гамаПроект двигателя Стирлинга на солнечной энергии
Краткий экскурс в проблему...
Двигателем
Стирлинга принято называть двигатели «внешнего сгорания»
замкнутого цикла . Эти двигатели были забыты с развитием ДВС
(двигатели внутреннего сгорания) но в последние время на них все чаще обращают
внимание в связи с подорожанием нефти. В солнечной енергетике они нашли свое
применение как електрогенераторы и могут конкурировать
с полупроводниковыми елементами, и по цене и по КПД.
Самыми близкими родственниками двигателя Стирлинга являются паровые машины.
Принципиальная разница состоит в том, что как рабочее тело в двигателе Стирлинга
используется газ в замкнутом
цикле
а не пар. По конструкции эти двигатели могут быть и достаточно простые и очень
хитромудрые. В целом, конструктивно они
проще от ДВС и требования к точности и компрессии у них ниже. Похоже,
что можна сконструировать рабочий двигатель Стирлинга из подручных
материалов, что само по себе уже интересно.
Для роботы таких двигателей необходима разница температур, в этом смысле они являются полной противоположностью тепловым насосам. Основное же отличие от двигателей внутреннего сгорания состоит в необходимости осуществлять теплообмен с рабочим газом. В этом есть и свои преимущества и свои недостатки. Принцип работы заключается в следующем, часть энергии двигателя расходуется на перемещение газа из зоны нагрева в зону охлаждения, при этом давление газа в системе изменяется и приводит в движение рабочий цилиндр. В классических схемах перемещение газа осуществляется специальным устройством - вытеснителем.
Существуют низкотемпературные конструкции, которые позволяют преобразовывать теплоту в механическую роботу даже при низкой разнице температур. Вот одна из таких схем. Тепло подводится снизу, холод сверху. Рабочим является верхний цилиндр, нижний ведомый - вытеснитель. Связаны между собой вытеснитель и рабочий поршень кривошипно-шатунным механизмом со сдвигом на 90 градусов. Поршень нижнего цилиндра не плотно прилегает к стенкам и при его движение газ вытесняется из области нагрева в область охлаждения и наоборот. При этом давление газа в системе меняется и рабочий поршень осуществляет полезную работу.
гама
Вот еще мультиков надергал из Интернета, с различными схемами двигателя. Принципиальное различие состоит только во взаимном расположении поршня и вытеснителя.
альфа,
вета
бета
Для повышения КПД применяется регенератор - газопроницаемая среда с высокой теплоемкостью и теплопроводностью. В качестве регенератора может использоваться металлическая дробь, сетки итд.. Смысл состоит в том, чтобы отнять энергию газа на N-1 цикле и передать ее на N+1цикл. На рис. 1 показана классическая схема работы вытеснителя с нагревателем, регенератором и холодильником. Поршень вытеснителя может быть жестко связан посредством кривошипно-шатунного механизма с поршнем рабочего цилиндра. Есть схемы без жесткой связи - так называемые свободнопоршневые. Рабочий цилиндр не нарисован.В зависимости от места его подключению к указанной системе существуют три основные схемы двигателя - альфа, бета и гама. Не вникая в особенности этих схем, общим недостатком является наличие паразитного , "мертвого" объема, который понижает КПД двигателя. Конструктивное расположение вытеснителя, нагревателя холодильника и рабочего цилиндра таковы, что часть объема газа не греется и не охлаждается а только демпфирует работу рабочего цилиндра.
Общей проблемой двигателей Стирлинга является также их низкая удельная мощность, тоесть большие размеры. Все это связано с проблемой теплопередачи. Теплоотдача определяется эмпирической формулой Q=k*t*S*dT, где Q количество тепла, t время, S площадь, dT разница температур. k коэффициент теплоотдачи который для воздуха равен 5,6+4*V (Вт/квм*К). V скорость воздуха в м/с. Как видно для обеспечения ощутимой мощности необходимо обеспечить большую площадь теплообмена и скорость воздуха относительно поверхности.
Для увеличения теплообмена в двигателе Стирлинга и уменьшению паразитного объема, мною было предложена следующая свободнопоршневая схема без явного вытеснителя для низкотемпературного двигателя рис.2. В герметичном резервуаре размещаются пластинчатые теплообменники вода-воздух (радиатор) - нагреватель и холодильник . Площадь такого теплообменника может достигать кв. метров при небольшом объеме, благодаря большому количеству пластин. Тепло для нагрева и охлаждения поступает на теплообменник жидкостями извне по патрубкам. Вентилятор поочередно в различном направлении приводится в движение электроприводом. При циклическом изменении направления потока воздуха газ в резервуаре поочередно нагревается и охлаждается. При этом изменяется давление газа и приводится в циклическое движение рабочий цилиндр, не указаний на схеме. Возможна также иная схема без регенератора. Два вентилятора работают поочередно, каждый обдувает отдельно теплообменник нагревателя и холодильника. Для повышения теплообмена предполагается поддерживать в резервуаре повышенное давление.
Анализ литературы по низкотемпературным Стирлингам показывает возможность построения двигателя с КПД 0.5=0,55 от того что дает формула Карно. Таким образом если использовать солнечные коллекторы для нагревателя, температура воды в которых может достигать 80 грС, а в качестве холодильника, скажем подземные коллектора тепловых насосов с температурой 10 грС, можно оценить КПД предполагаемого двигателя как 0,5*70/353=0.1. Результат вполне сравнимый с солнечными батареями. Учитывая высокую цену кремниевых батарей а также их деградацию, создание подобного двигателя весьма перспективно.
На самом деле предлагается вариант как заменить громоздкий вытеснительный механизм в стирлинге. Вот какие у меня были соображения в случае вентиляторного " вытеснителя". Как известно КПД самолетного винта 82-86 проц. Канально-осевого вентилятора может быть больше 90, поскольку радиальное сваливание потока ограничено трубой. КПД двигателя постоянного тока достигает 95 проц. Все вместе пускай 0, 85. Мы знаем что низкотемпературные движки работают и у них очень большой вытеснитель. Потери у него на трение и на изменение импульса каждый раз, поскольку он движется или крутится туда-сюда. Тогда на каждом цыкле он теряет 2mV. Значит КПД вытеснительного механизма не единица а потери на его работу ощутимые и можно с большой степенью вероятности допустить, что они могут быть сравнимыми с потерями вентилятора. Вывод - с вентиляторами можна пробовать, раз вытеснительные двигатели работают. И если у меня в конструкции что-то не так, то можна искать утечки и доводить ее. Я полагаю самая большая проблема с паразитным теплообменом.
Для высокотемпературных Стирлингов характерна проблема смазки, и быстрая в связи с этим изнашиваемость и коррозия. Частично решить эту проблему можно также используя электропривод вытеснителя в свободнопоршневой схеме. При этом будет устранена энергоемкая механическая связь между рабочим цилиндром и вытеснителем и обеспечена герметичность системы при высоких давлениях. Кажется перспективным сложный роторный вытеснитель с теплообменником подобно конденсатору переменной емкости в старых радиоприемниках. Такая сложная форма обеспечит большую площадь поверхности при малом объеме. При этом вращательное движение в антифрикционных втулках роторного вытеснителя не потребует жидкой смазки.
Реализация проекта
Вот из этого и много чего начал делать стирлинг. Сделал воздуходувки из пластиковых мысок и электродвигателей печек ВАЗА.
Сейчас грею котлом, разница температур 70 С, но впринцыпе все это затеял под солнечные коллектора.
А вот как это пока работает http://video.yandex.ua/users/panxatka/view/3/ . Вообще движок должен работать при стартовом давлении 10 Ат. Ну и все показатели в том числе и частотные должны улучшиться. Некоторые даже в 10 раз.
Литература
r.canterbury.ac.nz/bitstream/10092/2916/1/thesis_fulltext.pdf
b-dig.iie.org.mx/BibDig/P10-0464/pdf/2606.pdf
http://www.youtube.com/watch?NR=1&feature=endscreen&v=Srm7GcaL3DE
