Двигатель стирлинга работающий от солнца

Двигатель стирлинга работающий 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

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 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

Современный двигатель Стирлинга

Пост опубликован: 14 апреля, 2020

Двигатель Стирлинга альтернативный источник электричества и тепла

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

С такой микроТЭЦ на двигателе Стирлинга, жильё станет на 100% энергонезависимым. Например, можно поставить коттедж в поле, и к нему не надо будет тянуть линию электропередач и газопровод! А одна проектная разработка этих коммуникаций будет стоить гораздо больше миллиона. Впоследствии, предстоит оплачивать постоянно растущие тарифы на газ и электроэнергию.
В составе магнитогорской микроТЭЦ, имеется бункер на 0,7 куб. м. Одной полной загрузки хватает на 2 суток беспрерывной работы. Тепло можно использовать не только для отопления жилья, но и для бани, хранить в теплоаккумуляторе.
И главное ничего не надо изобретать! Всё уже имеется, но крупные заказчики ориентированы на углеводородные энергоносители, и привязку потребителя к центральным энергосетям.

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:

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:

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее.

Источник