Принцип работы опытной установки

В настоящее время создана опытная установка по утилизации низкопотенциального тепла мощностью 1 кВт (исследования финансируются фирмой Siemens AG).

Сложность создания подобной установки заключалась в том, что при оптимальной работе системы частота вращения турбины должна достигать 100000 об/мин. Для работы на таких скоростях вращения не пригодны общепромышленные подшипники. Поэтому в опытной установке применяются специально разработанные по уникальной технологии лепестковые газодинамические опоры. Вал находится внутри системы взаимно перекрывающихся лепестков из стальной ленты с повышенной упругостью.

При вращении вал увлекает за собой частицы воздуха, и при определенной частоте вращения их количество становится достаточным, чтобы лепестки отогнулись на доли миллиметра от поверхности вала, таким образом образуется воздушный промежуток между валом и системой лепестков, в котором и вращается ротор. При использовании лепестковых газодинамических опор практически полностью отсутствуют потери на трение при работе системы.

Турбина приводит во вращение генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую. Генератор имеет нерегулируемое возбуждение от постоянного магнита.

Ротор генератора является составным: вал выполнен из магнитного сплава на основе редкоземельных элементов, на вал одет бандаж из высокопрочного сплава, обеспечивающий механическую прочность ротора при вращении на высоких частотах вращения. Применение сплавов на основе редкоземельных магнитных элементов обеспечивает стабильные высокие магнитные характеристики составного ротора, что в свою очередь обеспечивает стабильные рабочие характеристики генератора.

Однако применение постоянных магнитов в генераторе не обеспечивает возможности регулирования уровня вырабатываемого напряжения, и при изменении скорости вращения турбины изменяется не только частота вырабатываемого напряжения, но и его амплитуда. Из-за этого электрическая энергия, снимаемая с клемм генератора, не может быть напрямую использована в быту или промышленности.

Для обеспечения заданного качества электрической энергии во всех режимах работы в системе генерирования используется электронный преобразователь.

В зависимости от назначения системы, электронный преобразователь может быть выполнен однофазным, если потребителями электрической энергии являются бытовые приборы, или трехфазным, для применения в промышленности. Электронный преобразователь имеет структуру с промежуточным звеном постоянного тока. Выходное напряжение генератора, характеризующееся определенной частотой, амплитудой и гармоническим составом, поданное на вход преобразователя выпрямляется. Далее полученное постоянное напряжение преобразуется в инверторе в напряжение с заданной частотой, амплитудой и гармоническим составом.

Инвертор выполнен на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT, работающих в ключевом режиме. Для формирования синусоидального напряжения применяются алгоритмы широтно-импульсной модуляции. Инвертор выполняет функции ограничения тока и защиты системы от коротких замыканий, стабилизации частоты выходного напряжения, стабилизации уровня выходного напряжения, индикации аварийных режимов и визуализации параметров работы системы.

Практический интерес представляют системы мощностью более 10 кВт. При их создании будут применены научные и инженерно-технические принципы, отработанные при изготовлении опытного образца мощностью 1 кВт.

Технико-экономический анализ показал, что срок окупаемости проекта составит 2 года. Минимальный срок службы системы – 10 лет. Срок окупаемости системы для покупателя при действующих тарифах на электроэнергию 5 лет. [4].