Электростанции на двигателе Стирлинга — простота, экономичность и экологическая безопасность

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

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

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

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА: ФИЗИЧЕСКАЯ СТОРОНА ВОПРОСА

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

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

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

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

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

СОВРЕМЕННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ СТИРЛИНГА

Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:

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

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

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

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

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

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

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

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

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА

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

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

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

Годится ли двигатель Стирлинга для электроснабжения дома?

В последнее время в сети начали появляться интересные предложения – газовые котлы, одновременно вырабатывающие электроэнергию. Котел, в принципе, обычный, но вот сердцем электрогенератора является двигатель Стирлинга. Существуют и другие разработки –электрогенераторы на базе этого двигателя и просто двигатели. Насколько серьезны такие предложения и имеет ли смысл использовать их для автономного электроснабжения? Попробуем разобраться в этом вопросе.

Немного истории

Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. В принципе, первые двигатели подобного рода были известны еще в XVII веке, сам Стирлинг лишь добавил к «двигателю горячего воздуха» регенератор, который сам изобретатель, по совместительству священник (или наоборот), назвал «эконом».

Интересно! В 1943 году Брат Роберта Джеймс установил такой двигатель на заводе, где он работал. В 1938 году компания «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и КПД более 30%. Правда, о том, чем закончился этот проект, история скромно умалчивает.

Принцип работы

Двигатель Стирлинга является машиной внешнего сгорания. Принцип работы – постоянно чередуемое нагревание и охлаждение рабочего тела, в роли которого выступает газ (обычно воздух, но применяются и другие газы и даже жидкости). В процессе работы рабочее тело не расходуется, двигатель ничего не выбрасывает и не получает кроме тепла. Цикл работы машины разделяется на 4 фазы:

В принципе, все просто как для понимания, так и конструктивно. Такой двигатель должен быть дешевым, надежным, долговечным и, самое главное, экологически чистым. Причем работать он может на практически на любой разнице температур. Как вариант, предлагается использовать разницу температур слоев воды в океане или улица-дом.

О чем говорят

Вернемся к Интернету. Одновременно с предложениями в сети появляется море статей, прославляющих этот чудо-двигатель, причем у некоторых авторов КПД таких машин может достигать 90%! У других блогеров машина размером с трехлитровую банку вырабатывает до 5 кВт электроэнергии. Третьи заявляют, что двигатель может работать на любом виде топлива – от газа и угля до старых бабушкиных калош. Только бери лопату и шуруй. Доморощенные Кулибины даже предлагают носить такие генераторы в поход. Сунул в рюкзак и пошел бодренько так.

Почему же этот почти идеальный двигатель до сих пор не применяется? Сунул под капот и поехал, поставил во двор и получай электроэнергию, а заодно и отопление. В комментариях, которых под статьями вагон и маленькая тележка, все сходятся на теории заговора. Энергокомпаниям, начиная от газовых и нефтяных, кончая электрическими, эта чудо-машина – нож по горлу. Этот же нож под ребро производителям всевозможных ДВС, парогенераторов, ТЭЦ, ГЭС, АЭС, в конце концов. Вот и пылится бедная машина под сукном.

Реальность

Что же, посмотрим, что это за волшебный двигатель и почему мы об него до сих пор не спотыкаемся на каждом шагу. Ведь 200 лет прошло с момента изобретения.

Как отмечалось выше, очень многие считают, что двигатель Стирлинга имеет фантастический КПД. Это не совсем так. Точнее, совсем не так. Если разогревать камеру, к примеру, обычной газовой конфоркой, а рабочее тело будет иметь умеренное (скажем, несколько атмосфер) давление, то КПД машины будет чуть выше, чем у паровоза.

Чтобы хоть немного приблизить этот параметр к КПД двигателя внутреннего сгорания, температуру подогрева придется поднять, а давление в камере увеличить хотя бы до сотни атмосфер. Да и воздух придется заменить на что-то более «годное» — к примеру, водород или гелий. Казалось бы, в чем проблема? Проблема в том, что камера и поршни при таком давлении будут подвергаться огромным нагрузкам. Из чугуна такой двигатель не отольешь. Потребуются высокотехнологичные материалы, но и они долго не проработают.

Что касается работы при малых перепадах температур, то о более-менее приемлемом КПД и речи не будет. Возможно, привод Стирлинга будет работать на разнице температур слоев воды (возможно, но не факт). Ну и что, что КПД низкий? Даровая же энергия! Но строить установку размером с плавучую буровую вышку и прокладывать многокилометровый кабель для того, чтобы обеспечить электроэнергией деревеньку в три хатки как-то обидно. А ведь ее еще надо обслуживать! Вот вам и «даровая».

Топливо

Да, двигатель Стирлинга теоретически может работать на любом топливе – главное, чтобы грело. Это так. Но греть надо тоже с умом. Не получится просто взять лопату и шуровать в топку уголь или подкидывать полешки. За температурой подогрева нужно следить и очень тщательно. Упала температура – упал КПД. Поднялась – двигатель вышел из режима и грозит просто развалиться. Значит, нужна какая-то автоматика. Использовать энергию Солнца? Зашло за тучки – КПД упал. Закатилось – привод встал. А автоматика, которая будет следить за Солнцем, и поворачивать вслед на ним рефлекторы? И тут халявы не получается.

Экология

Сам по себе мотор Стирлинга экологичен – он ничего не выбрасывает, ничем ничего не засоряет и не загрязняет. То же самое можно сказать и про ТЭЦ! Сама по себе она ничего не выбрасывает. Выбрасывает горелка, греющая турбины. Но и в машине Стирлинга есть горелка! Тем не менее, о Стирлинге говорят, что машина 100% экологична, а про ТЭЦ молчат. И то, и другое, увы, далеко от экологии.

Важно! Добиться полной экологичности можно, если использовать экологически чистый источник тепла – какой-нибудь гейзер, солнечную энергию и пр.

Габариты

То, что двигатель Стирлинга может иметь размеры трехлитровой банки – полнейший бред. Нет, можно построить и такой, но энергии, полученной от такой установки, не хватит даже для зарядки мобильника. Чтобы получить хоть какой-нибудь результат, придется оснастить установку огромными, массивными и металлоемкими теплообменниками. Весить та же двухкиловаттная машина будет с полтонны, а ее размерам позавидует стиральная машина-автомат.

Стоимость

Чтобы изготовить сколь-нибудь полезный двигатель, придется использовать очень дорогие высокотехнологичные материалы, плюс точная механика, плюс высокотемпературная горелка, управляемая процессором. В результате стоить такой генератор будет как небольшой космический корабль.

К примеру, Viessmann Vitotwin 300-W, фото которого приведено ниже, вырабатывает 6 кВт тепла для отопления и 1 кВт электроэнергии. Имеет габариты 900 х 480 х 480 мм, весит 100 кг. А обойдется такое чудо всего в 10 000 евро. Что касается КПД, то для двигателя Стирлинга, установленного в котле, он составляет 15%.

Важно! Для промышленной установки добавим к стоимости рабочее тело под высоким давлением, которое надо поддерживать (утечки при 100 атмосферах неизбежны), постоянное обслуживание, регулярную замену изношенных узлов, непрерывную транспортировку топлива (тоже не бесплатного).

Да будет свет?

С двигателем Стирлинга мы разобрались. Осталось решить, стоит ли его использовать для автономного электроснабжения. Если приобрести Viessmann Vitotwin 300-W, то это не электрогенератор, а слезы. 1 кВт – холодильник, компьютер да лампочки. О каком электроснабжении может идти речь? А постирать (ТЭН 2кВт)? А что делать летом, продолжать топить ради 1 кВт электроэнергии? Если покупать его как котел для отопления, а электрогенератор считать бонусом, то хорош получается бонус — 10 000 евро.

Полезно! Конечно, вышеприведенная модель не единственная, можно найти дешевле. Вот, к примеру, чисто электрогенератор Стирлинга. Работает от газа. Электрическая мощность 2 кВт, вес 470 кг, стоимость 4125 евро.

Когда окупится такое приобретение? Не нужно быть великим математиком, чтобы понять – никогда. Единственно, он может пригодиться, если нет альтернативы. Но не найти более дешевую альтернативу, вырабатывающую пару киловатт – это надо уметь.

К примеру, трехкиловаттную солнечную электростанцию, фото которой приведено ниже, можно купить за 2 000 евро. Делим 10 000 на 2 000, получаем 5. Пять солнечных электростанций – это 15 кВт. Совсем другое дело и никаких расходов на топливо. Это, конечно, пример. Вариантов много больше — бензиновый, ветрогенератор, гидрогенератор и пр.

Так что напрашивается очевидный вывод – использовать электрогенератор на базе Двигателя Стирлинга – полная глупость и пустая трата огромных денег.