شكل 1 المظهر التقديري لمولد الغاز الحراري المنزليفي مقال سابق ، تحدثت عن تطوير مولد حراري صوتي:
"إنشاء وبدء تشغيل محرك صوتي حراري الموجة الأولى" . في هذه المقالة ، أريد أن أتحدث أكثر عن التطبيقات الممكنة لهذا المولد وكيفية دمجه في نظام طاقة موجود.
واحدة من الاتجاهات العالمية الأخيرة هي اللامركزية. يريد عدد متزايد من الناس أن يكونوا مستقلين قدر الإمكان عن المنظمات الكبيرة. يتجلى ذلك ، على سبيل المثال ، في شكل رغبة في إنشاء مصنع صغير خاص بهم في شكل طابعة ثلاثية الأبعاد ، أو في شكل رغبة في إطلاق أموالهم الخاصة ، مثل العملات المشفرة ، أو في شكل رغبة في امتلاك وسائطهم الخاصة ، على شكل قناة على YouTube. لقد اتخذت الطاقة منذ فترة طويلة مسارًا نحو اللامركزية. يريد عدد متزايد من الناس الحصول على مصدر خاص بهم للطاقة الكهربائية والحرارية.
شكل 2. مثال على اللامركزية للطاقة في الدنمارك على أساس التوليد المشترك للطاقة الموزعة. المصدر: وكالة الطاقة الدنماركيةعلى سبيل المثال ، في الدانمرك ، تكون لامركزية الطاقة نشطة للغاية (الشكل 2).
ما هي فوائد الطاقة اللامركزية؟بالإضافة إلى زيادة استقلالية واستقلال كل فرد خلال اللامركزية ، تتمثل المزايا فيما يلي:
- Micro-CHP دائمًا أقرب إلى المستهلك من CHP الكبير. وبالتالي ، فإن فقدان الطاقة الكهربائية والحرارية يختفي عملياً أثناء النقل عبر الأسلاك وأنابيب التدفئة ، على التوالي.
شكل 3. Micro-CHP Senertec Dachs F5.5 على محرك احتراق داخلي ، 5.5 كيلو واط- هناك فرصة لبناء المنازل والشركات في تلك الأماكن التي كانت مكلفة للغاية أو مستحيلة لتوفير الطاقة على الإطلاق. على سبيل المثال ، لقد أحببت مكانًا بجمال المناظر الطبيعية ، لكن لا يمكن توصيل الكهرباء إلى هناك. في هذه الحالة ، فإن الطريقة الوحيدة لتوفير الطاقة للمنزل هي توليد الطاقة الكهربائية والحرارية على الفور ، أي في المنزل نفسه.
شكل 4. منزل خاص بعيد عن الحضارة- توليد الطاقة الموزعة يزيد من ثبات نظام الطاقة لمختلف الحوادث والكوارث. في حالة وقوع كارثة في محطة طاقة حرارية كبيرة ، مع توليد مركزي ، يتم تقليل عدد الأشخاص المنقطعين عن إمدادات الطاقة.
شكل 5. كارثة في محطة فوكوشيما للطاقة- يتمتع الجيل الموزع بمرونة كبيرة وقدرة على التكيف مع تغييرات حادة وغير متساوية في استهلاك الطاقة في جميع أنحاء المنطقة. بفضل اللامركزية ، أصبح من الممكن الجمع بين مصادر متعددة للطاقة في شبكة ذكية واحدة تسمى Micro Grid ، والتي تعمل على محاذاة وتحسين إنتاج الطاقة واستهلاكها.
شكل 6. تمثيل تخطيطي لشبكة Micro Grid ، وهي شبكة كهرباء ذكية تعمل على تحسين إنتاج الطاقة واستهلاكها.- في البلدان التي يُسمح فيها قانونًا ببيع فائض الكهرباء المولدة إلى شبكة مشتركة ، من الممكن جني الأموال بمساعدة micro CHP. أكثر أنواع الأرباح شيوعًا في الوقت الحالي هي المناطق الشمسية ، حيث يمكنك من خلال تثبيت الألواح الشمسية على سطح منزلك ، إرجاع تكلفة الألواح لعدة سنوات من بيع الكهرباء ثم الاستفادة منها.
شكل 7. محطة الطاقة الشمسية على سطح المنزل- بعد ذلك ، يكمن احتمال الحصول على الطاقة الصغرى CHP في حقيقة أنه عندما ينتهي مورد محطات الطاقة الكبيرة الحالية ، تظهر المعضلة: بناء محطة طاقة كبيرة جديدة أو العديد من المحطات الصغيرة؟ في الآونة الأخيرة ، تركز الخيار بشكل متزايد على إنشاء شبكة من الشركات الصغيرة والمتوسطة والصغيرة الحجم ، بدلاً من شبكة كبيرة فشلت.
قيود على لامركزية الطاقةإن لامركزية الطاقة لها العديد من المزايا. في الوقت نفسه ، لا يمكن للمرء أن يقول إنه من الضروري السعي إلى تحقيق أكبر قدر ممكن من اللامركزية. هذا هو الحال بالنسبة لكل منشأة خاصة ، في كل مبنى متعدد الطوابق ، في كل مؤسسة وفي كل مبنى محطة توليد حرارية خاصة بها. في أماكن الازدحام الكثيف لمستهلكي الطاقة ، سيتفوق CHP الكبير على مجموعة من CHPs الصغيرة بسبب انخفاض تكاليف توليد الطاقة المرتبطة بعمليات صيانة أكثر مثالية ، وأقل تعقيدًا واستهلاك المواد.
شكل 8. شمال غرب حزب الشعب الجمهوريومع ذلك ، هناك أماكن ذات كثافة استهلاكية منخفضة وأماكن يكون فيها إنشاء محطات طاقة حرارية كبيرة مستحيلًا أو غير معقول. في هذه الأماكن ، يحتل الصغار من CHP تدريجيا السوق ويحتلون أعداد كبيرة من CHPP. إلى جانب نظم الطاقة الشمسية الصغيرة ، توجد أيضًا مصادر بديلة للطاقة ، مثل محطات الطاقة الشمسية وطاقة الرياح ، والتي تركز أيضًا على المناطق غير المكتظة بالسكان والتي يصعب الوصول إليها من الكوكب ، لكنها لا تعمل في الأماكن التي تقل فيها نسبة النشاط الشمسي وتفتقر إلى الكمية المطلوبة من طاقة الرياح.
وبالتالي ، يمكن القول أن تطبيق اللامركزية في إنتاج الطاقة باستخدام محطات الطاقة الشمسية الصغيرة للغاية يعد واعداً للغاية في المناطق غير المكتظة بالسكان ذات النشاط الشمسي المنخفض نسبياً وذات طاقة الرياح المنخفضة نسبيًا أو الرياح غير المستقرة.
المنطقة الأمثل لاستخدام محطات الطاقة الحرارية الصغيرة في روسياشكل 9. خريطة إنتاج الطاقة في روسيافما هي أحجام الأراضي الأمثل لاستخدام محطات الطاقة الحرارية الدقيقة وعدد الأشخاص الذين يعيشون عليها؟ على سبيل المثال ، خذ روسيا. حوالي 13 ٪ من السكان ، أي 19.1 مليون شخص ، في المنطقة لا تغطيها إمدادات الكهرباء المركزية (لعام 2018). ثلث أراضي البلاد فقط مشمول بإمدادات الكهرباء المركزية.
شكل 10. خريطة تشمس الشمسي في روسياشكل 11. خريطة نشاط الرياح في روسياإذا نظرت إلى خرائط النشاط الشمسي وطاقة الرياح ، يمكنك أن ترى أن معظم مستخدمي الجزء الأوروبي من روسيا غير المتصلين بإمدادات الطاقة المركزية هم في المنطقة ذات النشاط الشمسي والريحي المنخفض. وبالتالي ، فهي في المنطقة الأمثل لمحطات الطاقة الحرارية الصغيرة.
في الوقت الحالي ، في الغالبية العظمى من الحالات في هذه المنطقة ، يتم استخدام أنابيب TPP الصغرى القائمة على محركات الاحتراق الداخلي ، أو مجموعة من المولدات على محرك الاحتراق الداخلي ومرجل التدفئة.
شكل 12. ميني CHP على الغاز الطبيعي المسال في مدينة Klin ، منطقة موسكوكما حصلت مجموعات مولد غاز كابوتوربين كابستون على توزيع في روسيا.
شكل 13. كابستون المولدات الصغرىما هي مشاكل محطات الطاقة الصغيرة الموجودة حاليًا؟المشاكل الرئيسية الحالية التي يتم استغلالها بنشاط هي:
- فترات صيانة قصيرة ، موثوقية منخفضة.
شكل 14. إصلاح مولدات الديزلتتطلب مولدات الديزل والتوربينات الغازية الصيانة في أفضل الأحوال مرة واحدة في السنة. هذا يزيد من تكلفة توليد الكهرباء ، ويخلق أعمال تنظيمية غير ضرورية لأصحاب مثل هذا التثبيت ، وأثناء الصيانة ، يجب إيقاف التثبيت بشكل طبيعي لفترة معينة ، مما يخلق مشاكل للمستهلكين.
- لا تمتلك محطات التوربينات التي تعمل بالديزل والغاز القدرة على استخدام جميع أنواع الوقود القابل للاحتراق (السائل ، الغازي ، الوقود الصلب) ، كما لا توجد طريقة لاستخدام مصادر بديلة للطاقة الحرارية (الطاقة الشمسية ، والطاقة الحرارية الأرضية ، والحرارة المهدورة).
شكل 15. الأنواع الممكنة من الطاقة الحرارية ل CHP الصغير. من اليسار إلى اليمين: هدر الحرارة من المؤسسة ، والطاقة الحرارية الأرضية ، والطاقة الشمسية ، وطاقة الوقود القابل للاحتراقليس كل المستهلكين لديهم أفضل مصدر للطاقة الحرارية لشركات الطاقة الشمسية الصغيرة - وقود الديزل أو الغاز الطبيعي. قد يكون استخدام مصادر أخرى للطاقة الحرارية أرخص بكثير. على سبيل المثال ، في مؤسسة يتم فيها تفريغ الطاقة الحرارية في الغلاف الجوي ، يمكن توفير جزء من هذه الطاقة عن طريق توليد الكهرباء منها في محطة طاقة حرارية متناهية الصغر. أو في المناطق ذات المصادر الحرارية الأرضية (على سبيل المثال ، إقليم كامتشاتكا) تستخدم الطاقة الحرارية لأمعاء الأرض. في المناطق ذات النشاط الشمسي العالي ، يمكن استخدام الطاقة الشمسية للتدفئة ، أو معًا الطاقة الشمسية وطاقة الوقود القابل للاحتراق.
وبالتالي ، فإن استخدام مولدات التوربينات التي تعمل بالديزل والغاز للوقود القابل للاشتعال هو عيبها الواضح.
- ارتفاع سعر ابتداء من الصغرى CHP. بسبب السعر المرتفع ، يرفض العديد من الأشخاص شراء التثبيت ، لأنه حتى بعد بضع سنوات يصبح استخدام التثبيت أقل تكلفة من الاتصال بالأنابيب ، لا يستطيع الناس تجاوز سعر محطات الطاقة الحرارية الصغيرة على الفور.
حل المشكلاتحدد الأولان أعلاه مشاكل ذات فاصل زمني منخفض بين تلك. يتم تحديد الخدمة والنهمة من خلال المنشآت التي بنيت على أساس محركات ستيرلينغ.
شكل 16. فيزمان فيتوتوين 300 واط مايكرو حزب الشعب الجمهوريالحل الآخر للمشكلتين الأوليين هو التركيبات القائمة على التوربينات البخارية البخارية ، أي المنشآت العاملة وفقًا لدورة Rankine.
وكمثال على مثل هذا التثبيت ، الذي تم تطويره في روسيا ، يمكن للمرء أن يستشهد بمجمع للطاقة الصغيرة يعتمد على التوربينات الدقيقة البخارية الرطبة التي أنشأتها مؤسسة دون تكنولوجيز للأبحاث والإنتاج.
شكل 17. IEC "Don Technologies" مع طاقة كهربائية تبلغ 5 كيلوواطعلى الرغم من كل مزايا هذه المصانع مقارنةً بالتركيبات على محركات الاحتراق الداخلي ومحركات التوربينات الغازية ، فإنها لم تكتسب شعبية كبيرة بعد بسبب التكلفة الأولية المرتفعة وتعقيد عمليات الإصلاح أو الصيانة غير المجدولة (نقص العمال المؤهلين الذين يمكنهم إجراء إصلاحات غير مجدولة) و سبب إدمان الناس لفترة طويلة على التكنولوجيا الجديدة.
مولد حراري صوتيمثلما تعمل التركيبات الموجودة على محرك Stirling وعلى دورة التوربينات البخارية على حل المشكلات بفاصل زمني منخفض. الصيانة وعدم وجود النهمة عند اختيار الوقود ، والمولدات الحرارية الصوتية يحل بالمثل هذه المشاكل. وفقًا لذلك ، من أجل الحصول على مكان في السوق ، يحتاج المولد الحراري الصوتي إلى تكلفة أولية أقل من تكلفة هذه المصانع ، ويفضل أن يكون أقل من تكلفة التوربينات التي تعمل بالديزل والغاز. النظر ، والتي بسبب مولد الصوت الحراري يحل مشاكل هؤلاء. خدمة النهمة ، وما إذا كان من الممكن حل المشكلة مع ارتفاع سعر أولي.
دعني أذكرك ، بالنسبة لأولئك الذين لم يقرؤوا المقالات السابقة ،
"مقالة واحدة" ،
"مقالة" ، بأن المحرك الصوتي الحراري الذي طورته يشبهني بشكل تخطيطي:
شكل 18. مخطط محرك بأربع سرعات مع موجة متحركةنظام يتكون من مرنان ومبادلات حرارية يولد طاقة صوتية تحت تأثير الطاقة الحرارية. وهذا هو ، في وجود اختلاف في درجة الحرارة بين مبادلات الحرارة ، تظهر موجة صوتية متحركة في الرنان.
يحتوي المحرك الصوتي الحراري في هذا النموذج على مورد مرتفع للغاية ، لأنه لا يحتوي على أي أجزاء متحركة. ولكن لتوليد الكهرباء ، هناك حاجة مضافة إلى المولدات التوربينية ، والتي يجب عليها أولاً تحويل الطاقة الصوتية إلى طاقة ميكانيكية لدوران المولدات التوربينية ، ثم إلى كهرباء. لذلك ، من المتوقع أن يكون الفاصل الزمني الأقصى بين هؤلاء. ستكون الصيانة في هذا الجزء محدودة بسبب الحاجة إلى صيانة مولدات التوربينات ، وأخيرا وليس آخرا ، المحرك نفسه.
وهذا ، من ناحية ، كل شيء يتحول مثل تركيب التوربينات البخارية. ومع ذلك ، يعمل المولد التوربيني في محرك صوتي حراري في درجات حرارة أقل بكثير (حوالي 40 درجة مئوية) من دورة التوربينات البخارية ، حيث تصل درجة حرارة التوربين إلى أكثر من 200 درجة. علاوة على ذلك ، في المحرك الصوتي الحراري ، يوجد التوربين في غاز الهيليوم أو الأرجون الخامل ، على النقيض من التوربينات البخارية التي تبلى تحت تأثير القطرات الموجودة في البخار. وبالتالي ، يمكن للمرء أن يتوقع زيادة في عمر المولدات التوربينية في محرك حراري صوتي مقارنة بمولد التوربينات البخارية.
يمكن للمحرك الصوتي الحراري استخدام أي مصدر للطاقة الحرارية تقريبًا ، لأنه محرك مزود بإمداد خارجي من الحرارة ، فضلاً عن محرك ستيرلينغ. في نفس الوقت ، يكون هناك اختلاف في درجة الحرارة منخفض جدًا بين مبادلات الحرارة الساخنة والباردة ، وهو ضروري لبدء تشغيل المحرك (أقل اختلاف في درجة الحرارة واجهته في الأدب هو 17 درجة). لذلك ، من الواضح أن هذا المحرك يحل المشكلة باستخدام أنواع مختلفة من الطاقة الحرارية.
لنرى ، نظرًا لأن المولد الحراري الصوتي يمكن أن يكون أرخص من المولد الموجود على محرك ستيرلنج ومن محرك التوربينات البخارية.
- أولاً ، من خلال استخدام الأنابيب القياسية كجهاز مرنان. على عكس محرك Stirling ، يجب ألا يكون لحالة المحرك الحراري الصوتي دقة تصنيع عالية. سوف أنابيب الصلب التقليدية دون تحول القيام به.
- بعد ذلك ، بالمقارنة مع محرك Stirling ذو الكباس الحر ، لا يحتوي المولد الحراري الصوتي على مولد خطي بل مولد دوارة ، مما يقلل من استهلاكه للمواد وبالتالي كلفته.
- وأخيرًا ، يمكن لمولد التوربيني ، نظرًا لأنه يعمل تقريبًا في درجة حرارة الغرفة ، استخدام الأجزاء البلاستيكية في تكوينها ، مما يقلل من تكلفة تصنيعها.
وبالتالي ، فإن مولدًا حراريًا صوتيًا تم تصميمه في مكان تجاري يجب أن يحتل مكانته في سوق الصغرى CHP.