CC BY
167
УДК 622.272
© М.В. Рыльникова, А.М. Беленький, А.Н.Бурсин, 2015
ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В УСЛОВИЯХ ПОДЗЕМНОГО РУДНИКА*
Рассмотрены перспективы воспроизводства электроэнергии в рудничных условиях на основе использования термоэлектрического эффекта при разности температур горного или техногенного массива и рудничной атмосферы, либо поверхности. Описаны теоретические основы возобновления энергии в ходе реализации геотехнических процессов с использованием теплового поля Земли, либо техногенного теплового разогрева массива. Определены возможности использования низкотемпературного потенциала в шахтных условиях.
Ключевые слова: термоэлектрический эффект, генерация, термопара, температура, разность, горный массив, атмосфера, термоЭДС, энергия, возобновляемый источник.
Постановка проблемы
Развитие современной техники и технологий неразрывно связано с поиском новых источников энергии, в первую очередь, - электрической. Основное требование - увеличить количество ее выработки, но в последнее время на передний план выходят дополнительные условия: энергия должна вырабатываться экологически чистым путем, не связанным с углеродом, и предпочтительно должна быть возобновляемой. На развитие «зеленой» энергетики направлены усилия многих ученых: наиболее широкое ее развитие происходит в странах Европы и США. Термоэлектрическая генерация является одним из перспективных, а в некоторых случаях единственно доступным способом прямого преобразования теловой энергии в электрическую. В таком преобразовании отсутствует промежуточное звено, как, например, в работе тепловой или атомной электростанции, где тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую.
* Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №14-17-00255.
За последние десятилетия в разных промышленно развитых странах были разработаны, испытаны и поставлены на серийное производство термоэлектрические генераторы (ТЭГ) мощностью от нескольких микроватт до десятков киловатт. Большинство ТЭГ предназначены для так называемой «малой энергетики». Они обладают такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, бесшумность и долговечность. ТЭГ используются для энергоснабжения объектов, удаленных от линий электропередачи, а также при целом ряде условий, где они являются единственно возможным источником электрической энергии.
Среди преимуществ, определяющих при выборе среди прочих, приоритет термоэлектрического преобразования, во многих приложениях — это отсутствие движущихся частей и, как одно из следствий, отсутствие вибраций, а также необходимости применения жидкостей и/или газов под высоким давлением. (Преобразование происходит в самом термоэлектрическом веществе). Работоспособность не зависит от пространственного положения и наличия гравитации.
ТЭГ можно применять при больших и малых перепадах температур. Последнее становится наиболее актуальным, если учесть, что до 90 % сбрасываемой (отходящей) тепловой энергии выделяется на промышленных объектах и оборудовании при температуре поверхностей до 300 °С.
Теоретические основы
В основе термоэлектрической генерации лежит термоэлектрический эффект Зеебека, заключающийся в возникновении термоЭДС при нагреве контакта (спая) двух разнородных металлов или полупроводников (термопары). Напряжение термоЭДС Етэдс прямо пропорционально коэффициенту Зеебека а и разнице температур АТ между горячей Тк и холодной Тс сторонами (спаями) термоэлектрического модуля (рис. 1) [1].
Представленная конструкция термопары состоит из разнородных полупроводниковых термоэлементов п- и ^-типа, соединенных между собой на одной стороне, другие два свободных конца подключаются к нагрузке Ян. Если температура места контакта отлична от температуры свободных концов, то по такой цепи пойдет ток, а на нагрузке будет выделяться полезная мощ-ность.Напряжение термоЭДС рассчитывается:
Етэдс = а ■ М, (1)
где а - коэффициент Зеебека, ДГ - разность температур.
Для увеличения получаемых электрической мощности и напряжения термопары соединяют последовательно, при этом они образуют термобатарею или термоэлектрический генераторный модуль (ИМ), графическое изображение которого представлено на рис. 2 и 3.
Конструктивное исполнение стандартного термоэлектрического генераторного модуля мало чем отличается от холодильных термоэлектрических модулей. Между двух керамических пластин смонтированы электрически последовательно, а по тепловому потоку -параллельно термоэлектрические элементы п- и ^-типа. Модуль имеет ширину А, длину В и высоту Н (рис. 2). Как правило, модуль поставляется с напаянными проводами.
ш
Ос
Рис. 1. Схематическое представление эффекта
Зеебека на примере спая термоэлектрических элементов п- и р-типа
Рис. 2. Схема термоэлектрического генератора
Холод Рис. 3. Действие эффекта Пельтье при
протекании тока через полупроводники р- и п-пшпов проводимости
В основе работы термоэлек-Тепло
трического охлаждающего модуля лежит эффект, открытый Жаном Пельтье: при протекании электрического тока в цепи, состоящей из разнородных проводников, в местах контактов проводников поглощается или выделяется, в зависимости от направления тока, теплота. При этом количество поглощаемой теплоты пропорционально току, проходящему через контакт проводников. Наиболее сильно эффект Пельтье проявляется на контактах полупроводников с различным типом проводимости (р- или п-) или, другими словами, в р-п переходе. На языке классической физики объяснение эффекта Пельтье заключается во взаимодействии электронов проводимости, замедлившихся или ускорившихся в контактном потенциале р-п перехода, с тепловыми колебаниями атомов в массиве полупроводника. В результате, в зависимости от направления движения электронов и, соответственно, тока, происходит нагрев или охлаждение участка полупроводника, непосредственно примыкающего к р-п переходу (рис. 3).
Эффект Пельтье лежит в основе работы термоэлектрического модуля (ТЭМ). Единичным элементом ТЭМ является термопара, состоящая из одного проводника р-типа и одного проводника п-типа. При последовательном электрическом соединении нескольких таких термопар теплота, поглощаемая на контакте типа п-р, выделяется на контакте типа р-п.
Опыт и область применения термоэлектрических генераторов
Термоэлектрическое преобразование универсально, оно допускает использование практически любых источников теплового потока, в том числе при малых перепадах температур, при которых применение иных способов преобразования невозможно. Совсем недавно практическое применениеполучили устройства, утилизирующие энергию тепловых потоков при перепаде температур менее 10 К.
До настоящего времени существенным ограничением преимуществ термоэлектрического преобразования остается относительно низкий коэффициент эффективности преобразования теп-
лового потока в электрическую энергию — от 3 до 8 %. Однако, в ситуации, когда для относительно небольших нагрузок невозможно или экономически нецелесообразно подвести линии электропередачи, ТЭГ становится незаменимым.
Сферы таких применений крайне разнообразны: от энергообеспечения космических аппаратов, находящихся на удаленных от Солнца орбитах, а также питания оборудования газо- и нефтепроводов, морских навигационных систем и до бытовых генераторных устройств, например, в составе дровяной топочновароч-ной печи, печи для сауны, камина и отопительного котла. Приведем еще несколько примеров практического применения ТЭГ:
— использование отводимого от двигателей (автомобильных, корабельных и др.) тепла;
— автономные источники питания электроэнергии для обеспечения работоспособности котельных, установок по переработке отходов и др.;
— источники питания для катодной защиты нефте- и газопроводов;
— преобразование тепла природных источников (например, геотермальных вод) в электрическую энергию;
— обеспечение питанием различных устройств телеметрии и автоматики на объектах, удаленных от линий электропередачи;
— измерение величины тепловых потоков (тепломеры);
— обеспечение автономным питанием маломощных электронных устройств (беспроводные датчики) за счет накапливаемой энергии (Energy Harvesting), собираемой при наличии минимальных перепадов температур (менее 10 °С);
— получение электрической энергии на солнечных концентраторах за счет разности температур горячего и охлажденного теплоносителя в контуре.
Автономные источники электрической энергии на основе термоэлектрических генераторных модулей нашли широкое применение в различных областях деятельности человека. Мощность, вырабатываемая такими генераторами, составляет от единиц милливатт до единиц киловатт и определяется в конечном итоге экономической целесообразностью выбора этого способа преобразования энергии.
Конструктивные решения
Термоэлектрическая генераторная сборка в минимальной (упрощенной) конфигурации состоит из металлической тепло-
распределительной пластины со стороны источника тепла, термоэлектрического генераторного модуля и охлаждающего радиатора, отводящего тепло, проходящее через модуль в окружающую среду и создающего необходимый для работы ТГМ перепад температур. Вся конструкция скрепляется вместе тем или иным способом, чаще всего с помощью резьбовых соединений. В одну сборку могут быть установлены несколько модулей. Энергия от нескольких сборок может складываться при соответствующем подключении. Благодаря своей простоте конструкция обладает высокой надежностью и долговечностью (срок службы может превышать 10 лет при правильной эксплуатации).
В настоящее время наиболее широкое применение нашли два типа термоэлектрических генераторов: ТЭГ, работающий от природного газа и предназначенный для промышленного применения в газо- и нефтедобывающих отраслях, и ТЭГ, работающий от горения дров и иных широкодоступных видов топлива и предназначенный для решения задач обеспечения энергией садоводов, охотников, строителей и подразделений МЧС при отсутствии стационарной электросети.
В ТЭГ для газо- и нефтедобывающей промышленности применяют тепло от сжигания природного газа для его преобразования в электрическую энергию. Такие промышленные генераторы предназначены для питания аппаратуры дистанционного телеуправления, телеметрии, автоматики и систем беспроводной передачи данных. В настоящее время линейка выпускаемых компанией «Криотерм» генераторов обеспечивает возможность получения электрической мощности от 6 до 80 Вт с одного генератора.
В табл. 1 приведены в качестве примера ряд характеристик ТЭГ [2].
Для выработки 1 кВт необходимо 48 шт. ТЭГ. При стоимости ГОМ-199-1,4-0,8 - 1 527 руб/шт. (http://shop.kryotherm.ru/ index.php?idCat=103), стоимость партии составит - 139 406,4 руб. При стоимости электроэнергии 3 руб/кВт-ч и годовом электропотреблении 8 760 ч, экономический эффект составит 26 280 руб/год. Исходя из расчетных данных, получаем, что срок окупаемости - 2,8 года.
В процессе проектирования систем с применением термоэлек-тричесих генераторов возникает вопрос: какими будут выходные параметры генератора при температурах ниже номинальной? Универсальный генератор Б4-М позволяет получать напряжение питания 12 В при установке на вертикальные горячие поверхности
Таблица 1
Эксплуатационные характеристики ТЭГ (при Тк=150 "С, Тс=0 "С) [2]
Тип модуля Разме] )Ы, мм Ь( (омическое ШИ (тепловое со- Коэффициент Мощность Ток Напряжение
А в Б н сопротивление), Ом противление), К/Вт полезного действия И, % Р, Вт I, А и, В
ТОМ-127-1,0-0,8 30 30 - 3,1 2,1 1,8 5,8 6,9 1,8 3,8
ТОМ-127-1,0-1,3 30 30 - 3,6 3,5 2,9 5,8 4,2 1,1 3,8
ШМ-127-1,0-2,5 30 30 - 4,3 6,6 5,6 5,8 2,2 0,57 3,8
ТОМ-127-1,4-1,15 40 40 - 3,4 1,6 1,3 5,8 9,4 2,5 3,8
ТОМ-127-1,4-1,5 40 40 - 3,9 2 1,7 5,8 7,2 1,9 3,8
ТОМ-127-1,4-2,5 40 40 - 4,8 3,4 2,9 5,8 4,3 1,1 3,8
ТОМ-199-1,4-0,8 40 40 - 3,2 1,7 0,59 5,8 21,1 3,5 6
ТОМ-199-1,4-1,2 40 40 - 3,6 2,6 0,88 5,8 14,1 2,4 6
ТОМ-199-1,4-1,5 40 40 - 3,9 3,2 1,1 5,8 11,3 1,9 6
ТОМ-254-1,0-1,3 40 40 - 3,6 6,9 1,5 5,8 8,5 1,1 7,7
(послед.)
ТОМ-254-1,0-1,5 40 40 - 3,8 8 1,7 5,8 7,3 0,96 7,7
(послед.)
ТОМ-254-1,0-2,5 40 40 - 4,8 13,3 2,8 5,8 4,4 0,57 7,7
(послед.)
ТОМ-253-1,4- - - 62 3,9 4 0,87 5,8 14,3 1,9 7,6
1,511
ТОМ-295-1,0- - - 61* 3,2 4,9 0,78 5,8 16 1,8 8,9
0,8СНЯ
* Центральное отверстие 018 мм, 4 отверстия по краям 07 мм.
с температурой +250 °С и обеспечивающие мощность теплового потока через генератор 300 Вт [4]. Генератор непрерывн) кругло-суточн) работйп без постоянного наблюдения за его функционированием. Степень защиты ТЭГ Б4-М от прикосновения к токо-ведущим частям, попадания твердых посторонних тел и жидкости - IP35 по ГОСТ 14254-96. Генератор предназначен для работы в помещении и на открытом воздухе при любой погоде. Генератор снабжен бронерукавом, служащим защитой проводов выходного напряжения от механических повреждений и перегрева (рис. 4). На бронерукаве также установлен разъем выходного напряжения. В реальных условиях эксплуатации в силу ряда факторов достаточно сложно обеспечить постоянную температуру источника тепла. В этой связи для защиты от перегрева и повышения надежности генератор имеет встроенную тепловую защиту, предотвращающую выход из строя генератора при нагреве установочной поверхности до +300 °С. Основные технические характеристики ТЭГ Б4-М приведены в табл. 2. На рис. 5 приведена зависимость выходной мощности генератора Б4-М на согласованной нагрузке от температуры источника тепла. Испытания производились при комнатной температуре, в условиях естественной конвекции. Для нормальной работы ТЭГ Б4-М необходимо охлаждение радиатора, поэтому важно обеспечить свободное прохождение воздуха вдоль его ребер. Эксплуатация генератора на открытом воздухе, как правило, дает лучшие результаты за счет присутствия дополнительного естественного обдува радиатора, при этом защищать генератор от дождя и снега необходимости нет, так как попадание влаги на радиатор дополнительно охлаждает его и, соответственно, увеличивает вырабатываемую мощность устройства. Для питания электронных устройств рекомендуется применять соответствующий стабилизатор напряжения.
Применение ТГМ для питания маломощных устройств при малых тепловых потоках (Energy Harvesting).
Гигантский прогресс в области технологии разработки и производства маломощных электронных автономных устройств в значительной степени расширил возможности их применения. На основе ТГМ можно создавать беспроводные решения различного назначения: от простейших автономных датчиков разных физических величин до сложных систем кондиционирования воздуха, управления ресурсами или промышленной автоматизации.
Таблица 2
Основные технические характеристики ТЭГ Б4-М
Наименование параметра Значение
Длина, мм 162
Ширина, мм 100
Высота, мм 95
Вес, кг 2±5 %
Номинальное выходное напряже- 12±20%
ние, В*
Номинальная выходная мощность, 2,0
Вт*
Внутреннее сопротивление, Ом 72±10%
Номинальная температура, °С, не более 250±10 %
Режим работы источника тепла Стационарный
Климатические условия эксплуатации Диапазон температур -40.. .+85 °С Влажность 30-100 %
Климатические условия хранения Диапазон температур -55.. .+50 °С Влажность до 95 %
Время выхода на номинальный ре- 20±5 мин
жим
Примечание: * - на согласованной нагрузке.
Рис. 4. Внешний вид и состав ТЭГ Б4-М: 1 -
рабочая поверхность; 2 - кожух; 3 - отверстия для крепежа; 4 - ребра радиатора; 5 - разъем подключения переходного устройства
Рис. 5. Типовые результаты испытаний генератора Б4-М
Снижение мощности потребления и появление высокоэффективных преобразователей напряжения, начинающих работать при напряжении 30 мВ, определили появление на рынке нового решения для питания маломощных устройств. Оно работает за счет преобразования побочных видов энергии в электрическую энергию, в частности за счет термоэлектрического преобразования, незначительных по величине и разности температур тепловых потоков горного массива и окружающей среды, в том числе, с переменой по знаку. Это позволяет повысить срок службы и надежность широкого спектра автономных устройств, требующих регулярной замены батарей питания (процесса дорогостоящего, а во многих случаях затруднительного и нежелательного с точки зрения непрерывности эксплуатации оборудования). Решения Energy Harvesting зачастую позволяют полностью отказаться от батарей питания, заменив их на аккумуляторы или конденсаторы большой емкости, что снижает эксплуатационные издержки и повышает надежность работы системы в целом. Следует особо отметить, что ключевым отличием такого применения термоэлектрического преобразования от иных, описанных в рамках данной статьи, является отсутствие получения объема энергии, способного выполнить какую-либо заметную работу.
Решения Energy Harvesting позволяют осуществлять питание датчиков дистанционного контроля совместно с радиоканалом там, где присутствуют побочные тепловые потоки. В частности, такое решение используется для питания беспроводных датчиков, сенсоров, измерителей показаний, систем контроля параметров и систем передачи информации в труднодоступных или подвижных частях оборудования, что дает возможность осуществлять контроль состояния оборудования и планировать его техническое обслуживание. Другая перспективная область - применение в системах управления отопления помещений внутри дома и снятия показаний с различных счетчиков учета расходуемых ресурсов («умный дом», беспроводные технологии для ЖКХ и др.).
Как правило, производители ТГМ приводят расчетные параметры модулей для максимальной разности температур. При разработке современных решений часто бывает важно знать, как будет вести себя модуль при малых перепадах температур. Ниже приведены результаты испытаний двух образцов ТГМ в таком
режиме. Генераторный модуль ТГМ-199-1,4-1,5 (фирма «Крио-терм») обеспечивает выходное напряжение порядка 400 мВ и выходную мощность порядка 45 мВт при наличии минимальной разности температур 10 °C. Необходимое для устойчивой работы современных микросхем для Energy Harvesting решений напряжение 30 мВ будет обеспечено даже при разности температур на сторонах модуля 2.. .3 °С.
Таким образом, термоэлектрические модули могут использовать низкий температурный потенциал в шахте, а так же температурный напор горячей сбросной воды, теплоту отходящих дымовых газов котельных и газотурбинных электростанций, обслуживающих шахты.
С помощью термоэлектрических модулей можно осуществлять охлаждение воздуха в горных выработках.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шостаковский П. Термоэлектрические источники альтернативного электропитания // Компоненты и технологии. 2010. № 12. С. 131-138. www.kit-e.ru.
2. http://www.symmetron.ru/suppliers/kryotherm/cryo6.shtml
3. http://www.kibor.ru/termo-generator
4. Шостаковский П. Альтернативные источники электрической энергии промышленного применения на основе термоэлектрических генераторов // CCONTOL ENGINEERING РОССИЯ, 2013. № 3 (45). С. 52-56.
5. http://www.invest-gaz.ru/page74/
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Рыльникова Марина Владимировна - доктор технических наук, профессор, зав. отделом теории проектирования освоения недр ИПКОН РАН, rylnikova@mail.ru, Беленький Анатолий Матвеевич - доктор технических наук, профессор, национальный исследователь института НИТУ «МИСиС»,
Бурсин Александр Николаевич - инженер ООО «Энергомет», energomet@misis.ru.
UDC 622.272
THE PERSPECTIVE WAYS OF THERMOELECTRIC GENERATOR USE FOR THE ELECTRIC ENERGY GENERATION IN UNDERGROUND MINE CONDITIONS EVALUATION
Rylnikova M. V., Doctor of Technical Sciences, professor, manager of department of the design theory of mining exploitation, rylnikova@mail.ru, Russia, Belenkiy A.M., Doctor of Technical Sciences, professor, national researcher of institute NUST MISIS, Russia,
Bursin A.N., engineer of LLC «Energomet», energomet@misis.ru.
Prospects to reproduction of electric energy in mine conditions based on thermoelectric effect with temperature difference of mine or technogenic massif and mine atmosphere, or surface are considered. The theoretical basics of renewable energy in geotechnological processes with using of Earth thermal field or technogenic thermal heating of massif are described. The capabilities of low-temperature potential in underground mine conditions are identified.
Key words: thermoelectric effect, generation, thermocouple-sensing element,
temperature, differential, mountain group, atmosphere, thermo-emf, energy, renewable source.
REFERENCES
1. Shostakovskij P. Termojelektricheskie istochniki al'ternativnogo jelektropitanija (Thermoelectric power sources alternative) // Komponenty i tehnologii. 2010. No 12. pp. 131138. www.kit-e.ru.
2. http://www.symmetron.ru/suppliers/kryotherm/cryo6.shtml.
3. http://www.kibor.ru/termo-generator.
4. Shostakovskij P. Al'ternativnye istochniki jelektricheskoj jenergii promyshlennogo primenenija na osnove termojelektricheskih generatorov (Alternative sources of electrical energy industrial applications on the basis of thermoelectric generators) // Scontol engineering Rossija, 2013. No 3 (45). pp. 52-56.
5. http://www.invest-gaz.ru/page74.
