Двигатели Стирлинга – технологический прорыв в автономной энергетике - Энергетика и промышленность России - № 07 (99) апрель 2008 года - WWW.EPRUSSIA.RU

Быстрое истощение основных энергоресурсов и их стремительное удорожание требуют внедрения эффективных и экологически чистых энергосистем. Во всех развитых странах ставится задача перехода на новый технологический уровень, связанный с энергосбережением и сокращением использования традиционных ресурсов. В рамках этих задач перспективным направлением являются разработка, производство и широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе двигателей Стирлинга.

Термодинамический цикл рассматриваемых двигателей был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. Наличие двух изотерм определяет равенство термодинамической эффективности идеального цикла Стирлинга и цикла Карно. Поэтому теоретически двигатели, работающие по циклу Стирлинга, потенциально самые эффективные из всех существующих типов двигателей.

Что такое цикл Стирлинга?

Машины Стирлинга – это машины, работающие по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.

Конструктивно машины Стирлинга представляют собой удачное 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, а также азот и воздух.

К достоинствам машин, работающих по циклу Стирлинга, следует отнести высокую степень экологической чистоты как самих рабочих тел машин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуатации, а также энергетическую эффективность.

Энергетические установки с двигателем Стирлинга наиболее экологически чистые, так как концентрация вредных веществ в продуктах сгорания двигателя Стирлинга практически на два порядка ниже, чем у других поршневых и газотурбинных двигателей. Важнейшим потребительским свойством двигателей Стирлинга является самый низкий уровень шума по сравнению со всеми существующими двигателями других типов. В настоящее время этот показатель для двигателя Стирлинга колеблется на уровне 60‑65 дБ. Это дает возможность устанавливать стирлинг-генераторы в непосредственной близости от потребителя, что позволит избавиться от потерь на передачу электроэнергии.

Области применения

Современная энергетика развивается в направлении децентрализации энергоснабжения, то есть создания автономных когенерационных установок и максимального использования возобновляемых источников энергии. Исключительное свойство двигателя Стирлинга как двигателя с внешним подводом теплоты позволяет применять не только традиционные виды топлива, но и все без исключения виды альтернативных топлив: биогаз, уголь, отходы деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства.

Высокая экологическая чистота и эффективность обеспечивают перспективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках (КУ) мощностью до 100 кВт для одновременной выработки электроэнергии и тепла в местах их непосредственного потребления. 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. Эффективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами обусловлена особенностью его теплового баланса, выражающегося в разнице между потерями теплоты с отработанными газами и в охлаждающую воду. Для двигателя Стирлинга этот баланс составляет, соответственно, 10 процентов и 40 процентов, что с учетом более высокого КП
самого двигателя позволяет создавать компактные и высокоэффективные когенерационные установки. КПД современных зарубежных стирлинг-генераторов с учетом получения дополнительного тепла может достигать 95 процентов.

Применение КУ на основе двигателей Стирлинга позволяет на 40 процентов снизить расход топлива на производство электроэнергии и тепла по сравнению с централизованным энергоснабжением. Себестоимость 1 кВт-ч электроэнергии, выработанной в когенерационной установке, в 3‑4 раза ниже, чем действующие тарифы централизованных энергосистем.

Двигатели Стирлинга в альтернативной энергетике

Одно из направлений применения местных биоресурсов – проект энергоснабжения небольшого населенного пункта с использованием двигателей Стирлинга, работающих на биогазе. Биогаз вырабатывается в метантенках на окраине поселка и подается по трубо-проводам к индивидуальным домам, в которых установлены когенерационные установки с двигателями Стирлинга.

Биогаз представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанобразующих бактерий превращаются в газообразные продукты – метан и углекислоту.

Перспективным направлением является и использование в двигателях Стирлинга в качестве топлива биогаза из городских твердых бытовых отходов (ТБО). Для производства биогаза из ТБО измельченные отходы в метантенке перемешивают с канализационным осадком из первичных и вторичных отстойников очистных сооружений. В 2005 году впервые в мире в Китае был создан экспериментальный энергетический модуль мощностью 250 кВт с 5 двигателями Стирлинга, работающими на биогазе из городских твердых бытовых отходов. Испытания прошли успешно в течение трех лет, и в настоящее время власти КНР рассматривают вопрос о создании таких энергетических модулей на свалках твердых бытовых отходов всех городов страны.

Автономные энергетические установки с двигателями Стирлинга (стирлинг-генераторы) незаменимы в нефтегазовой промышленности при освоении новых месторождений, особенно в условиях Крайнего Севера и шельфа арктических морей, где нужна серьезная энерговооруженность разведочных, буровых, сварочных и других работ.

В этих условиях в качестве топлива можно будет использовать неочищенный природный газ, попутный нефтяной газ, добываемый совместно с нефтью, и газовый конденсат. Столь широкий спектр топлив делает стирлинг-генераторы универсальными источниками энергии. Таким образом, исчезает проблема с обеспечением энергией буровых скважин, вахтовых поселков, узлов связи и других автономных систем.

В настоящее время только в России ежегодно теряется до 50 миллиардов кубометров попутного газа, который выходит вместе с нефтью. Собирать его сложно и дорого, использовать в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания нельзя из‑за постоянно меняющегося фракционного состава, и, чтобы газ не загрязнял атмосферу, он попросту сжигается. Однако этот газ может быть приемлемым моторным топливом для энергетических установок с двигателями Стирлинга.

По предварительным расчетам, стирлинг-генератор мощностью 100 кВт, работающий на природном или попутном нефтяном газе, сможет обеспечить электроэнергией и теплом вахтовый поселок газовиков, нефтяников или геологов численностью до 50 человек. Отпадает необходимость завозить топливо с материка, и не наносится ущерба природе, поскольку минимизируются вредные выбросы.

Нужны ли двигатели Стирлинга России?

К сожалению, в России из‑за общего экономического спада разработкой машин Стирлинга на государственном уровне никто не занимается, хотя до 1990 года исследования в этой области техники проводились в пятнадцати организациях военно-промышленного комплекса.

Учитывая, что в настоящее время в России практически отсутствует серийное производство конкурентоспособных энергетических установок мощностью от 1 до 50 кВт, производство высокоэффективных и экологически чистых машин Стирлинга – наиболее перспективное направление в развитии отечественного машиностроения. Маркетинговые исследования показывают, что емкость отечественного рынка энергетических установок данного мощностного ряда составляет до 60 тысяч установок в год. Основными областями применения энергетических установок с двигателями Стирлинга в России могут стать когенерация с использованием местного топлива; автономные источники для нефтегазового комплекса, включая катодную защиту; автономные источники для ЖКХ населенных пунктов; использование бросовой теплоты отработанных газов котельных установок и транспортных средств; анаэробные установки.

Наиболее перспективно серийное производство электрогенераторов небольшой мощности с модификацией двигателя Стирлинга под местное биотопливо: торф, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Новая технология открывает широкие возможности для снабжения электроэнергией и теплом негазифицированных сельских районов, поселков, фермерских хозяйств, животноводческих ферм, птицефабрик и т. д. Она также поможет решить многие проблемы жилищно-коммунальных хозяйств городов.

Серийное производство двигателей Стирлинга позволит обеспечить загрузку оставшихся высокотехнологичных предприятий отечественного машиностроения, конверсию ряда оборонных предприятий страны, экспорт наукоемких технологий в области автономной энергетики. С учетом имеющегося более чем сорокалетнего опыта серийного производства криогенных машин Стирлинга, высокого научно-технического потенциала отечественной науки в области проектирования машин Стирлинга Российская Федерация может занять лидирующее положение в мире по производству новой, конкурентоспособной и востребованной на внешнем рынке машиностроительной продукции.

Логин:
Пароль:
Запомнить меня
Регистрация
Забыли свой пароль?
Войти как пользователь: