Электростанции на двигателе Стирлинга — простота, экономичность и экологическая безопасность

Экология потребления.Наука и техника:Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой и эффективностью.

Менее ста лет назад двигатели внутреннего сгорания пытались завоевать свое законное место в конкурентной борьбе среди прочих имеющихся машин и движущихся механизмов. При этом в те времена превосходство бензинового двигателя не являлось столь очевидным. Существующие машины на паровых двигателях отличались бесшумностью, великолепными для того времени характеристиками мощности, простотой обслуживания, возможностью использования различного вида топлива. В дальнейшей борьбе за рынок двигатели внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, надежности и простоте взяли верх.

Дальнейшая гонка за совершенствования агрегатов и движущих механизмов, в которую в середине 20 века вступили газовые турбины и роторные разновидности двигателей, привела к тому, что несмотря на верховенство бензинового двигателя были предприняты попытки ввести на «игровое поле» совершенно новый вид двигателей — тепловой, впервые изобретенный в далеком 1861 году шотландским священником по имени Роберт Стирлинг. Двигатель получил название своего создателя.

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА: ФИЗИЧЕСКАЯ СТОРОНА ВОПРОСА

Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.

При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.

Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.

Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.

Все двигатели Стирлинга работают по принципу цикла Стирлинга, включающего в себя четыре основные фазы и две промежуточные. Основными являются нагрев, расширение, охлаждение и сжатие. В качестве стадии перехода рассматриваются переход к генератору холода и переход к нагревательному элементу. Полезная работа, совершаемая двигателем, строится исключительно на разнице температур нагревающей и охлаждающей частей.

СОВРЕМЕННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ СТИРЛИНГА

Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:

• альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
• бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
• гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель.

Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.

Настольная электростанция Стирлинга, купить которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:

• большие размеры, которые вызваны потребностью к постоянному охлаждению работающего поршня;
• использование высокого давления, что требуется для улучшения характеристик и мощности двигателя;
• потеря тепла, которая происходит за счет того, что выделяемое тепло передается не на само рабочее тело, а через систему теплообменников, чей нагрев приводит к потере КПД;
• резкое снижение мощности требует применения особых принципов, отличающихся от традиционных для бензиновых двигателей.

Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:

• любой вид топлива, поскольку как любые двигатели, использующие энергию тепла, данный двигатель способен функционировать при разнице температур любой среды;
• экономичность. Данные аппараты могут стать прекрасной заменой паровым агрегатам в случаях необходимости переработки энергии солнца, выдавая КПДна 30% выше;
• экологическая безопасность. Поскольку настольная электростанция кВт не создает выхлопного момента, то она не производит шума и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. В виде источника получения мощности выступает обычное тепло, а топливо выгорает практически полностью;
• конструктивная простота. Для своей работы Стирлинг не потребует дополнительных деталей или приспособлений. Он способен самостоятельно запускаться без использования стартера;
• повышенный ресурс работоспособности. Благодаря своей простоте, двигатель может обеспечить не одну сотню часов беспрерывной эксплуатации.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА

Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию.

Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стирлинга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелии или водород. опубликовано econet.ru

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Бег по кругу, или Опять все тот же Стирлинг?

Продолжаются попытки коммерческого использования в Европе двигателя Стирлинга в бытовых системах для выработки электроэнергии.

Ученые из Университета Эрлангена – Нюрнберга им. Фридриха-Александра (FAU) в Баварии за последние несколько лет разработали комбинированную установку микро-ТЭС, состоящую из топки с кипящим слоем и двигателя Стирлинга номинальной электрической мощностью 5 кВт.

Проведено длительное тестирование установки при различных режимах работы и с использованием разных материалов (песка и других) для кипящего слоя. Максимальный КПД по электроэнергии составил 15%, а КПД установки выше 90%.

Предельно допустимые нормы выбросов СО и эмиссия мелкодисперсных частиц (пыли) оказались ниже норм, установленных в ФРГ Федеральным законом о защите окружающей среды от экологически вредных выбросов BImSchV (сокр. от Bundesimmissionsschutzverordnung).

Длительная работа при полной нагрузке доказала успешность вышеописанной концепции использования двигателя Стирлинга с топкой с кипящим слоем. Помимо достижения высокой эффективности микро-ТЭС, значительно уменьшилось зашлаковывание теплообменных поверхностей и коррозионные процессы.

В 2019 году в рамках проекта BioWasteStirling перешли от лабораторных тестов описанной микро-ТЭС к практическим шагам – так называемым полевым испытаниям. В этом проекте наряду с FAU принимают участие компании SWW Wunsiedel Frauscher и Thermal Motors. При полевых испытаниях должна быть обеспечена надежная работа микро-ТЭС в течение длительного времени и подтверждены на практике результаты всех проведенных ранее лабораторных испытаний и тестов. В случае успеха, в котором разработчики из Университета FAU нисколько не сомневаются, планируется коммерциализировать проект микро-ТЭС на основе топки с кипящим слоем и двигателя Стирлинга и довести его до серийного производства.

Стоит напомнить, что в ЕС, и в частности в ФРГ, более 10 лет ряд производителей экспериментировали с внедрением двигателя Стирлинга в малой энергетике. Для генерации электрической и тепловой энергии его использовали в комбинации с пеллетной горелкой, газовыми и твердотопливными (на щепе, дровах и другой твердой биомассе) котлами, солнечными коллекторами и газовыми генераторами. К примеру, фирма Qalovis GmbH использовала двигатель Стирлинга производства США в сочетании с газогенератором прямого процесса с неподвижным слоем, представляющим собой вертикальную шахту, в которую сверху загружается топливо, дутье подается в нижнюю часть, а генераторный газ отводится сверху, то есть газы движутся по шахте газогенератора в направлении, противоположном подаче топлива. На выходе получили 36 кВт электроэнергии и 120 кВт тепловой энергии. При такой комбинации, в отличие от классической схемы ТЭС (газогенератор и поршневой двигатель), не требуется многоступенчатая и дорогостоящая очистка генераторного газа.

Немецкий производитель котлов Viessmann предлагает микроТЭС с двухпоршневым двигателем Стирлинга Viessmann-Vitotwin, смонтированную в одном компактном корпусе с газовым котлом Vitodens 200-W. Электрическая мощность этой станции равна 1 кВт при КПД 15%, а тепловая – 5 кВт. Общий КПД установки 85%, ее вес 100 кг.

Во многих европейских странах также пробуют использовать двигатель Стирлинга в бытовых микро-ТЭС.

К сожалению, бурная деятельность некоторых производителей подобных микро-ТЭС в Европе закончилась банкротством. Прежде всего нужно упомянуть компанию Sunmachine, которая выпускала микро-ТЭС электромощностью 1,5–3 кВт и тепловой мощностью 4,5–10,5 кВт. Станция состояла из двигателя Стирлинга и пеллетной горелки.

Не пошла в серию и разработка компании SenerTec Dachs Stirling, хотя по индивидуальным заказам она готова производить микро-ТЭС с двигателем Стирлинга (1 кВт электроэнергии и 6 кВт тепловой энергии).

В 2012 году заявила о банкротстве компания Efficient Home Energy SL (EHE) – испанский производитель микро-ТЭС с двигателем Стирлинга. Примерно одна тысяча выпущенных компанией мини-ТЭС WhisperGen для частных малоэтажных домов были установлены по всей ФРГ. Однако после объявления о банкротстве ЕНЕ прекратила поставку запчастей, сервисное, гарантийное обслуживание и ремонт своих установок.

Одной из основных причин несостоятельности некоторых компаний – производителей микро-ТЭС с двигателем Стирлинга – это, безусловно, очень высокая цена их установок: Dachs Stirling – почти € 18 тыс., а Sunmachine – € 26 тыс. И это всего за 1 кВт·ч и максимум 3 кВт·ч электроэнергии соответственно! Даже при закрепленной законодательством в странах ЕС возможности подачи выработанной на таких микростанциях электроэнергии в сеть, субсидиях и «зеленом тарифе» это все равно очень дорогое удовольствие, окупаемое за много лет.

Vitotwin 300W

Разработчики из FAU учли основные ошибки предшественников и, помимо вышеописанного технологического решения, установили оптимальную конечную мощность микро-ТЭС по электроэнергии 5 кВт. В перспективе при серийном производстве стоимость таких микро-ТЭС должна быть сопоставима с установками других компаний, генерирующими всего 1 кВт электроэнергии.

Напомним, что двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты, в которых, в отличие от двигателя внутреннего сгорания (ДВС), горение происходит вне рабочих цилиндров. Работа этого двигателя построена на принципе изменения объема газа при нагреве и охлаждении в замкнутом пространстве цилиндра. Интересно, что изобрел его в ХIХ веке не механик или физик, а шотландский священник Роберт Стирлинг. История его изобретения уникальна: эти двигатели были забыты, но успешно пережили и паровые машины, и двигатели внутреннего сгорания и возродились уже в ХХ веке. Универсальной методики расчета двигателя Стирлинга нет, несмотря на то что изобретению уже более 200 лет. Практически все разработки этого двигателя становятся ноу-хау и коммерческой тайной.

Преимущества двигателя Стирлинга перед ДВС следующие: возможность использования топлива любого вида (внешний подвод тепла от любого источника); максимально простая конструкция – отсутствие клапанов, распредвала, системы зажигания, стартера – обеспечивает долговечность двигателя при непрерывной работе (от 10 до 20 лет до капремонта с техобслуживанием один раз в 2,5–3 года); отсутствие смазки, обеспечивающее существенную экономию при эксплуатации; экологичность за счет отсутствия выхлопа; низкий уровень шума. Кроме того, двигатель Стирлинга обратимый, то есть при подводе извне тепловой энергии на валу (маховике) получают механическую энергию, а при прокручивании вала – холод. Поэтому двигатели Стирлинга широко применяются в криотехнике.

Однако у изобретения Стирлинга есть существенный недостаток – высокая стоимость, обусловленная необходимостью использования термостойких сплавов и цветных металлов, их сварки и пайки, изготовления регенератора и пр. Для производства двигателей Стирлинга требуется высокотехнологичное оборудование и персонал высокой квалификации, что также значительно удорожает их. Высокие наукоемкость и технологичность производства, а также использование дорогостоящих материалов стали основными сдерживающими факторами широкого распространения двигателей Стирлинга. Но при неограниченном финансировании совсем другая картина: двигатели Стирлинга используются в энергоустановках на космических спутниках и кораблях и современных подвод­ных лодках.

Во многих российских регионах с децентрализованной энергетикой высокая стоимость двигателей Стирлинга не должна стать препятствием для их использования, поскольку там тарифы на электроэнергию, вырабатываемую дизель-генераторами, составляют до 40–60 руб./1 кВт·ч и выше, а топлива в виде древесных отходов более чем достаточно. Микро-ТЭС с двигателем Стирлинга можно использовать и там, куда слишком дорого или невозможно подавать электроэнергию.

В России в районах без централизованного электроснабжения проживает около 13% населения, то есть больше 19 млн человек. А централизованное электроснабжение обеспечено только на трети территории страны.