Двигатель Стирлинга с генератором для зарядки телефона

Экология потребления.Наука и техника:Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой и эффективностью.

Вдохновленный MP1002C Philips

В середине 80-х, я имел удовольствие быть свидетелем испытаний генераторной установки  MP1002C Philips которая на самом деле реально работала. Опыт произвёл на меня глубокое впечатление, особенно в том, как спокойно Стирлинг завёлся и ожил. Максимум шума исходил от горелки (камеры сгорания), но в конечном итоге от двигателя Philips исходил очень приятный звуковой фон — всё, что нужно было заменить — были шумящие подшипники.

Как говорится в старой поговорке, «Он работал и работал, как швейная машинка Зингер»! В то время, мой опыт общения с двигателями Стирлинга состоял из проектирования нескольких моделек настольного размера, но, увидев и услышав работающий двигатель Philips, я захотел спроектировать, сделать дизайн и собрать двигатель такого же калибра … сделать нечто достаточно большое, что производило бы полезную ощутимую работу.

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА: ФИЗИЧЕСКАЯ СТОРОНА ВОПРОСА

Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.

Электростанции на  двигателе Стирлинга — простота, экономичность и экологическая безопасность

При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.

Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.

Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.

Все двигатели Стирлинга работают по принципу цикла Стирлинга, включающего в себя четыре основные фазы и две промежуточные. Основными являются нагрев, расширение, охлаждение и сжатие. В качестве стадии перехода рассматриваются переход к генератору холода и переход к нагревательному элементу. Полезная работа, совершаемая двигателем, строится исключительно на разнице температур нагревающей и охлаждающей частей.

DIY генератор Стирлинга достигает 1687 оборотов в минуту

Генераторы Стирлинга редко встречаются в средствах массовой информации, но на самом деле они являются одним из немногих вариантов, которые мы можем использовать для превращения необработанного тепла в электричество.

Действительно, некоторые варианты почти 200-летнего двигателя Стирлинга более эффективны, чем другие, но приятно видеть, что экспериментаторы со всего мира решают их и шаг за шагом решают их недостатки.

Двигатель Стирлинга с генератором для зарядки телефона

Сегодня я наткнулся на это видео, сделанное мастером-экспериментатором по имени Олег Петухов, и я был очень впечатлён производительностью его самодельного генератора Стирлинга.

Созданная с помощью всего лишь нескольких инструментов в среде с ограниченными технологическими возможностями, например, в домашних условиях, удалось достичь 1687 оборотов в минуту и, как утверждает Олег в названии, производить 10 ватт мощности. Теперь это не является чем-то необычным с точки зрения эффективности генератора Стирлинга, но я уверен, что правильно оборудованные лаборатории могли бы работать лучше.

Генератор Стирлинга может питаться от любого источника тепла, и первое, что приходит на мой взгляд , является солнечной энергией, так как это бесплатно. Так что сделайте один такой двигатель, поместите его в фокус параболического солнечного концентратора, и вы получите – неограниченную мощность. В этом случае эффективность производства будет зависеть только от того, что вы сможете извлечь из своего перемешивающего генератора – используемого вами газа, материалов и т.д.

Посмотрите этот фильм о генераторе Стирлинга и оставьте свои комментарии под статьей.

Реализация[править | править код]

В 2014 году Toyota представила прототип линейного генератора, с заявленным КПД 42% (КПД обычного двигателя внутреннего сгорания 25-30%), мощностью 11 кВт (15 л.с.), длиной 61 см (24 дюймов) и диаметром 6,4 см (2.5 дюйма)[2].

Двигатель Стирлинга альтернативный источник электричества и тепла

Генерация электроэнергии почти всегда связана с появлением побочного продукта – тепла. Даже фотоэлементы нагреваются, что снижает их КПД. Однако есть целый кластер устройств, в которых тепло не рассеивается, а может быть использовано для бытовых нужд. Сердце таких генераторов – двигатель Стирлинга.

Выбор пал на конфигурацию «альфа» по следующим причинам

  • Эта конструкция имеет самое большое отношение рабочего объёма к общему объему двигателя, что позволяет физически получить компактный двигатель.
  • При конструировании альфы сдвиг фаз поршней составляет 90 градусов и поэтому достигается идеальный первичный баланс, что способствует более тихому ходу.
  • С механической точки зрения и с точки зрения исполнения в «железе» он очень простой, поэтому его выгодно строить.

Двигатель внешнего сгорания

Базовое отличие двигателя Стирлинга в том, что топливо сгорает не внутри цилиндра, а снаружи. Следовательно, внутреннее пространство остаётся герметичным и идеально чистым, без нагара и необходимости его обслуживания. Работает он практически бесшумно, так как нет детонации обогащённой топливной смеси.

Остальные достоинства можно обозначить так:

  • Абсолютная экологическая безопасность.
  • Простейшая конструкция обеспечивает высокую надёжность.
  • Чрезвычайно высокий моторесурс.
  • Всеядность по отношению к источнику тепла.
  • Очень высокий КПД.

Обеспечить более полное сгорание топлива гораздо легче снаружи цилиндра, чем внутри. Нагрев можно проводить не только углеводородными энергоносителями, но энергией Солнца, используя высокотемпературные солнечные концентраторы. В такой комбинации, КПД альтернативного генератора электроэнергии превышает 30%!

Для сравнения – лучшие серийные фотоэлементы демонстрируют КПД только 24%. Именно бесшумность была решающим фактором для установки двигателя Стирлинга на подводные лодки последних серий в Японии и Швеции.

В середине 80-х годов 20-го века, в США собрали и установили двигатель Стирлинга в автомобиль Chevrolet Celebrity!(Chevrolet Celebrity MOD 2 Stirling)

Современный двигатель Стирлинга
На фото автомобиль AMC Spirit Stirling experimental engines

На фото автомобиль AMC Spirit Stirling experimental engines

Результаты были поразительны: глушитель, смазка и катализаторы были уже не нужны, экономия топлива достигала 45%, а ускорение практически не изменилось.

На фото автомобиль NASA's Stirling-engined Dodge D-150

На фото автомобиль NASA’s Stirling-engined Dodge D-150

Двигатели Стирлинга используются НАСА(NASA) даже в космических аппаратах.

Двигатели Стирлинга используются НАСА(NASA) даже в космических аппаратах.

Но у них есть и недостатки.

Для получения максимально достижимого на практике КПД, необходимо обеспечить очень высокую разницу температур в холодной и горячих частях цилиндра. В противном случае, снижается «удельная мощность».

На фото автомобиль P-40 OPEL STIRLING ENGINE

На фото автомобиль P-40 OPEL STIRLING ENGINE

Идеальным рабочим телом (газом) является водород, но его молекулы настолько малы, что им удаётся «напитывать» материал цилиндра. Следующий по эффективности газ – гелий, но он дорогой. А КПД снижается на 5%. Но можно использовать и азот, и аммиак, и даже осушенный воздух. Но мощность будет ниже идеальной.

СОВРЕМЕННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ СТИРЛИНГА

Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:

  • альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
  • бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
  • гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель.

Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.

Наддув (нагнетание давления в Стирлинге)

Для получения значимых выходных мощностей необходимо повышать давление в рабочей зоне двигателя. Зная, что двигатель Philips работал при давлении 12 бар (175 фунтов на квадратный дюйм), я хотел бы получить двигатель, который был бы конструктивно прочным и компактным, чтобы работать на данных уровнях внутреннего давления рабочего газа. Рабочим телом был воздух, и выбран он был на основании практичности. Я хотел, чтобы в моём генераторе смазка осуществлялась маслом, так же как и в Стирлинге от Philips — эта функция в значительной степени способствует тихой работе и длительному сроку службы, который очень хочется получить в двигателе Стирлинга.

Серийные генераторы и микроТЭЦ на двигателе Стирлинга

Однако все эти недостатки не помешали фирме «Филипс» (Philips Stirling Engine), создать для массового производства проект переносного электрогенератора Стирлинга модель MP1002CA ещё в начале 50-х годов.

Он был предназначен для работы от любого горючего, вплоть до пальмового масла, и генерировал 0,2 кВт электроэнергии. Обиходное название – «Генератор для бунгало». Но к моменту производства, выяснилось, что он не может конкурировать по стоимости с аналогами на двигателе внутреннего сгорания. Поэтому их выпустили не более пятнадцати дюжин. И те разошлись по учебным заведениям, для наглядной демонстрации.

В наше время небольшие фирмы разрабатывают аналогичные устройства. Например в г. Магнитогорске, фирма «ЭНЕРГОТОНИКА» выпускает многотопливный мини теплоэлектрогенератор с двигателем Стирлинга ГДС-150.

Его масса всего 37 кг, он может работать на любом топливе, хоть на дровах, хоть на газе.

В режиме 7/24 работает несколько месяцев. Но в таком режиме он вырабатывает 0,2 кВт электричества + тепло для отопления. На короткий промежуток устройство выдаёт до 1кВт.

Современный двигатель Стирлинга

К коттеджу такой источник альтернативной энергии не подключишь, а вот в лесной заимке, охотничьей сторожке, на рыбацком стане или в избушке лесника, или для кемпинга ГДС-150 будет вписываться идеально.

Современный двигатель Стирлинга

Для частного жилого дома «ЭНЕРГОТОНИКА» под заказ выпускает микроТЭЦ «АМТЭС-5/25ДО». Работает она на дровах (опилки, щепки, стружка), выдаёт в час 5 кВт электроэнергии и 25 кВт тепла, стоит 850 т.р.

Современный двигатель Стирлинга

Корейская фирма выпускает аналогичное устройство Navien Hybrigen SE.

Современный двигатель Стирлинга

Работает он на газе, и производит только 1 кВт электричества, а по цене гораздо дороже – 1,07 млн. р.

Современный двигатель Стирлинга

Немцы выпускают микроТЭЦ VITOTWIN 300-W Mikro-KW. Используя только газ, установка выдаёт 1 кВт электрической энергии и 6 кВт тепла. Стоит более 20,5 т. евро.

Современный двигатель Стирлинга

Обратите внимание, что все эти микроТЭЦ работают на двигателе Стирлинга. Только в западных странах они называются «m-CHP»

Сложности отечественного производителя

По техническим параметрам, российские микро ТеплоЭлектростанЦии на двигателе Стирлинга ни чем не уступают иностранным аналогам, а даже превосходят их по «всеядности». В ценовом сегменте они тоже выигрывают, но при внимательно изучении, оказывается, что стоимость может быть снижена в 3-5 раз!

Руководитель фирмы «ЭНЕРГОТОНИКА» Виктор Закомолдин дал довольно подробное объяснение. Оказывается в России абсолютно разрушены все производственные мощности, которые раньше выпускали простейшие комплектующие для дизельных двигателей и другие мелкие детали. Закупать их приходится в Китае. А доставка с растаможкой увеличивает стоимость в 7-10 раз! Политика Господдержки, объявленная правительством, оказалась фикцией.

При выходе на серийное производство из отечественных комплектующих, стоимость всей выпускаемой продукции будет снижена в 3,5-5 раз! Какая может быть тогда конкуренция, у немецкой m-CHP ценой 1,7 млн. руб, с отечественной микроТЭЦ за 300 т.р., если по техническим характеристикам Российский аналог уже вышел в отрыв.

Ведь работая в режиме максимальной производительности, магнитогорский микрогенератор АМТЭС-5/25ДО
потребляет всего 10 кг опилок и древесной щепы в час! выдавая 5 кВт элетроэнергии и 25 кВт тепла. Фактически – золотая жила

С такой микроТЭЦ на двигателе Стирлинга, жильё станет на 100% энергонезависимым. Например, можно поставить коттедж в поле, и к нему не надо будет тянуть линию электропередач и газопровод! А одна проектная разработка этих коммуникаций будет стоить гораздо больше миллиона. Впоследствии, предстоит оплачивать постоянно растущие тарифы на газ и электроэнергию.
В составе магнитогорской микроТЭЦ, имеется бункер на 0,7 куб. м. Одной полной загрузки хватает на 2 суток беспрерывной работы. Тепло можно использовать не только для отопления жилья, но и для бани, хранить в теплоаккумуляторе.
И главное ничего не надо изобретать! Всё уже имеется, но крупные заказчики ориентированы на углеводородные энергоносители, и привязку потребителя к центральным энергосетям.

Может быть после окончания эпидемии коронавируса COVID-19, ситуация начнёт исправляться. Но пока до 70% деталей закупается в Китае, изменений ждать не приходится.

Компрессор кондиционера от Chrysler

Примерно в это же время мне в руки попался холодильный компрессор и оказалось, что он идеально подходит в качестве основы для запланированного мной двигателя. Это был автоматический компрессор кондиционера RV-2 компании Chrysler. Кривошип разносил поршни на 90 градусов (дизайн V-твин), с диаметром цилиндра 58,7 мм и ходом поршня 33,4 мм.

В обоих цилиндрах в сочетании с правильной траекторией движения газа, рабочим объемом составил 127,8 куб.см, что составляет более чем вдвое больший объём по сравнению с MP1002C двигателя Philips. Являясь холодильным компрессором, конструкция была сделана основательно и с достаточным запасом прочности для такого сильного сжатия. Кроме того, этот компрессор содержал героторный масляный насос, который  под давлением смазывал края большим шатунным подшипникам. Каждый алюминиевый поршень имел одно компрессионное кольцо и соединены через алюминиевые шатуны Alcoa. Этот компрессор оказался самым оптимальным для моей задумки.

Компрессор кондиционера Chrysler RV-2 в разобранном видеКомпрессор кондиционера Chrysler RV-2

Годы разработки

На протяжение нескольких лет, я спроектировал и уже отработал все необходимые компоненты, для того, чтобы адаптировать компрессор к работе в двигателе Стирлинга. Я также сконструировал трубчатую несущую раму, которая являлась несущим основанием для двигателя. Рама стилизована под аналогичную используемую на генераторной установке Philips.

Головка нагревателя, вытеснитель и внутренний цилиндр выполнен из труб нержавейки 302 различных размеров. В роли регенератора использовал путанку из медной проволоки. Охладитель, расположенный со стороны сжатия двигателя, был изготовлен из алюминиевых трубок. Использовал небольшой генератор 200 Вт 12 вольт с ременным приводом, который изначально был куплен и предназначался для работы на садовом тракторе.

Вот этот двигатель, получивший название SV-2 MK I (Stirling V-2 Mark I):

Генератор на базе двигателя Стирлинга альфа SV-2 MK I (Stirling V-2 Mark 1)Генератор на базе двигателя Стирлинга SV-2 MK I (Stirling V-2 Mark 1)

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.

Электростанции на  двигателе Стирлинга — простота, экономичность и экологическая безопасность

Настольная электростанция Стирлинга, купить которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:

  • большие размеры, которые вызваны потребностью к постоянному охлаждению работающего поршня;
  • использование высокого давления, что требуется для улучшения характеристик и мощности двигателя;
  • потеря тепла, которая происходит за счет того, что выделяемое тепло передается не на само рабочее тело, а через систему теплообменников, чей нагрев приводит к потере КПД;
  • резкое снижение мощности требует применения особых принципов, отличающихся от традиционных для бензиновых двигателей.

Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:

  • любой вид топлива, поскольку как любые двигатели, использующие энергию тепла, данный двигатель способен функционировать при разнице температур любой среды;
  • экономичность. Данные аппараты могут стать прекрасной заменой паровым агрегатам в случаях необходимости переработки энергии солнца, выдавая КПДна 30% выше;
  • экологическая безопасность. Поскольку настольная электростанция кВт не создает выхлопного момента, то она не производит шума и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. В виде источника получения мощности выступает обычное тепло, а топливо выгорает практически полностью;
  • конструктивная простота. Для своей работы Стирлинг не потребует дополнительных деталей или приспособлений. Он способен самостоятельно запускаться без использования стартера;
  • повышенный ресурс работоспособности. Благодаря своей простоте, двигатель может обеспечить не одну сотню часов беспрерывной эксплуатации.

Конфигурация двигателя. Пробы и ошибки

После долгих раздумий (и нескольких лет разочарования) я понял, что в этой конфигурации допущены ошибки. В первую очередь — в любом двигателе Стирлинга нагреватель, регенератор, и холодильник должны быть «моноблочные», то есть их размещают в непосредственной близости друг от друга. Это означает, что эти три термодинамические компоненты должны все находиться в стороне от вытеснителя двигателя, вместо того, чтобы «разбросать» их по всей цепи газового тракта, как я сделал на МК I. Такой грамотный дизайн очень важен для хорошей производительности и такая плотная моноблочная компоновка чётко прослеживается на всех двигателях Philips. Тот факт, что я расположил регенератор в тесном контакте с блоком двигателя способствовали утечке тепла вдоль всей длины двигателя — это явно плохое решение в конструкции Стирлинга.

Несмотря на не оптимальную работу, я много узнал о расходе масла и о том как очищать перемещающуюся смазку в рабочем пространстве. Разобрался с техническими особенностями особой скруглённой формы вытеснителя, его прерывистых движений, уплотнительными кольцами и канавками для них и разделённой формы вытеснителя. Открытие безуглеродного состава синтетических масел с высокой температурной точкой вспышки также было очень полезно. Собственная конструкция отражателя пламени горелки на пропане также вызывал сомнение, но после нахождения некоторых старых публикаций на эту тему, успешная расчетная схема горелки наконец-то появилась и была успешно апробирована на трёх построенных экземплярах.

Конструкция самодельного кольца газовой пропановой горелкиКонструкция самодельного кольца газовой пропановой горелки

Двигатели с низким перепадом температур

Двигатель Стирлинга с генератором для зарядки телефона

Двигатель Стирлинга с низким перепадом температур, показанный здесь, работает от тепла от теплой руки.

А разницу низкой температуре ( LTD или Low Delta T (LDT) ) двигатель Стирлинга будет работать на любой низкой разности температур, например, различие между ладонью руки и комнатной температуре, или при комнатной температуре и кубиком льда. Рекордный перепад температур всего 0,5 ° C был достигнут в 1990 году. Обычно для простоты они проектируются в гамма-конфигурации и без регенератора, хотя некоторые из них имеют прорези в буйке, обычно сделанные из пены для частичной регенерации. Обычно они не находятся под давлением и работают под давлением, близким к 1  атмосфере . Вырабатываемая мощность составляет менее 1 Вт, и они предназначены только для демонстрационных целей. Они продаются как игрушки и обучающие модели.

Однако для перекачивания воды под прямыми солнечными лучами с минимальным увеличением или без увеличения созданы более крупные низкотемпературные двигатели (обычно площадью 1 м²).

Новый дизайн и появление MK II

В тот момент я понял, что была необходима большая модернизация для того, чтобы получить хороший и эффективный двигатель. Копаясь в моих технических справочниках и книгах, я внедрил модернизацию во все термодинамические компоненты в газовом контуре. Были переработаны: головка нагревательного цилиндра из нержавеющей стали 316, на которой нанесены рёбра внутренние и внешние, фольга для регенератора, ребристый охладитель, а также новый вытеснитель из нержавейки с тонкими стенками.

Ребристый снаружи и внутри нагреватель двигателя стирлинга из нержавейкиРебристый снаружи и внутри нагреватель двигателя стирлинга из нержавейки

Мой друг и энтузиаст в стирлингостроении Джон Арчибальд, согласился подготовить чертежи из моих эскизов дизайна и используя свои навыки в качестве слесаря-механика, помочь с созданием некоторых из наиболее сложных частей. Потребовалось еще несколько лет, чтобы получить все новые компоненты, но в конце 2012 года, версия MK II двигателя была готова и была собрана.

Кулер с рёбрами для двигателя стирлингаКулер с рёбрами для двигателя стирлинга

Альтернативный генератор Стирлинга в свой дом

Этот сегмент альтернативной энергетики практически не освоен на постсоветском пространстве. Сказывается политика правительства, которая препятствует развитию на практике альтернативной энергетики. Упор делается на нефтегазовый сектор, как в колониальных странах.

Для личных нужд, умельцы такую перспективную комбинацию начнут рассматривать в ближайшее время. Сразу, как только окончится переформатирование страны, скрытой под маской коронавирусной эпидемии COVID-19.

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайтеподписываться на канали ставить “палец вверх“, если статья Вам понравилась!

Водяное охлаждение стирлинга

Так как двигатель альфа имеет водяное охлаждение, то для циркуляции охлаждающей жидкости применён небольшой электрический гидронасос, запитываемый в дальнейшем от выходной мощности электрогенератора.

Дальнейшая разработка горелки

Новая горелка сейчас строится, она будет соответствовать ребристой геометрии головки нагревателя и будет выдавать более высокую теплоотдачу для предполагаемого вывода выходного вала 700 Вт на 1800 оборотов в минуту. Конструкция горелки должна быть готова к тестированию в следующем месяце или чуть позже, и должна быть полностью готова для исследования и раскрытия полного потенциала этого двигателя.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...