zabika.ru 1

МОУ «Лицей № 43»

Двигатель Стирлинга в экономике

Выполнил: Солдаткин Сергей

Класс: 11 класс

Саранск

Двигатели Стирлинга для развития альтернативной энергетики
Основные направления развития экономики в XXI веке – поиск перспективных технологий энергопреобразования и производство новой техники на основе высокоэффективных термодинамических циклов с использованием возобновляемых энергоресурсов. Переход на новый технологический уровень связан, прежде всего, с энергосбережением и сокращением доли использования традиционных энергоресурсов. Так, к 2025 г. в странах ЕС более 20% энергии будет производиться за счет использования альтернативных видов топлива.

По мнению многих зарубежных специалистов, перспективным направлением при этом является разработка и широкое внедрение энергетических установок на основе двигателей Стирлинга [1, 2]. Низкий уровень шума, малая токсичность отработавших газов, работа на различных видах топлива, большой ресурс, соотношение размеров и массы, хорошие характеристики крутящего момента – все эти параметры дают возможность двигателям Стирлинга в ближайшее время значительно «потеснить» двигатели внутреннего сгорания.

Двигатель Стирлинга, относящийся к классу двигателей с внешним подводом теплоты, является уникальной тепловой машиной. Циклические процессы сжатия и расширения в двигателе происходят при различных значениях температуры, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.

Конструктивно двигатель представляет собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: нагревателя, регенератора и холодильника, образующих внутренний контур. Он содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, перемещающийся между «холодной» частью (находящейся в зоне температуры окружающей среды) и «горячей» частью.

Как у любого двигателя с внешним подводом теплоты, нагревание рабочего тела во внутреннем контуре происходит через теплообменную поверхность за счет сжигания любого вида топлива или других источников теплоты. Это позволяет применять в двигателях Стирлинга как традиционные, так и нетрадиционные виды топлива – биогаз, уголь, отходы лесной промышленности и сельского хозяйства, а также солнечную и другие виды энергии. Многотопливность делает их особенно привлекательными для использования возобновляемых и местных источников энергии.


Уже сегодня наиболее крупные инновационные проекты в области альтернативной энерге¬тики связаны именно с двигателями Стирлинга. Наиболее значимым проектом по использованию солнечной энергии в настоящее время является создание грандиозной «солнечной фермы» на юге США. В штате Невада на площади 160 км2 создается «ферма», включающая 70 тыс. энергоустановок на основе двигателей Стирлинга. По расчетам американских специалистов, она может полностью покрыть все потребности южных и юго-западных штатов США в электроэнергии. Общее количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли, в 6,7 раза больше мирового запаса ресурсов органического топлива. Используя только 0,5% этого запаса можно полностью покрыть мировую потребность в энергии на тысячелетия. Именно поэтому после создания «солнечной фермы» в США такие проекты планируется развернуть в Южной Америке, Северной Африке, Австралии, Индии, на Ближнем Востоке и в других южных странах.

В настоящее время все американские программы по освоению космоса основываются на применении энергоустановок с двигателями Стирлинга, работающих за счет атомной энергии. Такой двигатель может обеспечить надежную работу установки без обслуживания, с ресурсом более 6 лет, при КПД преобразования тепловой энергии в электрическую 35…40%. В качестве источника тепла для двигателя могут использоваться радиоизотопные тепловые блоки и ядерные реакторы.

Планируется, что атомные энергоустановки с двигателями Стирлинга мощностью от 500 Вт до 15 кВт будут использоваться на «долгоживущих» пилотируемых и беспилотных космических аппаратах. Установки мощностью от 15 до 200 кВт и более целесообразно применять на пилотируемых орбитальных станциях или обитаемых лунных базах с большими потребными мощностями. Так, по проекту SP-100 для планируемой лунной базы в США создается ядерная энергоустановка с тремя двигателями Стирлинга общей мощностью 250 кВт и массой 3 тонны.

В 2011 г. NASA планирует отправить к спутникам Юпитера исследовательский зонд с ядерным реактором на борту. Разрабатывает «атомные Стирлинги» компания Lockheed Martin и Glenn Center. В настоящее время уже создан двигатель мощностью 25 кВт для энергетической установки с радиоизотопной накачкой.


Кроме атомных, разрабатываются также и солнечные энергоустановки с двигателями Стирлинга мощностью от 3 кВт до 100 кВт. Фирмой Alisson создан космический вариант солнечной установки мощностью 5 кВт, частота вращения двигателя – 3000 об/мин, КПД около 35%. В качестве источника теплоты используется параболический лепестковый концентратор диаметром 5,8 м, создающий в приемнике температуру 947 К. В ловушке приемника излучения предусмотрен тепловой аккумулятор, отдающий тепло фазового превращения при постоянной температуре на теневых участках орбиты полета. Энергоустановка имеет массу 250 кг и уже испытана на одном из искусственных спутников Земли типа «Джеминай». К разработке солнечных энергоустановок с двигателями Стирлинга для космических объектов в последнее время подключились такие крупные зарубежные фирмы, как Sanpower, Britisch Аerospace Public Сompany, MC Donnall Donglas Aerospаcе, United Stirling AB и др.

При этом нужно отметить, что в тех областях техники, где начинают применять двигатели Стирлинга, происходит технологический рывок. Так, например, применение на шведских неатомных подводных лодках анаэробных энергоустановок с двигателями Стирлинга значительно повысило их «скрытность» и совершило настоящий переворот в области подводного кораблестроения.

Сейчас по этому пути идут все ведущие фирмы, производители подлодок [3], поскольку «на кону» – мировой рынок подводных лодок XXI века, а это примерно 400 единиц до 2030 года. «Козырными картами» в этой борьбе, несомненно, станут субмарины с двигателями Стирлинга. Они уже в настоящее время по «скрытности» и другим характеристикам не только приблизились к атомоходам, но по некоторым показателями даже превосходят их. Так, в ходе двух учений в Атлантике, прошедших в 2003 г., шведская подводная лодка Halland с анаэробными двигателями Стирлинга опередила испанскую субмарину с обычной дизель-электрической установкой, а затем и французскую атомную подлодку. Она же в Средиземном море лидировала в «схватке» с американской атомной подлодкой «Хьюстон». Нужно отметить, что малошумная и высокоэффективная Halland в 4,5 раза дешевле своих атомных соперников.


В настоящее время в Германии началась реализация проекта по размещению 80 тыс. когенерационных мини-установок с двигателями Стирлинга для покрытия пиковых нагрузок. В перспективе в каждой квартире жителей западной Европы, США и Японии будет работать такой «домашний» стирлинг-генератор, что позволит сократить до 60% потерь в системах тепло- и электроснабжения. К созданию таких установок уже приступили крупнейшие корпорации мира: Bosch Group (Германия), Rinnai (Япония), MTS Group (Италия), MСС (Испания) и др. И это только некоторые примеры использования двигателей Стирлинга в инновационных проектах XXI века.

Ведется разработка двигателей, использующих в качестве топлива древесную щепу, пеллеты, солому, рисовую шелуху и биогаз. Созданы опытные образцы, и готовится их серийное производство. Предполагается, что именно энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на местном топливе, будут играть решающую роль в энергообеспечении стран «третьего» мира.

Перспективы использования двигателей Стирлинга в различных областях энергетики стали очевидны для всех промышленно развитых стран мира. Сегодня ведут интенсивные работы в этом направлении не менее 140 научно-исследовательских организаций и компаний США, Великобритании, Японии, ФРГ, Швеции и Нидерландов. Начались исследования в Китае, ЮАР, Австралии, Израиле, Канаде, Индии. Объективно в последние 10-15 лет в мире начала формироваться новая, перспективная отрасль машиностроения – стирлингостроение.

Перспективы развития стирлингостроения в России

Развитие стирлингостроения, как новой отрасли промышленности, даст новый импульс в развитии отечественного двигателестроения [4, 5]. России необходимо заниматься созданием и производством машин Стирлинга, поскольку не надо догонять зарубежные страны в области производства двигателей внутреннего сгорания (дизелей и карбюраторных двигателей), где мы безнадежно отстали. Стирлингостроение – это новая отрасль, в которой у зарубежных развитых стран пока еще нет явного превосходства. Они только в самом начале пути – и у России сейчас есть все шансы быть в числе первых.


Кроме того, у нас пока еще есть научно-технический потенциал, который в данной области превосходит зарубежный. И если это направление будет поддержано Правительством, то через 5-7 лет Россия может стать одним из лидеров в области производства высокоэффективного и экологически чистого энергетического оборудования. Развитие данного направления позволит:

•    обеспечить загрузку машиностроительных предприятий производством конкурентоспособной продукции;

•    изменить существующую структуру потребления первичных энергоносителей внутри страны, сократить потребление нефтепродуктов и природного газа за счет более широкого использования местных видов топлива - древесины, торфа, биогаза и т.д.;

•    обеспечить электричеством и теплом удаленные регионы - это 70% территории РФ и более чем 30 млн человек;

•    повысить надежность энергоснабжения энергодефицитных районов, которые охвачены централизованным электроснабжением, но ограничены по мощности;

•    высвободить в структуре энергобаланс страны объемы традиционных энергоносителей, необходимых для договорных экспортных поставок нефти и природного газа.

Сегодня в России наблюдается явный парадокс: страна не производит машин, работающих по циклу Стирлинга, но при этом имеет более чем 40-летний практический опыт в данной области. Именно этот опыт является фундаментом для возможного технологического рывка в области производства современных высокоэффективных двигателей Стирлинга. В истории отечественного стирлингостроения можно выделить два этапа.

Первый этап относится к советскому периоду – 1959-1992 гг. Он начался, когда в СССР приступили к подготовке производства криогенных машин Стирлинга для зарождавшейся аэрокосмической отрасли. В то время не существовало отечественной научной школы по проектированию машин, работающих по циклу Стирлинга, поэтому все модели были копиями машин зарубежных компаний Phillips и Werkspoor. Холодильное оборудование с криогенными машинами Стирлинга производили предприятия «Арсенал», «Гелиймаш», «Сибкриотехника» и др. Здесь было организовано производство криогенных машин, на основе которых выпускались воздухоразделительные установки ЗИФ-700/-1002/-2002, а также криогенные машины с несмазываемыми поршневыми уплотнениями и ромбическим приводом – КГМ 1500/80 и КГМ 900/80. Однако в 1990-1995 гг. из-за отсутствия в России платежеспособных заказчиков производство криогенного оборудования данного типа было полностью прекращено.


С 1991 по 1994 гг. проводились работы по созданию холодильных установок для авторефрижераторной техники. В результате были созданы опытные образцы холодильных машин мощностью до 5 кВт, работающих в диапазоне температур +12...–43°С, которые по эффективности и массогабаритным характеристикам соответствовали современным ПКХМ для авторефрижераторной техники. Но в связи с общим спадом в экономике и финансовыми трудностями заказчиков, в 1994 г. работы по данному проекту были прекращены.

С 1972 по 1991 гг. в ЦНИДИ и ряде других организаций проводились исследования по созданию отечественных двигателей Стирлинга. За это время предпринимались попытки создания моделей мощностью от 200 Вт до 250 кВт. Так, в 1980-х годах был разработан двигатель, предполагаемая мощность которого составляла 250 кВт. Однако из-за ошибок в расчете внутреннего контура он «выдавал» только 50 кВт полезной мощности.

Таким образом, высокоэффективных, конкурентоспособных на мировом рынке двигателей и холодильных машин Стирлинга, несмотря на проведенные работы, создать не удалось. К сожалению, после распада СССР работы в этом направлении были полностью прекращены, с почти полной утратой научного и кадрового потенциала.

Однако советский этап в развитии стирлингостроения имел свои результаты. Были получены интересные научно-практические данные по конструкциям камер сгорания для двигателей Стирлинга, математическому моделированию процессов во внутреннем контуре двигателя и т.д. Этот опыт послужил основой для дальнейшего развития отечественного стирлингостроения.

Второй, современный этап начинается с научно-исследовательских работ в Военно-космической академии им. А.Ф.Можайского в 1990 году. С 1990 по 2004 гг. эта организация была единственной в России, где проводились системные экспериментальные работы по всему спектру применения машин Стирлинга в интересах Минобороны РФ. Надо отметить, что в России (как и за рубежом) работы, связанные с созданием машин данного цикла, проводились в основном в рамках оборонных ведомств с целью их применения в военной технике. Однако сегодня именно те технологии, которые созданы в недрах военно-промышленного комплекса, становятся основополагающими в развитии многих отраслей промышленности.


За 15 лет интенсивной работы накоплен значительный научно-технический потенциал, во многом превышающий потенциал ведущих зарубежных компаний в этой области. Была сформирована новая российская научная школа проектирования и расчета машин Стирлинга.

На базе данного потенциала в С.-Петербурге в период с 2004 по 2008 гг. создается несколько научно-производственных компаний для реализации крупных проектов – Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии», ЗАО «Русский Стирлинг» и ЗАО «Научно-исследовательский и проектный институт стирлингостроения». Здесь проводились опытно-конструкторские работы по созданию гаражных заправочных станций сжиженного природного газа и систем улавливания паров нефтепродуктов на основе криогенных машин Стирлинга, разработана проектно-сметная и конструкторская документация на серийное изготовление данных систем. Также был реализован проект контейнерной электростанции с двигателем Стирлинга, работающим на угольном метане.

Полученные результаты позволяют выйти на мировой рынок с принципиально новой, высокоэффективной и экологичной техникой для нефтегазового комплекса и автономной энергетики. Однако резкое сокращение финансирования проектов, связанное с сегодняшним мировым кризисом, не позволило приступить к серийному производству разработанных систем, и эти компании перестали существовать.

Сегодня в С.-Петербурге создана новая компания по разработке и продвижению проектов на основе машин Стирлинга – Инновационно-консультационный центр стирлингмашиностроения (ИКЦ «Стирлингмаш»). ИКЦ в полном объеме сконцентрировал в себе весь практический опыт и научный потенциал, накопленный отечественными специалистами за последние 40 лет в данной области. Используя этот потенциал, можно наладить производство двигателей Стирлинга практически на любом российском машиностроительном предприятии. 

Использованная литература

1. Кириллов Н.Г. В XXI век - на машине Стирлинга//Машины и механизмы. 2007, №5.


2. Кириллов Н.Г. Газопоршневые двигатели Стирлинга - технологический прорыв в автономной энергетике XXI века //ГАЗинформ. 2008, №2.

3. Кириллов Н.Г. Перспективы развития судовой энергетики на основе машин Стирлинга //Морской флот. 2002, №2.

4. Кириллов Н.Г. Найдут ли двигатели Стирлинга применение в российской экономике?//Энергетика и промышленность России. 2005, №2.

5. Кириллов Н.Г. Производство машин Стирлинга - новое перспективное направление в развитии отечественного машиностроения//Вестник машиностроения. 2005, № 8.