Двигатель стирлинга как генератор электроэнергии

В Китае создали самый мощный в мире термоакустический генератор Стирлинга — для космоса и подводного флота

Китайские источники сообщили, что учёные страны создали самый мощный в мире термоакустический генератор Стирлинга. Работающая практически бесшумно компактная установка длиной 2 м выдаёт 100 кВт электрической энергии. Патент на устройство в своё время получило NASA (LEW-TOPS-80), но агентство всё ещё не создало рабочую установку. Такие генераторы идеальны для использования в космосе и в подводных лодках. Китай рассматривает обе сферы применения.

Источник изображения: SCMP

Представленный термоакустический генератор Стирлинга создали в Техническом институте физики и химии (TIPC) при Китайской академии наук (CAS). Его длина достигает 2 м при максимальном диаметре 0,63 м. Своим внешним видом генератор похож на гантелю. В ходе проведённой недавно демонстрации прототип выдал революционную мощность в 102 кВт при температуре источника тепла 530 °C. Это первый в мире случай, когда данный тип генератора преодолел порог в 100 кВт, что является важной вехой для его практического применения.

«В настоящее время эффективность термоэлектрического преобразования составляет около 28 %, а при использовании более горячего теплоносителя с температурой 600 градусов эффективность может достигать 34 %», — заявили разработчики. Тем самым перспективная установка приблизилась по КПД к классическим паровым турбинам с сохранением массы собственных достоинств — это почти бесшумная работа, использование абсолютно любого источника тепла, простота конструкции и малое количество подвижных частей.

Инновационная система состоит из термоакустического двигателя Стирлинга и линейного двигателя, заключенных в жёсткую оболочку (что служит дополнительной звукоизоляцией). Двигатель преобразует тепло в звуковые волны, которые, резонируя, образуют бегущую звуковую волну. Звуковая волна приводит в движение поршень линейного генератора, вырабатывающего переменный ток.

«Рабочей средой служит гелий под высоким давлением 15 Мпа (150 атмосфер), а отсутствие механических частей, нуждающихся в смазке, означает, что срок службы генератора может превысить десятилетие», — поясняют разработки. — Он работает тихо и эффективно, может использовать различные виды тепла, включая солнечную энергию, отработанное тепло и биомассу».

Добавим, Китай уже испытывает двигатели Стирлинга с линейными генераторами в космосе. Так, в апреле этого года сообщалось, что один из таких прототипов был испытан на станции «Тяньгун», что стало первым в мире испытанием двигателя Стирлинга на орбите. В России созданы более классические варианты генераторов на двигателях Стирлинга. Например, дочерняя организации НПО «Наука» — «Наука-Энерготех» — разработала 1-кВт свободно-поршневой генератор «Эвогресс» для автономного электропитания в удалённых локациях, но это уже другая история.

Источник:

Бег по кругу, или Опять все тот же Стирлинг?

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.

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.

Текст Сергей Передерий, s.perederi@ eko-pellethandel.de

Двигатели Стирлинга — технологический прорыв в автономной энергетике XXI века

Сейчас уже всем очевидно, что одним из основных направлениями развития экономики и научно-технического прогресса в XXI веке становятся задачи поиска перспективных техноло­гий энергопреобразования и серийного производства новой техники на основе высокоэф­фективных термодинамических циклов с использованием возобновляемых видов топлива и новых рабочих тел. Это означает создание, производство и внедрение в массовое применение таких высокоэффективных и экологически чистых энергосистем, которые бы обеспечивали удовлетворение нужд промышленности и населения в энергии при минимальных затратах мате­риальных ресурсов.

Во всех развитых странах мира (прежде всего, ЕС и США) основой инновационного развития промышленности становится задачи перехода на новый технологический уровень, связанный с энергосбережением, экологий и сокращением доли использования традиционных энергоресурсов. Так, к 2025 году в странах ЕС более 20% энергии будет производиться за счет использования альтернативных и возобновляемых видов топлива. В рамках решения этих задач, по оценкам многих зарубежных специалистов, наиболее перспективным путем является разработка, производство и широкое внедрение энергопреобразующих сис­тем на основе двигателей Стирлинга.

Термодинамический цикл рассматриваемых двигателей был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. Наличие двух изотерм определяет равенство термодинамической эффективности идеального цикла Стирлинга и цикла Карно. Поэтому теоретически двигатели, работающие по циклу Стирлинга, потенциально самые высокоэффективные машины из всех существующих типов двигателей.

Первые наиболее интенсивные и серьезные работы по созданию конкурентноспособных двигателей Стирлинга, отличающихся чистотой выбросов, низким уровнем шума ввиду отсутствия взрывного сгорания, отсутствием систем газораспределения и зажига­ния, высокой топливной экономичностью начались в 1934 году в голландской компании «Филипс».

С 1975 года до 1990-х годов работы по создание двигателей Стирлинга велись в основном для автомобилестроительных компаний, таких как, “GeneralMotorsCo”, “FordMotorCo”, “MAN-MBW” и для военных нужд. Транспортные двигатели Стирлинга, как правило, исполнялись по типу двойного действия, с линейным приводом и т.д. При создании транспортных двигателей Стирлинга, с учетом большого количества циклов «пуск-остановка» и часто меняющейся мощности, жестких требований по массе и размерам, применялись дорогостоящие материалы (например, кобальт, цинк, медь, никель и т.д.) и сложное технологическое исполнение оригинальных конструктивных элементов. Такой подход позволял добиваться максимальных среди всех поршневых двигателей показателей эффективности, но и значительно повышал стоимость изделий. В настоящее время за рубежом транспортные типы двигателей Стирлинга широко используются в аэрокосмической технике, подводном кораблестроении, в качестве источников энергии для переносных станций связи диверсионных групп и войск специального назначения, а также в других областях военной техники.

С середины 90-х годов прошлого века в области создания двигателей Стирлинга стало превалировать направление стационарных энергетических установок. При их серийном производстве и эксплуатации наиболее значимым показателем является стоимость, которая складывается из стоимости изготовления и обслуживания. Массовые и габаритные характеристики для стационарных когенерационных установок не являются столь определяющими. На основе этого, в современных типах двигателей Стирлинга заложены новые технические решения, позволившие значительно снизить их стоимость. Необходимо отметить, что рядом зарубежных фирм начато производство двигателей, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки в диапозоне мощностей от 1 до 100 кВт.

Основные технические характеристики предлагаемых сегодня на рынке энергетических установок на основе двигателей Стирлинга, зависимости от фирмы производителя, колеблется в пределах:

— удельная стоимость от 1300$ до 3000$ за киловатт установленной мощности;

— моторесурс от 20000 до 87000 часов;

— эффективный к.п.д. до 45%.

Необходимо отметить, что в последние годы на рынке производителей двигателей Стирлинга происходят серьезные изменения. К работам по созданию двигателей Стирлинга приступили практически во всех крупных энергетических компаниях мира. О своих программах по двигателю Стирлинга заявили такие ведущие в мире фирмы по производству энергетических установок, как «TODEM», “CumminsPowerGeneration”, “ToshibaCorp.”, “MitsubishiElectricCorp.” и др. Только за последний, 2007 год, появились новые мощные объединения, например, европейский швейцарско-немецкий концерн «Stirling Systems AG» и транснациональная корпорация, в состав которой входят ведущие американские, японские, итальянские и немецкие энергетические фирмы (“Merloni Termosanitari (MTS Group)” (Италия), “Bosch Group” (Германия), “Rinnai” (Япония), “Infinia” (США).

Появление столь крупных компаний, объединяющих в себе значительные финансовые и производственные мощности, объясняется новым более высоким уровнем требований к эффективности энергетических систем, их экологической чистоты, возрастанием требований по использованию возобновляемых и чистых местных энергоресурсов. Безусловно, уже в ближайшее время это приведет к жесткой конкурентной борьбе на рынке двигателей Стирлинга и автономных энергетических установок в целом.

Перспективы использования машин Стирлинга в различных областях энергетики в настоящее время стали очевидным для всех промышленно развитых стран мира, так по данным зарубежных экспертов, в настоящее время во всем мире не менее 140 научно-исследовательских организаций и компаний ведут интенсивные исследования в этом направлении. Ведущими странами в области проектирования и создания машин Стирлинга являются США, Великобритания, Япония, ФРГ, Швеция и Нидерланды. Кроме перечисленных стран, в последнее время начались интенсивные исследования по двигателям Стирлинга в Китае, ЮАР, Австралии, Израиле, Канаде, Индии и ряде других стран. Объективно, в последние 15-20 лет в мире начала формироваться новая перспективная отрасль машиностроения – стирлингостроение.

Что такое машины, работающие по циклу Стирлинга?

Машины Стирлинга — это машины, работающие по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.

Конструктивно, машины Стирлинга представляют собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: теп­лообменника нагрузки (нагревателя или конденсатора), регенератора и холодильника. В качестве рабочего тела используется, как правило, ге­лий, а также азот и воздух.

К достоинствам машин, работающих по циклу Стирлинга, следует отнести высокую степень экологической чистоты как самих рабочих тел машин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуата­ции, а также энергетическую эффективность.

К преимуществам машин Стирлинга следует отнести ряд принципиальных свойств, присущих только этим машинам и создающих реальные предпосылки для их широкого использования практически во всех областях промышлен­ности и техники, основными из которых являются:

* широкая универсальность самого термодинамического цикла, позво­ляющего при различном конструктивном исполнении создавать как преобра­зователи прямого цикла (двигатели), так и обратного цикла (холодильные и криогенные машины);

* наивысшая энергетическая эффективность (теоретический к.п.д. цикла идеальной машины Стирлинга равен к.п.д. цикла Карно);

* высокая степень экологической чистоты как самих рабочих тел ма­шин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуатации;

* многотопливность двигателей — возможность применения в качестве источников теплоты не только сгорание традиционных энергоносителей (нефтепродукты, природный газ и т.д.), но и солнечной радиации, биогаза, древесины, торфа, угля и т.д.

Среди выпускаемых двигателей энергетические установки с двигателем Стирлинга наиболее экологически чистые, так как концентрация вредных веществ в продуктах сгорания двигателя Стирлинга практически на два порядка ниже, чем у других поршневых и газотурбинных двигателей. Важнейшим потребительским свойство двигателей Стирлинга является самый низкий уровень шума по сравнению со всеми существующими двигателями других типов. В настоящее время этот показатель для двигателя Стирлинга колеблется на уровне 60-65 дБ. Это дает возможность устанавливать стирлинг-генераторы в непосредственной близости от потребителя, что позволит избавиться от потерь на передачу электроэнергии.

Современные области применения энергетических установок с двигателями Стирлинга

Современная мировая энергетика развивается в направлении децентрализации энергоснабжения, которое оказывает содействие созданию автономных когенерационных установок и максимального использования возобновляемых источников энергии. Исключительное свойство двигателей Стирлинга, как двигателя с внешним подводом теплоты, позволяет применять не только традиционные виды топлива, но также все без исключения виды альтернативных топлив, известных в настоящее время в мире, например, биогаз, уголь, отходы деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства, солнечную, атомную, высокопотенциальную теплоту дымовых газов и любые другие виды энергии, делает их особенно привлекательными в связи с использованием энергии из возобновляемых источников. Двигатель Стирлинга можно использовать во всех областях, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую.

Когенерационные энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на традиционном газовом топливе (природный газ и пропан).

Высокая экологическая чистота и эффективность обеспечивают перспективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках (КУ) мощностью до 100 кВт, для одновременной выработки электроэнергии и тепла в местах их непосредственного потребления. Это новая технология для комбинирован­ного производства электроэнергии и тепла, на основе автономных двига­телей и системы рекуперации тепла, в которой энергия охлаждающей воды и отработанных газов используется для нужд теплоснабжения потребите­лей. Эффективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами, обусловлена особенностью его теплового баланса, выражающегося в разнице между потерями теплоты с отработанными газами и в охлаждающую воду. Для двигателя Стирлинга этот баланс составляет, соответственно, 10% и 40%, что с учетом более высокого к.п.д. самого двигателя, позво­ляет создавать компактные и высокоэффективные когенерационные установки (КУ). К.п.д. современных зарубежных стирплинг-генераторов с учетом получения дополнительного тепла может достигать до 95%.

На рис. 1 представлен двигатель Стирлинга, работающий на природном газе мощностью 9 кВт. Данный двигатель входит в состав когенерационной установки вырабатывающей дополнительно около 27 кВт тепловой энергии.

Применение КУ на основе двигателей Стирлинга позволяет на 40% снизить расход топлива на производство электроэнергии и тепла, по сравнению с централизованным энергоснабжением. Себестоимость 1 кВт*.ч электроэнергии, выработанной в когенерационной установке, в 3 — 4 раза ниже, чем действующие тарифы централизованных энергосистем (для России. ), а тепло получается фактически бесплатным! Применение КУ позволяет эффективно допол­нять рынок теплоэнергоснабжения без реконструкции старых, перегруженных сетей. Автономная работа когенерационной установки позволяет обеспечить потребителей теплом и электро­энергией со стабильными темпе­ратурными показателями и ка­чественной горячей водой.

С 2008 года в Германии и в ряде других развитых стран реализуются федеральные энергетическая программы по установки в домах и квартирах когенерационных установок на двигателем Стирлинга с электрической мощностью от 1,5 кВт. По мнению немецких специалистов, предтворение в жизнь данного проекта позволит избежать строительства трех крупных атомных электростанций на территории страны.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на твердых биоресурсах.

В настоящее время ввиду истощения ранее разведанных запасов и удорожания органического топлива (нефти и природного газа), для многих стран мира представляет значительный интерес возмож­ность серийного производства электрогенераторов средней мощности (от 3 до 100 кВт) с модификацией двигателя Стирлинга под местное топливо. В качестве местного топлива для стирлинг-генераторов может использовать­ся торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и ле­соперерабатывающей промышленности. Решение данного вопроса уже в бли­жайшее время позволит обеспечить многие регионы мира дешевыми в экс­плуатации автономными энергоисточниками на местном топливе.

В настоящее время на рынке уже появились когенерационные установки с двигателями Стирлинга, в качестве топлива для которых используются древесная щепа, торф, биогаз и отходы сельского хозяйства.

Возврат к биоресурсам – это не возврат в прошлое, а разумный подход к экономике и экологии. Широкое использование автономных источников энергии, работающих на местном топливе, отражает мировую тенденцию на энерго- и ресурсосбережение. Наиболее интенсивно данное направление развивается в странах имеющих значительный запас биоресурсов (леса, торфяных болот и т.д.), к числу которых относятся: Швеция, Норвегия, Дания, Финляндия, России, страны Африки и Южной Америки. В России многие регионы обладают огромными запасами местного дешевого топлива. Так, например, Карелия (северо-западный регион России) располагает значительными ресурсами постоянно возобновляемой биомассы в виде древесных растений, торфа и отходов сельского хозяйства, которые могут быть использованы в энергетических целях. Запасы торфа в Карелии оценены в 2 млрд. тонн и ресурсы древесного сырья лиственных пород около 2 млн.м3/год. Только за счет использования торфа и древесного сырья можно на 60% уменьшить объем привозного топлива, а это практически третья часть бюджета Республики Карелия.

На рис.2 показан двигатель Стирлинга мощностью 28,5 кВт , работающий на древесной щепе.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на генераторном газе.

Другим направлением использования стирлинг-генераторов, работающих на твердой биомассе является использование технологии газификации биомассы. Газификация древесных отходов обеспечивает получение топливного газа, основу которого составляет СО, Н2 и N2 и который может быть использован в качестве газообразного топлива для двигателей Стирлинга. При получении генераторного газа из древесины его теплотворная способность обычно составляет 12-13 МДж/кг, удельная масса — 1,10 до 1,15 кг/м.куб. Выход газа, в среднем, 1,8-2,5 м.куб. на каждый килограмм газифицируемой биомассы. Благодаря высокой эффективности процесса газификации (выход генераторного газа — 85-90%), а также удобству использования газа в качестве топлива, газификация является более чистым и эффективным способом получения тепла, чем сжигание твердого топлива непосредственно в топке котла. Еще одним важным преимуществом является то, что для работы газогенератора можно использовать топливо низкого качества — опилки, стружка, измельченная кора.

Переработка древесных отходов методом пиролизного генерирования газа позволяет получать дешевую энергию. Газогенератор может решить проблемы по обеспечению теплом и электроэнергией население небольшого поселка или удаленной городской окраины крупного города. В качестве загрузочного материала могут быть использованы отходы из ближайшего леса — разобранные буреломы, кора, древесные отходы с плановых вырубок, ветви и т.п. В газогенераторе можно использовать наиболее плохие отходы древесины, низкокалорийные и содержащие высокий процент влаги — до 50%. Размеры древесных отходов, используемых в качестве топлива могут быть до 30 см .

В основе работы газогенератора лежит принцип: преобразование твердого топлива в газообразное под воздействием высокой температуры без доступа кислорода. В результате процесса, называемого пиролизом, вырабатывается генераторный, древесный газ. Газогенераторная установка предельно проста по конструкции, не требует специально обученного обслуживающего персонала в эксплуатации. Газогенератор состоит из трех основных частей: камеры газообразования, камеры возгорания и загрузочного бункера. Детали установки, работающие при повышенных температурах, изготавливаются из жаропрочных материалов. Высокая рентабельность газогенераторных стирлинг-генераторов определяется дешевизной электрической и тепловой энергии, использованием местных видов топлива, близостью к потребителю, отсутствием необходимости в дорогостоящих ЛЭП и подстанциях, экологической безопасностью и мобильностью.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на солнечной энергии.

Высокий к.п.д. и надежность конструкции двигателя Стирлинга обуславливают эффективность его использования в солнечных энергетических установках (Рис.3). Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух. Роль такого экологически чистого источника энергии в современном мире легко оценить. Из известных практически реализованных солнечных установок для получения электроэнергии наибольшим к.п.д. обладают установки с па­раболическими зеркалами и двигателями Стирлинга.

Среди наиболее значимых проектов по использованию солнечной энергии в настоящее время является проект создания грандиозной солнечной фермы на юге США. По данному проекту, на территории штата Невада площадью 160 кв. км будет создана, не имеющая аналогов в мире, гелиоэнерегетическая система на основе «солнечных» двигателей Стирлинга. В конечном счёте, проект предполагает компактное размещение десятки тысяч таких установок, которые будут трансформировать солнечную энергию и поставлять электричество юго-западным распределительным компаниям США.

Рис. 4. Солнечная ферма с двигателями Стирлинга в штате Невада

По расчетам американских специалистов, в случае удачного реализации данного проекта, на юге США будет создана ферма солнечных стирлингов, площадью 160х160 километров на юге США, которая покроет полностью всю потребность страны в электроэнергии.

Широко известны работы ряда крупных зарубежных фирм по созданию солнечных энергетических установок с двигателями Стирлинга для космических аппаратов, орбитальных космических станций и «лунных баз» с двигателями Стирлинга мощностью от 3 до 200 кВт. Фирмой «Алиссон» разработан и построен космический вариант солнечной установки с двигателем Стирлинга мощностью 5 кВт. Двигатель имел при n=3000 об/мин и к.п.д. равное 37,5%. В качестве источника теплоты использовался параболический лепестковый концентратор диаметром 5,8 м, который создавал в приемнике температуру 947 К. В ловушке приемника излучения предусматривался тепловой аккумулятор, отдававший тепло фазового превращения при постоянной температуре на теневых участках орбиты полета. Данная анаэробная установка имела массу 250 кг и долгое время работала на одном из искусственных спутников Земли (ИСЗ) типа «Джеминай».

В настоящее время разработкой солнечных энергетических установок с двигателями Стирлинга для объектов различного назначения занимаются ряд крупных зарубежных фирм, среди которых американская корпорация «NASA», фирма «Sanpower», анг­лийская фирма «Britisch Аerospace Public Сompany» и т.д. Так, компаниями «MC Donnall Donglas Aerospаcе» и «United Stirling AB» созданы несколько образцов «солнечных Стирлингов» мощности до 25 кВт.

Американская компания Infinia до конца текущего года рассчитывает завершить разработку конструкции новых электрогенераторов для развивающихся стран, построенных на основе солнечных двигателей Стирлинга. В отличие от традиционных солнечных батарей, коэффициент полезного действия которых составляет от 12 до 15 процентов и редко достигает 22 процентов, к.п.д. установки Infinia на основе двигателя Стирлинга, по прогнозам компании, будет составлять более 24 процентов. Мощность двигателя 3-5 кВт.

Атомные энергетические установки с двигателем Стирлинга.

Основные работы по созданию энергетических установок с двигателями Стирлинга, работающих за счет атомной энергии ведутся в США. Двигатель Стирлинга может обеспечить надежную работу энергетических установок с ресурсом более 5 лет (до 80000 часов) при к.п.д. преобразования тепловой энергии в электрическую, равном 35-40%. В качестве источника тепла для двигателя Стирлинга могут быть использованы радиоизотопные тепловые блоки и ядерные реакторы. Планируются, что атомные энергетические установки с двигателями Стирлинга мощностью от 0,5 до 15 кВт целесообразно использовать на долгоживущих пилотируемых и беспилотных космических аппаратах. Энергоустановки мощностью от 15 до 200 кВт и более целесообразно применять на пилотируемых орбитальных станциях или на обитаемых лунных базах с большими потребными мощностями. Так, по проекту “SP-100” для планируемой лунной базы в США создается ядерная энергоустановка с тремя двигателями Стирлинга общей мощностью 250 кВт и массой 3000 кг.

В 2011 год NASA отправила к спутникам Юпитера исследовательского зонда с ядерным реактором на борту. Но еще раньше — в 2009 году — атомный двигатель планируется использовать в очередной американской марсианской миссии. Разрабатывает «атомные Стирлинги» для NASA компания Lockheed Martin и Центр Гленна. В настоящее время уже разработан двигатель Стирлинга мощностью 25 кВт, который будет установлен в энергетическую установку с радиоизотопной накачкой.

Рис. 5.

Программа ядерных источников питания (Nuclear Power Program) имеет целью резко (на 1-2 порядка) повысить научную отдачу межпланетных миссий за счет увеличения продолжительности работы и производительности космических аппаратов и приборов, размещения на МКС нескольких посадочных аппаратов, приборов с высоким энергопотреблением, а также организации высокоскоростных каналов связи.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающими на нетрадиционном газовом топливе (биогаз, свалочный газ, попутном нефтяном газе и т.д.).

Одним из направлений применения местных биоресурсов является проект энергоснабжения небольшого населенного пункта с использованием двигателей Стирлинга, работающих на биогазе. Биогаз вырабатывается в метантенках на окраине поселка и подается по трубопроводам к индивидуальным домам, в которых установлены когенерационные установки с двигателями Стирлинга. На рис. 6 представлен эскиз данного проекта.

Биогаз представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофный и метанообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты – метан и углекислоту.

Перспективным направлением является и использования в двигателях Стирлинга в качестве топлива биогаза из городских твердых бытовых отходов (ТБО). Для производства биогаза из ТБО, измельченные отходы в метантенке перемешивают с канализационным осадок из первичных и вторичных отстойников очистных сооружений. В 2005 году впервые в мире в Китае был создан экспериментальный энергетический модуль мощностью 250 кВт с 5 двигателями Стирлинга, работающими на биогазе из городских твердых бытовых отходов. Испытания прошли успешно в течении 3 лет и в настоящее время принимается решение властями Китая о создании таких энергетических модулей на свалках твердых бытовых отходов всех городов Китая.

Рис. 7. Двигатель Стирлинга мощностью 50 кВт

Автономные энергетические установки с двигателями Стирлинга (стирлинг-генераторы) незаменимы в нефтегазовой промышленности при освоении новых месторождений, особенно в условиях Крайнего Севера и шельфа арктических морей, где нужна серьезная энерговооруженность разведочных, буровых, сварочных и других работ.

В этих условиях в качестве топлива можно будет использовать неочищенный природный газ, попутный нефтяной газ, добываемый совместно с нефтью, и газовый конденсат. Столь широкий спектр топлив делает стирлинг-генераторы универсальными источниками энергии. Таким образом, исчезает проблема с обеспечением энергией буровых скважин, вахтовых поселков, узлов связи и других автономных систем.

В настоящее время только в Российской Федерации ежегодно пропадает до 50 млрд. м3 попутного газа, который выходит вместе с нефтью. Собирать его сложно и дорого, использовать в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания нельзя из-за постоянно меняющегося фракционного состава, и чтобы газ не загрязнял атмосферу, он попросту сжигается. Однако этот газ может быть приемлемым моторным топливом для энергетических установок с двигателями Стирлинга.

По предварительным расчетам, стрилинг-генератор мощностью 100 кВт, работающий на природном или попутном нефтяном газе, сможет обеспечить электроэнергией и теплом вахтовый поселок газовиков, нефтяников или геологов численностью до 50 человек. Отпадает необходимость завозить топливо с материка и не наносить ущерб природе, поскольку минимизируются вредные выбросы.

Об экономической целесообразности серийного производства двигателей Стирлинга в Российской Федерации

В мировых обзорах по энергопреобразующей тех­нике, двигатель Стирлинга рассматривается как двигатель, обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки. Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ). В связи с этим, по сравнению с ДВС, в двигателях Стирлинга про­цесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает более равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двига­теля, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.

Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на раз­личных топливах, большой ресурс, сравнимые размеры и масса, хорошие характеристики крутящегося момента — все эти параметры дают возмож­ность машинам Стирлинга в ближайшее время значительно потеснить двига­тели других типов. В настоящее время наиболее перспективным является производство двигателей Стирлинга мощностью от 0,1 до 100 кВт, но уже в ближайшей время на мировом рынке появятся высокоэффективные двигатели Стирлинга мощностью до 1000 кВт.

К сожалению, в России из-за общего экономического спада разработкой машин Стирлинга на государственном уровне никто не занимается, хотя до 1990 года исследования в этой области техники проводились в 15 организациях военно-промышленного комплекса.

Учитывая, что в настоящее время в России практически отсутствует серийное производство конкурентоспособных энергетических установок мощностью от 1 до 50 кВт, производство высокоэффективных и экологически чистых машин Стирлинга является наиболее перспективным направлением в развитии отечественного машиностроения. Проведенные маркетинговые исследования показывают, что емкость отечественного рынка энергетических установок данного мощностного ряда составляет до 60 тыс. установок в год. Основными областями применения энергетических установок с двигателями Стирлинга в Российской Федерации являются: когенерация с использованием местного топлива; автономные источники для нефтегазового комплекса, включая катодную защиту; автономные источники для ЖКХ населенных пунктов; использование бросовой теплоты отработанных газов котельных установок и транспортных средств; анаэробные установки и др.

Наиболее перспективным является серийное производство электрогенераторов небольшой мощности с модификацией двигателя Стирлинга под местное биотопливо: торф, отходы сельского хозяйства и ле­соперерабатывающей промышленности. Новая технология открывает широкие возможности для снабжения электроэнергией и теплом не газифицированных сельских районов, поселков, фермерских хозяйств, животноводческих ферм, птицефабрик и т.д. Она также поможет решить многие проблемы жилищно-коммунальных хозяйств городов.

Серийное производство двигателей Стирлинга позволит обеспечить загрузку оставшихся высокотехнологичных предприятий отечественного машиностроения, конверсию ряда оборонных предприятий страны, экспорт наукоемких технологий в области автономной энергетики. С учетом имеющегося более чем 40-летнего опыта серийного производства

Стирлинг-генератор сельского профиля

Двигатель Стирлинга долгое время считался полузабытым курьезом энергетической техники. Однако столичные ученые с помощью Солнца, современных материалов и технологий опровергают эту точку зрения.

Разработка экологически безопасных или «зеленых», надежных и дешевых энергетических установок для получения, в частности, электрической энергии – это очень актуальное направление в малой энергетике нашего времени. Особенно в такой технике могут быть заинтересованы сельские потребители, доля которых на территории нашей страны не так уж мала.

Именно над разрешением такой проблемы работают Владимир Майоров, Владимир Панченко и их коллеги из лаборатории по направлению солнечной энергетики Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) Федерального научного агроинженерного центра под научным руководством академика РАН Дмитрия Стребкова.

Информационная фундаментальность

Первое, что необходимо отметить при рассмотрении вопроса о «зеленом» бестопливном стирлинг-генераторе, касается фундаментальной информационной поддержки. Разработчики данной техники настоящего и будущего обстоятельно и внимательно изучили труды предшественников в этой области, подготовили еще на проектно-изыскательной заре создания «зеленого» стирлинг-генератора интересные научно-технические обзоры (В. А. Панченко. Термодинамическое преобразование возобновляемой энергии посредством двигателя Стирлинга// Альтернативный киловатт. – 2010. – № 5. – С. 20‑29; В. А. Панченко. Применение различных рабочих тел в двигателе Стирлинга// Альтернативный киловатт. – 2011. – № 4. – С. 40‑42).

Здесь будет к месту сказать, что фундаментальный пласт научных знаний, в частности по двигателям внешнего сгорания и альтернативной энергетике, бережно сохраняется и умножается в стенах уникальной энергетической библиотеки ВИЭСХ силами и энергией ее заведующей – Татьяны Морозовой.

Солнце, воздух и фотостирлинг

«Спутниковая тарелка» вырабатывает электричество! Именно такая ассоциация приходит в голову, когда наблюдаешь за работой своеобразной бестопливной и экологически чистой в действии микроэлектростанции мощностью до нескольких сотен ватт. Экспериментальный образец, внешне действительно очень похожий на тарельчатую антенну спутникового телевидения, вполне может развивать столь малую электрическую мощность, хотя, думается, что принципиально реально достичь и, по меньшей мере, единиц электрических киловатт в более масштабных подобных энергетических установках.

Как известно, при работе фотоэлектрических приемников (преобразователей) совместно с параболоидными концентраторами солнечного излучения обнаруживаются определенные недостатки. К ним можно отнести: затемнение площади поверхности концентратора самим фотоэлектрическим приемником, определенная сложность фокусировки, потери энергии на рабочей поверхности концентратора, неравномерность засветки. Так, в центре фокального пятна параболоидного концентратора распределение приходящего солнечного излучения весьма однородно. Однако по мере удаления от центра распределение освещенности по поверхности концентратора изменяется; освещенность может снижаться в 1,5 раза и даже больше.

Как повысить эффективность параболоидного концентратора солнечного излучения? Ответ на этот вопрос ученым ВИЭСХ подсказало забытое прошлое из области энергетической техники XIX столетия в лице двигателя Стирлинга. Теперь последний стал весьма прогрессивным элементом в конструкции современной бестопливной и экологически чистой в действии микроэлектростанции, работающей от Солнца.

Сама принципиальная идея воплощения солнечного стирлинг-генератора была известна и раньше. К примеру, такую энергетическую установку для выработки электрической энергии предлагалось еще в 1960‑х гг. на страницах американского журнала «Популярная наука» изготовить в домашних условиях (H. Walton. Amazing No-Fuel «Space» Engine You Can Build// Popular Science. – 1965. – July. – P. 106‑110, 176). Однако российским ученым из ВИЭСХ удалось совместить воздушный двигатель Стирлинга, подобный по конструкции изображенному на рисунке (Stirling Engine for Solar Reflector by Doug Wehrly, GrabCAD Internet Community), с параболоторическим концентратором солнечного излучения и фотоэлектрическими преобразователями. Чем же хорош получившийся гибрид?

Комбинированная электростанция

Конструкция концентратора солнечного излучения выбрана из таких соображений, чтобы при совместной с ним работе двигателя Стирлинга обеспечивался эффективный нагрев рабочего тела (воздуха) в цилиндре. Сам концентратор фокусирует поток солнечной энергии на специальный приемник-нагреватель, входящий в конструкцию двигателя Стирлинга. Этим самым достигается нагрев приемника-нагревателя солнечными лучами до температуры порядка 400° C или больше. В радиаторе двигателя Стирлинга отработавший воздух охлаждается до температуры не выше 50° C. Что полезного дает это охлаждение?

КПД двигателя Стирлинга будет зависеть, в частности, от величины располагаемого перепада энтальпий рабочего тела на входе в двигатель и выходе из него. Поэтому, как нетрудно догадаться, с целью увеличения КПД стирлинг-электростанции конструкция двигателя дополнена системой водяного охлаждения. При этом, что интересно, водяная рубашка охлаждения двигателя является одновременно и посадочной поверхностью для фотоэлектрических элементов. Оригинально и полезно!

Почему в качестве рабочего тела для двигателя Стирлинга выбран воздух? Во-первых, атмосферный воздух распространен повсеместно, он бесплатен и является безопасным в обращении газом. Во-вторых, как известно, при низких частотах вращения и малых удельных мощностях эффективный КПД двигателя Стирлинга практически мало отличается при использовании в нем воздуха, гелия либо водорода. Так зачем же применять дорогостоящие или опасные газы, если можно с успехом обойтись даровым и безопасным? Вот вам и ответ на заданный выше вопрос.

Созданный в ВИЭСХ параболоторический концентратор солнечного излучения характеризуется, следует отметить, равномерной освещенностью по окружности цилиндрического приемника-нагревателя двигателя Стирлинга. Это, как оказывается, создает благоприятные условия для работы и фотоэлектрических элементов, обеспечивая их практически равномерную засветку. Кстати, лепестки концентратора солнечного излучения, которых в его конструкции предусмотрено 12 штук, были разработаны с использованием системы автоматизированного проектирования и изготовлены из тонкого светоотражающего листового алюминия. Между собой они были соединены в параболотороид. Сам же двигатель Стирлинга, обеспечивающий привод электромашинного генератора, был помещен в фокус этого параболоторического концентратора солнечного излучения.

Подводя итоги всему сказанному выше, хотелось бы заметить, что воздушный стирлинг-генератор микромощного класса принципиально возможно отапливать не только солнечными лучами, но и при помощи более традиционных для сельских потребителей нагревательных установок. Так, для этой цели вполне сгодятся печи и топочные устройства бытовых отопительных котлов.

Тогда может получиться не стирлинг-микроэлектростанция в чистом виде, а уже некое фактическое подобие микроТЭЦ, представляющее собой энергетическую установку для комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.