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.

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.