МНОГОТОПЛИВНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ СВЕРХМАЛОЙ МОЩНОСТИ С ТЕПЛОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ, СПОСОБНАЯ ЭФФЕКТИВНО РАБОТАТЬ В УСЛОВИЯХ СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ КАЗАХСТАНА | Опубликовать статью РИНЦ

МНОГОТОПЛИВНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ СВЕРХМАЛОЙ МОЩНОСТИ С ТЕПЛОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ, СПОСОБНАЯ ЭФФЕКТИВНО РАБОТАТЬ В УСЛОВИЯХ СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ КАЗАХСТАНА

Научная статья

Мехтиев А.Д.¹, Югай В.В.², Алькина А.Д.³, Есенжолов У.С.^4, *, Калиаскаров Н.Б.⁵

¹ ORCID: 0000-0002-2633-3976;

² ORCID: 0000-0002-7249-2345;

³ ORCID: 0000-0003-4879-0593;

⁴ ORCID: 0000-0003-2536-6810;

⁵ ORCID: 0000-0001-9772-4205;

^{1, 2, 3, 4, 5} Карагандинский государственный технический университет, Караганда, Казахстан

* Корреспондирующий автор (newneil[at]mail.ru)

Аннотация: Проблема эффективного электроснабжения не решена в полном объеме до сих пор. Одним из путей решения данной проблемы является разработка микро тепловой электростанции, способной функционировать практически на любом топливе. Использование собственного источника энергии позволит снизить затраты на ее производство. Существенно повышаются показатели надежности электроснабжения и обеспечивается ее бесперебойная поставка потребителю. Предложенная нами электростанция приводиться в действия тепловым двигателем с внешним подводом теплоты. Приведены некоторые результаты компьютерного моделирования двигателя с внешним подводом тепла, который работает по принципу Стирлинга. Рассмотрены конструктивные особенности разрабатываемого двигателя.

Ключевые слова: тепловая электростанция, двигатель Стирлинга, когенерация, тепловая энергия, комплексное производство, альтернативная энергетика.

MULTI-FUEL ELECTRIC POWER STATION OF SUPER-SMALL POWER WITH EXTERNAL COMBUSTION THERMAL ENGINE CAPABLE OF EFFECTIVELY WORKING IN AGRICULTURAL KAZAKHSTAN

Research article

Mehtiyev A.D.¹, Yugai V.V.², Alkina A.D.³, Esenzholov U.S.^4, *, Kaliaskarov N.B.⁵

¹ ORCID: 0000-0002-2633-3976;

² ORCID: 0000-0002-7249-2345;

³ ORCID: 0000-0003-4879-0593;

⁴ ORCID: 0000-0003-2536-6810;

⁵ ORCID: 0000-0001-9772-4205;

^{1, 2, 3, 4, 5} Karaganda State Technical University, Karaganda, Kazakhstan

* Corresponding author автор (newneil[at]mail.ru)

Abstract: The problem of efficient power supply has not been fully resolved so far. One of the ways to solve this problem is to develop a micro thermal power plant capable of operating on virtually any fuel. Using its own energy source will reduce the cost of the production. It can also significantly increase the reliability of electricity supply and ensure uninterrupted supply to the consumer. The proposed power plant is driven by a heat engine with an external heat supply. Some results of computer simulation of an engine with an external heat supply, which works according to the Stirling principle, are given. The design features of the engine under development are considered.

Keywords: thermal power plant, Stirling engine, cogeneration, thermal energy, integrated production, alternative energy.

Общая часть и предварительный анализ уровня развития двигателя с внешним подводом теплоты. Двигатель Стирлинга (ДС), предложенный как альтернатива паровой машины в начале девятнадцатого века, претерпел множество этапов развития и трансформации, а также временных циклов развития и угасания, и сейчас вызывает достаточный интерес у изобретателей. Создаются все новые конструкции ДС и используются новые технологии для их создания. Сегодня некоторые модели могут оказать серьезную конкуренцию двигателям внутреннего сгорания (ДВС), например, по техническим и экологическим показателям. Несмотря на все достижения и преимущества они все же не нашли широкого применения как электрические машины или двигатели внутреннего сгорания, но на это есть ряд серьезных причин. Рабочее тело (газ или жидкость), движется в замкнутом объёме в условиях цикла периодического нагрева и охлаждения рабочего тела. Для его работы пригодно практически любое топливо или источник тепла [1, C. 27]. Благодаря чему этот уникальный в своем роде тепловой двигатель имеет высокий коэффициент полезного действия, равный максимальной эффективности тепловых машин, но на самом деле, на практике его достичь чрезвычайно сложно.

С исторической точки зрения, толчком в развитии данного направления послужил тепловой двигатель, предложенный католическим священником Робертом  Стирлингом, и запатентовавший им в 1816 году (английский патент № 4081). Тепловые двигатели, использующие в своей работе нагретый воздух, уже использовались в 17 веке, он лишь усовершенствовал конструкцию и предложил использовать регенератор, который он назвал «эконом». Модернизация позволила уменьшить вес и добиться КПД около 10%.  Этот узел позволил повысить эффективность и создать конкуренцию паровой машине, это дало возможность внедрить их на ряде предприятий, в первую очередь он был безопасным в плане допущения взрыва, что было не редкость для паровых машин того времени. Его машина была изготовлена из чугуна весом в одну тонну и вырабатывала 1 кВт мощности, на то время она могла оказать достойную конкуренцию паровой машине [2, C. 33]. Отсутствие износостойких уплотнений и жаропрочных сталей не позволили Стирлингу добиться успехов в эффективности, а бурное развитие ДВС и электромоторов в начале 20 века полностью вытеснили их с рынка, но с развитием технологий и материалов у инженеров в 50 – 60 годах прошлого века снова появился к ним интерес. Разработки новых конструкций ДС продолжаются по сей день. Например, особенных успехов добилась фирма Philips производившая компактные электрогенераторы на основе двигателя с внешним подводом теплоты работающий по циклу Стирлинга с КПД около 30 %, что пока не достижимо для большинства современных бензиновых электростанций с ДВС [3, C. 78]. Новые машины имели более высокую эффективность за счет повышения давления в рабочей полости (в цилиндрах и камерах), что существенно улучшило показатель «вес/габарит/мощность».

Проведенный нами обзор показал, что более чем за двухсотлетнюю историю развития они прошли несколько этапов трансформации и существенных конструктивных изменений, повысивших их эффективность. Сегодня инженерами различных стран мира созданы десятки конструкций тепловых двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ), работающих по циклу Стирлинга. Будет правильней утверждать, что данные тепловые двигатели объединяет только ряд существенных признаков, связанных с внешним подводом теплоты и тепловым циклом Стирлинга. Сам Стирлинг не является автором всех разработок, напротив, его тепловая машина во многом была несовершенна, о чем он сам писал лично, а современные двигатели с внешним подводом тепла в некоторых конструкциях не имеют ничего общего с предложенным им изобретением. В научной литературе совершенно разные по конструкции ДВПТ приписываются к авторству Стирлинга, о которых не было и речи в его работах.

Существуют основные типы тепловых двигателей Стирлинга: альфа, бета и гамма, но более перспективными в настоящее время для использования в энергетике являются свободнопоршневые и термоакустические машины, так как у них более высокий КПД и лучшие показатели массогабаритных размеров на единицу мощности [4, C.57]. Двигатель Стирлинга применяется в случаях, когда необходим небольшой преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины.

Двигатели Стирлинга могут применяться для преобразования тепловой энергии в механическую, а затем в электрическую. На них возлагают надежды по созданию солнечных электроустановок. Их применяют как автономные генераторы для туристов. Некоторые предприятия выпускают генераторы, которые работают от конфорки газовой печи.

Можно выделить ряд преимуществ использования двигателя с внешним подводом теплоты для многотопливной микроэлектростанции:

1. многотопливность и способность работать на доступном в данной местности топливе;
2. значительный моторесурс от 20000 часов;
3. возможность когенерации тепла и комплексного производства энергии;
4. от 3 до 6 раз меньшая стоимость выработанного киловатта энергии;
5. полная автономность и независимость от тарифа и конъюнктуры рынка нефти и природного газа;
6. высокие экологические показатели Евро – 5 и выше, что соответствует самым жестким мировым экологическим стандартам;
7. срок окупаемости когенерационных установок 2-4 года;
8. отсутствие необходимости прокладки и обслуживания электросетей при электрификации отдаленных районов;
9. значительное сокращение расходов региональных бюджетов на закупку привозного топлива.

В различное время ряд зарубежных фирм очень активно вели работу по исследованию и разработке новых конструкций ДС или двигателя с внешним подводом теплоты, например, ‘Philips” (Нидерланды), “General Motors Co”, “Ford Motor Co”, “NASA Lewis Research Center”, “Los Alamos National Laboratory” (США), “MAN-MBW” (Германия), “Mitsubishi Electric Corp.”, “Toshiba Corp.” (Япония). В течение последнего десятилетия к работам по созданию двигателей Стирлинга приступили также в “Daimler Benz” и “Cummins Power Generation” (СPG) [5]. В различное время проведено множество исследований и практических опытов по вопросу использования двигателя Стирлинга для различных нужд, в том числе для производства электроэнергии [6]. В настоящее время на территории России активно работают несколько крупных компаний занимающиеся разработкой электростанций когенерационного типа, например, ООО “ИИЦ “Стирлинг-технологии”. На рынке имеется продукция произведенная ОАО «Машиностроительный завод «Арсенал», НПО «Гелиймаш» и др. Выпускаемые этими предприятиями ДВПТ, не являются Российскими разработками, а представляют собой копии криогенных машин, ранее выпускаемых голландскими фирмами “N.V. Philips Gloeilampenfabrieken” (“Филипс”) и “Werkspoor”. В России из-за экономического кризиса сложилась крайне неблагоприятная инновационная атмосфера и научные организации, в которых ранее велись работы по созданию новых  конструкций ДВПТ, например, МВТУ им. Баумана, ВНИИГТ, ОмПИ (ТУ), СПбГТУ (Политехнический университет), ЦНИДИ, вынуждены были из-за финансовых трудностей закрыть свои программы. В то же время в странах Евросоюза, США и Японии за последние 15 лет достигнуты положительные результаты в создании высокоэффективных машин Стирлинга, например термоакустического типа с линейными генераторами. Специалистами ООО «Инновационно – исследовательский центр «Стирлинг – технологии» вначале 21 века был проведен ряд экспериментальных исследований, в результате которых была разработана новая методология проектирования и расчета машин данного цикла. Данная методология включает в себя несколько “ноу-хау”, среди которых: уникальный метод двухуровневой многопараметрической оптимизации машин Стирлинга; структурный синтез машин Стирлинга на основе метода функцио­нально-эксергетического анализа сложных тепломеханических устройств и оптимального конструирования. На основании предложенных технических решений, специалистами ООО «Инновационно – исследовательский центр «Стирлинг – технологии», за 1994-2003 году было подано более 150 заявок на предполагаемые изобретения. Особое внимание уделялось проработке отдельных узлов машин Стирлинга и их конструктивного исполнения, а также созданию новых принципиальных схем установок различного функционального назначения. Практика показала, что оптимальное конструирование позволит в значительной степени сокра­тить суммарную удельную стоимость машин при их опытном изготовлении и серийном производстве. Предлагаемые технические решения, с учетом того, что машины Стирлинга менее дороги в эксплуатации, позволяют повысить их экономическую рентабельность по сравнению традиционными преобразователями энергии. Дальнейшее широкое распространение машин Стирлинга будет связано с развитием теории проектирования многоцилиндровых машин данного цикла, что позволит создавать двигатели и холодильные машины производительностью до 1000 кВт.

Некоторые проблемы, связанные с созданием высокоэффективных машин Стирлинга. Проанализированный нами зарубежный опыт по созданию высокоэффективных ДВПТ или двигателей Стирлинга показал, что без точного математического моделирования рабочих процессов и оптимального конструирования основных узлов, доводка проектируемых машин превращается в многолетние изнурительные экспериментальные исследования с малой вероятностью успешного результата. Ведущие разработки фирм стран Евросоюза, США и Японии, опираются на теоретические и экспериментальные исследования своих ученых из университетов и технопарки которые занимаются разработкой отдельных типов машин Стирлинга. Имеются не в полном объеме решенные технические проблемы, связанные конструкцией отдельных узлов, особенно уплотнений, регулирования мощности и т.д. Имеются проблемы обусловленные применением различных рабочих тел, например, низкая эффективность воздуха при нагреве и предотвращение утечек водорода, который является наиболее эффективным рабочим телом. Есть конструкции использующие в качестве рабочего тела гелий, он намного эффективнее воздуха, но обладает сверхтекучестью, что предъявляет повышенные требования к уплотняющим элементам рабочий поршней, штока вытеснителя и т.д., а это влияет на стоимость изготовления ДВПТ. В отличие от ДВС уплотнения работают в режиме сухого трения, так как смазка может сильно загрязнять рабочее тело и негативно влиять на работу ДВПТ, поэтому и уплотнения должны иметь низкий коэффициент трения и высокую износостойкость. Продолжается работа по проектированию перспективных и новых конструкций ДВПТ, которые внедряются в производство, например, свободно поршневых, не имеющих недостатков классических ДВПТ. Для достижения высокого КПД необходим высокий уровень технологии производства и качества материалов, а это повышает их стоимость, делая не доступными для массового повсеместного использования. К примеру, компания WhisperGen (Новая Зеландия) разработала для Европейского рынка микротепловую электростанцию когенерационного типа c тепловым двигателем внешнего сгорания (двигателем Стирлинга), стоимостью около 8 тыс. евро, но если учесть ее доставку в Казахстан, то цена вырасти минимум на 50%. Данная установка способна комплексно вырабатывать электрическую мощность — 1 кВт и тепловую — 5,5 кВт, что может хватить для небольшого сельского дома. Естественно сельскому жителю данная техника не доступна из-за высокой стоимости и отсутствия природного газа для ее работы, это делает ее невостребованной на селе. Высокая стоимость формируется из-за необходимости применения жаростойких сплавов и цветных металлов, их сварки и пайки. Немалые средства вкладываются в изготовления регенератора и насадки для него, так как необходимо с одной стороны высокая теплоемкость, а другой стороны, низкого гидравлического сопротивления. Производство требует высокотехнологичного оборудования и высокой квалификации рабочего персонала, а это тоже существенно повышает стоимость. Высокая наукоемкость и технологичность производства, а также использование дорогостоящих материалов является основным сдерживающим фактором широкого распространения современных ДВПТ. Для создания конкурентоспособных на мировом рынке ДВПТ можно добиться только в результате синтеза передовых научных исследований и высокопрофессиональной конструктивной проработки основных узлов, а также передовой технологии производства.

Разработка многотопливной электростанции сверхмалой мощности с тепловым двигателем внешнего сгорания.

Целью нашей научной работы является разработка двигателя с внешним подводом теплоты для многотопливной микроэлектростанции способной эффективно в условиях сельской местности Казахстана.

Своей будущей задачей мы ставим разработку серии микроэлектростанций мощностью от 1 до 100 кВт на основе свободнопоршневого двигателя внешнего сгорания и линейным генератором для энергообеспечения сельских жителей Казахстана. Наша работа выполнена в рамках проекта «Микротепловая электростанция когерационного типа с рекуперацией тепла» (№ АР05131751).

Данный тип теплового двигателя был изобретен в 50 – е годы прошлого века в США фирмой «Санпауэр». Конструкция получилась настолько удачная из всего семейства Стирлингов, что инженеры НАСА разработали несколько вариантов для использования их на космических кораблях. Немецкие инженеры сделали ряд разработок для использования их в быту, он может работать как генератор, насос и термокомпрессор [7, C. 85].

Ранее были сформулированы ряд рекомендаций по использованию двигателя Стирлинга для энергообеспечения сельских потребителей , а также приводили основные результаты исследований. Компактная когенерационная энергетическая установка способна производить электрическую и тепловую энергию, при соотношении 1/5 кВт, с КПД 10-20% и 40-50%, соответственно по видам энергии. В перспективе проведение работы по совершенствованию конструкции и оптимизации параметров для достижения комплексного КПД около 90%. Данная установка будет производить тепловую энергию примерно в 5 раз больше, чем электрическую, так как тепловая энергия охлаждающей воды и отработанных газов используется для нужд теплоснабжения потребителей. Эффективность применения двигателя Стирлинга в когенерационных установках, по сравнению с ДВС, обусловлена особенностью его теплового баланса. На рисунке 1 показана компоновка многотопливной микроэлектростанции мощностью в 1 кВт с двигателем с внешним подводом теплоты, в трех возможных вариантах, основанных на использовании энергосберегающего эффекта «Тандыра». Данная установка производит 1 кВт/ч электрической энергии и 5-6 кВт/ч тепловой, что в полнее достаточно для небольшого сельского дома. Контур охлаждения работает в летнее время, а в холодное время года его заменяет система отопления жилого дома. Установка работает на аккумулирование электрической и тепловой энергии. Накопители позволяют добиться стабильности в ее работе и обеспечить пики максимальной нагрузки, а также сбалансировать объемы произведенной и потребляемой энергии при минимальных потерях. Установка монтируется в печь или «Тандыр», которую предварительно разжигают, возможна также работа установки в длительном режиме с поддержанием процесса горения топлива.

Установка состоит из: свободнопоршневого двигателя внешнего сгорания 1; линейного генератора переменного тока на постоянных магнитах 2 и кабельной линии 3 с напряжением 220 В. Кабель подключается к преобразователю AC220/DC24В, для зарядки аккумулятора емкостью примерно 200 А/ч; система охлаждения (отопления) 4, чем эффективнее она работает тем выше КПД всей установки; нагреватель рабочего тела 5 из нержавеющей жаропрочной стали; система подвода воздуха 6; основание земли 7; кирпичная кладки из шамотного кирпича 8; трубопровод для системы охлаждения 9; колосниковая решетка 10; бетонное основание печи 11; теплоизоляция 12; обшивка 13; люк для чистки 14; дымоход для удаления продуктов горения 15.

Установка работает следующим образом, под действием высокой температуры от 300 до 700⁰ С силовая установка на основе свободнопоршневого двигателя внешнего сгорания 1 приводит в движение линейного генератора переменного тока на постоянных магнитах 2, выработанный ток по кабельной линии 3 с напряжением 220 В поступает на преобразователь переменного тока в постоянный AC220/DC24В который имеет контроллер заряда и осуществляет зарядку аккумуляторов минимальной емкостью 200 А/ч, желательно увеличить емкость аккумуляторов в 2-3 раза, для исключения дефицита электроэнергии и избежание аварийного отключения автономной системы при разрядке аккумулятора. Если в доме есть несколько мощных приемников, то необходимо отдельно рассчитать необходимое для их работы емкость. Постоянный ток может напрямую доставляться потребителям, например светодиодным электрическим лампам и частично инвертироваться для приводов холодильника и стиральной машины. Важным моментом эффективной работы установки является система охлаждения (отопления) 4, чем эффективнее она работает, тем выше КПД всей установки, поэтому желательно лучше охлаждать рабочее тело, чем повышать температуру нагревателя. Система охлаждения подключается через трубопроводы 9 и разделяется на прямой и обратный, в качестве охлаждающей жидкости может быть использован автомобильный антифриз. Для циркуляции охлаждающей жидкости используется электрический насос(помпа), а подключение системы отопления дома осуществляется через теплообменный аппарат. Для хранения излишек тепловой энергии необходим бак с тепловой изоляцией емкостью 200 – 500 литров.

Рис. 1 – Возможные варианты компоновки многотопливной электростанции мощностью в 1 кВт с двигателем с внешним подводом теплоты

 

Нагреватель рабочего тела 5 непосредственно воспринимает высокую температуру и должен быть выполнен из жаропрочной стали, для повышения эффективности он снабжен дополнительными трубчатыми нагревателями и внутренним регенератором. Для обеспечения процесса горения топлива печь или «Тандыр» должны быть оснащены системой подачи воздуха 6. Важным моментом является конструкция самой печи, главное ее казачество должно быть энергосбережение и сохранение тепла, поэтому теплоизоляции уделяется особое внимание.

Электрическая схема установки показана на рисунке 2, основная идея заключается в разделении нагрузки на переменную и постоянную. Это позволит избежать излишних преобразований и потерь, так как большинство современного бытового электрооборудования работает на постоянном токе, например, ноутбук или сотовый телефон. Светодиодные электрические лампы тоже могут работать на постоянном токе без драйвера. Переменный ток необходим только холодильнику, стиральной машине, микроволновой печи, поэтому для них предусматривается инвертор. Система выработки электрической энергии состоит из линейного синхронного генератора переменного тока 1, выполненного на постоянных магнитах, полупроводникового выпрямителя переменного тока 2, контроллера заряда аккумулятора с реле 3 и 5, аккумуляторной батареи 4, распределительного устройства 6 для разделения нагрузки на переменный ток с питанием от инвертора и на постоянный ток для питания нагрузки постоянного тока напрямую от аккумуляторной батареи.

Рис. 2 – Электрическая схема генерации

 

Для проведения исследований нами был разработан экспериментальный двигатель с внешним подводом теплоты, представленный на рисунке 3, мощность электрического генератора на постоянных магнитах составляет 100 Вт.

В качестве рабочего тела используется гелий с добавлением небольшого в процентном отношении воды, что позволяет создавать давление до 12 МПа.

Нами проведено компьютерное моделирование свободнопоршневого двигателя, полученные результаты помогут создать оптимальную конструкцию с максимально возможным КПД. Установлен ряд зависимостей влияющих на мощность связанных с температурой нагревателя и охладителя, диаметром и ходом поршней, фазой и другими параметрами.

Рис. 3 – Экспериментальная лабораторная установка мощностью 100 Вт

 

Отдельно проведены эксперименты, позволяющие построить диаграмму замкнутого теплового цикла Карно и рассмотреть зависимость давления и объема при различных положениях поршней. Результаты приведены на рисунке 4.

Риc. 4 – Зависимости основных параметров свободнопоршневого двигателя при его работе

 

Проведенные исследования позволяют найти оптимальные параметры конструктивных частей теплового двигателя. Точно установить геометрические размеры поршня и вытеснителя, а также величину их хода с оптимальным значением фазового сдвига.

Вывод. Использование двигателя с внешним подводом теплоты для многотопливной микроэлектростанции способной эффективно работать в условиях сельской местности Казахстана является весьма перспективным и требует всестороннего научнного исследования. Считаем, что наиболее перспективной конструкцией привода силового агрегата является свободнопоршневой двигатель с внешним подводом теплоты.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.