Автономное энергоснабжение лесных терминалов

Часть 3. Тенденции и перспективы

Часть 1
Часть 2

Мобильные энергоустановки

Современные тенденции в энергетике базируются на следующих основных принципах: надежность, энергоэффективность, доступность ресурса, безопасность работы установки, возможность резервирования.

Эксплуатируемые современные мобильные энергетические установки не полностью удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям. Преодоление этой проблемы возможно при смене господствующей технической парадигмы, связанной с традиционными техническими решениями задач энергоснабжения на уровне макрохарактеристик объектов. Принцип в технике не новый и давно известный: работа структуры вещества всегда надежнее работы любой, даже самой современной, механической системы. Для мобильных энергоустановок, в которых основным видом энергетического топлива является дизельное, создание его необходимых запасов – наиболее серьезная проблема в плане безопасности хранения. Запас топлива в конструкции и емкостях заправщиков тоже ограничен.

Что касается надежности работы энергоустановки, то прежде всего необходимо пересмотреть подход к решению этих проблем. А именно: проектируемый процесс, как правило, должен протекать в режиме самосогласования. Тогда вероятность нештатных ситуаций будет исключена или минимизирована. При отсутствии такой возможности защита технологического процесса от аварийной ситуации должна срабатывать на прекращение процесса, не реагируя на действия оператора.

Газификация

В качестве примера самосогласованной системы может служить газогенератор обращенного типа газификации твердого топлива, который по энергоэффективности превосходит аппараты прямого и поперечного типа газификации.

При прямом процессе газификации генераторный газ выходит из верхней части шахты газогенератора, а воздушное дутье подается в самой нижней части, где сгорает углистый остаток топлива с выделением теплоты и продуктов горения (рис. 19 и 20).

Основной недостаток газогенератора этого типа связан с высоким содержанием смол в получаемом генераторном газе, поскольку его отбирают над зоной сушки топлива, где концентрируются смолы.

При поперечном процессе газификации воздушное дутье подается внизу шахты газогенератора, с одной стороны, а образующаяся парогазовая смесь (генераторный газ) отводится через отверстия с другой стороны шахты (рис. 21). Главное преимущество такого газогенератора – возможность работы при малых мощностях. Недостатки – низкая эффективность и высокое содержание смол в газе. Из-за них аппараты этого типа не нашли широкого распространения.

Газогенераторы обращенного процесса предназначены для газификации битуминозных (смолистых) видов твердого топлива – деревянных чурок и древесного угля. Воздух в них подается в среднюю по высоте часть, где и происходит горение. Образовавшиеся газы отбираются ниже подвода воздуха. Активная зона занимает часть газогенератора – от места подвода воздуха до колосниковой решетки, ниже которой расположен зольник с газоотборным патрубком.

Зоны сухой перегонки и подсушки расположены выше активной зоны, поэтому влага топлива и смолы не могут выйти из газогенератора, минуя активную зону. Проходя через зону высокой температуры, продукты сухой перегонки разлагаются, в результате содержание смол в выходящем из генератора газе незначительное. Как правило, в газогенераторах обращенного процесса газификации горячий генераторный газ используется для подогрева топлива в бункере. За счет этого улучшается осадка топлива, так как покрытые смолой чурки не прилипают к стенкам бункера, тем самым повышается устойчивость работы генератора.

В предвоенные годы в СССР были проведены фундаментальные работы по созданию теории термического разложения топлива и серии конструкций газогенераторов. Но главным недостатком всех типов было отсутствие системы управления и регулирования термохимическими процессами для стабилизации режима при варьировании внешней нагрузки.

Преобразование тепловой энергии в электрическую

Проблема прямого преобразования теплоты в электричество на настоящем этапе особенно актуальна, поскольку ее решение позволит перейти на более подходящее твердое топливо. Его энергетические характеристики не уступают углеводородному топливу, а себестоимость на порядок ниже. Неоспоримо преимущество этого вида твердого топлива и по взрывобезопасности и экологичности.

Экспериментальные работы, проводимые в атомной и радиоэлектронной промышленности, позволили создать два типа преобразователей:

1. На жидких металлических электродах с КПД 18–20% (термогальванические процессы).
2. Преобразователи на утилизированной теплоте (термоэмиссионные и термоэлектрические процессы).

Перспектива широкого использования термоэмиссионных методов просматривается пока только в теории. Для кардинального решения этих задач следует апробировать наиболее надежный структурно-чувствительный метод внутреннего трения. При используемой в настоящее время централизованной системе электроснабжения систем в случае выхода из строя основных агрегатов чрезвычайная ситуация будет локализована мгновенно.

Энергообеспечение предусматривает альтернативные варианты, но любой альтернативный источник должен иметь систему дублирования, обеспечивающую работу энергоустановки при отключении по техническим причинам. Предполагается создание альтернативного энергетического комплекса для удаленных объектов. В нем установлены блоки газогенерации с накопителями энергии на металлогидридах.

В мире набирают популярность электрохимические способы генерирования электрической энергии. Для совершенствования энергетических установок актуально использование термоэмиссионных и термоэлектрических преобразователей.

Термоэлектрический способ преобразования энергии основан на термоэлектрических явлениях в проводнике электрического тока, связанных с потоками носителей зарядов, вызванных градиентом температуры и переносом тепла электрическим током. При этом разница температур создает электрический потенциал либо, наоборот, электрический потенциал создает разницу температур.

ТермоЭДС – это ЭДС, возникающая в замкнутой электрической цепи, составленной из разных проводников, в условиях, когда поддерживается разная температура места контактов.

Устройство для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую на основе термоЭДС называется термоэлектрическим генератором. Различают термоэлектрические генераторы низкотемпературные (20–300ºС), среднетемпературные (300–600ºС) и высокотемпературные 600–1000°С. В качестве материалов термоэлементов используют твердые растворы на основе халькогенидов элементов V и IV группы и твердые растворы Si-Ge. КПД устройств такого типа до 10%, мощность – до нескольких сотен киловатт, срок службы – до 25 лет. Одно из перспективных решений для повышения КПД до 20% возможно за счет использовании слоев из тройных сплавов типа PbTe, GeSi (30–1000°C) или слоистых материалов Bi2Te3 и ZnCdSb.

ТермоЭДС обусловлена тремя составляющими: зависимостью контактной разности потенциалов от температуры (контактная термоЭДС); диффузией носителей заряда от горячего конца проводника к холодному (объемная ЭДС) и увлечением электронов фононами.

В тонком приконтактном слое создается локализованное электрическое поле. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то разность потенциалов возникает на обоих контактах. Направление электрического поля на контактах одинаковое – от большей энергии к меньшей. И если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте он вдоль поля, а в другом – против поля. Следовательно, циркуляция вектора напряженности будет равна нулю.

Если температура одного контакта изменится, то напряжение тоже изменится. Поскольку изменяется внутренняя контактная разность потенциалов, меняется и электрическое поле в одном из контактов, поэтому циркуляция вектора напряженности будет отлична от нуля, то есть в замкнутой цепи возникнет ЭДС, которая называется контактной термоЭДС.

Если вдоль проводника возникает градиент температуры, то на горячем конце электроны характеризуются более высокой энергией и скоростью, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости повышается с ростом температуры. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остается некомпенсированный положительный заряд. Накопление заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов, равный первичному, в обратном направлении, за счет чего установится равновесие. Таков механизм проявления объемной ЭДС.

Градиент температуры в твердом теле является причиной того, что количество фононов, движущихся от горячего конца к холодному, больше, чем следующих в обратном направлении. При столкновении с электронами фононы могут увлекать их за собой, вследствие чего на холодном конце образца будет накапливаться отрицательный заряд (а на горячем – положительный), пока возникшая разность потенциалов не уравновесит эффект увлечения. Эта разность потенциалов и представляет собой третью составляющую термоЭДС, которая при низкой температуре может быть в десятки и сотни раз больше двух других. В магнетиках наблюдается дополнительная составляющая термоЭДС, обусловленная эффектом увлечения электронов магнонами.

Абсолютные значения всех термоэлектрических коэффициентов увеличиваются со снижением концентрации носителей. В металлах концентрация свободных электронов очень высокая и не зависит от температуры, электронный газ находится в вырожденном состоянии, поэтому контактная разность потенциалов, энергия и скорость электронов слабо зависят от температуры. Этим объясняется очень низкая термоЭДС большинства металлов (мкВ·К-1):

ТермоЭДС полупроводников примерно в 100 раз выше:

В особых температурных условиях термоЭДС некоторых полупроводников может превышать 1000 мкВ·К-1.

Особенностью используемых термоэлектрических преобразователей является высокое внутреннее сопротивление термопары как источника ЭДС, обусловленное большой длиной и малым поперечным сечением ветвей преобразователей. Это также причина большого термического сопротивления для теплового потока через ветви преобразователя, часть энергии которого трансформируется в электричество. При значительных перепадах температуры КПД современных металлических термоэлементов не превышает 1%, а полупроводниковых – 5–7%. Ввиду этого получить термоэлектрические преобразователи большой мощности невозможно.

Из-за высокой стоимости термоэлектрические генераторы (ТЭГ) пока не применяются в стационарной энергетике, только в малых автономных источниках энергии.

Выпускаются и термоэлектрические генераторы на ядерном топливе. Для космических установок разработаны ТЭГ с ядерным реактором в качестве источника теплоты. Термоэлектрическая установка «Ромашка» с термоэлектродами из германий-кремниевого сплава создана в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова в 1964 году. Ее мощность 800 Вт, а КПД равен 2% при загрузке 49 кг U-235, обогащенного до 90%. Активная зона этого реактора на быстрых нейтронах окружена термоэлементами из SiGe, которые охлаждаются излучением. В реакторе отсутствует теплоноситель, что позволяет исключить движущиеся узлы и обеспечить высокую надежность установки.

Перспективным представляется использование термоэлектрического генератора для утилизации потерь тепловой энергии (двигатели внутреннего сгорания, сжигание мусора, ядерные отходы и др.). ТЭГ находят применение в объектах аэрокосмической, судостроительной, нефтяной промышленности, и других областях, где необходимо наличие автономных источников электроэнергии.

Основные достоинства термоэлектрических преобразователей – автономность, надежность, простота эксплуатации, долговечность, малые габариты, износостойкость (поскольку отсутствуют движущиеся части). У них высокие энерговесовые характеристики. Когда КПД ТЭГ достигнет 15% (сейчас <10%), они будут способны конкурировать с другими источниками энергии.

При исследовании высокотемпературных электрических свойств редкоземельных полупроводников было обнаружено новое физическое явление – спонтанная генерация электрического напряжения моносульфидом самария (SmS) при равномерном нагреве. Экспериментальный КПД макета преобразователя энергии оказался равен примерно 47% при Т = 150ºС и примерно 30% при Т = 450ºС, то есть в 3–4 раза выше КПД обычного термоэлемента. Достигнутые результаты позволяют начать разработку термоэлектрического генератора на основе SmS, технология его изготовления упрощается, поскольку большие градиенты температуры не требуются.

Термоэмиссия (или эффект Эдисона) – это эмиссия электронов с поверхности металла или оксида металла, которая начинается, когда энергия теплового движения электронов превосходит силы, удерживающие их на поверхности. Эффект усиливается с повышением температуры поверхности.

Термоэмиссионный преобразователь (ТЭП) представляет собой тепловую машину, в качестве рабочего тела используется газ свободных электронов в вакууме, плазме (ионы Cs) или инертных газах (рис. 21). Удельная мощность (в расчете на 1 см² поверхности катода) современных ТЭП при температуре катода 1700–2000 К, анода – 800–1100 К достигает десятков ватт, а КПД может превышать 20%.

Этот тип преобразования отличает следующее преимущество: пока эмиссия с коллектора мала по сравнению с эмиссией с эмиттера, температура коллектора может быть высокой без заметного уменьшения КПД и снимаемой мощности. Например, если работа выхода эмиттера 3 эВ, а коллектора – 1,7 эВ, температура эмиттера 2000 К, плотность тока эмиттера 10А/см², то температура коллектора может достигать 1100 К, при этом КПД составит примерно 21%.

Примером термоэмиссионного преобразователя может служить космическая ядерная установка «Топаз», разработанная в 1970 году.

Реактор на тепловых нейтронах содержит 79 ТЭП, совмещенных с тепловыделяющими элементами. Установки «Топаз» позволяют создать базу перспективных источников электрической энергии второго поколения мощностью до нескольких сотен киловатт с ресурсом работы до 10 лет.

Термоэмиссионные преобразователи могут выполнять полезную функцию в тепловых электростанциях. Повышение эффективности работы тепловых электростанций возможно за счет повышения температурного диапазона. Максимальная температура газовых турбин – 1300 К. Температура горения топлива – 2000 К. Использование энергетических ресурсов температурного диапазона 1300–2000 К возможно при дополнении турбинных установок высокотемпературными надстройками на основе термоэмиссионных преобразователей.

Заключение

1. Лесные терминалы значительно повышают эффективность лесозаготовительного производства при большом расстоянии вывозки заготовленной древесины за счет увеличения коэффициента полнодревесности воза готовой продукции или полуфабрикатов. Они широко применяются в Сибири и на Дальнем Востоке.
2. Основным технологическим оборудованием лесных терминалов являются мобильные лесопильные станки и рубильные машины. Между их основными техническими характеристиками можно установить статистические взаимосвязи. Например, мощность электропривода ленточных пильных станков коррелирует с максимальным диаметром распиливаемых бревен (коэффициент линейной корреляции r = 0,71). Потребляемая мощность мобильных рубильных машин связана с максимальным диаметром перерабатываемого сырья.
3. Помимо пиломатериалов и щепы, на лесном терминале можно производить прессованное биотопливо и биологически активные вещества из кроновой части деревьев.
4. По энергопотреблению вал отбора мощности превосходит электропривод примерно в 1,0–1,5 раза, а двигатель внутреннего сгорания – примерно в 1,5 раза.
5. Энергоснабжение мобильных станков и агрегатов лесного терминала при помощи двигателей внутреннего сгорания (вала отбора мощности, дизель-генератора) не является оптимальным вариантом ввиду дороговизны ГСМ и их доставки.
6. Альтернативные источники электроэнергии для лесных терминалов, такие как солнечные электростанции и микроГЭС, весьма перспективны, но отличаются ярко выраженной сезонностью работы, причем не совпадающей с основным сезоном работы лесного терминала – периодом зимней заготовки.
7. Наиболее перспективный вариант энергоснабжения лесного терминала – энергогенерирующий комплекс на базе газогенератора, работающего на топливных брикетах из отходов основного производства лесного терминала (твердых и мягких отходах лесопиления, порубочных остатков). 

Текст:
Александр Помигуев, Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина,
преподаватель кафедры тактики общевойсковых дисциплин
Ольга Куницкая, АГАТУ, д-р техн. наук, профессор кафедры ТОЛК
Дарья Бурмистрова, УГТУ, аспирант
Владимир Григорьев, СПбГЭУ, студент