Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую на объектах газовой промышленности за счет охлаждения газа с помощью термоэлектрических модулей Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

Надёжность и диагностирование технического состояния электротехнических...

УДК 621.833

СПОСОБ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ НА ОБЪЕКТАХ ГАЗОВОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ ЗА СЧЕТ ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА

С ПОМОЩЬЮ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ

Р. Д. Усачев

Проведен научно-технологический анализ развития имеющихся установок и способов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Рассматриваются стратегия и перспективы развития производства электрической энергии из тепла, выделяемой при охлаждении природного газа на объектах газодобывающей промышленности.

Ключевые слова: термоэлектрический генератор, электроэнергия, тепловая энергия, преобразователь.

Развитие науки и техники за последние десятилетия привело к появлению новых областей применения источников тепловой электрической энергии, удовлетворяющих таким требованиям, как высокий к. п. д. и большая удельная мощности (на единицу веса или объема установки), высокая надежность и длительный ресурс работы, безопасность и удобство эксплуатации и т. д.

Все системы требуют надежных источников питания, причем год от года потребляемая мощность для аналогичных систем снижается, а требования к надежности возрастают.

Сейчас на объектах газодобывающей промышленности, которые располагаются в районах крайнего севера в условиях вечной мерзлоты, добывают огромные объемы природного газа. Когда газ попадает на станцию охлаждения, выделяется огромное количество тепла. Оно безвозвратно уходит в атмосферу. Такие объекты промышленности получают электроэнергию от электросетей, которая сейчас достаточно затратна. Анализируя данную проблему, можно полагать, что это тепло можно преобразовать в электрическую энергию и не зависеть от электросетей. Тем самым экономить капитал.

Актуальность данной темы заключается в том, что методы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию позволяют получать электрическую мощность, минуя промежуточную стадию - превращение ее в механическую энергию, тем самым упрощая конструкцию и расширяя функциональные возможности установки. Этими установками могут служить так называемые термоэлектрические модули.

Они обладают целым рядом преимуществ по сравнению с другими типами устройств:

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 3

- бесшумность работы;

- отсутствие подвижных частей;

- отсутствие рабочих жидкостей;

- работа в любом пространственном положении;

- малый размер и вес системы; простота управления.

Преобразование происходит в самом термоэлектрическом веществе.

Работоспособность не зависит от пространственного положения и наличия гравитации. ТЭГ можно применять при больших и малых перепадах температур. Все это в наше время становится наиболее актуальным, учитывая, что около 90% сбрасываемой тепловой энергии на объектах газовой промышленности выделяется при температуре поверхностей до +300 °С.

Термоэлектрическое преобразование универсально, оно допускает использование практически любых источников теплового потока, в том числе при больших перепадах температур, при которых применение иных способов преобразования невозможно в принципе.

ТЭГ представляет собой съемную конструкцию, встраиваемую в систему газовыхлопа. В установке применяются термогенераторные модули, работа которых основана на полупроводниковых элементах. Нагрев поверхности термоэлементов происходит за счет конвективного теплообмена. Охлаждение спаев термоэлементов происходит за счетхолодного наружного воздуха. Все это приводит к возникновению разности температур между холодными и горячими спаями термоэлементов, на которых, благодаря эффекту Зеебека, возникает ЭДС. Последнюю, по специальным токо-отводам, можно направлять в полезную нагрузку общего электрического контура генератора. КПД преобразователя тепловой энергии в электрическую составляет 40...50 %.

Существуют также устройства, использующиеся на газотурбинах. В данной схеме электрическая энергия генерируется за счет отработавшего газа в турбине, а охлаждение происходит за счет холодного воздуха.

Принцип действия термоэлектрического преобразователя основан на неизвестном ранее физическом эффекте генерации ЭДС при нагревании полупроводникового материала на основе сульфидасамария в условиях отсутствия внешних градиентов температуры. Следует отметить также, что применяемый материал 8ш8, является радиационно стойким, нетоксичным, с отсутствием какого-либо разложения или газовыделения в рабочем диапазоне температур (150...450 °С), а также обладает высокой температурой плавления (2300 °С), в сравнении с известными полупроводниками. На основе преобразования тепловой энергии в электрическую созданы измерительные датчики и приборы (термопары, термоэлектрический термометры, термисторы).

На сегодняшний день данные методы нашли свое применение в таких областях науки и техники как: авиация и космонавтика, судостроение, энергетическая промышленность, бытовая сфера.

Надёжность и диагностирование технического состояния электротехнических...

Применение термоэлектрических модулей имеет высокую экономическую эффективность, так как зачастую за счет них утилизируется неиспользуемая тепловая энергию, которая бы просто растворилась в пространстве. Именно поэтому во всем мире ведутся разработки по повышению эффективности ТЭГ, заключающиеся в основном в поиске новых материалов и сплавов, которые будут иметь высокие значения термо-ЭДС и коэффициента добротности. Совершенствования нового принципа пока не ясны, но достигнутые результаты являются достаточными, чтобы начать разрабатывать оптимальную конструкцию генератора.

Список литературы

1. Каминский В.В. Высокоэффективный термоэлектрический преобразователь (ТЭП) на основе новых эффектов генерации ЭДС в полупроводниках SmS. ФТТ, 2014. Т. 56. В. 9. С. 131 - 142.

2. Пат. № 2534443 RU, H 01 L 35/30. Термоэлектрический генератор газовой турбины / Б. Кри-стоф. № 2011136856/28; заявл. 04.02.2010; опубл. 27.11.2014. Бюл. № 33. 11 с.

3. Фаворский О.Н. Установки для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую: учебное пособие. М.: Высшая школа, 2015. 287 с.

Усачев Роман Дмитриевич, асп., senior. usacheff1992@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE DIRECT CONVERSION OF THERMAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY ON THE OBJECTS OF GAS INDUSTRY BY GAS COOLING USING THERMOELECTRIC

MODULES

R. D. Usachev

Held the scientific-technological development analysis of existing installations and methods of direct conversion of thermal energy into electrical energy. Discusses the strategy and prospects of development of production of electrical energy from heat released by cooling natural gas at gas industry.

Key words: thermoelectric generator, electricity, thermal energy converter.

Usachev Roman Dmitrievich, postgraduate, senior. usacheff1992@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University