Двигатель Стирлинга для автономного электроснабжения дома

Вот уже более 200 лет известен так называемый двигатель внешнего сгорании, изобретенный Робертом Стирлингом:

Схема двигателя достаточно простая, в ней меньше деталей и узлов, в отличие от двигателя внутреннего сгорания. В его конструкции рабочее вещество (как правило, воздух) движется по замкнутому контуру и не является расходным веществом. Подводится только тепло в систему. В отличие от парового двигателя, турбины или ДВС, где в систему нужно подводить и отводить рабочее вещество (вода, пар, жидкое топливо). Двигатель Стирлинга может работать на любом источнике получения тепла: дрова, уголь, газ.

Схема двигателя Стирлинга:

И анимация процесса работы:

Больше подводится тепла – быстрее передвижения поршня и вращение вала. Так же эта схема внешнего сгорания может иметь достаточно высокий КПД – до 90%.

Если задать поиск по картинкам в интернете, Вы увидите лишь демонстрационные или настольные модели, модели-самоделки, которые в лучшем случае вращают небольшой генератор, способный заряжать разве что мобильный телефон.

Практически ни одной промышленной или серийной модели. Удалось все же найти английскую модель газового котла, работающие от природного газа с функцией выработки электроэнергии двигателем Стирлинга:

Называется WhisperGen (бесшумный генератор) Пишут, что в 2012г. в Европе было установлено до 400 таких установок. Стоимость: 1,5 тыс. Евро.

Работает от газа. Электрическая мощность: от 2 до 9 кВт. Частота вращения двигатели 1500 об/мин. Вес: 470 кг. Стоимость: 4125 Евро (не известно на какую дату).

Но в основном, поиск Вам выдаст вот такие фотографии сувенирных моделей или самоделок:

Если сувениры – просто демонстрация этой схемы, то вторые – хоть могут вырабатывать электроэнергию с нагревом цилиндра свечкой или спиртовкой.

Можно приобрести себе такой сувенир:

Как такое возможно, что при универсальности (работе на различном топливе), простоте конструкции и при возможности масштабирования в размере — двигатель Стирлинга остается давно забытым двигателем, который так и не получил распространения?

В той же Англии в конце 19в. изготавливали промышленные образцы, которые использовали как водяные насосы:

Это двигатель Стирлинга 1895г. Работает от дровяного котла, в котором можно сжигать и уголь. Информация про этот дошедший до нас экземпляр в ролике, взятом с передачи канала Discovery:

Минусов у такого двигателя только два: время на разогрев и большие габариты при небольшой мощности.

Судя по размерам, двигатель способен вращать не только насос, но и генератор (через ременную повышающую передачу). А это уже путь к автономности любого объекта в удаленных лесных районах.

Думаю, что монополизм в области энергоносителей не пустил в жизнь этот двигатель. Получать прибыль от продажи топлива для ДВС гораздо выгоднее, чем просто производить установки для автономного электро и теплоснабжения.

Но пиролиз для получения горючего (а тем более, очищенного от загрязнений) газа – это более сложный путь. И к тому же ресурс двигателя внутреннего сгорания сокращается. Двигатель Стирлинга аналогичных пиролизному котлу размеров для привода генератора – это конструкция проще. Может быть как привод для насоса, генератора, подъемного механизма.

В середине 20 в. еще не все удаленные деревни в нашей стране были с централизованным электричеством. Привод генераторов от двигателей Стирлинга решал бы их вопросы. Почему не выпускали такие установки? Хотя пиролизные котлы ставили на грузовики тысячами! Возможно, не знали или никто из инженеров не предложил. Или есть «подводные камни» в процессе работы таких установок?

Давайте предположим, что сложностей нет и возможно произвести двигатель Стирлинга, работающий от небольшого котла. Котел, допустим, на 20-30 кВт тепловой мощности для отопления дома. Часть тепла от отопительного котла отбираем на работу двигателя и привод электрогенератора. Пусть 5 кВт – этого достаточно для освещения и питания электроприборов.

На мой взгляд, идеальная схема. Установка бы пользовалась спросом для строительства баз отдыха в удаленных местах. Создание фермерских хозяйств без доступа к электросетям – тоже упрощается. Построив биогазовую установку, можно получить источник энергии для котла.

Установку можно сделать в разных габаритах: переносная для туризма, стационарная — для зданий. При желании можно большинство отопительных котлов оборудовать такими двигателями для привода генератора. Можно поставить на варочную панель дровяной печи. В холодный период будет экономия на электроэнергии. Либо использовать как резервный источник электричества. Что думаете – напишите в комментариях…

Фотография взята из открытых источников, с сервиса Яндекс.Картинки

Подписывайтесь на канал, добавляйте его в закладки браузера (Ctrl+D). Впереди много интересной информации.

Как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях?

Можно, конечно купить красивые заводские модели двигателей Стирлинга, как например, в этом китайском интернет-магазине. Однако, иногда хочется творить самому и сделать вещь, пусть даже из подручных средств. На нашем сайте уже есть несколько вариантов изготовления данных моторов, а в этой публикации ознакомьтесь с совсем простым вариантом изготовления двигателя Стирлинга в домашних условиях.

Посмотрите ниже 3 варианта для самостоятельного изготовления.

Как изготовить дома работающий двигатель Стирлинга?

Дмитрий Петраков по многочисленным просьбам отснял пошаговую инструкцию по сборке мощного, относительно своих габаритов и потребляемого количества тепла двигателя Стирлинга. В этой модели задействованы доступные каждому зрителю и распространённые материалы – обзавестись ими способен любой желающий. Все размеры, представленные в этом ролике, автор подбирал на основе многолетнего опыта работы со Стирлингами такой конструкции, и для данного, конкретного экземпляра они являются оптимальными.

В этой модели задействованы доступные каждому зрителю и распространённые материалы, благодаря чему обзавестись ими способен любой желающий. Все размеры, представленные в этом ролике, подбирал на основе многолетнего опыта работы со Стирлингами такой конструкции, и для данного, конкретного экземпляра они являются оптимальными.

C чувством, толком и расстановкой.

Мотор Стирлинга в работе с нагрузкой (водяная помпа).

Водяная помпа, собранная в качестве рабочего прототипа, предназначена для работы в паре с моторами Стирлинга. Особенность насоса заключается в небольших затратах энергии, требуемых для совершения им работы: такая конструкция задействует лишь небольшую часть динамического внутреннего рабочего объёма двигателя, и тем самым по минимуму влияет на его производительность.

Мотор Стирлинга из консервной банки

Для его изготовления вам понадобятся подручные материалы: банка из под консервов, небольшой кусок поролона, CD-диск, два болтика и скрепки.

Поролон – одни из самых распространенных материалов, которые используются при изготовлении моторов Стирлинга. Из него делается вытеснитель двигателя. Из куска нашего поролона вырезаем круг, диаметр его делаем на два миллиметров меньше внутреннего диаметра банки, а высоту немного больше ее половины.

В центре крышки просверливаем отверстие, в которое вставим потом шатун. Для ровного хода шатуна делаем из скрепки спиральку и припаиваем ее к крышке.

Поролоновый круг из поролона пронизываем посередине винтиком и застопориваем его шайбой сверху и снизу шайбой и гайкой. После этого присоединяем путем пайки отрезок скрепки, предварительно распрямив ее.

Теперь втыкаем вытеснитель в сделанное заранее отверстие в крышке и герметично пайкой соединяем крышку и банку. На конце скрепки делаем небольшую петельку, а в крышке просверливаем еще одно отверстие, но чуть-чуть больше, чем первое.

Из жести делаем цилиндр, используя пайку.

Присоединяем с помощью паяльника готовый цилиндр к банке, так, чтобы не осталось щелей в месте пайки.

Из скрепки изготавливаем коленвал. Разнос колен нужно сделать в 90 градусов. Колено, которое будет над цилиндром по высоте на 1-2 мм больше другого.

Из скрепок изготавливаем стойки под вал. Делаем мембрану. Для этого на цилиндр надеваем полиэтиленовую пленку, немного продавливаем ее внутрь и закрепляем на цилиндре ниткой.

Шатун который нужно будет приделать к мембране, изготавливаем из скрепки и вставляем его в обрезок резины. По длине шатун нужно сделать таким, чтобы в нижней мертвой точке вала мембрана была втянута внутрь цилиндра, а в высшей – напротив – вытянута. Второй шатун настраиваем так же.

Шатун с резиной приклеиваем к мембране, а другой присоединяем к вытеснителю.

Присоединяем паяльником ножки из скрепок к банке и на кривошип пристраиваем маховик. Например, можно использовать СД-диск.

Двигатель Стирлинга в домашних условиях сделан. Теперь осталось под банку подвести тепло – зажечь свечку. А через несколько секунд дать толчок маховику.

Как сделать простой двигатель Стирлинга (с фотографиями и видео)

Давайте сделаем двигатель Стирлинга.

Мотор Стирлинга – это тепловой двигатель, который работает за счет циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа (рабочего тела) при различных температурах, так что происходит чистое преобразование тепловой энергии в механическую работу. Более конкретно, двигатель Стирлинга представляет собой двигатель с рекуперативным тепловым двигателем с замкнутым циклом с постоянно газообразным рабочим телом.

Двигатели Стирлинга имеют более высокий КПД по сравнению с паровыми двигателями и могут достигать 50% эффективности. Они также способны бесшумно работать и могут использовать практически любой источник тепла. Источник тепловой энергии генерируется вне двигателя Стирлинга, а не путем внутреннего сгорания, как в случае двигателей с циклом Отто или дизельным циклом.

Двигатели Стирлинга совместимы с альтернативными и возобновляемыми источниками энергии, поскольку они могут становиться все более значительными по мере роста цен на традиционные виды топлива, а также в свете таких проблем, как истощение запасов нефти и изменение климата.

В этом проекте мы дадим вам простые инструкции по созданию очень простого двигателя DIY Стирлинга с использованием пробирки и шприца .

Как сделать простой движок Стирлинга – Видео

Компоненты и шаги, чтобы сделать моторчик Стирлинга

1. Кусок лиственных пород или фанеры

Это основа для вашего двигателя. Таким образом, он должен быть достаточно жестким, чтобы справляться с движениями двигателя. Затем сделайте три маленьких отверстия, как показано на рисунке. Вы также можете использовать фанеру, дерево и т.д.

2. Мраморные или стеклянные шарики

В двигателе Стирлинга эти шарики выполняют важную функцию. В этом проекте мрамор действует как вытеснитель горячего воздуха от теплой стороны пробирки к холодной стороне. Когда мрамор вытесняет горячий воздух, он остывает.

3. Палки и винты

Шпильки и винты используются для удержания пробирки в удобном положении для свободного перемещения в любом направлении без каких-либо перерывов.

4. Резиновые кусочки

Купите ластик и нарежьте его на следующие формы. Он используется для того, чтобы надежно удерживать пробирку и поддерживать ее герметичность. Не должно быть утечек в ротовой части пробирки. Если это так, проект не будет успешным.

5. Шприц

Шприц является одной из самых важных и движущихся частей в простом двигателе Стирлинга. Добавьте немного смазки внутрь шприца, чтобы поршень мог свободно перемещаться внутри цилиндра. Когда воздух расширяется внутри пробирки, он толкает поршень вниз. В результате цилиндр шприца перемещается вверх. В то же время мрамор катится к горячей стороне пробирки и вытесняет горячий воздух и заставляет его остывать (уменьшать объем).

6. Пробирка Пробирка является наиболее важным и рабочим компонентом простого двигателя Стирлинга. Пробирка изготовлена ​​из стекла определенного типа (например, из боросиликатного стекла), обладающего высокой термостойкостью. Так что его можно нагревать до высоких температур.

Как работает двигатель Стирлинга?

Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то так же, как и великие уравнения физики (например, E = mc2), они просты: на поверхности они просты, но богаче, сложнее и потенциально очень запутаны, пока вы их не осознаете. Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: многие очень плохие видео на YouTube показывают, как легко «объяснить» их очень неполным и неудовлетворительным образом.

На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто создав его или наблюдая за тем, как он работает извне: вам нужно серьезно подумать о цикле шагов, через которые он проходит, что происходит с газом внутри, и как это отличается из того, что происходит в обычном паровом двигателе.

Все, что требуется для работы двигателя, – это наличие разницы температур между горячей и холодной частями газовой камеры. Были построены модели, которые могут работать только с разницей температуры 4 ° C, хотя заводские двигатели, вероятно, будут работать с разницей в несколько сотен градусов. Эти двигатели могут стать наиболее эффективной формой двигателя внутреннего сгорания.

Двигатели Стирлинга и концентрированная солнечная энергия

Двигатели Стирлинга обеспечивают аккуратный метод преобразования тепловой энергии в движение, которое может привести в движение генератор. Наиболее распространенная схема состоит в том, чтобы двигатель был в центре параболического зеркала. Зеркало будет установлено на устройство слежения, чтобы солнечные лучи фокусировались на двигателе.

* Двигатель Стирлинга как приемник

Возможно, вы играли с выпуклыми линзами в школьные годы. Сосредоточение солнечной энергии для сжигания листа бумаги или спички, я прав? Новые технологии развиваются день ото дня. Концентрированная солнечная тепловая энергия приобретает все большее внимание в эти дни.

Выше приведен короткий видеофильм о простом двигателе с пробиркой, использующим стеклянные шарики в качестве вытеснителя и стеклянный шприц в качестве силового поршня.

Этот простой двигатель Стирлинга был построен из материалов, которые доступны в большинстве школьных научных лабораторий и может быть использован для демонстрации простого теплового двигателя.

Диаграмма давление-объем за цикл

Процесс 1 → 2 Расширение рабочего газа на горячем конце пробирки, тепло передается газу, и газ расширяется, увеличивая объем и толкая поршень шприца вверх.

Процесс 2 → 3 По мере движения мрамора к горячему концу пробирки газ вытесняется из горячего конца пробирки на холодный конец, а по мере движения газа он отдает тепло стенке пробирки.

Процесс 3 → 4 Из рабочего газа отводится тепло, и объем уменьшается, поршень шприца движется вниз.

Процесс 4 → 1 Завершает цикл. Рабочий газ движется от холодного конца пробирки к горячему концу, поскольку мраморные шары вытесняют ее, получая тепло от стенки пробирки, когда она движется, тем самым увеличивая давление газа.