Альтернативный источник энергии для автономных потребителей на основе низкотемпературного двигателя Стирлинга

Abstract

Введение. Актуальность заключается в использовании двигателя с внешним подводом теплоты для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, при этом источником тепловой энергии служит солнечный коллектор. Цель исследования. Разработка альтернативного источника энергии для автономных потребителей сельской местности на основе низкотемпературного двигателя Стирлинга, способного преобразовывать низкопотенциальное тепло нагретой воды в механическую энергию с последующей генерацией электрического тока промышленной частоты. В отличие от классической конструкции известного двигателя Стирлинга представленный ДВПТ имеет значительный объем вытесни- теля, который более чем в 20 раз больше объема рабочего поршня, что позволяет ему работать на меньшей разнице температур между нагревателем и охладителем. Рабочая температура нагревателя составляет 90–100 °С, что в 7–9 раз меньше по сравнению с известным двигателем Стирлинга. Материалы и методы. Теоретические исследования с помощью компьютерного симулирования процессов ДВПТ использованы законы термодинамики и метод Шмидта для построения PV-диаграммы и установления характера протекания термодинамического цикла Стирлинга. Использованы методы 3D-моделирования, метод постепенного приближения. Использован метод натурного эксперимента с последующим внесе-нием изменений в компьютерную модель и лабораторный образец для достижения сходимости результатов и получения адекватной компьютерной модели. Результаты экспериментов обработаны и аппроксимированы, получены детерминированные математические модели и выполнен регрессивный анализ. Результаты. Приведено краткое описание конструктивных особенностей низкотемпературного двигателя с внешним подводом теплоты, работающего по циклу Стирлинга, а также приведены некоторые результаты исследований и компьютерного моделирования. Заключение. Использование воздуха в качестве рабочего тела является не оправданным, так как при его применении массогабаритные размеры ДВПТ на единицу производимой мощности будут больше, чем у двигателей внутреннего сгорания. Для низкотемпературного ДВПТ обязательным условием является разница в объемах вытеснителя и рабочего поршня, для температуры нагревателя в пределах 90 °С вытеснитель должен быть в 20–40 раз больше по своему объему. На КПД оказывают влияние разница температуры между нагревателем и охладителем и давлением рабочего тела. Introduction. The relevance lies in the use of a motor with an external heat supply to convert solar radiation into electrical energy, while the source of thermal energy is a solar collector. Aim. To develop an alternative energy source for remote consumers based on a low-temperature Stirling engine capable of converting lowgrade heat of heated water into mechanical energy with subsequent generation of electric current of industrial frequency. In contrast to the classical design of the well-known Stirling engine, the presented DVPT has a significant displacer volume, which exceeds the volume of the working piston by more than 20 times; this allows it to operate at a lower temperature difference between the heater and the cooler. The operating temperature of the heater is 90–100 °C, which is 7–9 times less than the known Stirling engine. Materials and methods. To work out the results of full-scale experiments, computer modeling was used; the dependence graphs for the change in the pressure of the working fluid and its volume when compressed by the working piston are presented. Results. A brief description of the design features of a low-temperature engine with an external heat supply operating according to the Stirling cycle is given, as well as some results of research and computer modeling. Conclusion. The use of air as a working fluid is not justified, since when using it, the mass and size dimensions of the DVPT per unit of power produced are larger than that of internal combustion engines. For a lowtemperature DVPT, a prerequisite is the difference in the volumes of the displacer and the working piston; for a heater temperature within 90 °C, the displacer must be 20 to 40 times larger in volume. The efficiency is influenced by the temperature difference between the heater and the cooler and the pressure of the working fluid.