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