Суббота 21 сентября 2019

Альтернативная энергия и двигатели Стирлинга

Наша компания в последние 3 года активно занимается занимается  разработками в области альтернативной энергетики, а именно созданием механических устройств, которые бы преобразовывали внешнею тепловую энергию в механическую. Далее механическая энергия при помощи генератора преобразовывается в электрическую и генерируется потребителю.

Учитывая тот факт, что в Республика Молдова является аграрной страной, а так же то, что при выращивании и переработке сельхозпродукции остаются огромное количество не используемых сегодня отходов, приоритетным, на наш взгляд, является та технология, которая позволила бы нам использовать энергию горения этих отходов для выработки не только тепловой, но и  электрической энергии.

В РМ уже существуют ряд проектов, внедренных как правило при участии Международных организаций, и в которых используются пиллети – переработанные отходы соломы, кукурузы, дерева и прочее. Но, как правило, энергия горения используется только для выработки тепловой энергии.

После детального анализа в качестве механического преобразователя нами выбран двигатель (машина) Стирлинга.

stirling structuralКраткая история этого устройства.  

Сам двигатель был изобретен пастором Стирлингом в 1816 году, а в 1817 году им был получен патент на изобретение. Это была тяжелая машина весом больше тонны имеющей мощность чуть более одной лошадиной силы (менее одного Квт), а её механический КПД (коэффициент полезного действия)  был по разным оценкам не выше 3%. Она была открытого типа (т.е. не герметичная) и не имела регенератора. Основным достоинством было то, что её можно было изготовить в любой сельской кузнице, а так же то, что давление в ней было атмосферное.

Примечателен ещё один факт – цикл Карно, описывающий тепловые процессы газов, был открыт в 1825 году, т.е. спустя 9 лет после изобретения Стирлинга.

Это говорит об гениальности изобретателя, который на своих наблюдениях над процессами расширения и сжимания газов (воздуха) чисто интуитивно сконструировал свою машину. Впоследствии Стирлинг ввел в машину закрытый цикл (машина стала герметичной), а так же регенератор – устройство, которое накапливало и отдавало тепловую энергию в разных циклах работы машины. До конца 20-го века были изготовлены порядка 1 тысячи машин, которые были поставлены в основном в колонии (США) и некоторые из которых работают и по сей день. Их вес стал меньше, а КПД поднялось до 10%. Но машина Стирлинга была вытеснена с рынка вначале паровой машиной, затем паровой турбиной, и двигателями внутреннего сгорания, двигателем Дизеля. Новые машины за счет повышенного давления в рабочей полости (в цилиндрах и камерах) имели лучше показатель «вес/габарит/мощность».

Как работает классическая машина Стирлинга?

 В ИНТЕРНЕТе есть много информации по типам и принципу действия машины Стирлинга. Если коротко описать принцип действия, то можно сказать, что в течении 4-х циклов происходит расширение и сжатие газа в цилиндрах (их количество варьирует от одного до десятка), с нагреванием одних из них и отводом тепла от другогих. Регенератор при этом служит для аккумулирования тепловой энергии газообразного тела, вытекающего из горячей полости, и возвращения аккумулированной энергии газообразному телу при обратном движении – от холодной полости. От того, насколько хорошо работает регенератор, зависит общий КПД машины.

Преимущества машины Стирлинга:

- этот двигатель называют «двигатель внешнего сгорания» так как для его запуска необходима внешняя тепловая энергия, т.е. двигатель «всеяден»,

- в двигателе нет ни одного клапана,

- все процессы, протекающие в двигатели происходят без взрывов и резких изменениях давления, т.е. двигатель малошумящий,

- количество механических деталей, как правило, меньше в 1,5-2 раза по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и двигателями Дизеля,

- КПД сложных машин Стирлинга выше двигателя внутреннего сгорания (макс. 25%) и двигателя Дизеля (до 32%) и составляет у самых лучших образцов (32-34)%.

Недостатки машины Стирлинга: 

- для получения приемлимых массогабаритных параметров необходимы давления до 200атм. и применение высоко текучего гелия или взрывоопасного водорода,

- использования уплотнений, работающих без смазки,

- сложная конструкция теплообменников в горячей и холодной полости,

- сложная конструкция регенератора,

- высокоэффективная система охлаждения,

- отсутствие чёткой математической модели, описывающей все процессы,  протекающие в той или иной части машины.

Какие существуют типы машин? 

Классификация машин Стирлинга по типу, применяемому рабочему телу, конструкции и прочее очень сложная. Подробная информация содержится в ИНТРНЕТе. Исходя из сложности, значения КПД, применяемого рабочего тела и стоимости, мы для себя классифицировали машины на три основных типа:

ПЕРВЫЙ – сложный, с применением в качестве рабочего тела гелия или водорода, с рабочим давлением больше 200 атм., имеющие в составе регенератор. Их механический КПД выше 30%, зато стоимость и сложность изготовления высокая.

ВТОРОЙ – средний. В качестве рабочего тела используется воздух и/или азот, рабочее давление до 10атм., имеющие в своем составе регенератор. Их КПД редко достигает 20%, зато стоимость и сложность средняя,

ТРЕТИЙ – простой. В их конструкции отсутствует регенератор, давление 1 атм., и соответственно КПД - менее 4%. Большой габарит при малой мощности, зато цена низкая. Используется как модели, но применения в промышленности не нашли.stirling-2

 

Ход работ

Для изучения вопроса вначале нами были изготовлены 2 машина Стирлинга ПЕРВОГО типа, т.е. без регенератора, с рабочим давлением 1 атм. и воздухом в качестве рабочего тела. Были изготовлены 2 макета машин конструкции «ГАММА» и «БЕТА». На них отработаны методы замера механической мощности и КПД.

На сегодня проводится отработка узлов «регенератор», «теплообменник», «уплотнения». Эти работы проводятся над отдельными узлами. Целью этих исследовательских работ является получения рабочих узлов с их последующим применением в машинах ВТОРОГО типа. 

stirling-1

 

Наш выбор.

Исходя из наших возможностей, возможностей технологического парка станков, квалификации и опыта специалистов в Республике Молдова, нами был выбран ВТОРОЙ тип машины, т.е.  работающие при рабочем давлении не больше 10-ти атм., с регенератором и воздухом или азотом в качестве рабочего тела. В основном выбор основывается на создании безопасной и простой машины, с высоким ресурсом работы и малой стоимостью. Пользователь не должен обладать квалификацией или специальными знаниями при её эксплуатации, а неполадки не должны приводить к взрывам или иным опасным ситуациям.

 

ПОЧЕМУ МАШИНЫ ВТОРОГО ТИПА? 

Простой расчёт показывает, что для использования машины Стирлинга в сельской местности высокий КПД не нужен. И вот почему… Допустим, КПД машины равен 15%. О чём это говорит? Это означает, что 15% будут преобразованы в механическую (т.е. электрическую) энергию, а остальные 85% будут выведены их машины Стирлинга в качестве тепла, ведь для охлаждения машины нужен эффективный охладитель. Допустим, что машина вырабатывает 1.5 кВт* механической / электрической энергии, тогда система охлаждения машины выведет во внешний контур 8.5 кВт тепловой энергии с температурой (70-90)°С. Это соотношение так же хорошо при КПД машины 10% - на 1кВт*  электричества будет вырабатываться 9кВт тепла.

Примеры применения машины Стирлинга

В Республике Молдова выращиваются от 0.5 до 1.0 млн. тонн пшеницы. Примерно столько же остаётся соломы.

Энергетическая ценность соломы составляет примерно (0,6-0,7) от угля среднего качества (не путать вес и объем), что по энергетической ценности эквивалентно как минимум 300 тысяч тонн угля в самый плохой год. Для отопления среднее хозяйство в сельской местности потребляет порядка (1,0-1,2) тонн угла среднего качества, а количество хозяйств в сельской местности примерно равно 300 тысяч, т.е. для их полного обеспечения необходимо от 300 до 360 тысяч тонн угля среднего качества.

Вывод

Если всю солому,которая остается на полях, использовать для отопления и выработки электроэнергии,  то даже её практически хватит для этих целей. Так же можно применять отходы кукурузы, подсолнечника, а так же энергию Солнца. А для этого нужен «двигатель внешнего сгорания», коим и является машина Стирлинга.

* без учёта КПД преобразования механическая энергия / электрическая энергия.

SC ЭНЕРГИЯ  -  зарегестрированный товарный знак фирмы "SINCOS-PLUS" SRL