Панченко В.А. – ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии

Огромные масштабы, удорожание производства топливноэнергетических ресурсов и растущее загрязнение окружающей среды выдвинули на первый план задачу поиска новых технологий энергопреобразования, разработки новой техники на основе высокоэффективных термодинамических циклов, использование новых видов топлива, новых рабочих тел и т.д., то есть создание таких экологически чистых энергосистем, которые обеспечивали бы удовлетворение нужд промышленности и населения при минимальных затратах материальных ресурсов. До недавнего времени системы автономного энергоснабжения, использовавшие традиционные тепломеханические агрегаты, удовлетворяли существующему уровню развития общества и техники. Однако обострение общенациональных, глобальных проблем, требующих срочного решения (истощение природных ресурсов, надвигающийся энергетический кризис, загрязнение окружающей среды, уменьшение озонового слоя Земли, усиление парникового эффекта и т.д.) привело к необходимости принятия в конце XX века ряда крупных международных и российских законодательных актов в области экологии, природопользования и энергосбережения. Основные требования этих законов направлены на сокращение выбросов СО₂, прекращение производства озонразрушающих веществ и фреона R-12 как холодильного агента для парокомпрессионных холодильных машин (ПКХМ), ресурсо- и энергосбережение, перевод автотранспорта на экологически чистые моторные топлива и т.д.

Наряду с другими подходами в решении стоящих перед Российской Федерацией экологических и энергетических проблем наиболее перспективным путем является разработка и широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга (машин Стирлинга).

Двигатель Стирлинга имеет ряд неоспоримых преимуществ, которые вынуждают заниматься его разработкой:

• «Всеядность» двигателя – как все двигатели внешнего сгорания, стирлинг может работать от почти любого перепада температур, например между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печки и т.д.
• Простота конструкции – он не требует дополнительных систем, например газораспределительного механизма. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач.
• Увеличенный ресурс – отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
• Экономичность – в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25%), чем тепловые машины на пару.
• Бесшумность двигателя – стирлинг не имеет выхлопа, а значит – не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и при достаточно высоком качестве изготовления даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).
• Экологичность – сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

Автономные системы электроснабжения на основе двигателей Стирлинга

Двигатель Стирлинга можно использовать во всех областях, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую. В мировых обзорах по энергопреобразующей технике двигатель Стирлинга рассматривается как обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки. Все его неоспоримые преимущества дают возможность машинам Стирлинга в ближайшее время значительно потеснить двигатели внутреннего сгорания. Двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию любого вида теплоты. На них возлагают надежды в создании солнечных электроустановок. Их применяют как автономные генераторы для туристов. Некоторые фирмы выпускают генераторы, работающие от конфорки газовой печи. NASA рассматривает варианты генераторов на основе Стирлинга, работающих от ядерных и радиоизотопных источников тепла.

В настоящее время рядом зарубежных фирм (Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling) начато производство двигателей, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки. Эти двигатели имеют эффективный КПД (до 45%), удельную массу от 3,8 до 1,2 кг/кВт, ресурс до 40 тыс. ч и мощность от 3 до 1200 кВт.

Сейчас из-за истощения ранее разведанных запасов и удорожания органического топлива (нефти и природного газа) для России представляет значительный интерес возможность серийного производства электрогенераторов средней мощности (от 3 до 500 кВт) с модификацией двигателя Стирлинга под местное топливо. В качестве местного топлива для стирлинг-генераторов могут использоваться торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Это уже в ближайшее время позволит обеспечить многие регионы Российской Федерации дешевыми в эксплуатации автономными электроисточниками на местном топливе.

Возврат к биоресурсам – разумный подход к экономике и экологии. Известно, что в лесопильном производстве России 50% древесины превращается в отходы, к которым добавляются соизмеримые по величине отходы деревообрабатывающих и мебельных предприятий. Кроме того, в сельском хозяйстве ежегодно накапливается значительное количество биоотходов.

Большие перспективы имеет использование биогаза как топлива для двигателя Стирлинга. Используемые для его получения органические вещества (субстраты) в основном являются отходами различных отраслей народного хозяйства (рис. 1).

Схема сельскохозяйственной биогазовой теплоэлектростанции с коферментацией. 1 – животноводческие помещения; 2 – жижесточная яма; 3 – яма для сбора отходов и биомассы; 4 – пастеризатор; 5 – реактор I; 6 – газонакопитель;7 – теплоэлектростанция; 8 – реактор II; 9 – обрабатываемые земли

При сжигании 1 м³ биогаза образуется примерно 5-7,5 кВт•ч (в зависимости от содержания метана) тепла. В среднем 6-6,5 кВт•ч/м³ или 21,6-23,4 МДж/м³. В зависимости от содержания метана (50...75%) и КПД двигателя и генераторов из 1 м³ биогаза возможно получить:

• 1,5...2,2 кВт•ч электроэнергии;
• 2,8...4,1 кВт•ч тепла при КПД теплоэлектростанции 85%, их них 35% электри- чества и 65% тепла (рис. 2).

Схема биогазовой установки

Широкое использование автономных источников энергии на местном топливе отражает мировую тенденцию к энерго- и ресурсосбережению. Это направление интенсивно развивается в странах, имеющих значительный запас биоресурсов (леса, торфяных болот и т.д.): Швеции, Норвегии, Дании, Финляндии, прибалтийских странах. Наиболее значительных результатов достигла Швеция. Природный газ как энергетическое топливо в шведской энергетике занимает не более 2%, в то время как биоресурсы дают больше 21% от общего объема получаемой энергии. В целом в странах Евросоюза около 14% общей энергии получено из биоресурсов. В Индии программа децентрализации производства энергии, инициированная в 1995 году, позволит уже в ближайшее время обеспечить получение из биоресурсов 44% планового потребления электроэнергии.

Другим направлением использования ДС является внедрение технологии газификации биомассы. Благодаря высокой эффективности процесса газификации (выход генераторного газа 85-90%) и удобству использования газа в качестве топлива газификация является более чистым и эффективным способом получения тепла, чем сжигание твердого топлива непосредственно в топке котла. Еще одним важным преимуществом является то, что для работы газогенератора можно использовать топливо низкого качества – опилки, стружку, измельченную кору.

Газогенератор может решить проблемы обеспечения теплом небольшого поселка Ленинградской области или удаленной городской окраины Санкт-Петербурга. В качестве загрузочного материала могут быть использованы отходы из ближайшего леса – разобранные буреломы, кора, древесные отходы с плановых вырубок, ветви и т.п. В газогенераторе можно использовать низкокалорийные и содержащие высокий процент влаги отходы древесины.

Сейчас в Российской Федерации ежегодно пропадает до 15 млрд м³ попутного газа. Его можно использовать для энергетических установок с ДС в условиях Крайнего Севера и шельфа Арктики. Таким образом, исчезает проблема обеспечения энергией буровых скважин, вахтовых поселков, узлов связи и других автономных систем.

По предварительным расчетам, стирлинг-генератор мощностью 100 кВт сможет обеспечить электроэнергией и теплом вахтовый поселок численностью до 50 человек.

В России огромными запасами местного дешевого топлива обладают многие регионы. Так, Карелия располагает значительными ресурсами постоянно возобновляемой биомассы в виде древесных растений, торфа и отходов сельского хозяйства, которые могут быть использованы в энергетических целях. Запасы торфа в Карелии оценены в 2 млрд т, а ресурсы древесного сырья лиственных пород около 2 млн м³ в год. Только за счет использования торфа и древесного сырья можно на 60% уменьшить объем привозного топлива, а это практически третья часть бюджета республики.

Электрогенераторы малой мощности

Известно много областей применения электрогенераторов малой мощности, способных работать автономно в отдаленных районах в течение длительного времени. Уровень их мощности колеблется от 5 Вт до 5 кВт, но особый интерес представляет диапазон от 200 до 500 Вт. Такие электрогенераторы требуются для многих целей, но в основном для снабжения электроэнергией систем навигации (маяки и буи), автоматических метеостанций, для телеметрии и станций усиления связи. Они могут быть использованы под водой в гражданских и военных целях, в горах, в недоступных районах Арктики и в аварийных навигационных ситуациях. В качестве местного топлива для стирлингенераторов может использоваться торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности.

Для большинства областей применения главным критерием является надежность. Практических ограничений по массе, габаритам и частоте вращения для таких энергоустановок нет. Не важны режимы пуска и останова, поскольку в большинстве случаев есть возможность подключения системы аккумуляторных батарей для отвода избыточной мощности (например, ночью), в то время как электрогенератор продолжает вырабатывать постоянную мощность в устойчивом режиме. Регулирование двигателя и контроль его работы не являются серьезной проблемой. В большинстве случаев предпочтительней (и легче) регулировать электрические параметры системы, чем параметры самого двигателя.

Использование двигателей Стирлинга в солнечных энергетических установках

Существует неограниченный рынок для небольших двигателей, работающих на солнечной энергии (для использования в тропических странах) и служащих приводом водяных насосов и электрогенераторов малой мощности, заряжающих аккумуляторы для освещения в ночное время. Эта область применения двигателей Стирлинга не нова; пример одного из первых двигателей, работавшего на солнечной энергии, приводится в XIX веке.

По всей вероятности, основная трудность в поставке на рынок таких двигателей заключена в их цене. В дополнение к двигателю необходимо иметь солнечный концентратор, который собирает солнечное излучение с большой площади и концентрирует ее на очень малую. Сфокусированный поток энергии очень велик, поэтому достигаются высокие температуры, необходимые для работы теплового двигателя. Формы концентраторов могут быть самыми разнообразными, но наиболее известной является, вероятно, параболоид (форма прожектора или рефлектора передней фары автомобиля).

Высокий КПД, простота и надежность конструкции двигателя Стирлинга обуславливают эффективность его использования в солнечных энергетических установках. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами в качестве источника тепла для разогрева двигателя. В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух или же вода. Роль такого экологически чистого источника энергии в современном мире легко оценить. Из известных практически реализованных солнечных установок для получения электроэнергии наибольшим КПД обладают установки с параболическими зеркалами и двигателями Стирлинга.

Среди наиболее значимых проектов использования солнечной энергии является проект создания грандиозной солнечной фермы на юге США. На территории штата Невада будет создана гелиоэнергетическая система площадью 160 кв. км на основе «солнечных» двигателей Стирлинга. Проект предполагает компактное размещение более 20 тысяч таких установок.

Фирмой «Алиссон» разработан и построен космический вариант солнечной установки с двигателем Стирлинга мощностью 5 кВт (КПД 37,5%). В качестве источника теплоты используется параболический лепестковый концентратор диаметром 5,8 м, который создает в приемнике температуру 947 К. В ловушке приемника излучения предусматривается тепловой аккумулятор, отдающий тепло фазового превращения при постоянной температуре на теневых участках орбиты полета. Данная анаэробная установка массой 250 кг долгое время работала на одном из искусственных спутников Земли типа Gemini.

В России РКК «Энергия», РНЦ им. Келдыша разраба- тывали солнечную энергетическую установку для МКС «Альфа» на основе ДС мощностью 10 кВт и 36-лепесткового солнечного концентратора диаметром 10 м. Двигатель Стирлинга был создан и испытан на одном из предприятий Санкт-Петербурга в 2001 году.

Результаты экспериментальных исследований энергетических характеристик двигателя Стирлинга на стенде – имитаторе солнечного излучения

Испытательный стенд, созданный в МАИ, позволяет проводить экспериментальные исследования двигателя Стирлинга при подводе к нему лучистой тепловой энергии. Оборудование стенда дает возможность определять энергетические характеристики двигателя соответственно задаваемым режимам и параметрам работы: по мощности поступающего теплового потока, внешней нагрузке, давлению заполняющего рабочего тела и т.д. Стенд состоит из энерголучевого модуля, двигателя Стирлинга, систем электропитания, регулирования, охлаждения, измерения, вентиляции. Двигатель Стирлинга выполнен на базе холодильной газовой машины PLA-107 и связан со стартером-тормозом. Корпус стартера-тормоза установлен на шариковые подшипники. С помощью стартера-тормоза осуществляется первоначальная раскрутка вала двигателя и съем мощности на рабочих режимах. Двигатель снабжен системой заправки рабочего тела (гелия) с манометром и другой необходимой арматурой.

Методика измерения параметров заключалась в определении по показаниям весов усилия Pкр на корпусе стартера-тормоза в момент достижения двигателем Стирлинга максимального числа оборотов n при различных рабочих режимах. Возможные погрешности измерений не превышают 2%. По результатам экспериментальных измерений рассчитывались эффективные мощность N_е и КПД η_е двигателя

где κ = 1,17 – коэффициент пропорциональности.

Зависимости температуры головки двигателя от времени, эффективной мощности двигателя и эффективного КПД от оборотов двигателя

Использование возможностей лучистого подвода теплоты позволило реализовать стационарный режим работы двигателя, но при более низком давлении заправки, характеризующийся следующими параметрами:
Р3 = 1,5 МПа; TГ = 375 °С; Nе = 80 Вт; ηе = 5,7%;
n= 390 об/мин. Полученные невысокие параметры двигателя Стирлинга в стационарном режиме обусловлены недостаточностью подводимой тепловой мощности, ограниченной энергетическими возможностями стенда.

Использование двигателей Стирлинга в солнечной энергетической установке

– Это будет наибольшей группой солнечных установок стирлинга в мире,– утверждает лидер проекта со стороны Sandia Чак Андрака.– В конечном счете проект предполагает создание 20 тысяч систем, которые разместятся на нескольких солнечных фермах и будут поставлять электричество юго-западным распределительным компаниям.

Солнечная установка

Двигатель Стирлинга

Каждая установка работает автоматически без вмешательства оператора или даже присутствия человека (рис. 4). Она запускается каждое утро на рассвете и работает в течение дня, отслеживая солнце и переходя «ко сну» на закате. Установка представляет собой поворотное вогнутое зеркало из 82 элементов, которое концентрирует солнечные лучи в фокальной плоскости, где располагается нагреватель механического двигателя Стирлинга.

Новое поколение солнечных энергоустановок на базе двигателя Стирлинга отличается рядом усовершенствований. В первую очередь они касаются системы зеркал.

Новые зеркала выполнены на базе стекла с малым содержанием железа и с новым серебрением, что позволило повысить коэффициент фокусировки солнечных лучей с ранее достигнутых 91% до 94%. Зеркала имеют особую форму, защищенную патентом Sandia. Ее использование позволило уменьшить размеры пятна рассеяния в фокальной области до семи дюймов (менее 20 см) в диаметре.

Полный КПД, рассчитанный от солнечного света и до электричества в выходных проводах, составляет 30%, что намного выше, чем у обычных солнечных батарей.

Стоимость каждой установки приблизительно $150 тыс. При серийном выпуске цена на эти стирлинги может быть снижена более чем втрое, что доведет стоимость электричества, произведенного таким способом, до уровня классических топливных технологий.

Нужно ли говорить, что в отличие от фотоэлектрических панелей (солнечных батарей) солнечные стирлинги обладают куда большей экологической чистотой (если говорить о загрязнении окружающей среды при производстве узлов и деталей, необходимых для той и другой электростанции; а также об утилизации после вывода из эксплуатации) и меньшей стоимостью энергии.

В ходе экспериментов на испытательном полигоне солнечных энергоустановок Национальных лабораторий Sandia в штате Нью-Мексико (США) с участием компании Stirling Energy Systems был поставлен новый рекорд коэффициента преобразования солнечной лучистой энергии в промышленную электрическую – 31,25%. Предыдущий рекорд, зафиксированный в 1984 году, составлял 29,4%.

По расчетам авторов проекта, в теории одна ферма солнечных стирлингов, под которую отвели бы террито- рию всего-то 160×160 км на юге США, покроет полностью всю потребность страны в электроэнергии.