Двигатель стирлинга работает от солнца

Двигатель Стирлинга на солнечной энергии — Solar-powered Stirling engine

Питанием от солнечных батарей двигатель Стирлинга является тепловой двигатель питается от градиента температуры , генерируемого на солнце. Он был запатентован Роэлфом Дж. Мейером в 1987 году. Его изобретение сочетает в себе тепловой двигатель, такой как двигатель цикла Стирлинга , с солнечным коллектором для производства электроэнергии. Этот аппарат состоит из большой тарелки, которая концентрирует солнечную энергию в фокусе в центре тарелки. Концентрированная солнечная энергия приводит в действие двигатель цикла Стирлинга, который работает, позволяя теплу течь от горячего источника к холодному поглотителю для выполнения работы. Затем выходной сигнал цикла Стирлинга приводит в действие генератор для выработки электроэнергии. Более того, для оптимального сбора тепла двигатель Meijer на солнечной энергии требует, чтобы тарелка всегда была направлена ​​прямо на солнце, чтобы в солнечном коллекторе тарелки не было теней. Это представляло проблемы, потому что для того, чтобы устройство имело полный диапазон движения, необходимы системы смазки и вращения, которые могут поставить под угрозу стабильность конструкции.

3 августа 1976 года НАСА запатентовало второй тип двигателя Стирлинга, работающего на солнечной энергии. Он использовал солнечную энергию для перекачивания воды из реки, озера или ручья. Цель этого устройства состоит в том, чтобы «обеспечить недорогой, низкотехнологичный насос, особенно полезный в ирригационных системах, используемых в слаборазвитых засушливых регионах земли… [используя] основные принципы теплового двигателя Стирлинга.

Примерно в 2010 году компания Sunvention Solar Energy создала устройство, похожее на конструкцию НАСА, которое, по их словам, может перекачивать 100000 галлонов в день исключительно за счет солнечной энергии и цикла Стирлинга и стоило всего 1250 долларов США. Этот аппарат, как и другие, использует большую солнечную тарелку для сбора тепла от солнца для создания источника высокой температуры, а также использует воду низкой температуры из близлежащего ручья в качестве источника низкой температуры. Это обеспечивает широкий диапазон температур, что, в свою очередь, обеспечивает большую мощность. Аппарат Sunvention закачивает воду в близлежащие посевные поля, создавая «недорогой, низкотехнологичный насос, особенно полезный в ирригационных системах, используемых в слаборазвитых засушливых регионах земли».

Источник

15 минут Науки – Физика онлайн

Авторский образовательный сайт Артема Полежаки

Превращаем солнечный свет в электричество при помощи двигателей Стирлинга

Использование солнечной энергии – тема популярная. Как правило, речь идет солнечных батареях, вырабатывающих электричество благодаря фотоэффекту. Однако в данной статье пойдет об электростанции, работающей совсем по другому . Ее принцип действия более сложный и более интересный.

Главным элементом данной электростанции является двигатель Стирлинга. Это тепловая машина, она позволяет превращать тепловую энергию в механическую. Термодинамический цикл идеального двигателя Стирлинга несколько отличается от цикла Карно, однако его КПД также может достигать максимального возможного для тепловых машин:

Каждая установка солнечной электростанции состоит из 82 зеркал, размещенных на платформе. Платформа, как подсолнух, все время поворачивается за солнцем так, чтобы отраженные от зеркал лучи концентрировались и нагревали одну из сторон двигателя Стирлинга до 250 °С. Часть поступающего тепла двигатель расходует на вращение вала электрогенератора, часть – сообщает окружающему воздуху.

Установка превращает 30 % падающей на зеркала солнечной энергии в электричество. При ясном солнце, каждый “подсолнух” способен выдавать 25 кВт электричества.

Данные электростанции строила американская кампания Stirling Energy Systems. В ее планы входила постройка огромной солнечной фермы в пустыне на юге США. В проекте было 70 000 установок суммарной мощностью 1,75 ГВт. Но в 2011 году Stirling Energy Systems заявила о банкротстве, так и не построив ферму.

Задания

1. Какой максимальный теоретический возможный КПД может быть у данной установки, при температуре воздуха 20 °С?
2. Какие преимущества и недостатки у такого метода получения электричества, по сравнению с обычными солнечными батареями?
3. Как вы думаете, по каким причинам Stirling Energy Systems заявила о банкротстве?

Ответы и подсказки: Видео-презентация установки и солнечной фермы (англ.)

Источник

Двигатель Стирлинга на солнечной энергии

Продолжая тему солнечной энергии я расскажу о моих эксперименты с двигателем Стирлинга. А одна из следующих статей будет посвящена экспериментам с солнечными батареями. Также я обосную свое мнение: почему именно солнечные батареи имеют большие перспективы, несмотря на их высокую стоимость.

Вернемся к двигателю Стирлинга. Двигатель Стирлинга изобрел Роберт Стирлинг (Rev Dr Robert Stirling) 🙂 Двигатель Стирлинга, который работает по циклу Стирлинга не смог конкурировать с двигателем внутреннего сгорания, который работает по циклу Карно. Теоретически КПД обоих циклов примерно одинаковый, но на практике Двигатель Стирлинга реализовать с высоким КПД значительно сложнее, чем двигатель внутреннего сгорания. Это и стало решающим моментом в «борьбе» двух систем. Несмотря на это, двигатели Стирлинга остаются достаточно интересными и сейчас. Особенно, когда речь идет о преобразовании дармовой тепловой энергии, например — солнечной, в механическую.

Я не эксперт в вопросе строительства двигателей Стирлинга. Вообще я этим занялся исключительно под влиянием работ Игоря Белецкого г. Харьков http://physicstoys.narod.ru/ Если Вы хотите строить двигатели Стирлинга — Вам к нему. Я изготовил только одну модель, с одной целью — проверить эффективность двигателя Стирлинга для утилизации солнечной энергии. И, по возможности, сравнить с эффективностью и удобством солнечных батарей. При этом определить технические аспекты, которые могут возникнуть при реальной реализации реального проекта. Моя модель должна была работать от моего солнечного концентратора. Но, двигатель работал даже от тепла обычной лампочки мощностью 60 Вт.

Конструкция двигателя Стирлинга

Двигатель сделан из низкой стеклянной чаши (1). Я использовал чашку Петри. В ней расположен диск из пенополистирола (пенопласта), который выполняет роль вытеснителя (2). Можно использовать любой другой легкий материал. На нижней поверхности наклеена фольга, окрашенная в черный цвет. Эта поверхность будет нагреваться светом. Как я говорил ранее, планировалось, что двигатель будет работать от солнечного концентратора, поэтому расположение этой поверхности снизу — вполне логично. В верхней части вытеснителя размещен магнит (5). Я использовал небольшие неодимовые магниты диаметром 3 мм. Вес вытеснителя должна быть минимальным, чтобы под действием другого магнита на расстоянии 5-10 мм вытеснитель мог притягнутися к нему вверх. Стеклянная чаша накрыта металлической крышкой-холодильником (6) которая в центре имеет отверстие. Я использовал диск со старого HDD. К этому отверстию закреплена горловина (7) на которой закрепляется резиновая мембрана (кусок медицинской перчатки). На этой мембране закреплен другой магнит (4). Мембрана выполняет роль свободного поршня. Одновременно эта же мембрана будет работать и как поршень помпы.

Как работает двигатель Стирлинга

Когда мембрана поднимается на расстояние при которой магниты уже не могут удерживать вытеснитель, тот падает на дно стеклянной чаши (1) и вытесняет горячий воздух к холодильнику (6). Положение (С).

Воздух начинает охлаждаться и сжиматься. Что приводит к опусканию мембраны. Когда мембрана опустится достаточно низко, сила притяжения магнитов увеличивается и вытеснитель поднимается вверх, вытесняя холодный воздух в зону нагрева (положение (A)). Цикл повторяется.

Помпа с двигателем Стирлинга

В конструкции насоса мембрана (3) выполняет роль поршня двигателя и помпы одновременно. В качестве клапанов были использованы пластиковые шариковые клапаны от бытовых распылителей.

Это видео снято год назад. Предлагаю посмотреть что из этого получилось.

Во время экспериментов возникла техническая особенность, которая влияла на эффективность работы двигателя. Объем двигателя герметичен. Этот объем в состоянии покоя меняется в зависимости от атмосферного давления и температуры окружающей среды. То есть, если настроить двигатель при определенном атмосферном давлении — он работает идеально, но уже завтра атмосферное давление может измениться, следовательно объем в состоянии покоя тоже изменится. Это приводит к смещению среднего положения поршня, влияющим на эффективность работы двигателя.

На видео видно, как двигатель Стирлинга, работая от света обычной эклектической лампы мощностью 60 Вт, перекачивает воздух, то есть работает как помпа. Планировалось, что он будет перекачивать воду, но качество шариковых клапанов была достаточно низкой и они застревали после нескольких движений. Итак, система работоспособна, хотя и требует доработок и достаточно аккуратного изготовления всех деталей.

Эксперименты прекратились за технических сложностей. А именно:

• для солнечного концентратора обязательно нужна система ориентации на солнце;
• все детали двигателя должны изготавливаться из жаростойкого материала из за присутствия высоких температур;
• система ориентации на солнце с ее подвижными частями, солнечный концентратор и двигатель Стирлинга слишком громоздкие и не работают при отсутствии прямых солнечных лучей.

Все эти недостатки (кроме финансов) решили солнечные батареи. О которых я расскажу в следующей статье.

Источник

Двигатель стирлинга работает от солнца

В короткое время были построены и запущены в работу СЭС в Испании, Италии, Японии. В том числе Отечественная Крымская СЭС-5, вблизи г. Феодосия мощностью 5 МВт [1] и американская станция Солар-1[2] в Альмерии. Все эти станции были термодинамического типа, работающие по паротурбинному циклу Ренкина. Кэффициент полезного действия (степень использования энергии солнца) таких электростанций как правило не превышал 15 %. И тем не менее во всем мире были развернуты крупные проекты солнечных электростанций, установленной мощностью 30–400 МВт, в том числе по гибридным технологическим схемам. Крупнейшей в мире башенной СЭС термодинамического типа является электростанция Ivanpah Solar Electric Generating System , установленной мощностью 392 МВт (рис. 1) [3].

В некоторых схемах термодинамических СЭС, как например в СЭС фирмы «ЛУЗ», недостаточность или отсутствие солнечного излучения компенсировались сжиганием органического топлива в обычных котлоагрегатах [4].

Параллельно активизировались работы по прямому преобразованию солнечного излучения в электричество путем использования явления фотоэлектрического эффекта в кристаллических полупроводниках. Коэффициент полезного действия первых солнечных фотоэлементов (ФЭП) составлял около 4 %, что было намного меньше КПД первых солнечных установок термодинамического типа.

Однако неоспоримые преимущества ФЭП стимулировали дальнейшие работы по их совершенствованию. Каковы же эти преимущества? Это прежде всего минимальное количество преобразовавшей энергии: солнечное излучение → электроэнергия, которое получило название прямого преобразования солнечной энергии в электричество. Второе преимущество – простота конструкции СЭС, так как изготовленные на заводе солнечные батареи неподвижно закрепляются на легком решетчатом основании, ориентированные в плоскости максимального улавливания солнечной энергии. Третье преимущество – возможность создания автоматизированной электростанции с полным отсутствием эксплуатационного персонала, когда периодическое обслуживание оборудования технологической схемы осуществляется сервисной компанией по годовому графику в отведенное для этого периоды времени. Такого типа электростанция мощностью 100 МВт эксплуатируется в с.Охотниково Сакского района в Крыму (рис. 2).

Рис. 1. Самая крупная СЭС башенного типа Ivanpah Solar Electric Generating System в Южной Калифорнии (США)

Рис. 2. Солнечная электростанция в с. Охотниково

И тем не менее, низкий КПД солнечных батарей требует отведения больших земельных участков над СЭС, так как объем выработки электроэнергии определяется выражением:

где Э_СЭС – объем выработки электроэнергии, кВт∙ч;

J₀ – инсоляция в точке строительства СЭС, кВт∙м2;

F – площадь, занимаемая СЭС, м2;

η – замыкающий КПД технологического цикла СЭС;

λ – вероятность, что в расчетное время будет присутствовать солнечное излучение.

При этом большие площади, занимаемые солнечными электростанциями, указываются противниками новых технологий как один из важнейших отрицательных факторов солнечной энергетики.

Таким образом, повышение КПД является непременным условием сокращения площади земель, занимаемых солнечными электростанциями.

Так каковы же перспективы повышения КПД солнечных электростанций фотовольтаического типа? В настоящее время в открытой печати сообщается о следующих отечественных достижениях (табл. 1).

Таким образом, для промышленных солнечных электростанций на 2015 год могут быть использованы солнечные батареи с КПД солнечного преобразователя 10–12 %, что по замыкающему КПД (с учетом плотности застройки) η_СЭС ≈ 4–6 %.

В тоже время сторонники термодинамического преобразования солнечной энергии в электрическую обратились к термодинамическому циклу Стирлинга, который значительно эффективней широко применяемых циклов Отто, Дизеля, Ренкина. В солнечной установке на базе двигателя Стирлинга преобразование энергий удлиняется по цепочке: тепловая энергия → механическая энергия → электрическая энергия.

Однако термодинамический КПД цикла теоретически довольно высок и при нагреве горячего поршня Стирлинга до теоретически возможного для солнечной установки Тнагр = 3000 К при температуре окружающего воздуха Тхол = 300 К составляет

. (2)

Именно высокий теоретический КПД цикла привлекает исследователей и созданию солнечных установок с двигателем Стирлинга.

На сегодня различными фирмами создан ряд двигателей Стирлинга на жидком и газообразном топливе различных мощностей (табл. 2) [8].

Однако пока отсутствуют материалы, из которых можно изготовить горячий поршень Стирлинга, работающие при температуре 3000 К.

В последнее время большой интерес к солнечным установка на основе двигателей Стирлинга проявили и русские изобретатели. Наиболее перспективной установкой можно назвать солнечную установку со свободно поршневым двигателем Стирлинга и линейным генератором И. Белецкого [9].

Источник