CC BY
132УДК 620.92
Панченко Владимир Анатольевич
канд. техн. н., доц., Российский университет транспорта,
Россия, Москва
ст. н. с., Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ,
Россия, Москва DOI: 10.24411/2520-6990-2020-11726 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА В СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВКАХ
Panchenko Vladimir Anatolevich
cand. tech. sc., ass. prof. of Russian University of Transport,
Russia, Moscow,
sen. res. Of Federal Scientific Agroengineering Center VIM,
Russia, Moscow
USE OF STIRLING ENGINES IN SOLAR PLANTS
Аннотация
В статье описаны отличительные особенности солнечных электростанций. Рассмотрено применение тепловых двигателей Стирлинга совместно с концентраторами солнечного излучения. Представлены основные характеристики концентраторных солнечных электростанций на основе двигателя Стирлинга. Подобного рода солнечные установки обеспечивают автономное и параллельное с сетью энергоснабжение потребителей.
Abstract.
The article describes the features of the different solar power plants. The application of Stirling heat engines in conjunction with solar radiation concentrators is considered. The basic characteristics of concentrator solar power plants based on the Stirling engine are presented. Such solar installations provide autonomous and parallel power supply to consumers.
Ключевые слова: солнечная энергия; концентратор солнечного излучения; двигатель Стирлинга; эффективность; энергоснабжение.
Keywords: solar energy; solar concentrator; Stirling engine; efficiency; power supply.
В современном мире наметилась тенденция не увеличение доли установок на основе возобновляемых источников энергии. Наиболее перспективными являются установки на основе преобразователей солнечной энергии. Большинство подобных установок основаны на прямом преобразовании солнечного излучения посредством планарных фотоэлектрических солнечных модулей [1 - 3]. Такие системы имеют электрическую эффективность порядка 15 %. Для увеличения эффективности преобразования целесообразно использование когенера-ции, то есть наряду с электроэнергией получать и тепловую энергию. В таком случае фотоэлектрические элементы, используемые в солнечных модулях, охлаждаются и их эффективность возрастает. Отводимое тепло также можно использовать по назначению, что увеличивает общую эффективность солнечного модуля [4 - 6]. Наряду с планар-ными теплофотоэлектрическими солнечными модулями большой интерес представляют концентра-торные теплофотоэлектрические солнечные модули [7, 8], в составе которых используются концентраторы солнечного излучения параболоидного типа. Требования к проектированию и изготовлению таких концентраторов очень высоки [9 - 12], так как большие погрешности в изготовлении сильно сказываются на эффективности преобразования солнечного излучения ввиду высоких потерь на профиле концентратора. В фокусе концентрато-
ров наряду с фотоэлектрическими преобразователями могут располагаться и термодинамические преобразователи, например, Двигатель Стирлинга, а также парогенератор, вырабатывающий пар для турбины Тесла. Концентрация солнечного излучения должна быть высокой степени, так как номинальная работа двигателя возможно только при достаточно высокой температуре. Конструкция такого двигателя проста и надёжна, эффективность выше, чем у фотоэлектрических преобразователей.
Двигатель Стирлинга представляет собой тепловой двигатель, работающий за счёт внешнего подвода теплоты к горячему цилиндру. Топливо, используемое для получения теплоты, не имеет значения. Это может быть и биогаз, и солнечная энергия, в чём и заключается отличительное достоинство этого двигателя от двигателей внутреннего сгорания. Таким образом, такие двигатели могут с успехом применяться в установках на основе возобновляемых источников энергии. Подобные установки заряжают аккумуляторные батареи, работают на существующую электрическую сеть, а при съёме тепла от холодного цилиндра двигателя Стирлинга (а не охлаждение атмосферным воздухом) появляется возможность использовать и тепловую энергию.
Наиболее известный проект солнечных установок на основе двигателей Стирлинга расположен на большой пустынной территории на юге Америки, где система установок насчитывает более
<<ш11шетим~^©и©ма1>#щ&з)),2©2© / technical science
20000 таких термодинамических преобразователей [13]. Проект стал возможен при сотрудничестве Sandia National Laboratories и Stirling Energy Systems. Сама установка представляет собой концентратор солнечного излучения, собранный из фа-цетных зеркал, в фокусе которого находится двигатель Стирлинга (рисунок 1 слева и посередине).
Конструкция двигателя Стирлинга представлена на рисунке 1 справа, где виден приёмник горячего цилиндра и радиатор холодного цилиндра. В качестве рабочего тела используется водород, который нагревается в горячем цилиндре и, совершая работу, охлаждается в холодном цилиндре.
Рисунок 1. Солнечная установка с концентратор и двигателем Стирлинга
Все солнечные установки в системе работают полностью автоматически с утра до вечера, показатели работы установок мониторятся с помощью сети Интернет. Электроэнергия, снимаемая с вала, соединённого с электрогенератором, поступает в сеть, откуда используется потребителями. Эффективность подобного рода двигателей составляет около 30 % [14], что значительно выше электрической эффективности кремниевых фотоэлектрических преобразователей, повсеместно используемых в современных солнечных электростанциях. Электрическая мощность подобных двигателей составляет около 27 кВт.
Разработки и исследования, связанные с двигателями Стирлинга, проводятся по всему миру. Целый ряд компаний, среди которых "Jet Propulsion Lab", "Schlaich, Bergermann und Partner", "Cummins Power Generation, Inc." ведут работы по созданию двигателей Стирлинга, предназначенных для работы совместно с концентраторами солнечного излучения. Мощности подобных двигателей варьируются от 5 кВт до 50 кВт, а эффективность от 17 % до 28 % [15]. Ресурс подобных двигателей составляет около 20000 часов, а стоимость около 2500 долларов за киловатт установленной мощности.
Даже в космосе используются двигатели Стир-линга. Работают они от лепестковых концентраторов, которые обеспечивают рабочую температуру горячего цилиндра двигателя Стирлинга около 950
К. Во время отсутствия солнечного излучения из-за затенения предусмотрен тепловой аккумулятор в области горячего цилиндра двигателя Стирлинга. Эффективность такой установки доходит до 38 %, мощность составляет 5 кВт, а масса установки 250 кг.
В Физико-техническом институте НПО "Физика-Солнце" уже несколько десятилетий ведутся работы по созданию и совершенствованию солнечных установок на основе двигателей Стирлинга [15]. В результате исследований создана установка с концентратором солнечного излучения и двигателем Стирлинга мощностью 500 Вт (рисунок 2 слева), а также двигатель Стирлинга с приводом "косая шайба" и мощностью 5 кВт.
Для маломощных солнечных установок с небольшим двигателем Стирлинга и концентратором солнечного излучения, предназначенных для электроснабжения небольшой аппаратуры, целесообразна компоновка установки с расположением концентратора солнечного излучения непосредственно на горячем цилиндре двигателя Стирлинга (рисунок 2 справа). Такая компоновка установки позволяет концентратору параболоидного типа со специально спроектированным профилем обеспечивать равномерную освещённость всей поверхности горячего цилиндра двигателя Стирлинга, что способствует равномерному нагреву цилиндра и эффективной работе двигателя [16 - 18].
Рисунок 2. Солнечные установки с концентраторами параболоидного типа и двигателями Стирлинга
Подобные солнечные концентраторные тепло-фотоэлектрические установки на основе двигателя Стирлинга наряду с электроэнергией могут вырабатывать и тепловую энергию, обеспечивая, таким образом, автономное или параллельное с существующей энергосетью энергоснабжение потребителя. Также существует потенциал по увеличению эффективности таких установок, тогда как на сегодня их эффективность уже превосходит эффективность стандартных планарных фотоэлектрических солнечных электростанций.
Список литературы
1. Панченко В.А. Обзор и применение солнечных модулей, разрабатываемых и выпускаемых ГНУ ВИЭСХ // Вестник ВИЭСХ, 2014, № 4 (17), с. 20 - 29.
2. Панченко В.А. Солнечные модули Федерального научного агроинженерного центра ВИМ различных типов и конструкций для автономного энергоснабжения // Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность -2017, с. 1030 - 1033.
3. Дегтярёв К.С., Панченко В.А. Развитие и реализованные проекты солнечной энергетики в России // Сантехника, отопление, кондиционирование, №9, 2019, с. 74-79.
4. Стребков Д.С., Панченко В.А., Филиппченкова Н.С. Обзор различных конструкций солнечных теплофотоэлектрических модулей (гибридных коллекторов) // Инновации в сельском хозяйстве, № 3 (13), 2015, с. 199 - 203.
5. Панченко В.А., Филиппченкова Н.С. Теплофотоэлектрические бесконцентраторные солнечные модули (гибридные солнечные коллекторы) // Инновации в сельском хозяйстве, № 5 (15), 2015, с. 128 - 133.
6. Филиппченкова Н.С., Панченко В.А. Разработка и исследование солнечных теплофотоэлектрических модулей // Инновации в сельском хозяйстве, № 5 (20), 2016, с. 136- 141.
7. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А. Исследование концентраторной установки с матричными солнечными элементами // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2012, № 2, с. 14-16.
8. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А. Солнечный тепло-фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором // Альтернативная энергетика и экология, 2013, № 1-2
(118), с. 35-39.
9. Синицын С.А., Стребков Д.С., Панченко В.А. Паркетирование поверхности параболического концентратора солнечного теплофотоэлектрического модуля по заданным дифференциально-геометрическим требованиям // Геометрия и графика, 2019, Т. 7, № 3, с. 15-27.
10. Синицын С.А. Моделирование линейных погрешностей при конструировании поверхности концентратора солнечного модуля // Научный электронный журнал Меридиан, 2020, № 4 (38), с. 219-221.
11. Синицын С.А. Энтропийная погрешность при моделировании конструктивных форм теплофотоэлектрических солнечных модулей // Научный электронный журнал Меридиан, 2020, № 3 (37), с. 438-440.
12. Синицын С.А. Информационная методика управления качеством поверхности солнечного концентратора, заданной дискретным множеством точек // E-Scio, 2020, № 1 (40), с. 421-427.
13. Двигатели Стирлинга для солнечных установок [электронный ресурс]. Режим доступа: stirlingenergy.com, дата обращения 17.04.2020 г.
14. Денисов Д.А., Медяков А.А., Свечников В.Н. Перспективы использования солнечных установок на базе двигателя Стирлинга // Инженерные кадры - будущее инновационной экономики России, № 1, 2016, с. 49-52.
15. Турсунбаев И.А. Термодинамическое преобразование солнечно-тепловой энергии на базе замкнутых циклов тепловых двигателей Стирлинга // Международный научный журнал альтернативная энергетика и экология, 4 (48), 2007, с. 122-127.
16. Майоров В.А., Панченко В.А. Исследование тепловых режимов работы двигателя Стирлинга с параболоидным концентратором солнечного излучения // Механизация и электрификация сельского хозяйства, 2013, № 1, с. 28-29.
17. Майоров В.А., Панченко В.А. Солнечная установка с параболоторическим концентратором и двигателем Стирлинга // Техника в сельском хозяйстве, 2013, № 1, с. 14-16.
18. Майоров В.А., Панченко В.А. Исследование характеристик солнечного концентратора в установке с двигателем Стирлинга // Энергетик, 2013, № 2, с. 40-42.
