Альтернативный источник энергии для автономных потребителей на основе низкотемпературного двигателя Стирлинга

Аннотация

Введение. Актуальность заключается в использовании двигателя с внешним подводом теплоты для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию, при этом источником тепловой энергии служит солнечный коллектор. Цель исследования. Разработка альтернативного источника энергии для автономных потребителей сельской местности на основе низкотемпературного двигателя Стирлинга, способного преобразовывать низкопотенциальное тепло нагретой воды в механическую энергию с последующей генерацией электрического тока промышленной частоты. В отличие от классической конструкции известного двигателя Стирлинга представленный ДВПТ имеет значительный объем вытеснителя, который более чем в 20 раз больше объема рабочего поршня, что позволяет ему работать на меньшей разнице температур между нагревателем и охладителем. Рабочая температура нагревателя составляет 90–100 °С, что в 7–9 раз меньше по сравнению с известным двигателем Стирлинга. Материалы и методы. Теоретические исследования с помощью компьютерного симулирования процессов ДВПТ использованы законы термодинамики и метод Шмидта для построения PV-диаграммы и установления характера протекания термодинамического цикла Стирлинга. Использованы методы 3D-моделирования, метод постепенного приближения. Использован метод натурного эксперимента с последующим внесением изменений в компьютерную модель и лабораторный образец для достижения сходимости результатов и получения адекватной компьютерной модели. Результаты экспериментов обработаны и аппроксимированы, получены детерминированные математические модели и выполнен регрессивный анализ. Результаты. Приведено краткое описание конструктивных особенностей низкотемпературного двигателя с внешним подводом теплоты, работающего по циклу Стирлинга, а также приведены некоторые результаты исследований и компьютерного моделирования. Заключение. Использование воздуха в качестве рабочего тела является не оправданным, так как при его применении массогабаритные размеры ДВПТ на единицу производимой мощности будут больше, чем у двигателей внутреннего сгорания. Для низкотемпературного ДВПТ обязательным условием является разница в объемах вытеснителя и рабочего поршня, для температуры нагревателя в пределах 90 °С вытеснитель должен быть в 20–40 раз больше по своему объему. На КПД оказывают влияние разница температуры между нагревателем и охладителем и давлением рабочего тела.