Тепловая энергетическая установка на основе свободного поршневого двигателя и обратного генератора
DOI:
https://doi.org/10.31489/2022No1/40-49Ключевые слова:
микроэлектростанция, двигатель Стирлинга, поршневой генератор, альтернативный источник.Аннотация
В статье рассматривается автономная система электроснабжения на базе двигателя Стирлинга и поршневого генератора. Проанализированы условия его эксплуатации, выбор двигателя внешнего сгорания и линейного синхронного генератора. В ходе решения задачи по обеспечению автономных потребителей тепловой и электрической энергией, удаленных от городской инфраструктуры, была разработана и изготовлена электростанция мощностью до 100 Вт. Его экспериментальное изучение, а также анализ патентно-информационного массива позволили определить границы использования данного технического объекта. Возвратно-поступательный генератор приводится в действие свободнопоршневым двигателем с внешним подводом тепла. Для проведения натурных экспериментов разработан прототип лабораторного образца свободнопоршневого двигателя с внешним подводом тепла с линейным генератором переменного тока. Его главное отличие от известных типов двигателей Стирлинга - отсутствие массивного маховика с коленчатым валом и кривошипно-шатунным механизмом, что позволяет добиться большей герметичности и значительно увеличивает мощность на выходном валу при ограничении внешних габаритов. В качестве рабочего тела используется воздух с добавлением небольшого процента воды, что позволяет развивать давление до 10 МПа. Приведен технический расчет конструкции генератора, определена сила, необходимая для развития необходимой мощности при возвратно-поступательном движении подвижного элемента. Были приняты решения для подавления акустического шума, вызывающего дискомфорт у потребителей. В частности, это можно сделать, разместив гасители вибрации и спроектировав генератор с высоким КПД. Конструкция подвижного элемента должна сводить к минимуму механическую нагрузку на обмотки или магниты. Предлагаемый генератор может быть конкурентоспособным и может успешно заменить традиционные маломощные источники электроэнергии с дизельными или бензиновыми двигателями.
Библиографические ссылки
"1 Kaluzhsky D.L., Mekhtiev A.D., Dashinimaev A.O., Filippov D.A., Kharitonov A.S. An autonomous power generation system based on a Stirling engine and a multi-pole synchronous machine. Reports of the Academy of Sciences of the Higher School of the Russian Federation. 2019, No.1(42), pp. 31-43. [in Russian]
Miguel Torres García, Elisa Carvajal Trujillo, José Antonio Vélez Godiño, David Sánchez Martínez. Thermodynamic Model for Performance Analysis of a Stirling Engine Prototype. Energies. 2018, No.11(10), рр.2655-2665. https://doi.org/10.3390/en11102655
Lee Myungkee, Choi Seungchul. Vibration motor for an electric hand-held appliance. European patent. EP 3 327 910 A1. Bulletin 2018/22. Publ. 05/30/2018, 10 p.
Reeder G. Stirling Engines. Moscow, 1986, 464 p. [in Russian]
Menzhinsky A., Malashin A.N., Sukhodolov Yu. Development and analysis of mathematical models of generators of linear and reciprocating types with electromagnetic excitation. Proceedings of higher educational institutions and energy associations of the CIS. Energy. 2018, No. 2, pp. 118 – 128. [in Russian]
Henry Jr., Brandhorst W., Peter Jr., Chapman A. New 5kW free-piston Stirling space convertor developments. Science Direct, Acta Astronautica, 2008, No. 63, pp. 342 – 347.
Walker G. Stirling Engines / Per. from English. Moscow, Mir, 1985, 408 p.
Bobylev A.V., Zenkin V.A. Mathematical model of a free-piston Stirling engine. Technique. Technology. Engineering. 2017, No.1, pp. 22-27.
Belozertsev V.N., Gorshkalev A.A., Nekrasov S.O., et al. Calculation methods and experimental research of Stirling's heat engines: textbook. Allowance. Samara: SSAU Publishing House, 2015, 76 p.
Safin A.R., Ivshin I.V., Gracheva E.I., Petrov T.I. Development of a mathematical model of an autonomous power supply with a free piston engine based on a synchronous reciprocating electric machine with permanent magnets. Proceedings of higher educational institutions. Energy Problems. 2020, No.22(1), рр. 38-48. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2020-22-1-38-48 [in Russian]
Ziwen Cheng, Boru Jia, Zhenfang Xin, Huihua Feng, Zhengxing Zuo, Andrew Smallbone, Anthony Paul Roskilly. Investigation of performance of free-piston engine generator with variable-scavenging-timing technology under unsteady operation condition. Applied Thermal Engineering. 2021, No. 196, рр. 1359-4311. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117288.
Shuangshuang Liu, Zhaoping Xu, Leiming Chen, Liang Liu, Comparison of an opposed-piston free-piston engine using single and dual channel uniflow scavenging, Applied Thermal Engineering. 2021, No. 201, рр.1359-4311, https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117813.
Langlois J. Dynamic computer model of a Stirling space nuclear power system. Trident Scholar project report no. 345. Annapolis: US Naval Academy. 2006, 348 р.
Thermoacoustic Stirling Heat Engine (TASHE) for Space Power and Cooling SBIR Phase 3. Presentation to Stirling Technical Interchange Meeting NASA Glenn Research Center June 29, 2015. Available at the: https://technology.nasa.gov/patent/LEW-TOPS-80.
Bobylev A.V., Zenkin V.A. Mathematical model of a free piston Stirling engine. Technics. Technologies. Engineering. 2017, No. 1, рр. 22-27. [in Russian]
Wanks V.A., Leskov L.V., Lukyanov A.V. Space power systems. Moscow, 1990, 144 p.
Mekhtiev A.D., Bekbaeva B.T., Beltaev A.B., et al. Micro-CHP for power supply of objects remote from the power plant. Proceedings of the XI Intern. Scientific and Practical Conference ""Perspective Issues of World Science - 2017"". Bulgaria, Sofia. 2017, pp. 41 – 43. [in Russian]
Mekhtiev A.D., Yugay V.V. Alkina A.D., et al. Mini CHP with a linear current generator with a recuperator for the disposal of waste subject to combustion. Certificate of state registration of rights to the copyright object of the Republic of Kazakhstan, publ. 23.05.2016. No. 0956. [in Russian]
Mekhtiyev A.D., Sarsikeyev Y.Z., Yugay V.V., Neshina Y.G., Alkina A.D. Thermoacoustic engine as a low-power cogeneration energy source for autonomous consumer power supply. Eurasian Physical Technical Journal. 2021, Vol.18, No.12 (36), pp. 60 – 66.
Vukalovich M.P., Novikov I.I. Thermodynamics: Textbook. Moscow, Mechanical Engineering, 1972, 670 p. [in Russian]"
