В последнее время появилось достаточно много энергетических систем, выгодных как экономически, так и с точки зрения экологии. Не обошлись вниманием и системы на базе двигателя Стирлинга.

Начнем с последней новости. Национальная лаборатория Сандия и компания Stirling Energy Systems сообщили о новом рекорде КПД в процессе преобразования солнечной энергии в электрическую и передачи последней в электросеть общего пользования. Предшествующий рекорд был установлен еще в 1984 году и составлял 29,4%, теперь же удалось достичь КПД в 31,25%.

Рекордная электростанция

Нужно отметить, что КПД преобразования энергии солнца в электричество несколько выше указанного, поскольку часть электричества не передается в электросеть, а используется для собственных нужд солнечной электростанции - питания сервоприводов, компьютеров и т.д.
Электростанция, на которой был установлен рекорд, функционирует в штате Нью-Мексико и использует шесть "тарелок", каждая из которых состоит из 82 зеркал. Зеркала расположены так, чтобы отражать солнечные лучи и фокусировать их на приемнике, который, нагреваясь, передает тепло в водородный двигатель Стирлинга. Этот двигатель представляет собой герметичную систему. Нагреваясь и охлаждаясь, водород в двигателе увеличивается или уменьшается в объеме, толкая поршни. На валу этого двигателя и установлен генератор, обеспечивающий получение электричества.
В лаборатории считают увеличение максимального КПД важным достижением, которое приближает широкое коммерческое использование солнечной энергии.

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом (1790-1878) 21 сентября 1816 года. Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы.
Двигатель Стирлинга является тепловым двигателем внешнего сгорания, т.е. тепло для рабочих процессов поступает из вне, в то время как в ДВС топливо сгорает внутри камеры сгорания. Источниками тепла могут быть горелки на разном топливе, солнечные лучи, дымовые газы котельных установок, солнечное излучение да и просто тепло руки (есть демонстрационные модели работающие от тепла тела). В XIX веке инженеры хотели создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара и неподходящих материалов их структуры. Хорошая альтернатива паровым машинам появилась с созданием двигателей Стирлинга, который мог преобразовывать в работу любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Из термодинамики известно, что давление, температура и объём газа взаимосвязаны и следуют закону идеальных газов:
PV = nRT
где P — давление газа
V — Объём газа
n — Количество молей газа
R — Универсальная газовая константа
Т — Температура газа в Кельвинах
Это означает, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга.
Газ в закрытом цилиндре использует цикл Карно, состоящий из четырёх фаз и разделённый двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга.
Термический кпд идеального цикла Стирлинга, как и цикла Карно, определяется формулой:
η = (T1 - T2)/T1
где Т1 - температура нагревателя
Т2 температура холодильника
Теперь рассмотрим рабочие циклы двигателя Стирлинга.

а) Изотермическое сжатие: поршень-вытеснитель 1 находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) и остается условно неподвижным. Газ сжимается рабочим поршнем 2, движущимся слева направо, и поступает в холодную полость 3 под поршнем-вытеснителем. Давление газа возрастает, а темпиратура остается постоянной, так как теплота сжатия отводится через стенки цилиндра 4 и холодильник 5 в окружающую среду при Т2.

б) Изохорное нагревание: рабочий поршень 2 находится вблизи ВМТ и остается условно неподвижным. Поршень-вытеснитель 1 движется от ВМТ и перемещает холодный сжатый газ из полости 3 в горячую полость 6 над поршнем-вытеснителем.
При прохождении газа через регенератор 7, заполненой пористой насадкой, нагретой в предыдущем цикле, его темпиратура повышается от Т2 до Т1. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, давление газа в них повышается и достигает максимального значения.

в) Изотермическое расширение: поршень вытеснитель находится вблизи нижней мертвой точки (НМТ) и остается условно неподвижным. Рабочий поршень 2 под действием давления газа движется справа налево, происходит расширение горячего газа в полости 6. Полезная работа, совершаемая рабочим поршнем 2, через кривошипно-шатунный механизм 8 передается на вал двигателя. Давление в цилиндрах двигателя падает, а температура газа в горячей полости 6 остается постоянной, так как к нему подводится тепло от горячего источника (например, горелки 9) через теплообменник-нагреватель 10 и стенки цилиндра 11 при Т1.
Рабочий поршень 2 в этой части цикла одновременно сжимает газ, находящийся в герметичной буферной емкости-картере 12. Запасенная таким образом энергия идет на сжатие газа в процессе "а" следующего цикла.

г) Изохорное охлаждение: рабочий поршень 2 находится вблизи НМТ и остается условно неподвижным. Поршень-вытеснитель 1 движется к ВМТ и перемещает газ, оставшийся в горячей полости 6, в холодную полость 3. При прохождении через регенератор 7 горячий газ отдает свое тепло материалу пористой насадки и охлаждается от Т1 до Т2. Так как при этом суммарный внутренний объем цилиндров двигателя остается постоянным, давление газа в них продолжает падать и достигает минимального значения.

Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:


Альфа Стирлинг Содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению у, Альфа Стирлинга имеется ряд технических проблем, вызванных высокой температурой «горячего» поршня и его изоляции.


Бета Стирлинг У двигателя бета-типа цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и "вытеснитель", изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор.


Гамма Стирлинг У гамма-типа тоже есть поршень и "вытеснитель", но при этом два цилиндра – один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется "вытеснитель"). Регенератор соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.

Основной недостаток двигателей внешнего сгорания вообще и двигателя Стирлинга в частности обусловлены тем, что источник тепла расположен снаружи и, как следствие этого, медленное реагирование двигателя на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру. Следствием этого недостатка является то, что мощность двигателя невозможно менять быстро и для того чтобы двигатель начал производить работу требуется время на разогрев.
Указанный недостаток делает применение двигателей внешнего сгорания в автомобилях затруднительным и непрактичным, однако в тех случаях, когда от двигателя требуется получение фиксированной мощности в течение продолжительного промежутка времени, двигатели внешнего сгорания вполне могут заменить двигатели внутреннего сгорания.

Ниже несколько источников дополнительной информации:

Журнал «Техника молодежи» №1 1966 г. Скачать архив 3.31 Мб



Журнал «Техника молодежи» №10 1979 г. Скачать архив 4.70Мб



Продолжение следует...

Подключайтесь к доку "Сфера"

URL - R.K. Frimen