Стирлинг-моторы

Стирлинговый мотор нагретого газа восходит к изобретению Роберта Стирлинга (Великобритания), сделанному в 1816 году. С конца 80-х годов во всем мире проводится усиленная разработка стирлинговых моторов небольшой мощности с целью их использования в мини-ТЭЦ. Некоторые из них применяются в демонстрационных установках и при полевых испытаниях мини-ТЭЦ.

Принцип действия и свойства стирлингового мотора

Принцип действия мотора основывается на замкнутом тепловом процессе с внешним источником тепла, а также отводом тепла. Рабочая среда колеблется вследствие изменения объема между источником тепла и отводом тепла и при этом производит работу на рабочем поршне и вытеснительном поршне (для подачи топлива), которые разделяют два рабочих объема между источником тепла и отводом тепла. Важным признаком стирлинговых моторов является то, что среда во время процесса переливания между рабочими пространствами должна проходить рекуператор, где она попеременно отдает тепло и снова (частично) получает. Возможности применения механических свойств стирлингового процесса многообразны.

В мини-ТЭЦ в качестве источника тепла можно использовать тепло уходящих газов от отопительной установки. Остающееся тепло уходящих газов, равно как и тепло от теплоотвода могут далее отводиться для целей отопления, а избыточная механическая мощность может использоваться для производства электроэнергии. Это обеспечивает высокий общий КПД и теоретически также высокий электрический КПД.

Однако на практике высокий электрический КПД не достигается. Сложности с его получением возникают из-за теплопереноса как на горячем, так и на холодном конце, а также на рекуператорах, требующих больших площадей переноса и достаточного времени переноса. На практике достигается электрический КПД порядка 35%, причем на небольших агрегатах прослеживается тенденция скорее к 15%.

Для мини-ТЭЦ решающее значение имеет очень высокий общий КПД. Электрический ток возникает как побочный продукт при производстве тепла. Прочими достоинствами стирлингового мотора являются низкие показатели вредных веществ внешнего горения, работа мотора с низким уровнем шума, а также потенциально большой срок службы при незначительном техобслуживании.

Разработка мини-тэц со стирлинговыни моторани

Табл. 4 дает представление о текущих разработках и их статусе. Компания "Бритиш газ" на основе стирлингового мотора с линейным самобалансным колебателем разработала демонстрационный образец настенного устройства для бытового использования и с 1997 года уже в достаточной мере испытала его. Агрегат используется как соответствующее отопление дома и при этом дополнительно производит ток с электрическим КПД 15%.

Тип	Изготовитель	Полевые испытания	Мощность эл./тепл. (кВт)	КПД(эл)/КПД(общ)
самобалансный колебатель	STC (США) и Бритиш газ	Бритиш газ	1/5	>15
Одноцилиндровый альфа-стирлинговый мотор (кинематич)	Сигма Норвегия	-	3/9	расчетные данные 20-25/80-95
Одноцилиндровый альфа-стирлинговый мотор (кинематич) самобалансный колебатель	СИГ Швейцария	Газуния (Нидерланды) Городские сети в Швейцарии	1,1/5,5	расчетные данные при конденсации уходящего газа 25/94
четырехцилиндровый альфа-стирлинговый мотор (кинематич)	Виспер-Джен Новая Зеландия	Газуния (Нидерланды)	0,75/5	10

Швейцарская фирма "СИГ" (SIG) также разрабатывает агрегат с линейным самобалансным колебателем. Это устройство, предназначающееся как для параллельной работы с внешней сетью, так и изолированной работы (принцип острова), имеет такие расчетные параметры: электрический КПД около 25% и общий КПД более 94% при конденсации уходящих газов. Полевые испытания первых прототипов начаты в феврале 2000 г. фирмы "Сигма" из Норвегии и "Виспер-ген" из Новой Зеландии специализируются на кинематических стир-линговых моторах с кривошипно-шатун-ным механизмом "Сигма" или с криво-дисковым приводом "Виспер-ген".

Планируются полевые испытания агрегатов "Сигма". Полевые испытания агрегатов "Виспер-ген" проводятся с конца 1998 г. в Нидерландах. Новозеландский агрегат, работающий на жидком топливе, был разработан для электроснабжения малых судов и удаленных дачных домов. В Нидерландах фирма "Витрон энерги" (Vietron Energie) продает соответствующие приборы по цене около 20 000 немецких марок. Для бытового применения они были доработаны и встраиваются в котельную систему с теплонакопителем.