В течение нескольких часов 12 апреля инженеры Сандийской национальной лаборатории в Нью-Мексико смогли отправить электроны обратно в электрическую сеть базы ВВС Сандия-Киртланд, используя новый тип системы генерации энергии. Этот небольшой пробный проект, о котором было объявлено ранее в этом месяце, показал команде, что их система, над которой они работали с 2007 года, является стабильной, управляемой и способной хорошо синхронизироваться с электрической сетью.
Новая система, которая, как утверждает команда, может быть более эффективной, чем существующие энергогенерирующие системы, основана на термодинамическом процессе, описываемом замкнутым циклом Брейтона, и работает аналогично реактивному двигателю. Большинство реактивных двигателей работают по открытому циклу Брейтона. Окружающий воздух поступает в двигатель и сжимается. Затем он нагревается топливом и расширяется, проходя через турбину. Затем эта турбина может механически приводить в действие генератор для выработки электроэнергии (если вы находитесь на земле) или тяги (если вы находитесь на самолете).
"В предыдущие годы мы просто производили электричество и помещали его в резистивные нагрузочные батареи. Это как огромный тостер, который превращает электричество в тепло", - говорит Дэррин Флеминг, инженер-механик из Сандийской национальной лаборатории, который работал над этим проектом. "Возможность вернуть электроэнергию в сеть была главным результатом этой программы".
Так какие же операции двигателя описывают циклы Брейтона? "Представьте, что вы берете трубу и соединяете [газовый] выброс турбины с компрессором, а рабочую жидкость держите просто в контуре. Это замкнутый цикл Брейтона", - говорит Логан Рапп, инженер-механик из Сандиа, принимавший участие в испытаниях. "В нем есть тот же компрессор, турбина и теплообмен, но рабочая жидкость всегда остается внутри труб".
Эта система может работать с широким спектром газов, таких как воздух, гелий, азот. Команда Сандиа использовала углекислый газ в сверхкритическом состоянии, который является как бы газом, но также и как бы жидкостью. "У него очень высокая плотность, но он также может быть расширен через турбину, как газ", - говорит Рапп. "Таким образом, мы уменьшили объем работы, необходимой для сжатия, поскольку он настолько плотный, и это позволяет нам достичь более высокого коэффициента теплового преобразования в электричество".
Электричество, которое питает большинство современных технологий, производится с помощью парового цикла Ренкина. Такое топливо, как уголь, используется для нагрева воды для получения пара, который затем расширяется через турбину, превращающую механическую работу в электричество. Но тепловой КПД этой системы составляет около 33 процентов, говорит Флеминг. Если использовать сверхкритическую двуокись углерода с давлением выше 1070 фунтов на квадратный дюйм и температурой выше 88 градусов по Фаренгейту, "то плотность воды достигнет 70 процентов, что позволит повысить эффективность системы". Это означает, что она сможет вырабатывать больше энергии при меньшем количестве топлива по сравнению с паровой системой.
Кроме того, Рапп отмечает, что их технология не зависит от источника тепла, поэтому ее не нужно использовать в сочетании с ископаемым топливом. "Были предложения использовать ее в паре с природным газом или углем, но нас финансирует отдел ядерной энергии Министерства энергетики. Поэтому мы работаем над тем, чтобы соединить его с усовершенствованным ядерным реактором", - говорит он. "Мы также работали с солнечными башнями, где солнце фокусируется с помощью зеркал для нагрева центральной башни. В этом применении она работает очень хорошо".
Они также активно изучают возможность использования этой технологии в паре с утилизацией отработанного тепла, где они используют тепло выхлопных труб сталелитейных и цементных заводов для питания своего цикла Брейтона.
В своем испытании они использовали электрический обогреватель в качестве источника топлива для питания цикла, а также адаптировали части передовой силовой электроники лифта в машину, которую они использовали для регулирования и подачи электроэнергии из их испытательного цикла в сеть. Хотя в этот раз они потребляли больше энергии, чем отдавали в сеть, Флеминг говорит, что это был просто способ смоделировать систему в действии.
В рамках следующих шагов команда хочет довести машину до более высоких уровней мощности, более высоких температур и более высоких скоростей вращения турбины. Согласно законам термодинамики, увеличение этих факторов, теоретически, позволит им достичь более высокого коэффициента тепловой и электрической эффективности. В ходе последнего испытания КПД составил 35-40 процентов, но Рапп считает, что при правильной конфигурации они смогут довести его до 50 процентов. Кроме того, в следующем году команда намерена продолжить разработку новой вспомогательной инфраструктуры, такой как уплотнения и магнитные подшипники, необходимые для подобной системы.