Проблемы с климатом и альтернативная энергия
В последние время сильно возросла активность, и увеличилось число государств и организаций, в том числе ООН, которые озаботились проблемой изменения климата на нашей планете. То, что с климатом происходит что-то странное, не заметит только слепой. Ураганы, смерчи, наводнения, пожары сотрясают части планеты практически непрерывно.
Ученые считают, что основная причина, которая вызвала разбалансированность климатических процессов, является постоянное увеличение выбросов парникового газа (диоксида углерода) и снижение содержания кислорода в атмосфере.
23 сентября 2014 г. в Нью-Йорке состоялся первый в истории Саммит ООН по проблемам изменения климата. Через год в Париже прошла Конференция ООН по этой же теме – сокращение выбросов в атмосферу двуокиси углерода. В том же году миллиардер-филантроп и меценат Билл Гейтс создал Энергетическую Прорывную Коалицию (Breakthrough Energy Coalition) чтобы привлечь как можно больше глав государств и организаций к решению проблемы климата.
В 2016 г. Энергетическая Коалиция была расширена, и был создан фонд Breakthrough Energy Venture, чтобы инвестировать в новые инновационные разработки, связанные с чистой энергетикой.
В марте 2019 г. в Европе прошли митинги в поддержку борьбы с изменениями климата, в которых приняли участие даже школьники. В сентябре 2019 г. в Нью-Йорке должен состояться очередной климатический Саммит. Стремительное изменение климата требует отказа от ископаемого топлива.
Интересно отметить, что еще сорок лет назад ученые предупреждали о серьезных изменениях в окружающей среде из-за сжигания углеводородов. Прогнозировалось, что если сжигание ископаемого топлива будет продолжаться ускоренными темпами, то к 2050 году население Земли столкнется с серьезными проблемами, такие как:
– глобальное потепление из-за парникового эффекта, вызванное увеличением двуокиси углерода в атмосфере, что приведет к катаклизмам;
– снижение уровня кислорода в атмосфере планеты;
– нехватка питьевой воды.
Некоторые прогнозы явно начинают сбываться. Хотя до отмеченного срока остается около 30 лет, необходимо уже сейчас активно заниматься над решением этой проблемы.
Понятно, что заменять ископаемое топливо следует чистой энергией. Такой основной энергией, несомненно, является атомная, которая предназначена, главным образом, для промышленных нужд. Энергию для бытовых нужд планировалось получать от солнечных и ветровых электростанций. Однако не все так просто.
Передовые страны, такие как - США, Германия, Япония, опасаясь радиоактивных загрязнений, фактически отказались от строительства атомных электростанций и решили переложить выработку электроэнергии на крупные солнечные и ветряные станции. Но с использованием этой альтернативной энергии возникают другие проблемы.
С одной стороны, нестабильное поступление солнечного излучения приводит к серьезному удорожанию электрической энергии и к перебоям в ее поставке. Кроме того, источники альтернативной энергии не способны обеспечить обогрев жилых помещений в холодное время года.
С другой стороны, из-за увеличения количества климатических катаклизмов, увеличивается вероятность разрушения, как солнечных, так и ветряных электростанций, занимающих значительные площади. В итоге, люди могут остаться вообще без электрической энергии.
Так случилось, что мне пришлось заниматься альтернативной энергетикой для собственных нужд. Изучив все что можно по этой теме, я не нашел такого источника энергии, который мог бы удовлетворить потребности, как в электричестве, так и для отопления дома, без сжигания углеводородного топлива. Пришлось изобретать свой.
Результаты своей работы хочу предложить для обсуждения. Если идея, заложенная в предлагаемом универсальном источнике энергии, является работоспособной, то она выдержит любую критику, даже самую жесткую.
Универсальный источник чистой энергии, который поможет решить проблему с изменением климата
Откуда можно черпать энергию. Поскольку тепло от сжигания ископаемого топлива, в конечном итоге, поступает в атмосферу, то логично, что извлекать энергию следует оттуда же. Старое проверенное правило, - лечить подобное подобным. Однако как это применить на практике, чтобы получить доступ к неограниченной энергии, окружающей нас? А вот как.
Согласно Первому Закону термодинамики (Закон Сохранения энергии), любое физическое тело имеет внутреннюю энергию (U), которую можно увеличить двумя способами – подводя к телу теплоту (Q) или совершая над ним работу (А): ΔU = Q + A. Справедливо и обратное утверждение: если тело производит работу (А) или теряет теплоту (Q), то ее внутренняя энергия уменьшается на величину А или Q.
Известно, что один кубический метр воздуха при нормальных условиях содержит в себе около 10 000 кДж тепла, или около 3 квт*ч тепловой энергии. Вот только получить все эти 3 квт*ч тепла очень затруднительно, из-за наличия сверх низкой температуры. Однако извлечение 1 ÷ 1,5 квт*ч тепловой энергии из одного куб. м окружающего нас воздуха, задача вполне разрешимая, поскольку затраченная работа, в 10 ÷ 11 раз меньше той энергии, которая может быть извлечена.
Температура воздуха, после извлечения внутренней энергии, существенно понижается (–160°С÷ –170°С). Этот низко охлажденный воздух используется для охлаждения фреона до жидкого состояния, на котором работает тепловой двигатель. После чего отработанный воздух выпускается обратно в окружающую среду, где он перемешивается с атмосферным воздухом, быстро прогревается и снова готов к использованию.
Агрегаты и технологические циклы, которые используются в этом устройстве, практически все выпускаются промышленностью и испытаны на практике, поэтому создать такой автономный источник чистой энергии особых проблем не составляет. Главный силовой агрегат – поршневой тепловой двигатель со встроенным генератором легко преобразуется из холодильного компрессора со встроенным электродвигателем.
Теоретическое обоснование эффективности процесса преобразования низкопотенциальной тепловой энергии в работу. Официальная наука учит, что для оценки эффективности циклов тепловых машин (прямой цикл Карно), используется термический коэффициент полезного действия (ƞ) – отношение количества полученной работы (А) к количеству затраченной теплоты (Q), который никогда не может превышать единицу. ƞ = А / Q
Обратный цикл Карно, в котором работа затрачивается для получения тепла или холода, имеет два варианта использования:
а) теплонасосный цикл, при котором учитывается теплота, поступающая, например, в обогреваемое помещение, а образовавшийся холод, рассеивается в окружающую среду, и,
б) холодильный цикл, при котором уже учитывается холод, получаемый например, в холодильных установках, а теплота, которая отводится от охлаждаемых продуктов, не учитывается и рассеивается в окружающую среду.
Холодильный коэффициент и коэффициент теплоиспользования определяются формулами Кхол. = Т2 /(Т1 – Т2) , и Ктеп. = Т1 /(Т1 – Т2) , где Т1 и Т2 – температура горячего и холодного тела. При этом прямо указывается, что холодильный коэффициент и коэффициент теплоиспользования обратного цикла Карно, как правило, больше единицы. Также приводится пример расчета теплонасосного цикла с коэффициентом преобразования энергии, равным Ктеп. = 5,2. Новизна идеи универсального источника энергии состоит в том, чтобы использовать не рассеянное в воздухе низкопотенциальное тепло, а сильно концентрированное, (воздух сжат до 200 бар), чтобы, тем самым, поднять коэффициент теплонасосного цикла (Ктеп.) до 6,5. В предлагаемом источнике энергии используются два рабочих тела, одно из них – воздух, который выделяет тепло при сжатии в тепло-насосном цикле, с затратой энергии. Холод, полученный в холодильном цикле, используется для конденсации фреона до жидкого состояния. Второе рабочее тело – фреон, который производит работу в тепловой машине (прямой цикл Карно), используя разницу температуры между двумя тепловыми источниками, - горячим (тепло-насосный цикл) и холодным
(холодильный цикл). Эти два цикла взаимосвязаны и обмениваются тепловой энергией через теплоотводящую жидкость в нагревателе (32), в регенеративном теплообменнике (11) и в холодильнике (26). Такая взаимосвязь позволяет увеличить коэффициент теплоиспользования (Ктеп.) обратного цикла Карно (воздух), до 10 ÷ 11. Коэффициент полезного действия (ƞ = 0,4 ÷ 0,7) источника энергии достаточно высокий, хотя это особого значения не имеет, поскольку устройство работает на бесплатной энергии.
1, 2, 3 – отдельные ступени воздушных компрессоров; 4 – баллон высокого давления для запаса сжатого воздуха; 5, 6 – воздушные ресиверы; 7, 8, 9 – теплообменники для отвода тепла от сжатого воздуха; 10 – воздушный ресивер для третьей ступени сжатия, с маслоотделителем; 11 – регенеративный воздушно-фреоновый теплообменник; 12 – запорный вентиль; 13, 16, 17, 18 – регулировочные воздушные вентили; 14 – регулируемый предохранительный воздушный клапан; 15 – теплообменник для предварительного охлаждения сжатого воздуха; 19 – инжектор воздушный регулируемый для расширения сжатого атмосферного воздуха до Р = 1 бар; 20, 28, 29 – фреоновые вентили; 21 – теплообменник для отвода тепла на горячее водоснабжение и отопление; 22, 34 – вентили для регулирования температуры теплоотводящей жидкости; 23 – насос для циркуляции теплоотводящей жидкости; 24 – теплообменник для перегрева газообразного фреона; 25 – теплообменник для разделения тепловых потоков фреона между нагревателем и холодильником; 26 – холодильник (тепло-отрицательный источник); 27 – ресивер (емкость) для жидкого фреона; 30 – тепловой двигатель; 31 – генератор обратимый для выработки электроэнергии; 32 – нагреватель (тепло-положительный источник); 33 – теплообменник для регулирования температуры теплоотводящей жидкости; 35 – насос для циркуляции жидкого фреона; 47 – расширительная емкость для теплоотводящей жидкости.
Устройство для извлечения энергии из высоко сжатого атмосферного воздуха показано на схеме (Fig.А), где синим цветом указано движение воздуха, красным цветом – циркуляция теплоотводящей жидкости, зеленым – циркуляция низкокипящего рабочего тела. В качестве теплоотводящей
жидкости используется вода или антифриз. В качестве низкокипящего рабочего тела используются хладагенты (фреоны), метан, этан, и т.д.
Атмосферный воздух поступает в систему источника энергии для сжатия, которая состоит из трех отдельных компрессоров (или ступеней сжатия), соответственно – низкого, среднего и высокого давления, имеющие свои собственные электроприводы. Компрессор низкого давления 1 и компрессор среднего давления 2 представляют собой безмаслянные воздушные компрессора, охлаждаемые теплоотводящей жидкостью. Компрессор 1 имеет воздушный ресивер 5, с отделителем конденсата жидкости (осушитель воздуха), в котором влага, содержащаяся в атмосферном воздухе, конденсируется и удаляется в окружающую среду, не нарушая экологию. Компрессор среднего давления 2 также имеет воздушный ресивер 6. Давление воздуха в ресивере 5 и в ресивере 6 контролируют датчики давления (на схеме не показано), соединенные с управлением электроприводами, соответственно, компрессора 1 и компрессора 2.
Компрессор высокого давления 3 представляет собой масляный поршневой компрессор, охлаждаемый теплоотводящей жидкостью, и имеющий маслоотделитель 10. Так как сжатый воздух, поступивший в компрессор 3, не содержит влаги, то масло, унесенное воздухом в маслоотделитель 10, может быть возвращено обратно для смазки этого компрессора 3. Маслоотделитель 10 так же служит в качестве ресивера воздуха, на котором установлен датчик давления (на схеме не показано), связанный с приводом компрессора 3.
Компрессор 1 сжимает атмосферный воздух до давления 5 ÷ 7 бар. Компрессор 2 повышает давление воздуха до 27 ÷ 32 бар. Компрессор 3 поднимает давление воздуха до 200 ÷ 330 бар.
В процессе высокого сжатия атмосферного воздуха происходит концентрация его внутренней энергии и добавляется энергия от работы сжатия. В результате чего коэффициент теплоемкости воздуха и его температура повышаются, и выделяется большое количество тепла, которое отводится теплоотводящей жидкостью в нагреватель 32.
После маслоотделителя 10 сильно сжатый обезвоженный и очищенный от масла атмосферный воздух поступает в регенеративный теплообменник 11, где он переохлаждается, отдавая остаточное тепло встречному потоку жидкого фреона. Затем сжатый воздух через теплообменник предварительного охлаждения 15 поступает в регулируемый инжектор 19. Там он расширяется до атмосферного давления, сильно охлаждается и используется для конденсации фреона до жидкого состояния.
Теплообменник предварительного охлаждения 15, а так же вентили 16 и 18 предназначены для регулирования температуры в холодильнике 26, с тем, чтобы температура жидкого фреона в емкости 27 соответствовала заданному значению. Например, для фреона-410 она должна составлять около –60°C.
После холодильника 26 расширенный атмосферный воздух содержит остаточный холод, который может использоваться для бытовых нужд: кондиционирование помещений, получения дистиллированной воды из окружающего воздуха, для охлаждения продуктов питания, прежде чем отработанный воздух будет возвращен обратно в атмосферу. Баллон 4 высокого давления (200 бар) служит для хранения запаса сжатого воздуха.
Нагреватель 32 состоит из теплообменника для подогрева фреона и емкости для отделения газообразного фреона от его жидкой фазы. Эта емкость имеет датчик, который служит для поддержания заданного уровня жидкого фреона в нагревателе 32, с помощью насоса 35 (показано пунктирной линией).
Газообразный фреон после нагревателя 32 через теплообменник 24, поступает в тепловой двигатель 30, где фреон совершает работу, охлаждается, проходит через генератор 31 и охлаждает его. Затем фреон поступает в теплообменник разделения тепловых потоков 25, и далее, в холодильник 26 для конденсации. Тепловой двигатель 30 и генератор 31 располагаются в одном корпусе, чтобы исключить утечку фреона.
Теплообменник 25 предназначен для разделения встречных тепловых потоков фреона, между нагревателем 32 и холодильником 26, чтобы снизить общие потери, как тепла, так и холода, и, тем самым, существенно увеличить эффективность устройства для выработки тепловой и электрической энергии.
Благодаря теплообменнику 25, остаточное тепло, которое содержит фреон (до его температуры конденсации) после теплового двигателя 30, а также тепло, отведенное от генератора 31, не сможет проникнуть в холодильник 26, так как это тепло будет передаваться встречному потоку холодного фреона, который направляется в нагреватель 32.
Таким образом, теплообменник 25 создает условия, при которых почти все тепловая энергия, поступающая в нагреватель 32, переходит в механическую работу, за исключением потерь энергии, происходящих в генераторе 31, в электроприводах воздушных компрессоров (1, 2, 3), насоса 21, насоса 35, а также через теплоизоляцию.
С другой стороны, холод, содержащийся в емкости 27, из-за теплообменника 25, не может проникнуть в нагреватель 32, так как поток холодного фреона из емкости 27 будет охлаждать встречный поток более теплого фреона от теплового двигателя 30 и генератора 31. В результате чего, почти весь холод будет возвращаться обратно в емкость 27, и потери будут минимальными.
Запуск устройства в работу осуществляется от постороннего источника энергии, например, от аккумуляторной батареи. Электроэнергия подается на приводы компрессоров низкого (1), среднего (2) и высокого (3) давления, а так же подключаются насос 23 для циркуляции теплоотводящей жидкости и насос 35 для циркуляции фреона. Вентили 13, 18, 22, 28, должны быть открыты, а вентили 16, 17, 20, 29, 34 – закрыты.
Подогрев фреона в нагревателе 32 происходит с помощью теплоотводящей жидкости, которая отбирает тепло у атмосферного воздуха, сжимаемого в компрессорах низкого, среднего и высокого давления (1, 2, 3).
Охлаждение фреона в холодильнике 26 происходит с помощью сильно охлажденного воздуха после его расширения до атмосферного давления в инжекторе 19. Этот сильно охлажденный воздух, пройдя холодильник 26, охлаждает жидкий фреон, который циркулирует по малому кольцу: емкость для фреона 27 – насос 35 – теплообменник 25 – вентиль 28 – холодильник 26 – емкость 27. Использование воздушной расширительной машины в качестве привода для насоса 35 увеличивает эффективность охлаждения фреона.
После достижения необходимой температуры и давления фреона в нагревателе 32, и в емкости 27, вентиль 28 закрывается, а вентили 20, 29 открываются, и тепловой двигатель 30 запускается в работу с помощью обратимого генератора 31.
С этого момента устройство может вырабатывать чистую энергию.
Вентили 13, 16, 17, 18, 22, 34, а также предохранительный клапан 14 и инжектор 19 регулируют температурный режим источника энергии в процессе его работы, в зависимости от уровня нагрузки генератора 31.
При температуре окружающего воздуха +35°С ÷ +45°С воздушные компрессора (1, 2, 3) в запуске на участвуют, а охлаждение фреона в холодильнике 26 осуществляется с помощью сжатого атмосферного воздуха из баллона 4, который, проходя через инжектор 19, сильно охлаждается. Для этого фреоновые вентили 20 и 29 должны быть закрыты, а вентиль 28 открыт. Насос 35 запускается в работу от аккумулятора (на схеме не показано). Воздушные вентили 16, 17, должны быть закрыты, а вентили 12, 13, 18, – открыты.
При достижении необходимой температуры фреона в емкости 27 вентили 20, 29 открываются, а вентиль 28 закрывается. Запорный вентиль 12 закрывается, и тепловой двигатель 30 запускается в работу, как описано выше. Затем происходит запуск в работу насоса 23 и компрессоров низкого, среднего и высокого давления (1, 2, 3). После чего устройство готово к производству электрической энергии.
Тепловой расчет. Количество тепла, которое выделяется при сжатии атмосферного воздуха до 200 бар, рассчитывается на основании данных из учебника «Общая теплотехника», Г.Н. Алексеев, 1980, Высшая школа Москва, §73:
- энергоемкость 1 литра керосина составляет 37000 кдж;
- количество теплоты, образующееся при сжигании 1 литра керосина в воздухе, сжатом до 200 бар, составляет 630 кдж;
- плотность керосина составляет 0,78 кг/л;
- плотность воздуха при Т = +27°С (300°К) составляет 1,17 кг/м3.
Так как при сжигании 1 литра керосина в сильно сжатом воздухе образуется всего 630 кдж теплоты, следовательно, оставшееся тепло (36370 кдж) поглощается охлажденным воздухом при его расширении (37000 кдж – 630 кдж = 36370 кдж).
Известно, что для полного сжигания 1 кг жидкого топлива потребуется 15 кг воздуха, или для сжигания 1 литра керосина потребуется около 10 м3 атмосферного воздуха (15 кг / 1,17 кг/м3 = 12,8 м3, и 12,8 м3 × 0,78 = 10 м3).
Исходя из вышеприведенного расчета можно утверждать, что при сжатии 10 м3 воздуха от Рн = 1 бар до Рк = 200 бар, можно получить около 36370 кдж тепла, что эквивалентно 10 квт*ч тепловой энергии (36370 кдж /3600 кдж/квт*ч = 10 квт*ч), или 1 м3 воздуха при сжатии до 200 бар выделяет около 1 квт*ч тепловой энергии.
Затрата энергии на общую работу компрессоров низкого, среднего и высокого давления (1, 2, 3) составит около 1,45 квт*час на 10 куб. м сжимаемого воздуха (данные из учебника Barron R.F. Cryogenics Systems, Oxford University, Press 1985. Перевод с англ. языка «Криогенные системы» Москва, Энергоатомиздат 1989, стр. 70, таб. 3.3).
Общие выводы. Тепловой расчет показывает, что количество тепловой энергии, полученной в процессе сжатия воздуха до 200 бар, превышает затраты энергии на его сжатие в 6,5 раз. С учетом тепла, извлеченного из сжатого воздуха в регенеративном теплообменнике 11, это значение возрастает до 10 – 11. Благодаря теплообменнику 25, практически все тепло (кроме небольших потерь), которое поступает в нагреватель 32, переходит в механическую энергию в тепловом двигателе 30.
Выше приведенные расчеты на основании данных от Официальной науки показывают, что универсальный источник чистой энергии может полностью обеспечить теплом и электричеством владельцев домов и
коттеджей, без сжигания углеводородного топлива. Воздушный компрессор, с производительностью, например, 10 куб. м воздуха в час (167 л/минуту), способен извлекать из окружающей среды около 15 квт*час тепловой энергии (в сутки 320 квт*час), даже при низкой температуре окружающего воздуха (–20° С).
Часть этой тепловой энергии может быть преобразована в электрическую энергию, а оставшееся тепло используется для отопления дома в холодное время года, и для горячего водоснабжения. При необходимости, в электричество может быть преобразована вся тепловая энергия, полученная от компрессора высокого давления, и направлена, на пример, для личных целей, зарядки электромобиля или на продажу в общую сеть.
Наличие избыточного холода позволяет владельцам загородных домов иметь объемную холодильную камеру и морозилку для хранения круглый год выращенных овощей и фруктов, без каких-либо затрат. А летом использовать холод для создания комфортных условий, как в самом доме, так и в теплице, получая попутно дистиллированную воду для капельного орошения.
Станки и инструменты, используемые при обустройстве дома, для работы на огороде, в теплице или мастерской, могут быть как электрические, так и на пневмоприводе. Доставка излишков сельхозпродукции на рынок может также осуществляться с помощью электромобиля, что уменьшает ее себестоимость.
Установка дополнительного контроллера, подключенного к Интернету, дает возможность покидать домовладение на длительный срок, и управлять универсальным автономным источником энергии на расстоянии.
Имея такой автономный источник чистой энергии, домовладельцы и фермеры становятся реально независимыми от энергоснабжающих компаний-монополистов и могут выбирать места для строительства своих домов или ферм на любом удалении от газопроводов, линий электропередач или заправочных станций, мотивируя государство уменьшать добычу углеводородов, и, тем самым, снижать загрязнение атмосферы диоксидом углерода.
Автор – Геннадий Дубовицкий
e-mail: GreenenerGD@hotmail.com
Информация не является конфиденциальной и разрешена для копирования со ссылкой на автора.