Новая технология преобразования
низкопотенциального тепла в электричество
Новая технология преобразования низкопотенциального тепла в
электрическую энергию
Для тепловых электростанций: прирост мощности и когенерация за счёт утилизации неиспользуемого тепла
Для геотермальных станций : гибкость в выборе местоположения и номинальной мощности
Для солнечных станций: высокий КПД при низкой стоимости материалов
Введение: Идея преобразования теплаМы обращаем вспять “колесо рулетки” газового цикла в гидроаккумуляторах, чтобы получить добавочную гидравлическую энергию в каждом цикле преобразования вместо того, чтобы терять её в обычном цикле рекуперации
Базовая технология (TPHC)
Новая тепловая машина на основе гидравлических аккумуляторов и газовых теплообменников:
Преобразование тепла любого внешнего источника энергии непосредственно в гидравлическую энергию
холодныйаккумулятор
горячийаккумулятор
+dQ
-dQ
гидросистема
Базовая технология (для гидравликов)
+dQ
-dQ
Гидросистема
горячийаккумулятор
холодныйаккумулятор
+dQ
-dQ
Гидросистема
холодныйаккумулятор
горячийаккумулятор
+dQ
-dQ
Гидросистема
холодныйаккумулятор
горячийаккумулятор
+dQ
-dQ
Гидросистема
холодныйаккумулятор
горячийаккумулятор
такт 1такт 2
такт 3 такт 4
потокмасла
потокгорячегогаза
потокхолодногогаза
Тепло-обменник
жидкостьжидкость
газ
холодныйаккумулятор
горячийаккумулятор
сжат
ие
Упрощённый TPHC цикл: Такт 1
Затрата мощности
Тепло-обменник
жидкостьжидкость
газгаз
холодныйаккумулятор
поток
газа
поток газа
dQ1 тепло +
Перенос газа
Упрощённый TPHC цикл: Такт 2
Возврат мощностиПодвод тепла
горячийаккумулятор
Тепло-обменник
жидкость
жидкость
газрасши
рение
Упрощённый TPHC цикл: Такт 3
Возврат мощности
холодныйаккумулятор
горячийаккумулятор
Тепло-обменник
жидкостьжидкость
газгаз
поток
газапоток газа
dQ2тепло -
Упрощённый TPHC цикл: Такт 4
Затрата мощностиОтвод тепла
холодныйаккумулятор
горячийаккумулятор
Перенос газа
Конкурирующие технологии• Термоэлектрическое преобразование (TEC)• Испарительные циклы:
– Водный цикл Ранкена (WRC), – Водно-аммиачный цикл Ранкена (цикл Калины), – Органический цикл Ранкена (ORC)
• Циклы машины СтирлингаНи одна из конкурирующих технологий не предлагает
в совокупности:• высокую эффективность преобразования в широком
диапазоне температур• высокую плотность мощности• низкую цену установки и обслуживания
Ключевые конкурентные преимущества: Производство и
эксплуатация
• Простота эксплуатации: один узел всегда горячий, другой – всегда холодный (подобно двигателю внешнего сгорания)
Простота в производстве:• Используются в основном стандартные и
доработанные стандартные гидравлические компоненты
• Низкая стоимость компонентов: сталь, азот и индустриальное масло не дефицитны, труднодоступные материалы не требуются
Ключевые конкурентные преимущества: Эффективность
• Низкий рабочий температурный градиент: для работы достаточно 800 С между горячим и холодным теплоносителями
• Широкий диапазон температур охладителя: от - 50 до +1000 C
• Высокая плотность мощности • Низкие потери энергии на преобразование:
энергия расширения газа непосредственно в энергию потока масла
Сравнение конкурирующих технологий
преимущества недостатки
Водный цикла Ранкена
высокая выходная мощность, приемлемый КПД
работоспособна при T>450C, сложность и громоздкость системы, высокая стоимость
Водно-аммониевый
повышенный КПД (в сравнении с водным циклом)
ещё большая сложность (в сравнении с водным циклом)
Органический повышенный КПД (в сравнении с водным циклом), работоспособна при T<450C
каждая система оптимизируется под конкретные рабочие температуры, низкая плотность мощности
Термоэлектри-ческое преобразование
компактность, прямое преобразование в электричество, очень широкий диапазон температур, широкий диапазон выходной мощности
низкий КПД, высокая стоимость материалов, требуются уникальные материалы
Термопневмо-гидравлика
высокий КПД (в сравнении с органическим циклом), работоспособна при 80C<T<350C, широкий диапазон температур охладителя, высокая плотность мощности, низкая стоимость материалов
нетрадиционная технология, требуется квалификация в силовой гидравлике при обслуживании системы
Оценка КПДТехнология Tmax(Tmin) C Pmax/Pmin ηGAS ηtotal
TPHC 100 (15) 2 20% 15 %
TPHC 300 (15) 3 40% 32 %
ORC 120 (20) 13% 10 %
ORC 300 (30) 25% 20 %
TEC 100 (15) 3 %
TEC 300 (15) 8 %
Ожидаемый полный КПД термопневмогидравлики системы (нашей системы) значительно выше, чем у термоэлектрики и сравним с КПД органического
цикла Ранкена при той же разнице температур
ηGAS – КПД газового циклаof ηtotal – полный КПДORC – Органический цикл Ранкена, TEC – термоэлектрическое преобразование
Оценка рынка*
• В мире ежегодно теряется около 2,5 ▪1020 Дж низкотемпературного тепла– Промышленных объектов (химической, бумажной, пищевой и
проч. промышленности – 76,000)– Коммерческие строения включая школы и высотные здания –
200,000 объектов– Прочие объекты, например водоочистные сооружения (16,000)
• Геотермальные ресурсы (только кора Земли) 7.5▪1025 Дж• Солнечная радиация (достигшая поверхности Земли ) около 1017 Вт
Потенциальный рынок только теряемого тепла в США 26 млрд USD или свыше 75 млрд USD в мире
Взято из http://www.smartstartvf.com/download.cfm/en_rotors.pdf?AssetID=260
Текущее состояние проекта
• Базовая концепция подтверждена тестированием лабораторного прототипа тепловой машины
• Ключевые рабочие параметры подтверждены экспериментально
• имеется 7 международных заявок на изобретение в рассмотрении, 2 патента США, 3 полезные модели (Германия), 6 российских патентов
• Ожидается валидация международных заявок в США, Канаде, Китае, Корее, Тайване, Индии, Великобритании, Германии, Франции, Швейцарии, Австрии, Швеции, Финляндии
Подтверждение концепции: лабораторная установка
холодный аккумулятор
горячий аккумулятор
горячий теплообменник
Пилотные системы
Лицензирование
Пилотные системы
Лицензирование
Пилотные системы
Лицензирование
Пилотные системы
Лицензирование
СтратегияЛ
абор
атор
ный
прот
отип
М
ы н
а эт
ой с
тад
ии
Про
тоти
п по
лно
й си
стем
ыИ
спы
тани
я в
разл
ичн
ых
мас
шта
бах
и
усл
ови
яхН
овы
е па
тент
ы
Раунд 1
При
лож
ения
Нов
ые
пате
нты
Waste heat industrialWaste heat
industrialПромышлен-ное теряемое
тепло
Теряемое heat
commercial estate
Теряемоеheat
commercial estate
Теряемое тепло в
коммерчес-ком жилье
Солнечное тепло
Геотермаль-ное тепло
Раунд 2
Команда проекта
Леонид Шешин - Руководитель проекта, 12 лет
опыта в эксперименталь-ной физике, 30
лет – в электронике, 7
лет – в гидравлике
Александр Строганов – Технический
директор, 29 лет опыта в
эксперименталь-ной физике, 15
лет – в гидравлике и термодинамике
Игорь Рождественский – Консультант по
развитию, 20 лет опыта в
теоретической физике
Сергей Ряднов - Главный
конструктор систем, 25 лет
опыта в проектировании
12 лет - в гидравлике
Юрий Явушкин - Испытатель систем, 40 лет
опыта в машиностроении