CC BY
41ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ |
СОЛНЕЧНО-ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НА БАЗЕ ЗАМКНУТЫХ I ЦИКЛОВ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА S
.с
а
И. А. Турсунбаев ^
t:
су
Физико-технический институт НПО «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан
Г. Мавлянова, 2 «Б», Ташкент, 700084, Узбекистан °
Тел. (998)-71-1357617; факс: (998) 71-1354291; e-mail: [email protected] е
Турсунбаев Ильдар Абдуллаевич
Сведения об авторе: кандидат техн. наук, зав. лабораторией гелиотехнических конструкций.
Образование: МЭИ (1964).
Область научных интересов: теоретические и экспериментальные исследования в области термодинамического преобразования солнечно-тепловой энергии на основе замкнутого цикла теплового двигателя Стирлинга. По этому направлению при участии автора выполнено более 20 проектов солнечных тепловых и энергетических установок на базе двигателей Стир-линга в диапазоне мощностей 0,05-25 кВт.
Публикации: более 60 статей, 2 монографии и 36 патентов и авторских свидетельств.
The modern state of the work on solar power units with Stirling engine is presented. The level of the studies in this area in Physico-technical institute NPO «Physics-Sun» of Academy of the sciences of Uzbekistan is presented. Perspective of the given directions of the studies is shown.
К настоящему времени в мире наиболее развиты две технологии термодинамического преобразования солнечной энергии:
- солнечные и солнечно-топливные электрические станции (СЭС) в диапазоне мощностей от 0,5 до сотен МВт, основанные на использовании известного цикла Ренкина;
- солнечные автономные энергетические установки (АСЭУ), основанные на использовании тепловых двигателей, работающих по термодинамическому циклу Стирлинга, и солнечные электрические модульные станции (СЭМС) на их основе.
Привлекательность использования двигателя Стирлинга обусловлена, в первую очередь, высоким термодинамическим КПД, бесшумностью работы, низкими затратами энергии на собственные нужды, высокой экологической чистотой, даже в случае комбинированного теплоподвода (солнечное излучение - органическое топливо). Все высокоразвитые страны мира интенсивно развивают это направление солнечных энергетических технологий. На сегодняшний день в мире построено более 20 пилотных образцов АСЭУ ДС электрической мощностью от 0,5 до 75 кВт [1-5].
Перечень практически реализованных проектов, выполненных рядом ведущих мировых фирм:
- лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Lab.) Калифорнийского технологического института на основе двигателя Cтиpлингa (Д^ Р-40 фирмы «United Stirling» разработала и провела испытания солнечной энергетической установки мощностью 23,5 кВт. В ходе годичных испытаний получен рекордный результат по эффективности преобразования солнечной энергии 28 %;
- фирма «Schlaich, Bergermann und Partner» из Германии реализовала два проекта: 3 установки с концентратором диаметром 17 м и ДC Р-75 фирмы «United Stirling» мощностью 50 кВт испытаны в Германии и Cayдoвскoй Аравии, и 3 установки с мембранным концентратором и ДC V-160 испытаны на полигоне «Platforma Solar de Almeria» в Испании, наработан ресурс более 12000 ч;
- проект солнечной станции мощностью 1 МВт на основе модуля с ДC Р-75 и концентратора диаметром 18,6 м, станция состоит из 18 модулей, расчетная стоимость вырабатываемой электроэнергии 0,0765 долларов C0A;
Огатья поступила в редакцию 17.02.2007 г.
The article has entered in publishing office 17.01.2007.
-фирма «Cummins Power Generation, Inc.» в кооперации с рядом других фирм выполняет программу по созданию солнечной энергоустановки с двигателем Стирлинга мощностью 5 кВт и объявила о намерении выпускать на мировой рынок ежегодно по 10 тысяч 5-киловаттных установок по цене 2500 $/кВт с КПД 17% и ресурсом 20 тыс. ч.
В Калифорнии в 2008-2012 гг. намечено строительство двух модульных солнечных электростанций мощностью 500 МВт на базе концентратора диаметром 15 м и двигателя Стир-линга мощностью 25 КВт. Каждая станция будет состоять из 20 тысяч таких модулей.
Исследования по двигателям Стирлинга (ДС) проводятся в Физико-техническом институте НПО «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан со второй половины 1960-х годов. Основной целью исследований являлось создание эффективных преобразователей солнечной энергии. Развитие работ в этом направлении в лаборатории гелиотехнических конструкций Физико-технического института начиналось с изготовления действующих макетов двигателя Стирлинга и анализа рабочего процесса. Уже первые исследования показали перспективность данного направления. Были разработаны опытные образцы ДС различного применения. Одновременно разрабатывались математические модели рабочего процесса и программы расчета и оптимизации конструктивных параметров двигателя Стирлинга [6].
Важный этап развития НИР в этом направлении связан с Программой советско-индийского научно-технического сотрудничества, принятой правительствами двух стран в 1979 г. По этой программе разработана и испытана автономная солнечная энергетическая установка с двигателем Стирлинга АСЭУ-0,5 проектной мощностью 0,5 кВт [5], а опытный образец двигателя Стирлинга был отправлен в Индию для проведения испытаний. На рис. 1 показана АСЭУ-0,5, установленная на гелиополигоне ФТИ.
Следующий шаг в развитии СЭУ с ДС — это разработка солнечного ДС с приводом типа «косая шайба» мощностью 5 кВт для проектируемой в России блочно-модульной солнечной электростанции (головной исполнитель по станции НПО «Астрофизика»). Это четырехцилиндровый двигатель двойного действия с герметично встроенным в картер на основной вал электрогенератором. Такая компоновка обеспечивает минимальные размеры, массу и осевое размещение коленчатого вала и электрогенератора и, следовательно, минимальную площадь поперечного сечения двигателя, т. е. минимальное затенение концентратора.
Основным недостатком солнечных энергоустановок является прерывистый в течение суток, а также непостоянный в течение дня характер поступления солнечной радиации. Комбинированные солнечно-топливные энергетические установки на основе двигателя Стирлинга лишены этого недостатка и могут обеспечить стабильное энер-
Рис. 1. Солнечная энергетическая установка с двигателем Стирлинга АСЭУ-0,5
госнабжение потребителей. При этом практически все отводимое в цикле тепло, в том числе теплота выхлопных газов камеры сгорания или теплопотери теплоприемника (юстировочные потери и потери за счет неточности системы слежения) в случае солнечного теплоподвода, могут быть утилизированы и использованы в системе отопления или горячего водоснабжения.
В современных условиях наблюдается устойчивая тенденция к децентрализации систем отопления и теплоснабжения. Это делает весьма привлекательным и перспективным развитие систем автономного электротеплоснабжения на основе ДС как с солнечно-топливным, так и с чисто топливным теплоподводом.
Был выполнен анализ производительности солнечно-топливной энергоустановки с двигателем Стирлинга мощностью 5 кВт с учетом реальных климатических условий для района г. Ташкент. При этом были использованы результаты обработки данных многолетних (1981-1991 гг.) наблюдений по суммам прямой солнечной радиации для каждого часа суток как при ясном небе, так и с учетом реальных данных продолжительности и суточного хода солнечного сияния [7]. В результате получен прогноз по:
- годовой производительности по электроэнергии — 11126 кВт-ч при работе в режиме солнечной энергоустановки;
- годовой производительности по теплу при работе в режиме солнечно-топливного теплопод-вода на номинальной мощности 45466 кВт-ч;
- годовой экономии топлива до 25 % за счет использования солнечной энергии в случае круглосуточной работы установки в комбинированном солнечно-топливном режиме без учета получаемой тепловой энергии.
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:
- для района г. Ташкент использование солнечных энергоустановок с ДС наиболее эффективно с марта по октябрь;
- при работе в комбинированном солнечно-топливном режиме наиболее полно удовлетворяются потребности автономного потребителя энергии, так как режим работы установки легко согласуется с графиком потребления энергии;
- использование данных многолетних наблюдений климатических параметров позволяет уже на этапе разработки технико-экономического обоснования выполнить прогнозирование эффективности использования солнечных или солнечно-топливных энергосистем для конкретных регионов республики.
Солнечно-топливные энергетические установки с двигателем Стирлинга (СТУДС) могут быть использованы для комбинированного электро-и теплоснабжения автономного потребителя. В таких установках двигатель Стирлинга, его система охлаждения, солнечный теплоприемник и топочно-горелочное устройство комплектуются специальным теплообменным оборудованием, которое позволяет утилизировать сбрасываемое с двигателя низкопотенциальное тепло и получать одновременно с электроэнергией горячую (5580 °С) воду.
Разработана схема СТУДС (рис. 2) на базе разработанного лабораторией гелиотехнических конструкций Физико-технического института 3 кВт двигателя Стирлинга и биогазовой установки. Двигатель Стирлинга оборудован комбинированным солнечно-топливным полостным теплоприемником (8), в полости которого расположен горячий теплообменник двигателя, а также смонтировано специальное топочно-горелочное устройство с микрофакельным полем горения. Пневмогидравличес-кая схема СТУДС выполняется двухконтурной и включает водогрейный котел-бойлер (4), теплообменник-подогреватель биогазовой установки (5), теплообменник котла-бойлера (6), радиатор теп-лосброса перед входом в систему охлаждения двигателя (7). Теплообменник-подогреватель биогазовой установки использует часть утилизированного тепла для поддержания требуемого температурного режима работы биогазовой установки. Результаты расчетов параметров установки приведены в табл. 1, 2.
В связи с тенденцией децентрализации теплоснабжения большой интерес также представляют топливные энергоустановки на базе двигателя Стир-линга для комбинированного автономного электротеплоснабжения отдельных потребителей. В процессе выполнения грантов: «ШСО СОРЕКШСОБ» на тему «Development of Domestic Power Generation System using Stirling Engines and Combustion Chambers of Natural Gas»; по программе НАТО «Наука ради мира» на тему «Development of a 3-kW energetic unit on the
basis of a Stirling engine and a combustion chamber for the use in a fossil-biogas fuel/solar- dish/ Stirling engine system» проведены исследования установок комбинированного электротеплоснабжения на базе двигателей Стирлинга мощностью 1 и 3 кВт (рис. 3, 4).
Выполнен грант на разработку двигателя Стирлинга мощностью 1 кВт, представленный Университетом науки и технологий Китая. В 2003 г. экспериментальный ДС был поставлен в Китай, и уже проведены его наладка и испытания. Двигатель показал соответствие проектным параметрам: мощность 1000 Вт при 1500 об/мин.
Вместе с тем исследовались и другие возможности применения ДС. Были изготовлены и испытаны следующие экспериментальные образцы ДС: одноцилиндровый мощностью до 1 кВт — для радиоизотопной энергоустановки; одноцилиндровый двигатель мощностью до 25 л. с. — для запуска промышленного трактора в условиях Севера; одноцилиндровый двигатель мощностью до 10 Вт с радиоизотопным теплоисточником — для привода искусственного имплантируемого сердца; двухцилиндровый двигатель вытеснитель-ного типа мощностью 0,5 кВт — для радиоизотопных и солнечных энергоустановок; двухцилиндровый трехпоршневой комбинированный ДС — для получения механической (электрической) энергии, тепла и холода. Выполнено несколько проектов для применения ДС на морском транспорте и для глубоководных аппаратов. Был также выполнен проект двигателя Стирлинга для космического применения.
На базе комбинированного ДС разработано предложение по его применению для комплексного энергоснабжения электроэнергией, горячей водой и холодом небольшой животноводческой фермы на 50 голов крупного рогатого скота. При этом в качестве топлива используется биогаз, получаемый от переработки отходов, и обеспечивается экологическая чистота.
3
Рис. 2. Принципиальная схема солнечно-топливной энергетической установки комбинированного электро-теплоснабжения на основе двигателя Стирлинга, солнечного концентратора и биогазовой установки
Производительность по электроэнергии и
Таблица 1
солнечной энергетической установки мощностью 3 кВт теплу при различных плотностях солнечной радиации
Ес Вт/м2 0вх, кВт Ппр, % Qp.T, кВт Мл, кВт Пдс бюст, кВт бдв, кВт 0утил, кВт Есум
300 7,650 76,400 5,845 0,300 0,039 0,478 3,145 3,623 0,513
350 8,928 78,900 7,044 0,660 0,074 0,558 3,984 4,542 0,583
400 10,200 81,490 8,312 1,008 0,099 0,638 4,904 5,541 0,642
450 11,470 83,030 9,524 1,320 0,115 0,717 5,804 6,520 0,684
500 12,750 84,260 10,743 1,650 0,129 0,797 6,693 7,490 0,717
550 14,020 85,260 11,953 1,920 0,137 0,876 7,633 8,510 0,744
600 15,300 86,110 13,175 2,208 0,144 0,956 8,567 9,523 0,767
650 16,570 86,820 14,386 2,490 0,150 1,036 9,496 10,532 0,786
700 17,850 87,430 15,606 2,820 0,158 1,116 10,386 11,502 0,802
750 19,120 87,960 16,818 3,150 0,165 1,195 11,268 12,463 0,817
800 20,400 88,420 18,038 3,420 0,168 1,275 12,218 13,493 0,829
850 21,670 88,830 19,249 3,720 0,172 1,354 13,129 14,484 0,840
900 22,950 89,200 20,471 4,020 0,175 1,434 14,051 15,486 0,850
950 24,220 89,520 21,682 4,290 0,177 1,514 14,992 16,505 0,859
1000 25,500 89,810 22,902 4,530 0,178 1,594 15,972 17,565 0,866
П р и м е ч а н и е : Е — плотность прямой солнечной радиации; Q — тепловой лучистый поток, попадающий в теплоприемник; ппр — КПД теплоприемника; Qрт — тепловой поток, переданный рабочему телу двигателя; Ыэж — электрическая мощность энергоустановки; ПдС — КПД двигателя Стирлинга; Q — тепловые потери от неточности юстировки и системы слежения; Q — теплосброс из холодиль-
^--юст дв
ника и рубашек охлаждения двигателя и электрогенератора; Qутш[ — общая теплопроизводительность за счет утилизации теплосброса; Ес — суммарная эффективность использования подводимого теплового потока.
Производительность энергетической установки с двигателем мощностью 3 кВт по электроэнергии и теплу в топливном
Таблица 2 Стирлинга режиме
Пдс кВт Екс 0кс, кВт 0р.т., кВт Тдг, С 0пот, кВт 0утил, кВт 0от-гв, кВт Ео Есум
0,15 3000 0,6649 30080 20000 1896 1702 8378 25378 0,84368 0,9434
0,16 3000 0,6649 28200 18750 1896 1596 7854 23604 0,83703 0,9434
0,17 3000 0,6649 26541 17647 1896 1502 7392 22039 0,83038 0,9434
0,18 3000 0,6649 25066 16667 1896 1418 6981 20648 0,82373 0,9434
0,19 3000 0,6649 23747 15789 1896 1344 6614 19403 0,81708 0,9434
0,2 3000 0,6649 22560 15000 1896 1276 6283 18283 0,81043 0,9434
0,21 3000 0,6649 21486 14286 1896 1216 5984 17270 0,80379 0,9434
0,22 3000 0,6649 20509 13636 1896 1160 5712 16348 0,79714 0,9434
0,23 3000 0,6649 19617 13043 1896 1110 5464 15507 0,79049 0,9434
0,24 3000 0,6649 18800 12500 1896 1064 5236 14736 0,78384 0,9434
0,25 3000 0,6649 18048 12000 1896 1021 5027 14027 0,77719 0,9434
П р и м е ч а н и е : ПдС — КПД двигателя Стирлинга, равный Nэж/Qр т; Ыэж — электрическая мощность установки; Qрт — тепловой поток, переданный рабочему телу двигателя; Екс — КПД камеры сгорания; Qкс — тепловая мощность камеры сгорания; Тдг — расчетная температура дымовых газов; Q — потери тепла с выхлопными газами после утилизатора; Q — теплопроизводительность за
^--пот ^ утил
счет утилизации выхлопных газов после нагревателя ДС; Q — тепловая мощность, реализуемая на отопление и горячее водоснабжение; Еот — эффективность использования топлива на отопление; Есумм — суммарная эффективность использования подводимого теплового потока.
Рис. 3. Установка комбинированного электротеплоснабжения на базе двигателя Стирлинга мощностью 1 кВт
Рис. 4. Установка комбинированного электротеплоснабжения на базе двигателя Стирлинга мощностью 3 кВт
В настоящее время НИР по ДС продолжают выполняться по следующим направлениям:
- фундаментальные исследования рабочего процесса, разработка матмоделей и уточненных расчетных программ солнечных и солнечно-топливных энергоустановок с ДС;
- совершенствование экспериментальной базы, создание автоматизированных систем сбора и обработки экспериментальных данных.
На протяжении ряда лет проводятся также исследования термодинамических преобразователей на основе двигателя Стирлинга с жидкими поршнями — гидропоршневого преобразователя (ГП). Разработана и отлажена в изотермическом приближении программа расчета рабочего процесса гидропоршневого преобразователя (ГП) и выполнена серия расчетов на ПЭВМ с определением объемов рабочих полостей и давления рабочего тела в зависимости от времени, индикаторной работы в полостях и в целом, подводимой тепловой мощности, а также теплопотерь. Сопоставительный анализ показывает хорошее согласование экспериментальных и расчетных результатов и подтверждает работоспособность расчетной модели. По результатам исследований можно сделать вывод о том, что цикл ГП является комбинированным парогазовым циклом и может быть реализован от различных теплоисточников, в том числе солнечных коллекторов с температурой теплоносителя 70-95 °С. Эффективность процессов преобразования энергии в чисто газовом цикле значительно выше, чем в чисто паровом цикле, но при существенно меньшей удельной работе на единицу объема. Поэтому подбором соотношения компонент рабочего тела ГП и его параметров эффективный КПД цикла может быть увеличен [8-13]. Получен ряд патентов на оригинальные технические решения [14-19].
Экспериментальные исследования показали, что прерывистое с частотой ~1 Гц движение теп-
лоносителя в ГП интенсифицирует процессы теплообмена в солнечных коллекторах и повышает их тепловую эффективность в целом. Использование ГП в качестве циркуляционного насоса в солнечных системах горячего водоснабжения повышает их КПД за счет интенсификации процессов теплообмена и избавляет систему от недостатков, присущих системам с естественной
22
18
20
Рис. 5. Принципиальная схема гидропоршневого преобразователя: 1 — горячий цилиндр; 2 — холодный цилиндр; 3 — крышки цилиндров; 4 — днища цилиндров; 5 — жидкостные полости цилиндров; 6 — паровоздушные полости цилиндров; 7 — гидравлическая магистраль, соединяющая цилиндры; 8 — перепускная магистраль; 9 — регулирующий кран; 10 — нагреватель; 11 — регенератор; 12 — охладитель; 13 — поршень; 14 — пружина; 15 — ступень поршня; 16 — емкость; 17 — гидравлический цилиндр; 18 — пружина; 19 — поршень; 20, 21 — обратные клапана; 22 — компрессионный столб
Рис. 6. Принципиальная схема солнечной установки горячего водоснабжения и водоподъема с параболоцилинд-рическим концентратором и активным тепловым контуром: 1 — параболоцилиндрический концентратор; 2 — линейный солнечный теплоприемник; 3 — бак горячей воды; 4 — теплообменник; 5 — перегородка; 6 — теплообменник; 7 — бак-аккумулятор холодной воды; 8 — горячий цилиндр; 9 — холодный цилиндр; 10 — насосный блок; 11 — поршень насосного блока; 12 — поршень-мембрана; 13, 14 — циркуляционные насосы с пневмогидравлическими аккумуляторами; 15 — ручное пусковое устройство; 16, 17, 18 — краны расхода горячей, теплой и холодной воды
конвекцией. Принципиальная схема ГП показана на рис. 5.
По результатам выполненных исследований разработана принципиальная схема новой технологии преобразования солнечной энергии для систем солнечного теплоснабжения (рис. 6).
В заключение следует сказать, что комплексный сопоставительный анализ результатов, полученных в лаборатории, позволяет сделать вывод о перспективности разработок комбинированных многофункциональных солнечно-тепловых энергетических установок на основе термодинамических преобразователей, работающих по тепловым циклам Стирлинга.
Список литературы
1. Coleman Gerald C., Raetz J. E. Field performance of dish-Stirling solar electric system // 21st IECEC, San-Diego. 1986. Vol. 1. P. 627-632.
2. William B. Stine Solar Dish/Stirling Technology a world status report and comparison // 7th Int. Symp. on Solar Thermal Concentrating Technologies. Moscow, Sept. 1994. Vol. 1. P. 91-114.
3. Pons R. L., Clark T. A dish Stirling solar-thermal power system // Int. J. of Ambient energy. 1980. Vol. 3. P. 133-148.
4. Trukhov V. S., Toursounbaev I. A., Lezhebo-kov A. I. Development of the Stirling engine at PTI. Academy of Sciences of Republic of Uzbekistan for the system with the parabolic concentrator // 7th Int. Symp. on Solar Thermal Concentrating Technologies. Moscow, Sept. 1994.Vol. 2. P. 329-340.
5. Трухов В.С., Турсунбаев И.А. Исследование, разработка и опыт применения двигателей Стирлинга в автономных энергетических установках, использующих нетрадиционные источники энергии // НИИ НТИ и ТЭИ Госплана УзССР. Ташкент, 1988.
6. Трухов В. С., Турсунбаев И. А., Умаров Г. Я. Расчет параметров внутреннего теплообменного контура двигателя Стирлинга. Ташкент: ФАН, 1979.
7. Трухов В. С., Турсунбаев И. А. Оценка эффективности солнечно-топливных энергетических установок с двигателем Стирлинга для комбинированного электротеплоснабжения // Гелиотехника. 2000. № 4. С.43-49.
8. Орда Е. П., Трухов В. С., Турсунбаев И. А. Солнечный гидропоршневой водоподъемник // Гелиотехника. 1991. № 5. С. 11-14.
9. Орда Е. П., Трухов В. С., Турсунбаев И. А. Плоские коллекторы как источник тепла для гидропоршневого водоподъемника / / Гелиотехника. 1993. № 5. С. 31-34.
10. Орда Е. П., Трухов В. С., Турсунбаев И. А. Испытания солнечного водоподъемника с плоскими солнечными коллекторами // Гелиотехника. 1995. №4. С. 41-45.
11. Орда Е. П., Трухов В. С., Турсунбаев И. А. Анализ рабочего процесса солнечного гидропоршневого преобразователя // Там же. № 6. С. 43-49.
12. Орда Е.П., Трухов В. С., Турсунбаев И. А. Прогнозирование производительности солнечного гидропоршневого водоподъемника с учетом климатических условий // Гелиотехника. 1999. № 1. С. 31-38.
13. Орда Е. П., Трухов В. С., Турсунбаев И. А. Исследование зависимости производительности солнечного гидропоршневого водоподъемника от полной высоты подъема воды // Там же. №3.
14. Пат. РУз № 1272. Силовая установка/ В. С. Трухов, И. А. Турсунбаев, Е. П. Орда, В. А. Чувичкин, Н. Ф. Овечкин // Зарег. в Гос. реестре 18.07.94.
15. Пат. РУз № 1274. Двигатель с внешним подводом теплоты / В. С. Трухов, И. А. Турсунба-ев, Е. П. Орда, В. А. Чувичкин, С. А. Бабушкин // Зарег. в Гос. реестре 18.07.94.
16. Пат. РУз № 1276. Двигатель с внешним подводом теплоты/В. С. Трухов, И. А. Турсунбаев, Е. П. Орда, В. А. Чувичкин, С. А. Бабушкин // Зарег. в Гос. реестре 18.07.94.
17. Пат. РУз № 1322. Двигатель с внешним подводом теплоты/В. С. Трухов, И. А. Турсунба-ев, Е. П. Орда, В. А. Чувичкин // Зарег. в Гос. реестре 29.09.94.
18. Пат. РУз № 1359. Двигатель с внешним подводом теплоты/С. А. Азимов, В. С. Трухов, И. А. Турсунбаев, Е. П. Орда, В. А. Чувичкин // Зарег. в Гос. реестре 14.10.94.
19. Пат. РУз №1357. Двигатель с внешним подводом теплоты/С. А. Азимов, В. С. Трухов, И. А. Турсунбаев, Е. П. Орда, В. А. Чувичкин // Зарег. в Гос. реестре 24.10.94.
