В предыдущих первой и второй частях мы рассказали о когенерации и ее преимуществах как способе производства электрической и тепловой энергии. Теперь пришел черед обзору домашних когенерационных установок (далее дКГУ) — какие бывают, как устроены, их преимущества и недостатки.
Как известно, дКГУ предназначены для обеспечения частных домов электричеством и теплом для отопления и горячего водоснабжения. По своему назначению дКГУ - домашние электростанции с функцией использования выделяемого тепла. В настоящее время все серийно выпускаемые дКГУ в качестве топлива потребляют магистральный природный газ. Ранее также выпускались установки на дизельном топливе, но из-за низкого спроса их выпуск был свернут. Далее рассмотрим, какие бывают дКГУ (только те, что в серийном производстве, экспериментальные образцы брать во внимание не будем). Как мы уже описали ранее, все КГУ состоят из следующих основных элементов: двигателя, электрогенератора, системы охлаждения двигателя и отвода полезного тепла, корпуса, системы управления и безопасности, и ряда других. Поэтому все дКГУ можно разделить по способу генерации электричества, а именно каким двигателем приводится электрогенератор. Двигатели современных дКГУ образуют 3 основных вида — газовые ДВС, двигатели внешнего сгорания (Стирлинга или паровой), и топливные элементы (ТЭ). Рассмотрим их по отдельности.
Газовые ДВС
Проще всего устроены дКГУ с газовым ДВС (двигателем внутреннего сгорания), иногда называемым газопоршневым двигателем. По сути, это обычный ДВС с жидкостным охлаждением, аналоги которого применяются в бензогенераторах, садовой технике и мототехнике. Только этот двигатель адаптирован к работе на магистральном газе и система охлаждения изменена для обеспечения перекачки через нее жидкого теплоносителя, далее используемого в домашней системе отопления. Для обеспечения автоматической работы двигателя и всей дКГУ применяется специальная система управления, и кроме того к ДВС добавляются еще некоторые необходимые элементы — система безопасности и другие.
Конструктивная простота дКГУ с ДВС компенсируется рядом недостатков, принципиально неустранимых из-за наличия ДВС с его особенностями. Это повышенный шум и вибрация, высокий уровень вредных выбросов, малый ресурс работы двигателя, большое потребление моторного масла. В то же время этот тип дКГУ — самый популярный среди потребителей, что можно объяснить его основным преимуществом — сравнительно высоким КПД по электричеству. Этот преимущество определяется тем, что современные ДВС достигли довольно высокого уровня механического КПД, благодаря чему, напрмер, в бензогенераторах электрический КПД может достигать 20-25%. У большинства производителей дКГУ модели с ДВС — основа их производственной линейки.
Двигатели внешнего сгорания
Следующий тип дКГУ — на двигателях внешнего сгорания. Как следует из названия, в таких КГУ сгорание топлива происходит снаружи двигателя, пламя через теплообменник нагревает жидкое или газообразное рабочее тело, при помощи которого и приводится двигатель. Отработавшая жидкость или газ обладает остаточным теплом, которое выводится через систему охлаждения и используется потребителем, например, для отопления. Такие двигатели бывают двух типов — Стирлинга и паровые. Сначала разберем двигатели Стирлинга — у них рабочим телом является газ, как правило гелий, который попеременно под воздействием поршня перетекает из нагреваемой камеры в охлаждаемую и наоборот. Движение поршня приводит электрогенератор — линейный или обычный вращающийся. На первый взгляд двигатель Стирлинга обладает целым рядом неоспоримых преимуществ — высокий КПД (теоретический), простота конструкции, способность работать на любом сгораемом топливе (тоже теоретическая). Однако на практике оказывается, что при современном уровне технологий достичь теоретических высоких параметров не получается, по крайней мере в серийном производстве. Для достижения хотя бы нескольких процентов КПД приходится использовать дорогой гелий под высоким давлением, который имеет способность постепенно утекать даже через самые изощренные уплотнения. А значит, (довольно часто) надо восполнять потери, и делать это нужно на специальном оборудовании — что затратно для потребителя. Сами уплотнения оказываются недолговечными и тоже периодически подлежащими замене при полной разборке двигателя. Кроме того, для эффективной работы двигатель Стирлинга должен быть оснащен довольно большими и дорогостоящими теплообменниками — а это означает, что стоимость всего дКГУ не может быть низкой. И с «любым» топливом тоже возникли проблемы — технически пока ни у одного производителя не получилось выпустить двигатель Стирлинга, работающего на чем-либо еще, кроме газа. В целом дКГУ с двигателем Стирлинга еще выпускаются, но за последние 10 лет число производителей во всем мире сократилось с 10-15 до 2-3.
Теперь о паровых двигателях — как известно, они приводятся в действие паром, получающимся из воды путем вскипания в паровом котле. При работе в режиме когенерации, как в дКГУ, отработавший пар поступает в систему конденсации, где охлаждается и конденсируется в воду, и далее при помощи насоса снова подается в котел.
По конструкции паровой двигатель — не самый простой агрегат, если дополнить его паровым котлом и системой конденсации, но у него есть свои преимущества. По сравнению с ДВС — паровой двигатель гораздо тише, меньше вибрации, вредные выбросы почти отсутствуют (в этом паровой дКГУ аналогичен обычному отопительному котлу). Ресурс парового двигателя во много раз выше ресурса ДВС, а оборот воды и масла в режиме когенерации полностью замкнут — значит, нет нужды в постоянном доливе. Но главное преимущество «паровика» - в его реальной (и подтвержденной на практике) способности работать на любом сгораемом топливе, в том числе на твердом — пеллеты, дрова, уголь, торф и т. д. Несмотря на очевидные преимущества, существуют и довольно серьезные технические сложности в создании парового дКГУ. Хотя разработки в этом направлении ведутся, серийно такие дКГУ пока не выпускаются.
Топливные элементы
Перейдем к третьему типу дКГУ — на топливных элементах (ТЭ). В таких установках нет двигателя в обычном понимании, его роль играет специальное устройство — ТЭ, где происходит разложение природного газа с выделением водорода, далее водород проходит через особую мембрану и соединяется с кислородом из окружающего воздуха, образуя воду. На своем пути водород теряет электрон, который проходит по электрической цепи, создавая ток. В описании выглядит просто, но для осуществления этого процесса необходимы специальные дорогостоящие материалы — катализаторы. Кроме того, используется особая керамика, выдерживающая высокие необходимые температуры (до 700 град. С).
Все это приводит к главному недостатку ТЭ — очень высокой стоимости. Также недостатком можно считать небольшую электрическую мощность дКГУ на ТЭ — не более 1 Квт, которой сумели добиться производители для своих серийных моделей. Среди преимуществ — сравнительно небольшие размеры, отсутствие вредных выбросов и самый высокий электрический КПД (до 40%). Последнее время все больше производителей внедряют в производство модели на ТЭ - это объясняется их "экологичным" статусом и соответствующими финансовыми преференциями в некоторых государствах (в основном страны ЕС и Япония).
На этом третья часть нашего рассказа заканчивается, а в следующей части мы сделаем обзор серийно выпускаемых дКГУ - производители, модели, характеристики, стоимость.
А пока можете более подробно ознакомиться с темой когенерации на официальном сайте проекта КРОПАТ.
Подписывайтесь и ставьте лайки! Скоро появится следующая часть!
*все иллюстрации взяты из открытых источников в интернете