Zdroje energie a jejich využití - kogenerace

Právě u nich je efektivita využití nízká a většina energie uniká ve formě odpadního tepla. Jedním z řešení tohoto stavu je rozšíření kogenerace - společné výroba tepla a elektřiny. Ta se dnes potýká s následujícími problémy:

1. Výroba elektřiny je koncentrována do několika vysoce výkonných elektráren, které jsou pochopitelně daleko od obydlených aglomerací, obchodních a průmyslových zón. Doprava tepla na velké vzdálenosti je velmi nákladná a ztrátová.
2. Naproti tomu výroba tepla je silně diverzifikována do řady menších zdrojů, avšak instalace parních turbín k těmto zdrojům je, vzhledem k jejich výkonům, málo rentabilní a návratnost této investice dlouhodobá.

Stávající kogenerační jednotky jsou proto konstruovány jako kombinace spalovacího motoru nebo spalovací turbíny s generátorem. Toto řešení je náročné na kvalitu paliva a investice, protože nedokáže využít stávajících technických zařízení výroby tepla.

Řešením těchto problémů by bylo zařízení schopné přeměnit termodynamickou energie páry na elektrickou energii, které by bylo laciné a které by maximálně využilo stávajících kapacit výroby tepla.

Níže předložené řešení generátoru je pokusem o nalezení takového řešení. To spočívá v tom, že indukční magnetické pole je generováno kmitavým pohybem pístu s permanentním magnetem v dutině nevodivého (např. keramického) válce. Na plášť válce je navinut vodič v němž pohyb pístu indukuje elektrický proud. Kmitavého pohybu pístu je dosaženo řízeným vpouštěním a vypouštěním vysokotlaké páry do prostoru nad a pod pístem (obr. 1).

Popis [1] válec [2] píst [3] zdroj permanentního magnetického pole [4] vinutí indukční cívky [5] svorky indukční cívky [6] vstupní ventil [7] výstupní ventil [8] vstupní ventil [9] výstupní ventil

Vstupní ventil je větší než výstupní, protože fáze napouštění válce pracovním mediem je kratší než jeho vypouštění. Na vyobrazení je vstupní ventil umístěn uprostřed válce tak, aby tlak media na píst byl rovnoměrný, výstupní ventil je umístěn na boční stěně válce. K řízení otevírání a zavírání vstupních a výstupních ventilů je použito vačkového hřídele a vaček, ale lze použít samozřejmě i jiných zařízení. Pohyb pístu probíhá v těchto fázích:

• vypouštění media a pohyb z horní úvrati pístu (obr. 2)
  V prostoru nad pístem dochází k adiabatické expanzi a k pohybu pístu dolů. Přes otevřený ventil [7] dochází k vypouštění media pod pístem. Ventily [6] [8] [9] jsou zavřené.
  
  
• napouštění media (obr. 3)
  V okamžiku, kdy píst projde přes střed pracovní délky pístu, se uzavře výstupní ventil [7] a přes otevřený vstupní ventil [6] dojde k napouštění media pod píst.
  
  
• adiabatická komprese a pohyb do dolní úvrati pístu (obr. 4)
  Po napuštění se uzavře vstupní ventil [6]. Setrvačná energie pístu dále stlačuje medium pod pístem až do dolní úvrati pístu.
  
  
• adiabatická expanze a pohyb z dolní úvrati (obr. 5)
  Po dosažení dolní úvratě pístu se výstupní ventil [9] otevírá a dochází k vypouštění media nad pístem a pohybu pístu vzhůru. Tak se celý cyklus se opakuje symetricky pro horní část válce a ventily [8] [9].

Pro zvýšení účinků indukce vyvolané pohybem pístu ve válci jsou zdrojem permanentního magnetického pole ve válci dvě feromagnetické kruhové desky, s magnetickou polarizací rovnoběžnou s osou válce a uložené v pístu na sobě tak, že styčné plochy mají opačnou polarizací. Takto je na obou stranách pístu magnetická indukce opačné polarizace.

Předložené řešení je natolik jednoduché, že není problém řadit více válců [1] paralelně vedle sebe s tím, že náročnější technologické části řešení, např. řízení otevírání a zavírání ventilů, mohou být pro všechny válce společné. Takto lze i jednoduše regulovat výkon generátoru, neboť spuštění nebo ukončení cyklů v jednotlivém válci [4] nepředstavuje žádný provozní problém. Také řazení více válců vedle sebe s protisměrným pohyby pístu eliminuje problémy s vibracemi zařízení.

Varianty provedení:

• zdroj o nízkém výkonu
  Tlak vstupní páry 1,4 MPa, průměr válce 0,1 m, píst s feromagnetickou deskou s magnetickou indukcí 0,4 T na každé straně, tloušťka desky 0,01 m, hmotnost pístu včetně desky 1,18 kg, frekvence pracovních cyklů 100 Hz, vzdálenost dolní a horní úvratě pístu 0,1 m. Při hustotě vinutí 8000 závitů/m se na svorkách indukuje střídavé napětí cca 1 kV a zařízení dosáhne elektrické výkonu až 60 kW.
  
  
• zdroj o středním výkonu
  Tlak vstupní páry 2,8 Mpa, průměr válce 0,2 m, píst s feromagnetickou deskou s magnetickou indukcí 0,4 T na každé straně, tloušťka desky 0,01 m, hmotnost pístu včetně desky 4,7 kg, frekvence pracovních cyklů 100 Hz, vzdálenost dolní a horní úvratě pístu 0,2 m. Při hustotě vinutí 8000 závitů/m se na svorkách indukuje střídavé napětí cca 8 kV a zařízení dosáhne elektrické výkonu až 1 MW.
  
  
• zdroj o vysokém výkonu
  Tlak vstupní páry 7,6 MPa, průměr válce 0,4 m, píst s feromagnetickou deskou s magnetickou indukcí 0,4 T na každé straně, tloušťka desky 0,01 m, hmotnost pístu včetně desky 18,84 kg, frekvence pracovních cyklů 100 Hz, vzdálenost dolní a horní úvratě pístu 0,62 m. Při hustotě vinutí 8000 závitů/m se na svorkách indukuje střídavé napětí cca 100 kV a zařízení dosáhne elektrické výkonu až 25 MW.

Použití pro hybridní pohon

Subtilní rozměry zařízení (zdroj o nízkém výkonu) nabízejí i aplikaci v hybridním pohonu. K ohřevu páry lze využít buď odpadní teplo spalin hnacího agregátu nebo přímo spalovat palivo v malém kotli.

Kapacita výtopen a odpadní teplo spalovacích agregátů představuje potenciál, jehož využití by významně snížilo spotřebu fosilních paliv. Popsané zařízení by mohlo být krokem tímto směrem.