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 озоноразрушающих 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.

Одним из перспективных путей в решении экологических и энергетических проблем является разработка и внедрение энергопреобразующих систем на основе машин, работающих по прямому и обратному циклам Стирлинга.

Конструктивно машины Стирлинга представляют собой сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: теплообменника нагрузки (нагревателя или конденсатора), регенератора и холодильника. В качестве рабочего тела используется, как правило, гелий, который во внутреннем контуре машины совершает прямой или обратный термодинамический цикл, состоящий из двух изотерм и двух изохор.

К преимуществам машин Стирлинга следует отнести ряд принципиальных свойств, присущих только этим машинам и создающих предпосылки для их широкого использования практически во всех областях промышленности и техники:
- широкая универсальность самого термодинамического цикла, позволяющего при различном конструктивном исполнении создавать как преобразователи прямого цикла, так и обратного цикла;
- наивысшая энергетическая эффективность (теоретический КПД цикла идеальной машины Стирлинга равен КПД цикла Карно);
- высокая степень экологической чистоты как самих машин, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуатации;
- возможность применения местного сырья и нетрадиционных источников тепла: солнечной радиации, природного газа, торфа, угля и т.д.



Автономные системы электроснабжения на основе двигателей Стирлинга

В мировых обзорах по энергопреобразующей технике двигатель Стирлинга рассматривается как двигатель, обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки. Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на различных топливах, большой ресурс, сравнимые размеры и масса, хорошие характеристики крутящегося момента - все эти параметры дают возможность машинам Стирлинга в ближайшее время значительно потеснить двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ). Поэтому в сравнении с ДВС в двигателях Стирлинга процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает более равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура и отсутствии газораспределительного механизма клапанов.

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 (ГТУ). Эти двигатели имеют эффективный КПД (до 45%), удельную массу от 3,8 до 1,2 кг/кВт, ресурс до 40 тыс. часов и мощность от 3 до 1200 кВт.

Сейчас ввиду 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 может использоваться торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Решение данного вопроса уже в ближайшее время позволит обеспечить многие регионы Российской Федерации дешевыми в эксплуатации автономными электроисточниками на местном топливе.

Возврат к биоресурсам - это 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 накапливаются значительные количества отходов биомассы.

Широкое использование автономных источников энергии, работающих на местном топливе, отражает мировую тенденцию к энерго- и ресурсосбережению. Данное направление интенсивно развивается в странах, имеющих значительный запас биоресурсов (леса, торфяных болот и т.д.): Швеции, Норвегии, Дании, Финляндии, прибалтийские страны. 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 Европейского Союза около 14% общей энергии получено из биоресурсов. В Индии программа децентрализации производства энергии, инициированная в 1995 году, позволит уже в ближайшее время обеспечить получение энергии из биоресурсов в количестве 44% запланированного потребления электроэнергии.

В России огромными запасами местного дешевого топлива обладают многие регионы. Так, например, 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. тонн, а ресурсы древесного сырья лиственных пород около 2 млн. куб. м в год. Только за счет использования торфа и древесного сырья можно на 60% уменьшить объем привозного топлива, а это практически третья часть бюджета республики Карелия.

Высокий КПД, простота и надежность конструкции двигателя Стирлинга обуславливают эффективность его использования в солнечных энергетических установках. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух. 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. Подобная установка спроектирована по заказу Министерства научно-технических исследований и технологий ФРГ тремя немецкими и двумя испанскими фирмами. Концентратор с двумя степенями свободы отражает сфокусированные лучи, перемещаясь с учетом годовых и суточных изменений положения Солнца. Лучи направляются на теплообменник, в котором нагревается рабочее тело двигателя Стирлинга, приводящего генератор электрического тока. При световом потоке 1000 и 700 Вт/м2 вырабатывается электроэнергия 9,0 и 5,5 кВт-ч соответственно.

Практика показывает, что с повышением стоимости основных энергоносителей электроэнергию и тепло намного выгоднее получать от местных, небольших теплоэлектростанций (когенерационных установок). Когенерация - это новая технология для комбинированного производства электроэнергии и тепла на основе автономных двигателей и системы рекуперации тепла, в которой энергия охлаждающей воды и отработанных газов используется для нужд теплоснабжения потребителей.

Когенерационные установки с двигателем Стирлинга мощностью от нескольких десятков до нескольких тысяч кВт безусловно будут иметь неоспоримые преимущества перед известными автономными электростанциями с ДВС. Эффективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках по сравнению с двигателями внутреннего сгорания обусловлена особенностью его теплового баланса, выражающегося в разнице между потерями теплоты с отработанными газами и в охлаждающую воду. Для двигателя Стирлинга этот баланс составляет соответственно10% и 40%, что с учетом более высокого КПД самого двигателя позволяет создавать компактные и высокоэффективные когенерационные установки. За рубежом уже начато производство когенерационных установок с двигателями Стирлинга электрической мощностью от 5 до 40 кВт и тепловой мощностью от 12 до 120 кВт, в качестве топлива для которых используются древесная щепа, торф, биогаз и отходы сельского хозяйства (рисовая и кофейная шелуха).

Новая технология открывает широкие возможности для снабжения электроэнергией и теплом негазифицированных сельских районов, поселков, фермерских хозяйств, животноводческих ферм и птицефабрик Российской Федерации. Она поможет решить многие проблемы жилищно-коммунальных хозяйств городов. Огромная протяженность магистральных трубопроводов центрального отопления приводит к тому, что значительная часть тепловой энергии теряется при транспортировки горячей воды от ТЭЦ до потребителей. Локальные теплоэлектростанции на основе когенерационных установок с двигателями Стирлинга, установленные в микрорайонах, будут круглый год снабжать дешевыми электроэнергией, теплом и горячей водой жилые дома, столовые, школы, детские сады и т.д.

В США, Японии и Западной Европе к проектированию и созданию энергоустановок с двигателями Стирлинга активно приступили около 20 лет тому назад. Сначала работы велись в рамках военных ведомств и финансировались государством, что позволило в короткие сроки провести необходимый объем экспериментальных и опытно-конструкторских работ. Энергоустановки с двигателями Стирлинга стали широко применяться на многих образцах зарубежной военной техники. Были созданы все предпосылки для массового, серийного производства двигателей Стирлинга. Сейчас к производству энергоустановок подключились десятки электроэнергетических и двигателестроительных фирм, выпускающие двигатели Стирлинга различной мощности.



Бытовая и промышленная холодильная техника на основе холодильных машин Стирлинга умеренного холода

Использование холодильной техники является непременным элементом быта каждого человека. Трудно представить себе жизнь современных городов, развитие пищевой промышленности и торговли без холодильных агрегатов различной мощности. Умеренный холод используется для кондиционирования воздуха в бытовых и производственных помещениях. В настоящее время для бытовых и промышленных холодильных установок, а также кондиционирования воздуха используются в основном парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ).

Однако согласно Монреальскому протоколу производство хлорфторсодержащих углеводородов (ХФУ), используемых в качестве рабочих тел для ПКХМ, должно быть прекращено с 1996 года. Россия из-за финансовых трудностей и экономического спада в промышленности неоднократно заявляла о невозможности выполнения взятых на себя обязательств. Однако под давлением членов Монреальского протокола на 19-м совещании Рабочей группы сторон Монреальского протокола, проходившего в июне 1999 года в Женеве, Россия была вынуждена объявить о прекращении производства ХФУ (R11, R12 и т.д.) с 1 июня 2000 года (Постановление правительства России № 490 от 5 мая 1999 года «Об усилении мер государственного регулирования производства и потребления озоноразрушающих веществ в Российской Федерации»). В то же время необходимо отметить, что более 80% всей российской холодильной техники работает именно на ХФУ (в частности, на фреоне R12). Созданные в соответствии с постановлением Правительства РФ № 1388 от 9.12.99 г. «Об усилении мер государственного регулирования ввоза в Российскую Федерацию и вывоза из Российской Федерации озоносодержащих веществ и содержащей их продукции» стратегические запасы ХФУ практически полностью истощатся к 2006 году. Все это создает критическую ситуацию в отечественной холодильной промышленности.

Поэтому от отечественной промышленности и науки требуется создание новых высокоэффективных и экологически чистых образцов современной холодильной техники.

Одним из наиболее перспективных направлений развития холодильной техники в XXI веке является создание и применение холодильных машин Стирлинга умеренного холода. Теоретически эффективность холодильных машин Стирлинга умеренного холода равна эффективности идеальной холодильной машины, работающей по циклу Карно. В качестве рабочих тел для машин Стирлинга обратного цикла могут применяться вещества, полностью отвечающие требованиям Венской конвенции по охране озонового слоя и Монреальского протокола по озоноразрушающим веществам. Поэтому широкое внедрение холодильных машин Стирлинга умеренного холода уже в ближайшее время позволило бы решить проблему создания соответствующих современным требованиям систем холодоснабжения. Современный диапазон производства данных машин колеблется от 1 до 100 кВт, что обеспечивает их использование в системах холодоснабжения во многих областях промышленности и торговли.

Анализ современной зарубежной научно-технической информации позволяет утверждать, что в промышленно развитых странах в последние 10 лет начались интенсивные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по подготовке к серийному производству холодильных машин Стирлинга. Уже сейчас на зарубежные рынки начало поступать новое холодильное оборудование с использованием машин данного цикла.

Выпускаемые за рубежом холодильные машины Стирлинга умеренного холода по своей эффективности и экологической чистоте превосходят существующие холодильные машины, работающие по другим циклам, в том числе и ПКХМ.

Ярким примером перспективности холодильных машин Стирлинга являются намерения серийного производства с 2004 года домашних холодильников такого гиганта, как южнокорейская корпорация «LG Electronic Inc».

Результаты теоретико-экспериментальных исследований, выполненные учеными ВКА им. А. Ф. Можайского, позволяют осуществлять проектирование и создание отечественных холодильных машин Стирлинга умеренного холода с эффективностью в 1,5-2 раза выше по сравнению с применяемыми ПКХМ, при этом сократив массогабаритные характеристики на 10-30%.

Учитывая резкое сокращение российского стратегического запаса фреона R-12, через 3-4 года значительное большинство отечественных систем холодоснабжения (в том числе и объектов Министерства обороны РФ) выйдут из строя ввиду отсутствия хладагентов для холодильных машин. Для решения проблемы необходимо немедленно разработать Концепцию перевода систем холодоснабжения РФ на экологически чистые и высокоэффективные технологии производства умеренного холода.



Области применения криогенной техники на основе машин Стирлинга

Криогенные газовые машины Стирлинга (КГМ Стирлинга) получили наиболее широкое распространение в области сжижения технических газов и микрокриогеники. Особый интерес представляет собой разработка и создание новейших технологий, где особенно ощутимо могут проявиться возможности машин данного цикла. К таким технологиям относятся системы сжижения и хранения природного газа, новые циклы получения жидкого кислорода и азота, системы улавливания легких фракций углеводородов при хранении нефтепродуктов, системы долговременного хранения криогенного топлива для анаэробных систем автономного энергоснабжения специальных объектов, системы быстрого замораживания и хранения продуктов питания, системы автономного криогенного холодоснабжения и др.

Одним из наиболее перспективных направлений использования КГМ Стирлинга является создание гаражных заправочных станций сжиженного природного газа. Это связано с тем, что современные КГМ Стирлинга наиболее эффективны в области температуры 111 К, то есть именно той температуры, при которой происходит фазовый переход газообразного природного газа в жидкость. На данном температурном уровне эффективность цикла ожижения природного газа с использованием криогенной машины Стирлинга практически в 2-2,5 раза выше, чем у простых дроссельных и детандерных циклов.

По техническим решениям специалистов ВКА им. А. Ф. Можайского, в настоящее время создана опытно-промышленная серия гаражных заправочных станций СПГ на основе КГМ Стирлинга. Она имеет заключение промышленной безопасности, сертифицирована Госстандартом и допущена Госгортехнадзором РФ к применению.

Результаты эксплуатации опытно-промышленной установки на основе КГМ Стирлинга и технико-экономические расчеты показали, что стоимость 1 литра СПГ, полученного при серийном производстве заправочных станций СПГ, в 2,5 раза ниже стоимости бензина. При этом окупаемость самих станций составит от 2,5 до 3 лет.

Использование КГМ Стирлинга позволяет разработать и в кратчайшие сроки реализовать Концепцию производства и использования СПГ как экологически чистого и дешевого моторного топлива для автотранспортной техники России.

Одним из перспективных направлений применения низкотемпературных машин Стирлинга является создание установок по улавливанию легких фракций углеводородов при хранении нефтепродуктов. Естественные потери нефтепродуктов от испарения на нефтебазах и автозаправочных станциях с высокой экономичностью могут быть практически полностью устранены за счет применения конденсационных систем, обеспечивающих 100% улавливание легких фракций углеводородов за счет их охлаждения с последующей конденсацией.

Срок окупаемости разработанных установок по улавливанию испарений нефтепродуктов не превышает 2 лет, что позволяет говорить о высокой экономической рентабельности данных систем.



Децентрализованное теплоснабжение на основе тепловых насосов Стирлинга

Наиболее перспективным направлением в развитии децентрализованного теплоснабжения, предполагающего максимальное приближение источников тепла к потребителям, является использование тепловых насосов. Применение тепловых насосов даст возможность ежегодно сокращать на 10% потребление топливных ресурсов за счет использования низкопотенциального бросового тепла окружающей среды. Применение тепловых насосов, работающих по обратному циклу Стирлинга, позволит при удельных затратах в 1 кВт полезной мощности на привод насоса получить на выходе для теплоснабжения от 3 до 7 кВт тепла. Тепловые насосы Стирлинга могут применяться для теплоснабжения вновь строящихся и реконструируемых зданий и сооружений и особенно эффективны для оборудования рассредоточенных застроек, например для фермерских хозяйств, таможенных и пограничных пунктов, коттеджей и отдельных строений.

Принципиальным отличием тепловых насосов Стирлинга от парокомпрессионных, абсорбционных и других типов тепловых насосов является то обстоятельство, что рабочее тело теплового насоса Стирлинга в процессе всего цикла не меняет своего фазового состояния, что позволяет использовать в качестве бросовой низкопотенциальной теплоты даже окружающий воздух при температуре ниже минус 30 градусов Цельсия и нагревать теплоноситель системы теплоснабжения свыше 100 градусов Цельсия. К преимуществам тепловых насосов Стирлинга также относятся более высокая термодинамическая эффективность и использование экологически чистых рабочих тел.



Анаэробные системы автономного энергоснабжения специальных объектов на основе машин Стирлинга

Анаэробные системы автономного энергоснабжения (АСАЭ) являются специфической областью теплоэнергетики и предназначены для объектов, функционирующих без связи с атмосферой, например глубоководных аппаратов, подводных лодок, специальных фортификационных сооружений (СФС), орбитальных космических станций и т.д. В общем, структура анаэробных систем определяется соотношением двух факторов: типом преобразователя прямого цикла (ППЦ), обеспечивающего способность работы без связи с атмосферным воздухом - анаэробность, и особенностью сброса диссипированной низкопотенциальной теплоты.

Исследования, выполненные американской корпорацией «NASA», подтверждают целесообразность применения машин Стирлинга при создании анаэробных систем для орбитальных космических станций. Разработаны проекты двигателей Стирлинга с использованием солнечной и ядерной энергии, а также холодильных машин Стирлинга для термостатирования внутри станций и проведения медико-биологических исследований. Ряд проектов успешно реализован в ходе программы «Спейс шаттл».

Результаты многолетних исследований, проведенных специалистами ВКА им. А. Ф. Можайского, доказывают перспективность создания анаэробных энергохолодильных систем на основе машин Стирлинга для специальных фортификационных сооружений (СФС). Как показали исследования, применение анаэробных систем на основе машин Стирлинга позволяет снижать равнозащищенные объемы материальных сред в СФС на 40% и значительно увеличивать режим полной изоляции.

Двигатель Стирлинга является наиболее перспективным преобразователем энергии прямого цикла для использования его в анаэробных системах, поскольку обладает рядом специфических свойств, отвечающих основным требованиям, предъявляемым к АСАЭ: наивысший среди тепломеханических преобразователей КПД, отсутствие шума и вибраций, легкость и безопасность эксплуатации, небольшие массогабаритные характеристики. В качестве источников высокотемпературной теплоты для анаэробных установок с двигателями Стирлинга могут быть использованы различные виды энергии: ядерные реакции, горение органических топлив, энергия химических превращений, энергия радиоизотопных излучений, горение жидких металлов, горение водорода.

Высокие технические характеристики современных двигателей Стирлинга обеспечили их широкое применение в неатомных подводных лодках Швеции (НАПЛ «Готланд», «Викинг»), Франции (НАПЛ «Сага-1» и «Сага-2»), Японии (НАПЛ «Харусио»), а также в проектах на модернизацию орбитальных космических станций МКС «Альфа» и ОКС «SP-100».