что установка испарительной трубы выполняется под уклоном около 5%. В этом случае существует возможность установки наклонной испарительной трубы непосредственно под зданиями, возведенными на бетонных плитах.
5) Горизонтальное охлаждающее устройство. Особенностью горизонтального сезонно-действующего охлаждающего устройства является то, что оно устанавливается полностью горизонтально на уровне подготовленного насыпного основания. В этом случае здание возводится непосредственно на непросадочном грунте, расположенном на слое изоляции и испарительных трубах. Преимуществом горизонтальных охлаждающих устройств является возможность их использования в двух конфигурациях: на плитных и свайных фундаментах.
6) Система вертикальных охлаждающих устройств. Этот тип сезонно-действующих охлаждающих устройств похож на горизонтальное охлаждающее устройство, но в отличие от него, помимо горизонтальных испарительных труб, может содержать до нескольких десятков вертикальных испарительных труб. Преимуществом этой системы является более эффективное поддержание грунта в мерзлом состоянии. Недостатком вертикальных систем охлаждающих устройств является затруднительность их ремонта и обслуживания. (Рисунок 2, приложение)
Собственная разработка
Идея состоит в том, чтобы создать установку способную использовать термальные источники для получения электроэнергии. Для установки мы выбрали технологию термосваи, так как она больше подходит для использования в данном случае. Но, для её использования в выработке электроэнергии, нам пришлось значительно изменить конструкцию термосваи. (Рисунок 3, приложение). Мы добавили в внутритермосваи трубу, в которой поочередно размещены крыльчатки на центральном валу, соединенном с электрогенератором. Форма крышки термосваи выполнена в видеконуса, направленного вниз, для направленного стекания сконденсированного жидкого хладагента во внутреннюю трубу и приводит крыльчатки во вращение. На этапе изготовления в герметичную трубу заливается хладагент, который испаряется в нижней части сваи за счет нагрева от стенок, интенсивность которого увеличена за счет радиатора на контакте с термальной водой. Хладагент подобран таким образом, что температура парообразования от 20 до 37°С,а температура конденсации от -30до 20°С в Термосвая заглублена в землю на глубину где температура подземных вод достигает 20-37°С. Боковые стенки термосваи между радиаторами теплоизолированны во избежание конденсации и стекания жидкости в нижнюю минуя внутреннюю трубу с крыльчатками вращения. Наибольший коэффициент полезного действия устройства будет иметь место при максимальном градиенте температур между грунтом и воздухом на поверхности, а также интенсивностью теплообмена, на которые влияют скорость ветра, скорость движения термалых вод и оребрение поверхности теплообмена.
Первый вариант не учитывал теплоизоляцию и место размещения оребрения, а так же не решен вопрос расхода жидкости, который должен преодолеть внутреннее трение оси, на которой расположены лопасти вращения, чтобы привести ее в движение. (Рисунок 4, приложение)
На втором этапе предложено решения задачи, в верхней части цилиндра использовать промежуточный накопитель жидкости, после наполнения, которого до определенного уровня жидкость с большим расходом протекает по внутреннему трубопроводу, раскручивая лопатки. Таким образом, вращение электродвигателя приводится во вращение циклично, совместно с буферными аккумуляторами электроэнергии. (Рисунок 5, приложение) Отсутствие промежуточного накопителя жидкости при малом градиенте температур не позволяет создать значительный расход жидкости чтобы преодолеть внутреннее трение подвижных механизмов и привести в движение электрогенератор. Присутствие накопителя жидкости решает эту проблему. (Рисунок 6, приложение)
Мы думаем использовать не скважину с тепловым насосом, а устройство прототип теплосваи. В теплосваю помещается хлодоген, (фреон, в нашем случае, керосин), который при нагревании, испаряется, парообразуется, и поднимается вверх, от него отводится количество теплоты. Затем конденсируется, перемещается вниз (необходим насос для сжатия отработанного пара, он переводит его обратно в жидкость), и нагревается термальной водой. Процесс повторяется. Климат Тюменской области континентальный. Средняя температура зимой - 15 градусов, средняя температура в июле +23 градуса, годовая средняя температура +2 градуса, от 96 до 275 солнечных дней в году. Между температурой воздуха и температурой субтермальной воды практически всегда будет разница, а хладоген начинает кипеть при температуре +5 градусов, и источник будет работать. Мы не будем пускать термальную воду по трубам для отопления, так как вода хлоридно – натриевая, и ее необходимо очищать ( трубы постоянно зарастают отложениями), что потребует дополнительных средств, мы будем нагревать термосваю, в этом состоит отличие нашего проекта от аналогов. Мы считаем идею новой, и оригинальной, она поможет не только получить дополнительный источник энергии, но и возобновит работу водолечебницы.
Экономическая выгода. Оценили кпд реальной установки – он примерно равен 35%. Если учитывать, что уровень термальных вод не глубок (4 метра), и разница температур будет практически всегда, а летом, можно использовать тепловой насос.
Заключение
Идея проекта – создание автономного источника электроэнергии, который можно использовать в труднодоступных местах. Идея проекта для нашего поселка - использование термальных вод для производства энергии для домов и предприятий поселка. В поселке есть источники термальных вод (хлоридно – натриевые) и они не используются, 20 лет назад работала водолечебница. Возле закрытой лечебницы, располагается птицефабрика, и использование энергии воды позволит дать дополнительную энергии предприятию и домам. Но если восстановить работу водолечебницы, только современными методами, то это даст жителям поселка социальный объект, который позволит оздоравливать население и даст новые рабочие мест.
Вывод
Показана принципиальная схема установки преобразования тепловой энергии термальных вод в электроэнергию. Предложены варианты модернизации установки для повышения КПД. Обозначены риски работоспособности установки. Требуется: выполнение расчета параметров системы, лабораторные испытания, подбор хладагента, определение геометрии, расчет теплофизических характеристик системы.
Результаты
1.Мы изучили низкопотенциальные геотермальные ресурсы Российской федерации и определили, что на территории России залегают термальные воды - это значит, мы сможем их использовать.
2.Разработали схему преобразования тепла термальных вод в электричество из чего следует, что их можно использовать для производства энергии.
3.Рассмотрели риски нашего устройства, и нашли способы их минимизировать - это уменьшит шанс выхода установки из строя.
4.Представили концепцию конструктивного исполнения установки, что позволит собрать её в будущем.
5.И сравнив цены на способы передачи электроэнергии, выяснили, что для передачи электроэнергии к автономным пунктам (пункты мониторинга трубопроводов нефти и газа, метеостанций, лесничество) наиболее лучшим решением будет использование установки работающей на термальных водах.
Список использованных источников и литературы
Горячие источники Тюмени. http://tyumengoryachieistochniki.ru
Термальные источники Краснодарского края.
https://znanio.ru/media/issledovatelskaya_rabota_termalnye_istochniki_krasnodarskogo_kraya_dorozhnaya_karta-61695/74002.
Геотермальная энергетика: мировые тенденции и российские перспективы.
http://www.cleandex.ru/articles/2016/05/20/geotherm_energy_world_tendency_russian_prospects
Преобразование тепла в электричество. https://www.forumhouse.ru/threads/87510/
Преобразование тепловой энергии в электрическую с высоким КПД: способы и оборудование: http://fb.ru/article/426370/preobrazovanie-teplovoy-energii-v-elektricheskuyu-s-vyisokim-kpd-sposobyi-i-oborudovanie.
Приложение
Рисунок 1. Схема работы теплового насоса.
Рисунок 2. Схема работы термосифона.
Рисунок 3. Схема термосваи.
|
Установка в сборе |
Установка в разрезе |
|
Рисунок 4. Трехмерное изображение установки. |
|
Рисунок 5. Установка. Первая версия.
Рисунок 6. Установка. Модернизированная версия.