tekst - topgran - Uniwersytet Technologiczno

JÓZEF RADOMSKI
Wydział mechaniczny, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy
Koło naukowe studentów TOPgran
Budowa, działanie, sprawność i efektywność
elektrowni przydomowej
z wykorzystaniem silnika Stirlinga
Streszczenie: Rozwój cywilizacji uzależnił dzisiejsze społeczeństwo od energii elektrycznej.
Nie wyobrażamy sobie bowiem życia bez takich urządzeń i maszyn jak komputer,
mikrofalówka, radio, telewizor czy pralka. Chęć ułatwiania sobie życia czy zaoszczędzenia
czasu na codzienne czynności zmusza nas do korzystania z energii elektrycznej. Dlatego też
szczególną uwagę zwraca się na ochronę środowiska, które jest systematycznie degradowane
przez wzrastające zapotrzebowanie na energię elektryczną.
Słowa kluczowe: odnawialne źródła energii; silnik Stirlinga
Wprowadzenie
Ekologiczną energię można pozyskać m.in. ze spalania takich paliw odnawialnych jak
wierzba energetyczna, pelet czy brykiet. Możliwością rozwoju jest tworzenie małych
przydomowych elektrowni zmniejszających zapotrzebowanie na energie elektryczną z
zewnątrz, co ogranicza wykorzystanie energii pochodzącej ze spalania węgla oraz zmniejsza
koszty związane z rosnącymi cenami energii elektrycznej. Takim rozwiązaniem jest
konstrukcja kotła grzewczego z wbudowanym silnikiem o spalaniu zewnętrznym (Stirlinga),
do którego poprzez przekładnie podłączamy generator prądu trójfazowego [1], [2].
Mimo rozwoju technik grzewczych większość domów jednorodzinnych i małych
domów kilkurodzinnych ogrzewane jest kotłami grzewczymi. Paliwem w kotłach grzewczych
mogą być wyżej wymienione surowce odnawialne. Konstrukcja współczesnych kotłów
grzewczych umożliwia wydajne i przyjazne dla środowiska ogrzewanie mieszkań.
Stosowanie standardowych kotłów grzewczych pozwala na stosowanie wymienionych
generatorów w dwojaki sposób. Pierwszym z nich jest stosowanie nowych pieców z
wbudowanym
silnikiem w środku
komory spalania
lub odzyskiwanie ciepła
z
przepływających spalin przez zastosowanie przystawek w początkowej części komina tuż za
czopuchem [2], [3], [4].
Elektrownia przydomowa z wykorzystaniem silnika Stirlinga
Zastosowanie silnika o spalaniu zewnętrznym uzasadnione jest możliwością opalania
go paliwem stałym, bez względu na rodzaj paliwa i paleniska, jak również możliwością
wykorzystania ciepła pochodzącego ze spalin oraz wysoką sprawnością silnika Stirlinga. Jeśli
ilości ciepła w przemianach odpowiadających krzywym 1-2-3-4 są jednakowe, to wymiana
ciepła pomiędzy silnikiem i otoczeniem jest realizowana w wyniku doprowadzania i
odprowadzania ciepła odpowiednio przy Tmax i Tmin. Takie warunki dostarczania i
odprowadzania ciepła są zgodne z założeniami II zasady termodynamiki dla maksymalnej
sprawności cyklu. Dlatego też sprawność cieplna cyklu Stirlinga wyraża się podobnie jak dla
cyklu Carnota, a mianowicie (1) [2], [3]:
ηC =
T max − T min
T max
(1)
Idealny cykl Stirlinga posiada jedynie znaczenie teoretyczne i w praktyce jest
nieosiągalny.
Wynika
to
z
założenia
przyjętego
w
rozważaniach,
że
procesy
termodynamiczne są odwracalne.
Rys. 1. Idealny cykl Stirlinga: a) wykresy p, V oraz T, S; b) położenie tłoka w
poszczególnych punktach cyklu; c) wykres przemieszczeń w funkcji czasu [4]
Dlatego też przyjęto, że wymiana ciepła pomiędzy ściankami cylindra a ciałem
roboczym jest nieskończenie duża lub nie występuje. Oprócz tego przyjęto założenie, że w
czasie procesu sprężania i rozprężania, cała masa ciała roboczego znajduje się w
odpowiednich przestrzeniach oraz , że w cylindrze zachodzi ruch tłoka przerywany, a opory
mechaniczne i hydrauliczne nie występują. Na koniec przyjęto założenie o idealnej
regeneracji ciepła. Dla dobrze skonstruowanego silnika sprawność przewyższa wartość 0,4, a
maksymalna jej wartość może osiągać wartość 0,7.
Silniki Stirlinga wyróżniają się korzystnymi właściwościami trakcyjnymi, zwłaszcza,
jeśli chodzi o przebieg krzywych momentu obrotowego, mocy i sprawności efektywnej.
Poniżej przedstawiono przykładowy wykres zależności momentu obrotowego MS silnika od
prędkości obrotowej wału korbowego - n (rys. 2).
Rys. 2. Zależność momentu obrotowego silnika Stirlinga z romboidalnym układem
korbowym od prędkości obrotowej wału korbowego [4]
Uzyskiwane obroty wału korbowego na poziomie 1000-1500 obr/min pozwalają, przy
zastosowaniu czterobiegunowego generatora, na bezpośrednie podłączenie, a przy
generatorach dwubiegunowych wymusza to zastosowanie przekładni 1:3 lub 1:2,5.
Zapotrzebowanie na moc generatorów rzędu 6700 AV przy prądzie trójfazowym oscyluje w
granicy silników 10 kW. Skonstruowanie silnika Stirlinga o małym wymiarze zewnętrznym i
podobnej mocy nie stanowi problemu. Dodatkowo wprowadzenie cylindra zimnego
chłodzonego cieczą, którą może być woda użytkowa, podnosi sprawność układu i dodatkowo
pozwala odzyskać część energii. Wprowadzenie ciepłej komory silnika Stirlinga bezpośrednio
do komory spalania pozwalałoby uzyskać dużą sprawność z jednostki.
Rys. 3. Schemat układu z cylindrem ciepłym w komorze spalania: 1 - Cylinder ciepły, 2 Kocioł grzewczy, 3 - Generator z przekładnią, 4 - Cylinder zimny
Współczesne kotły grzewcze konstruowane są w formie paleniska otoczonego
płaszczem wodnym. Nośnikiem energii cieplnej jest woda lub specjalne ciecze do układów
wymienników ciepła. Spalanie odbywa się na tylnej ścianie komory zasypowej lub w
komorze spalania znajdującej się z tyłu komory zasypowej, ale system doprowadzenia
powietrza wtórnego do komory spalania jest już bardziej rozwinięty. Kotły z dolnym
spalaniem mają ruchomy lub stały ruszt. Ruszt ruchomy jest stalowy lub żeliwny, natomiast
ruszt stały jest zazwyczaj tak zwanym rusztem wodnym. Powszechnie stosowane są kotły o
spalaniu dolnym. Kotły ze spalaniem górnym wymagają bowiem wprowadzenia wentylatora
doprowadzającego tlen do komory spalania. Kotły o dolnym spalaniu wykorzystują wyłącznie
prawa fizyki i dzięki wyporowi ciepłych spalin, powstające podciśnienie w komorze spalania
powoduje samoczynne zasysanie powietrza z otoczenia. By ten proces zachodził, temperatura
spalin musi być wyższa od temperatury powietrza atmosferycznego. Istnieje możliwość
podłączenia generatora do istniejących już układów ogrzewania przez zastosowanie
przystawki kominowej, co pozwala na odzyskanie energii ze spalin. Stosując przystawkę
odzyskująca temperaturę ze spalin nie możemy spowodować spadku temperatury spalin
poniżej 200°C. Układ taki charakteryzowałby się niższą sprawnością od układu z ciepłym
cylindrem w komorze spalania. Istnieje jednak możliwość zastosowania go w istniejących
układach i skutecznego odzyskania energii.
Podsumowanie
Stosowanie przydomowych generatorów opartych na kotłach grzewczych jest
uzasadnione wyłącznie w przypadku długiego sezonu grzewczego, takiego jak w Polsce.
Opisywane generatory nie mogłyby zastępować głównego źródła energii elektrycznej nawet
przy zastosowaniu kotłów grzewczych opalanych olejem opałowym lub gazem. Otwarta
komora spalania silnika Stirlinga pozwala na kompletne spalanie paliwa i powstawanie spalin
stosunkowo przyjaznych środowisku. Zaletami takich generatorów jest ich cicha praca oraz
możliwość wykorzystywania ciepła „odpadowego”.
Literatura
[1] Walker G.: Stirling engines. Clarendon Press, Oxford 1980
[2] Żmudzki S.: Silnik Stirlinga. WNT, Warszawa 1993
[3] Jedliński R.: Silniki niekonwencjonalne (Stirlinga) - stan aktualny i perspektywy rozwoju.
Wydawnictwo uczelniane ATR-UTP Bydgoszcz
[4] Szymański M., Łukasiewicz J.: Termodynamika. Wydawnictwo uczelniane ATR-UTP
Bydgoszcz