Розширення області використання двигунів Стірлінга для підтримання альтернативного енергопостачання житла



Анотація. В роботі обґрунтовується можливість сумістити сонячну енергію з двигуном Стірлінга для ефективного енергопостачання житла.

Ключові слова: двигун Стірлінга, побутове використання, відновлювана енергія.

Огульчанський Федір Ярославович

НТУУ КПІ імені Сікорського

Київ, Україна

fedor.ohul@gmail.com

Репнікова Наталія Борисівна

НТУУ КПІ імені Сікорського

Київ, Україна

n.repnikova@gmail.com

Extending of Stirling engine usage area for supporting alternative residential power supply

Abstract. The work focuses on the rationale of solar energy and the Stirling engine combination possibility for using it as efficient residential energy supply.

Keywords: stirling engine, residential, renewable energy.

Fedir Ohulchanskyy

National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”

Kyiv, Ukraine

fedor.ohul@gmail.com

Natalya Repnikova

National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”

Kyiv, Ukraine

n.repnikova@gmail.com

ВСТУП

В сучасному світі існує нагальна проблема економії природніх ресурсів та підтримання технологій, що не забруднюють навколишнє середовище. Альтернативна енергетика – це сукупність способів отримання електроенергії з альтернативних джерел, зазвичай з тих, що містять відновлювану енергію. Сутність запропонованого рішення полягає в тому, що енергія сонячних променів, перетворена у теплову енергію за допомогою сонячного колектора, може бути використана для генерування електричної енергії за допомогою двигуна Стірлінга. Цей двигун здатен використовувати будь-який перепад температур для створення механічної енергії і в даній системі під’єднання його до електрогенератора може бути вигідною альтернативою використанню в приватному житлу централізованого енергопостачання.

Рис. 1 Спрощена схема двигуна Стірлінга β-конфігурації

ПОСТАНОВКА ТА РІШЕННЯ ЗАДАЧІ

В даній роботі пропонується структурна схема ефективного енергопостачання приватного житла з конфігуруванням сонячних колекторів та двигуна Стірлінга. Необхідно досягти постачання електроенергії з частотою 50 Гц і напругою 220 В [1].

ДВИГУН СТІРЛІНГА

Як відомо, двигун Стірлінга – це тепловий двигун, який працює завдяки циклічному розширенню та стисненню повітря або інших газів між двома камерами із різними температурами, де воно по черзі нагрівається та охолоджується, перетворюючи теплову енергію у механічну роботу. Через це тиск робочої речовини на робочий поршень або збільшується, або зменшується, в залежності від такту роботи двигуна [2]. Існують три класичні загальноприйняті конфігурації двигуна Стірлінга – α-конфігурація, β-конфігурація та γ-конфігурація. За довгий час існування двигуна інженери розробили і інші конфігурації. Кожна з них має особливості будови, переваги та недоліки. В роботі розглядатиметься двигун Стірлінга β-конфігурації (Рис.1) через переваги у відсутності проблеми перегріву ізоляції та через загальну ефективність його роботи [3]. Двигун Стірлінга – це двигун зовнішнього згорання, який працює за замкненим термодинамічним циклом Стірлінга. В ідеальному випадку ефективність цього циклу досягає ефективності циклу Карно [4] – два ізотермічні процеси і два адіабатні процеси, що поперемінно чергуються між собою. Теоретично досяжний ККД двигуна Стірлінга розраховується, як ККД циклу Карно:

\[{{x}_{\eta}}=\frac{{{T}_{1}}-{{T}_{2}}}{{{T}_{2}}}\]

Під час ізотермічного розширення виконується робота, під час адіабатного процесу йде перерозподілення теплоти. Загальну роботу за один цикл в ідеальному двигуні Стірлінга можна розрахувати за такою формулою:

\[A=\nu RPV({{T}_{2}}-{{T}_{1}})\ln ({{T}_{2}}/{{T}_{1}})\]

де ν – число молей газу, R – універсальна газова константа, P – робочий тиск, ${{T}_{2}}$ – температура нагрівача, ${{T}_{1}}$ – температура холодильника.

СОНЯЧНИЙ КОЛЕКТОР

Оскільки, для роботи двигуна Стірлінга необхідна подача тепла для створення різниці температури, в схемі буде використовуватися енергія Сонця. Для акумулювання цієї енергії у вигляді тепла використовується сонячний колектор. Це пристрій, в якому сонячне випромінювання нагріває теплоносій, який знаходиться за ізолюючим шаром та циркулює по системі, віддаючи тепло споживачу і повертаючись до колектора охолодженим. Сонячний колектор має високі теплоізолюючі якості і тому температура теплоносія (води) в ньому може досягати 60-100 °C [5].

СТРУКТУРНА СХЕМА МОДЕЛІ СИСТЕМИ

Нехай задана динаміка роботи системи енергопостачання на базі двигуна Стірлінга та сонячного колектора описується моделлю з такою структурною схемою (Рис.2):

Рис.2. Схема структурна системи

На схемі зображені такі елементи та зв’язки:

$a)$ Сонячний колектор це пристрій для збору енергії сонячного випромінювання. Теплоносієм виступає вода, яка циркулює по трубам та передає тепло в акумулятор теплової енергії. Це тепло підводиться до двигуна Стірлінга через тонкі стінки робочого циліндру. Нагрівач двигуна це та його частина, що отримує зовнішню теплову енергію, що створює підвищений об’єм в циліндрі під поршнем-витіснувачем, рух якого призводить до руху робочого циліндру, який створює механічну роботу в процесі обертання маховика. В циліндрі має підтримуватися високий тиск – це відбувається завдяки використанню спеціального насоса.

$b)$ Поршень-витіснувач в процесі роботи двигуна витісняє гаряче повітря до охолоджувальної камери через регенератор. Для підтримання низької температури холодильник двигуна знаходиться поза приміщенням та оснащений повітряною охолоджувальною системою. Механічна енергія обертання двигуна Стірлінга передається на електрогенератор, який створює змінний струм різної частоти та напруги, в залежності від потужності двигуна в окремий момент. За допомогою перетворювача цей струм перетворюється у постійний та за допомогою нього заряджаються електричні акумулятори. Для побутового використання електроенергії, постійний струм з акумулятора на інверторі перетворюється у змінний струм заданої частоти та напруги.

ВИСНОВКИ

Запропонована система дійсно може задовольняти поставлені задачі і має низку переваг в порівнянні з використанням систем електрогенерування, побудованих на двигунах внутрішнього згорання. По-перше, з причин відсутності палива, що згорає, система не забруднює довкілля. По-друге, двигун Стірлінга дуже тихий і тому комфортний для використання на ділянці. По-третє, двигун надійний і потребує невелику кількість обслуговування, а інші елементи системи окупаються за час експлуатації. Перевагами системи перед системами, основаними на вітрогенераторах та сонячних панелях є загальна універсальність води, що нагрівається завдяки сонячному колектору. Враховуючи, що тепло з колектора може бути використаним не лише для генерації електроенергії, а й для опалення та, власне, гарячої води для щоденного використання, то система може бути конкурентоспроможною для використання в побуті на півдні України.

ЛІТЕРАТУРА

$1.$ U.S. Department of Commerce. Electric Current Abroad [Електронний ресурс] / U.S. Department of Commerce // International Trade Administration. – 2002. – Режим доступу до ресурсу: http://www.webcitation.org/66hSp0MIT.

$2.$ G. Walker. Stirling Engines / G. Walker. – Oxford: Clarenden Press, 1980.

$3.$ M. Keveney. Two Cylinder Stirling Engine / M. Keveney., 2000.

$4.$ T. Finkelstein. The History, Science, and Reality of the Perfect Engine / T. Finkelstein, A.J. Organ., 2001.

$5.$ F. Kamel Abdalla. Optimum Operating Temperature for Evacuated Tube Solar Collectors [Електронний ресурс] / F. Kamel Abdalla, Paul Wilson – Режим доступу до ресурсу: https://eprints.usq.edu.au/4087/1/Kamel\_ANZSES\_2002.pdf.

May 17, 2018