Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

Двигатели логично рассматривать продуктом промышленной революции. Первой «ласточкой» отметились паровые конструкции, работающие на угле. Следом появились более чистые и более эффективные бензиновые моторы. Самыми современные конструкции представляют уже реактивные двигатели. Основная концепция такой конструкции очевидна — разница между высокой и низкой температурой. Эта концепция фактически не изменилась за пару сотен лет, несмотря на достигнутые улучшения. Между тем, среди всего разнообразия существующих концепций привлекает внимание двигатель Стирлинга (автор Роберт Стирлинг 1816 год), напоминающий паровую систему, но не предполагающий использование пара. Рассмотрим подробнее эту конструкцию.

Идеальный двигатель – есть ли такой, в принципе?

Паровые, либо двигатели внутреннего сгорания, — оба типа используют тепловую энергию, благодаря которой газ расширяется, а затем охлаждается. Зависимостью разницы температур определяется эффективность конструкция двигателя. Теория работы идеального двигателя подкреплена наукой о термодинамике и теоретической моделью, демонстрирующей моменты:

  • расширения,
  • сжатия,
  • нагрева,
  • охлаждения газа в цикле.

Прежде чем рассматривать конструкцию двигателя Стирлинга, не лишним будет рассмотреть недостатки паровых двигателей. Понятно, что сформированный от нагрева воды пар движется по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где толкает поршень и приводит в движение колесо, связанное с поршнем.

Затем входной клапан закрывается и открывается выходной клапан. Импульс движения колеса заставляет поршень возвращаться в цилиндр и выталкивать охлажденный пар через дымовую (паровую) трубу.

image
Схема паровой системы: 1 – шток клапана; 2 – боковой клапан; 3 – вход пара высокого давления; 4 – выход пара; 5 – перекрёстная головка; 6 – направляющая крейцкопфа; 7 – поршневой шток; 8 – поршень; 9 — цилиндр

Конструкция парового двигателя далеко не идеальна. Во всяком случае, есть четыре очевидных недостатка.

  1. Котёл производит пар высокого давления, поэтому всегда существуют риски взрыва.
  2. Котёл конструктивно располагается на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому очевидны потери энергии.
  3. Выбрасываемый отработанный пар также способствует потерям энергии.
  4. Паровой двигатель потребляет огромное количество воды и топлива.

Конструкция двигателя Стирлинга

Отмеченные выше недостатки, между тем, вполне допустимо устранить. Например, избавиться от котла (устраняя опасность взрыва), а также использовать тепло огня для непосредственного питания двигателя. Тогда, вместо того чтобы использовать пар для перемещения тепловой энергии, можно использовать обычный воздух (или другой газ) для перемещения тепловой энергии.

Если поместить эту газовую составляющую внутрь закрытой трубы, и организовать движение взад и вперед снова и снова. Так можно получать энергию, исключив фактор постоянной подачи воды.

Наконец, есть смысл добавить в конструкцию теплообменник, чтобы энергию горячего газа удерживать внутри машины с последующим использованием повторно для повышения общей эффективности. Это и есть основные способы, которыми выделяется двигатель Стирлинга, как существенная модернизация паровой конструкции.

Существуют регенеративные тепловые двигатели Стирлинга замкнутого цикла, которые в целом соответствуют описанной выше концепции. Регенеративная конструкция указывает на использование теплообменников для сохранения части тепла, которое в противном случае теряется в каждом цикле.

Простота и сложность конструкции

Некоторыми инженерами двигатели Стирлинга видятся достаточно простым исполнением. Однако в реалии это достаточно сложные конструкции, работу которых объяснить сможет далеко не каждый инженер.

image
Схема двигателя Стирлинга (лабораторная): 1 – источник нагрева; 2 – «горячий» цилиндр; 3 – «вытеснитель»; 4 – эксцентрик; 5 – «холодный» цилиндр; 6 – рабочий поршень; 7 — эксцентрик

Существует множество различных конструкций двигателей Стирлинга. Однако здесь будет рассмотрен один конкретный тип исполнения, известный как «вытеснитель» (бета-двигатель Стирлинга). Исполнение характерно наличием следующих ключевых частей:

  1. Источник тепла.
  2. Газ.
  3. Радиатор.
  4. Поршни.

Источник тепла – любой энергетический ресурс, от сжигания угля, до тепла солнечного зеркала. Несмотря на тот факт, что двигатели Стирлинга описываются как устройства внешнего сгорания, фактически такие системы вообще не используют функцию сжигания топлива. Такому исполнению системы необходима только разница температур между источником тепла и радиатором.

По сути, допустимо управлять небольшим двигателем Стирлинга при помощи:

  • тепла чашки кофе,
  • тепла ладони руки,
  • температуры кубика льда.

Энергия, которую выдаёт двигатель Стирлинга, формируется от любой разницы температур между источником тепла и радиатора. Между тем следует учитывать, что малый двигатель Стирлинга содержит лишь относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Газовая составляющая

Закрытый баллон внутри машины постоянно содержит некоторый объём газа. Газовой средой может быть:

  • обычный воздух,
  • водород,
  • гелий,
  • другой газ.

При этом вещество остаётся в газообразном состоянии при нагревании и охлаждении в течение полного цикла двигателя. Единственная цель газовой составляющей — передача тепловой энергии от источника тепла к радиатору с последующим питанием поршня, который приводит машину в движение.

Радиаторная часть конструкции

Область, где горячий газ охлаждается, прежде чем возвращается к источнику тепла. Обычно конструкция радиатора представляет собой трубчатый металл, оснащённый ребристыми гранями, отводящими отработанное тепло в атмосферу.

Поршни рабочего цикла

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но практически все имеют два поршня. Этим двигатели Стирлинга отличаются от других конструкций. В классической конструкции, называемой альфа-двигателем Стирлинга, имеются два одинаковых поршня и цилиндра. Между этими деталями движутся газовые заслонки, которые нагреваются и расширяются, затем охлаждаются и сжимаются до повторения цикла.

Конструкция, называемая «вытесняющей» (бета-двигатель Стирлинга), имеет поршень, которым перемещается газ между источником тепла и радиатором. В отличие от обычного поршня парового двигателя, «вытеснитель» устанавливается свободно внутри цилиндра, благодаря чему газ обтекает поршень в моменты движения вперёд и назад.

Концепция «вытеснителя»: 1 – зона расширения; 2 – поршень «вытеснитель»; 3 – нагреватель; 4, 5 – рабочий газ (обычно воздух); 6 – область сжатия; 7 – рабочий поршень; 8 – охладитель; 9 – балансирующая масса; 10 — регенератор

Имеется также рабочий поршень, плотно прилегающий к цилиндру, превращающий расширение газа в полезную работу. Более крупные конструкции двигателей Стирлинга содержат рабочий поршень, как правило, имеющий тяжёлый маховик. Маховик способствует быстрому набору оборотов и обеспечивает бесперебойный рабочий процесс.

Рабочий поршень и поршень «вытеснителя» постоянно движутся, но не совпадают по фазе (отклонение фазы на 90°) один с другим. Поршни, между тем, приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень «вытеснителя» всегда на четверть цикла (90°) опережает в движении рабочий поршень.

Конструкция теплообменника двигателя Стерлинга

Теплообменник (регенератор) располагается в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, часть тепла отбирается металлом теплообменника и удерживается.

По мере возвращения газа назад, тепло вновь отбирается. Без регенератора отбираемое тепло было бы потеряно в атмосфере, то есть — потрачено впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга имеют несколько теплообменников.

Как работает двигатель Стирлинга по типу «вытеснитель»?

Аналогично паровому или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя серию основных операций – режим цикла.

Практически это выглядит процессом, когда газ попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках между этими фазами перемещается от горячей стороны цилиндра к холодной стороне и обратно.

Функция рабочего поршня заключается в использовании энергии расширения газа с передачей действия на привод двигателя. Затем газ сжимается, обеспечивая повторение цикла.

Функция поршня «вытеснителя» направлена на перемещение газа от горячей стороны к холодной стороне баллона и обратно. Работая тандемом, оба поршня обеспечивают многократное перемещение тепловой энергии от источника к радиатору (теплоотводящей системе). Соответственно, с последующим получением полезной механической работы.

Детальное описание функционала

  1. Операция охлаждение – сжатие: большая часть газа содержится в области цилиндра более холодной. Когда оба поршня движутся внутрь (к центру), охлаждённая газовая составляющая сжимается, отдавая часть тепла конструкции радиатора.
  2. Операция перекачка – регенерация: поршень «вытеснителя» перемещается. При этом охлажденный газ перетекает обходным путём в область цилиндра более горячую. Объём газа остаётся постоянным в момент прохождения через регенератор (теплообменник).
  3. Операция нагрев – расширение: большая часть газа располагается в области цилиндра «горячая». Газ нагревается огнём (или другим источником тепла), отчего давление газовой составляющей повышается. Налицо эффект расширения и поглощения энергии. Эффект расширения толкает рабочий поршень, который, в свою очередь, приводит в движение маховик – механическую часть. В этой части цикла двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую энергию.
  4. Операция передача – охлаждение: поршень «вытеснителя» перемещается, горячий газ перемещается по обходному пути в более холодную часть цилиндра. Объём газа остается постоянным в момент прохождения через регенератор (теплообменник) с отдачей части энергии. Цикл завершён и готов к повторению.

Несмотря на то, что двигатель Стирлинга проходит цикл, заканчивающийся в точке, где начинался, имеет место несимметричный процесс. Энергия постоянно отводится от источника и откладывается в теплообменнике.

Очевидно, что горячий газ выполняет определенную работу с рабочим поршнем в момент расширения, но поршень при этом выполняет меньше работы, сжимая охлажденный газ и возвращая в начало пути.

Теоретическое обоснование полезности двигателя Стирлинга

Не исключаются скептические представления относительно слишком сложной конструкции. Спрашивается, для чего возиться с двумя поршнями, если можно создать простой паровой двигатель на одном? Какой смысл во всех этих отдельно взятых этапах? И нельзя ли сделать всё проще?

Наглядный пример практической реализации – двигатель Стирлинга на шестнадцать цилиндров. Оригинальная современная конструкция технологичного устройства

Вразумительные ответы на такие вопросы даёт понимание теории двигателей. Действительно эффективный двигатель перемещает газ циклом процессов в соответствии с газовыми законами классической физики, где отмечаются:

  • давление,
  • объём,
  • температура газа.

Идеальный цикл, как известно, открыл физик Карно. Французу Николя Карно удалось описать повторение цикла изотермического (с постоянной температурой) и адиабатического (сохраняющего тепло) расширения, с последующим изотермическим и адиабатическим сжатием.

Так вот, двигатель Стирлинга использует несколько иной цикл, демонстрирующий (в идеале):

  1. Изотермическое сжатие: объём газа уменьшается, а давление увеличивается, тепло при этом передаётся теплообменнику.
  2. Изоволюметрический нагрев: объём газа остается постоянным в момент прохода через регенератор. При этом восстанавливается часть предыдущего тепла.
  3. Изотермическое расширение: газ поглощает энергию от источника, объём газовой составляющей увеличивается, давление уменьшается, температура остаётся постоянной.
  4. Изоволюметрическое охлаждение: объём газа остается постоянным за счёт прохождения через регенератор и эффекта охлаждения.

Реальный двигатель Стирлинга, конечно, демонстрирует более сложную, менее идеальную версию теоретического цикла. Следует отметить: все четыре обозначенные стадии процесса жёстко не разделены, напротив, перекрывают одна другую.

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Явным преимуществом двигателя Стирлинга видится более выраженная эффективность по отношению к тем же паровым системам. Исключается необходимость котлов – опасных технологически конструкций, нет нужды запасать воду и создавать сложные системы открывания / закрывания клапанов.

Следует отметить: благодаря отсутствию сложных клапанных систем, двигатели Стирлинга работают тише паровых конструкций. Учитывая возможное применение энергии, получаемой не от источников сжигания топлива, эти конструкции относятся к экологически чистым системам. Поддерживается работа на всевозможных видах топлива.

Среди потенциальных недостатков можно отметить относительно медленный запуск. Обычно требуется время для прогрева теплообменника и маховика, чтобы разогнать систему до рабочей скорости.

Также достаточно сложно проходят процессы остановки. Конструкции требуют радиаторов больших габаритов для эффективного отвода тепла, чем несколько ограничивается применение в отдельных случаях.

Мотор Стирлинга – это тепловой двигатель, который работает за счет циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа (рабочего тела) при различных температурах, так что происходит чистое преобразование тепловой энергии в механическую работу. Более конкретно, двигатель Стирлинга представляет собой двигатель с рекуперативным тепловым двигателем с замкнутым циклом с постоянно газообразным рабочим телом.

Двигатели Стирлинга имеют более высокий КПД по сравнению с паровыми двигателями и могут достигать 50% эффективности. Они также способны бесшумно работать и могут использовать практически любой источник тепла. Источник тепловой энергии генерируется вне двигателя Стирлинга, а не путем внутреннего сгорания, как в случае двигателей с циклом Отто или дизельным циклом.

Двигатели Стирлинга совместимы с альтернативными и возобновляемыми источниками энергии, поскольку  они могут становиться все более значительными по мере роста цен на традиционные виды топлива, а также в свете таких проблем, как истощение запасов нефти и изменение климата.

В этом проекте мы дадим вам простые инструкции по созданию очень простого двигателя DIY  Стирлинга с использованием пробирки и шприца .

Как сделать простой движок Стирлинга – Видео

Компоненты и шаги, чтобы сделать моторчик Стирлинга

1. Кусок лиственных пород или фанеры

Это основа для вашего двигателя. Таким образом, он должен быть достаточно жестким, чтобы справляться с движениями двигателя. Затем сделайте три маленьких отверстия, как показано на рисунке. Вы также можете использовать фанеру, дерево и т.д.

2. Мраморные или стеклянные шарики

В двигателе Стирлинга эти шарики выполняют важную функцию. В этом проекте мрамор действует как вытеснитель горячего воздуха от теплой стороны пробирки к холодной стороне. Когда мрамор вытесняет горячий воздух, он остывает.

3. Палки и винты

Шпильки и винты используются для удержания пробирки в удобном положении для свободного перемещения в любом направлении без каких-либо перерывов.

4. Резиновые кусочки

Купите ластик и нарежьте его на следующие формы. Он используется для того, чтобы надежно удерживать пробирку и поддерживать ее герметичность. Не должно быть утечек в ротовой части пробирки. Если это так, проект не будет успешным.

5. Шприц

Шприц является одной из самых важных и движущихся частей в простом двигателе Стирлинга. Добавьте немного смазки внутрь шприца, чтобы поршень мог свободно перемещаться внутри цилиндра. Когда воздух расширяется внутри пробирки, он толкает поршень вниз. В результате цилиндр шприца перемещается вверх. В то же время мрамор катится к горячей стороне пробирки и вытесняет горячий воздух и заставляет его остывать (уменьшать объем).

6. Пробирка Пробирка является наиболее важным и рабочим компонентом простого двигателя Стирлинга. Пробирка изготовлена ​​из стекла определенного типа (например, из боросиликатного стекла), обладающего высокой термостойкостью. Так что его можно нагревать до высоких температур.

Как работает двигатель Стирлинга?

Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то так же, как и великие уравнения физики (например, E = mc2), они просты: на поверхности они просты, но богаче, сложнее и потенциально очень запутаны, пока вы их не осознаете. Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: многие очень плохие видео на YouTube показывают, как легко «объяснить» их очень неполным и неудовлетворительным образом.

На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто создав его или наблюдая за тем, как он работает извне: вам нужно серьезно подумать о цикле шагов, через которые он проходит, что происходит с газом внутри, и как это отличается из того, что происходит в обычном паровом двигателе.

Все, что требуется для работы двигателя, – это наличие разницы температур между горячей и холодной частями газовой камеры. Были построены модели, которые могут работать только с разницей температуры 4 ° C, хотя заводские двигатели, вероятно, будут работать с разницей в несколько сотен градусов. Эти двигатели могут стать наиболее эффективной формой двигателя внутреннего сгорания.

Двигатели Стирлинга и концентрированная солнечная энергия

Двигатели Стирлинга обеспечивают аккуратный метод преобразования тепловой энергии в движение, которое может привести в движение генератор. Наиболее распространенная схема состоит в том, чтобы двигатель был в центре параболического зеркала. Зеркало будет установлено на устройство слежения, чтобы солнечные лучи фокусировались на двигателе.

* Двигатель Стирлинга как приемник

Возможно, вы играли с выпуклыми линзами в школьные годы. Сосредоточение солнечной энергии для сжигания листа бумаги или спички, я прав? Новые технологии развиваются день ото дня. Концентрированная солнечная тепловая энергия приобретает все большее внимание в эти дни.

Выше приведен короткий видеофильм о простом двигателе с пробиркой, использующим стеклянные шарики в качестве вытеснителя и стеклянный шприц в качестве силового поршня.

Этот простой двигатель Стирлинга был построен из материалов, которые доступны в большинстве школьных научных лабораторий и может быть использован для демонстрации простого теплового двигателя.

Диаграмма давление-объем за цикл

Процесс 1 → 2 Расширение рабочего газа на горячем конце пробирки, тепло передается газу, и газ расширяется, увеличивая объем и толкая поршень шприца вверх.

Процесс 2 → 3 По мере движения мрамора к горячему концу пробирки газ вытесняется из горячего конца пробирки на холодный конец, а по мере движения газа он отдает тепло стенке пробирки.

Процесс 3 → 4 Из рабочего газа отводится тепло, и объем уменьшается, поршень шприца движется вниз.

Процесс 4 → 1 Завершает цикл. Рабочий газ движется от холодного конца пробирки к горячему концу, поскольку мраморные шары вытесняют ее, получая тепло от стенки пробирки, когда она движется, тем самым увеличивая давление газа.

Пост опубликован: 14 апреля, 2020

Генерация электроэнергии почти всегда связана с появлением побочного продукта – тепла. Даже фотоэлементы нагреваются, что снижает их КПД. Однако есть целый кластер устройств, в которых тепло не рассеивается, а может быть использовано для бытовых нужд. Сердце таких генераторов – двигатель Стирлинга.

Двигатель внешнего сгорания

Базовое отличие двигателя Стирлинга в том, что топливо сгорает не внутри цилиндра, а снаружи. Следовательно, внутреннее пространство остаётся герметичным и идеально чистым, без нагара и необходимости его обслуживания. Работает он практически бесшумно, так как нет детонации обогащённой топливной смеси.

Остальные достоинства можно обозначить так:

  • Абсолютная экологическая безопасность.
  • Простейшая конструкция обеспечивает высокую надёжность.
  • Чрезвычайно высокий моторесурс.
  • Всеядность по отношению к источнику тепла.
  • Очень высокий КПД.

Обеспечить более полное сгорание топлива гораздо легче снаружи цилиндра, чем внутри. Нагрев можно проводить не только углеводородными энергоносителями, но энергией Солнца, используя высокотемпературные солнечные концентраторы. В такой комбинации, КПД альтернативного генератора электроэнергии превышает 30%!

Для сравнения – лучшие серийные фотоэлементы демонстрируют КПД только 24%. Именно бесшумность была решающим фактором для установки двигателя Стирлинга на подводные лодки последних серий в Японии и Швеции.

В середине 80-х годов 20-го века, в США собрали и установили двигатель Стирлинга в автомобиль Chevrolet Celebrity!(Chevrolet Celebrity MOD 2 Stirling)

На фото автомобиль AMC Spirit Stirling experimental engines

Результаты были поразительны: глушитель, смазка и катализаторы были уже не нужны, экономия топлива достигала 45%, а ускорение практически не изменилось.

На фото автомобиль NASA’s Stirling-engined Dodge D-150

Двигатели Стирлинга используются НАСА(NASA) даже в космических аппаратах.

Но у них есть и недостатки.

Для получения максимально достижимого на практике КПД, необходимо обеспечить очень высокую разницу температур в холодной и горячих частях цилиндра. В противном случае, снижается «удельная мощность».

На фото автомобиль P-40 OPEL STIRLING ENGINE

Идеальным рабочим телом (газом) является водород, но его молекулы настолько малы, что им удаётся «напитывать» материал цилиндра. Следующий по эффективности газ – гелий, но он дорогой. А КПД снижается на 5%. Но можно использовать и азот, и аммиак, и даже осушенный воздух. Но мощность будет ниже идеальной.

Серийные генераторы и микроТЭЦ на двигателе Стирлинга

Однако все эти недостатки не помешали фирме «Филипс» (Philips Stirling Engine), создать для массового производства проект переносного электрогенератора Стирлинга модель MP1002CA ещё в начале 50-х годов.

Он был предназначен для работы от любого горючего, вплоть до пальмового масла, и генерировал 0,2 кВт электроэнергии. Обиходное название – «Генератор для бунгало». Но к моменту производства, выяснилось, что он не может конкурировать по стоимости с аналогами на двигателе внутреннего сгорания. Поэтому их выпустили не более пятнадцати дюжин. И те разошлись по учебным заведениям, для наглядной демонстрации.

В наше время небольшие фирмы разрабатывают аналогичные устройства. Например в г. Магнитогорске, фирма «ЭНЕРГОТОНИКА» выпускает многотопливный мини теплоэлектрогенератор с двигателем Стирлинга ГДС-150.

Его масса всего 37 кг, он может работать на любом топливе, хоть на дровах, хоть на газе.

В режиме 7/24 работает несколько месяцев. Но в таком режиме он вырабатывает 0,2 кВт электричества + тепло для отопления. На короткий промежуток устройство выдаёт до 1кВт.

К коттеджу такой источник альтернативной энергии не подключишь, а вот в лесной заимке, охотничьей сторожке, на рыбацком стане или в избушке лесника, или для кемпинга ГДС-150 будет вписываться идеально.

Для частного жилого дома «ЭНЕРГОТОНИКА» под заказ выпускает микроТЭЦ «АМТЭС-5/25ДО». Работает она на дровах (опилки, щепки, стружка), выдаёт в час 5 кВт электроэнергии и 25 кВт тепла, стоит 850 т.р.

Корейская фирма выпускает аналогичное устройство Navien Hybrigen SE.

Работает он на газе, и производит только 1 кВт электричества, а по цене гораздо дороже — 1,07 млн. р.

Немцы выпускают микроТЭЦ VITOTWIN 300-W Mikro-KW. Используя только газ, установка выдаёт 1 кВт электрической энергии и 6 кВт тепла. Стоит более 20,5 т. евро.

Обратите внимание, что все эти микроТЭЦ работают на двигателе Стирлинга. Только в западных странах они называются «m-CHP»

Сложности отечественного производителя

По техническим параметрам, российские микро ТеплоЭлектростанЦии на двигателе Стирлинга ни чем не уступают иностранным аналогам, а даже превосходят их по «всеядности». В ценовом сегменте они тоже выигрывают, но при внимательно изучении, оказывается, что стоимость может быть снижена в 3-5 раз!

Руководитель фирмы «ЭНЕРГОТОНИКА» Виктор Закомолдин дал довольно подробное объяснение. Оказывается в России абсолютно разрушены все производственные мощности, которые раньше выпускали простейшие комплектующие для дизельных двигателей и другие мелкие детали. Закупать их приходится в Китае. А доставка с растаможкой увеличивает стоимость в 7-10 раз! Политика Господдержки, объявленная правительством, оказалась фикцией.

При выходе на серийное производство из отечественных комплектующих, стоимость всей выпускаемой продукции будет снижена в 3,5-5 раз! Какая может быть тогда конкуренция, у немецкой m-CHP ценой 1,7 млн. руб, с отечественной микроТЭЦ за 300 т.р., если по техническим характеристикам Российский аналог уже вышел в отрыв.

Ведь работая в режиме максимальной производительности, магнитогорский микрогенератор АМТЭС-5/25ДО потребляет всего 10 кг опилок и древесной щепы в час! выдавая 5 кВт элетроэнергии и 25 кВт тепла. Фактически — золотая жила

Может быть после окончания эпидемии коронавируса COVID-19, ситуация начнёт исправляться. Но пока до 70% деталей закупается в Китае, изменений ждать не приходится.

Альтернативные источники тепла для генератора Стирлинга

Скрупулёзное изучение разных подходов в генерации электричества с использованием альтернативных источников энергии вскрыли любопытную особенность. Оказывается, что при комбинации высокотемпературных солнечных концентраторов с двигателем Стирлинга, КПД системы повышается до 34%!

Начиная с 2005 года, сначала в США, затем в Испании и даже в Великобритании, начали устанавливать альтернативные генераторы электричества, для которых не требовались такие высокотехнологичные материалы как фотоэлементы. Схематично такую конструкцию можно представить как параболическое зеркало, в фокусе которой помещали генератор на двигателе Стирлинга.

Эффект был потрясающий! Такое сочетание простейших устройств практически не имело недостатков:

  • Бесшумность работы;
  • Отсутствие любых выбросов в атмосферу;
  • Двигатели не требуют обслуживания;

Для работы в ночное время, разработчики придумали хитрую систему накопления избыточной тепловой энергии в локальных подземных теплоаккумуляторах.

Нагретый теплоноситель закачивается в небольшие подземные хранилища с высокой степенью теплоизоляции в течении светового дня. Ночью по системе изолированных трубопроводов этот теплоноситель подаётся на рабочий цилиндр генератора Стирлинга, и генерация не останавливается. Производительность снижается почти на 50%, но выработка электроэнергии идёт безостановочно круглые сутки!

Преимущество перед солнечными панелями проявлялось и в стабильности работы при переменной облачности. Ведь если Солнце закрывается облаками, то фотоэлементы резко снижаются производительность, а альтернативный генератор Стирлинга продолжает работать.

Одна такая солнечная тарелка Стирлинга на пике вырабатывает 34 кВт электроэнергии. Компания United Sun Systems с 2015 года выпустила более 20 тысяч таких устройств. Успешно функционируют серьёзные электростанции, например Imperial или Calico, которые генерируют более 800 МВт электроэнергии с самой низкой себестоимостью.

Некоторые из выпускаемых конструкцию, например SunCatcher, хорошо масштабируются, и небольшие солнечные тарелки Стирлинга мощностью 3-5 кВт устанавливаются на крышах зданий с 2010 года.

Альтернативный генератор Стирлинга в свой дом

Этот сегмент альтернативной энергетики практически не освоен на постсоветском пространстве. Сказывается политика правительства, которая препятствует развитию на практике альтернативной энергетики. Упор делается на нефтегазовый сектор, как в колониальных странах.

Для личных нужд, умельцы такую перспективную комбинацию начнут рассматривать в ближайшее время. Сразу, как только окончится переформатирование страны, скрытой под маской коронавирусной эпидемии COVID-19.

Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы:

Автономное электроснабжение

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на наш канал, Если статья Вам понравилась!

Следите за нами в твиттере: https://twitter.com/Alter2201

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши КОМЕНТАРИИ   (Ваши Комментарии очень помогают развитию проекта)

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:        

ALTER220 Портал о альтернативную энергию

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее!!!

Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий. image Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно [1]. Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники [2]. К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1). image Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так. Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза. Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так. Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали. В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2). image Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно. Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора. Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ. В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3). image Рисунок 3 — График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе. Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление. Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4). image Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно? Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно. Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе. image Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо. Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно. Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия. В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору [3]. image Рисунок 6 – Схема импульсной турбины Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине. А так турбина выглядит у них в реальности: image Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами. Так же, я разрабатываю собственный термоакустический двигатель, подробнее о котором можно узнать в этой статье:«Создание и запуск термоакустического двигателя» Список использованных источников [1] М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977. [2] Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986. [3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий