Генератор электричества и тепла для коттеджей и загородных домов на древесно-топливных гранулах (пеллетах). Комплект генератации построен на двигателе Стирлинга и представляет собой пиролизный пеллетный котел низкого давления с рабочими температурами до 950 градусов с электрогенератором внешнего сгорания (работающий от разности температур в котле и водяного контура охлаждения). Материалы установки подобраны таким образом, чтобы обеспечить возможность непрерывной работы в течение длительного периода времени. Ресурс оборудования не менее 100.000 часов работы, при обязательном выполнении сервисных работ (самостоятельно, или с привлечением сервисных организаций).
Установка позволяет обеспечить один загородный дом с площадью 50-150 кв.м. отоплением и электроэнергией. Запуск установки производится от встроенного стартера с автоматическим запуском при достижении рабочей температуры. При наличии данных установок нет необходимости подключения к внешним электросетям и городским сетям теплоснабжения. А при устройстве теплообменника "вода-вода" дополнительным плюсом является получение горячей питьевой воды. Комплект Armasysgen-30 оснащается водогрейным котлом, работающем на древесных гранулах (пеллетах), для выработки электричества не использует пар, а следовательно установка не подведомственна РосТехНадзору.
Простота и дешевизна в монтаже, эксплуатации и обслуживании позволяет данному генератору беспрепятственно выходить на рынки, в том числе и России. Постоянно растущие тарифы на энергоносители, дают подобным системам огромное преимущество. Кроме того данным установкам присущи все плюсы, относящиеся к установкам на экологически чистых видах топлива (безопасность хранения запаса топлива, взрыво-пожаро безопасность, отсутствие выделения вредных газов в том числе углекислоты в процессе горения и т.д.).
Единственным минусом данного решения является высокая стоимость, что определяется технической сложностью реализации двигателя Стирлинга. Техническая сложность характеризуется материалами, из которых изготавливается оборудование, так как данная установка предназначена работать круглосутоно (без перерывов) в течение длительного времени (несколько лет подряд). Если пересчитать данный ресурс на двигатель внутреннего сгорания в автомобиле, то первое ТО автомобилю необходимо было бы делать через 1.000.000 км, а общий ресурс автомобильного двигателя ограничивался бы 10.000.000 км.
Стоимость капитальных вложений на оборудование по производству электрической энергии на двигателе Стирлинга на 1 кВт доходит до 10.000 евро/кВт, что полностью исключает данный вид оборудования из промышленного сегмента. При необходимости получения электрической энергии в промышленных масштабах, необходимо использовать другие технологии производства электрической энергии, с капитальными вложениями до 1000 евро/кВт, например основанные на пиролизе биомассы с переработкой в синтетическое топливо и дальнейшее производство электроэнергии на поршневых генераторах.
Все производимые изделия обязательно испытываются перед отгрузкой на работоспособность при температурах, превышающих рабочие на 10-15%, для чего используется термочехол с керамическими нагревателями.
СТОИМОСТЬ КОМПЛЕКТА ArmasysGen-30 — 2 450 000 рублей, с учетом НДС
Чаще всего в интернете на глаза попадаются двигатели Стирлинга «хоббийного» типа, от которых вы навряд ли получите какую-либо полезную мощность. Конечно же многие из этих проектов вдохновляют и даже удивляют. Но, тем не менее, многие из них имеют право на будущее в качестве генераторов различной мощности, пусть даже и очень незначительной. Именно поэтому многие стирлингостроители с волнение и завистью смотрят на более перспективные, серьёзные и мощные генераторы на двигателях Стирлинга.
SV-2 представляет собой двигатель Стирлинга альфа конфигурации с использованием воздуха в качестве рабочего тела. Рабочее давление составляет 12 бар (175 фунтов на квадратный дюйм или 11.8 атмосфер или 1,2 мегапаскаля). Объем составляет 127 кубиков. Механическая выходная мощность на валу равна 700 Вт при 1800 оборотов в минуту.
На Ютьюбе есть видео генератора, разработанного на основе автомобильного компрессора от кондиционера. Далее перевод рассказа Дэйва Кирка, который представил на YouTube свой проект SV-2 MKII альфа-стирлинг (V-Twin) генератора.
Вдохновленный MP1002C Philips
В середине 80-х, я имел удовольствие быть свидетелем испытаний генераторной установки MP1002C Philips которая на самом деле реально работала. Опыт произвёл на меня глубокое впечатление, особенно в том, как спокойно Стирлинг завёлся и ожил. Максимум шума исходил от горелки (камеры сгорания), но в конечном итоге от двигателя Philips исходил очень приятный звуковой фон — всё, что нужно было заменить — были шумящие подшипники.
Как говорится в старой поговорке, «Он работал и работал, как швейная машинка Зингер»! В то время, мой опыт общения с двигателями Стирлинга состоял из проектирования нескольких моделек настольного размера, но, увидев и услышав работающий двигатель Philips, я захотел спроектировать, сделать дизайн и собрать двигатель такого же калибра … сделать нечто достаточно большое, что производило бы полезную ощутимую работу.
Выбор пал на конфигурацию «альфа» по следующим причинам
- Эта конструкция имеет самое большое отношение рабочего объёма к общему объему двигателя, что позволяет физически получить компактный двигатель.
- При конструировании альфы сдвиг фаз поршней составляет 90 градусов и поэтому достигается идеальный первичный баланс, что способствует более тихому ходу.
- С механической точки зрения и с точки зрения исполнения в «железе» он очень простой, поэтому его выгодно строить.
Наддув (нагнетание давления в Стирлинге)
Для получения значимых выходных мощностей необходимо повышать давление в рабочей зоне двигателя. Зная, что двигатель Philips работал при давлении 12 бар (175 фунтов на квадратный дюйм), я хотел бы получить двигатель, который был бы конструктивно прочным и компактным, чтобы работать на данных уровнях внутреннего давления рабочего газа. Рабочим телом был воздух, и выбран он был на основании практичности. Я хотел, чтобы в моём генераторе смазка осуществлялась маслом, так же как и в Стирлинге от Philips — эта функция в значительной степени способствует тихой работе и длительному сроку службы, который очень хочется получить в двигателе Стирлинга.
Компрессор кондиционера от Chrysler
Примерно в это же время мне в руки попался холодильный компрессор и оказалось, что он идеально подходит в качестве основы для запланированного мной двигателя. Это был автоматический компрессор кондиционера RV-2 компании Chrysler. Кривошип разносил поршни на 90 градусов (дизайн V-твин), с диаметром цилиндра 58,7 мм и ходом поршня 33,4 мм.
В обоих цилиндрах в сочетании с правильной траекторией движения газа, рабочим объемом составил 127,8 куб.см, что составляет более чем вдвое больший объём по сравнению с MP1002C двигателя Philips. Являясь холодильным компрессором, конструкция была сделана основательно и с достаточным запасом прочности для такого сильного сжатия. Кроме того, этот компрессор содержал героторный масляный насос, который под давлением смазывал края большим шатунным подшипникам. Каждый алюминиевый поршень имел одно компрессионное кольцо и соединены через алюминиевые шатуны Alcoa. Этот компрессор оказался самым оптимальным для моей задумки.
Компрессор кондиционера Chrysler RV-2
Годы разработки
На протяжение нескольких лет, я спроектировал и уже отработал все необходимые компоненты, для того, чтобы адаптировать компрессор к работе в двигателе Стирлинга. Я также сконструировал трубчатую несущую раму, которая являлась несущим основанием для двигателя. Рама стилизована под аналогичную используемую на генераторной установке Philips.
Головка нагревателя, вытеснитель и внутренний цилиндр выполнен из труб нержавейки 302 различных размеров. В роли регенератора использовал путанку из медной проволоки. Охладитель, расположенный со стороны сжатия двигателя, был изготовлен из алюминиевых трубок. Использовал небольшой генератор 200 Вт 12 вольт с ременным приводом, который изначально был куплен и предназначался для работы на садовом тракторе.
Вот этот двигатель, получивший название SV-2 MK I (Stirling V-2 Mark I):
Генератор на базе двигателя Стирлинга SV-2 MK I (Stirling V-2 Mark 1)
Изначальные характеристики и рабочее тело
Двигатель заработал, но производительность его была далека от ожидаемой величины. Я пробовал использовать гелий в качестве рабочего тела, и это помогло, повлияв как на выходную мощность, так и на обороты, но при этом было слишком очевидно, что что-то было кардинально не правильно. Работа двигателя будет существенно лучше при поднятии давления до 2 бар и оборотах 2000 в минуту, отдавая примерно 50 Вт мощности на выходе уже с электрогенератора … дальнейшее изменение в большую или меньшую сторону скорости или давления приведёт к потере выходной мощности. Кроме того, блок цилиндров начнёт очень сильно греться через незначительное время после запуска, что является доказательством о завышенной теплопередаче вдоль корпуса двигателя.
Конфигурация двигателя. Пробы и ошибки
После долгих раздумий (и нескольких лет разочарования) я понял, что в этой конфигурации допущены ошибки. В первую очередь — в любом двигателе Стирлинга нагреватель, регенератор, и холодильник должны быть «моноблочные», то есть их размещают в непосредственной близости друг от друга. Это означает, что эти три термодинамические компоненты должны все находиться в стороне от вытеснителя двигателя, вместо того, чтобы «разбросать» их по всей цепи газового тракта, как я сделал на МК I. Такой грамотный дизайн очень важен для хорошей производительности и такая плотная моноблочная компоновка чётко прослеживается на всех двигателях Philips. Тот факт, что я расположил регенератор в тесном контакте с блоком двигателя способствовали утечке тепла вдоль всей длины двигателя — это явно плохое решение в конструкции Стирлинга.
Несмотря на не оптимальную работу, я много узнал о расходе масла и о том как очищать перемещающуюся смазку в рабочем пространстве. Разобрался с техническими особенностями особой скруглённой формы вытеснителя, его прерывистых движений, уплотнительными кольцами и канавками для них и разделённой формы вытеснителя. Открытие безуглеродного состава синтетических масел с высокой температурной точкой вспышки также было очень полезно. Собственная конструкция отражателя пламени горелки на пропане также вызывал сомнение, но после нахождения некоторых старых публикаций на эту тему, успешная расчетная схема горелки наконец-то появилась и была успешно апробирована на трёх построенных экземплярах.
Конструкция самодельного кольца газовой пропановой горелки
Новый дизайн и появление MK II
В тот момент я понял, что была необходима большая модернизация для того, чтобы получить хороший и эффективный двигатель. Копаясь в моих технических справочниках и книгах, я внедрил модернизацию во все термодинамические компоненты в газовом контуре. Были переработаны: головка нагревательного цилиндра из нержавеющей стали 316, на которой нанесены рёбра внутренние и внешние, фольга для регенератора, ребристый охладитель, а также новый вытеснитель из нержавейки с тонкими стенками.
Ребристый снаружи и внутри нагреватель двигателя стирлинга из нержавейки
Мой друг и энтузиаст в стирлингостроении Джон Арчибальд, согласился подготовить чертежи из моих эскизов дизайна и используя свои навыки в качестве слесаря-механика, помочь с созданием некоторых из наиболее сложных частей. Потребовалось еще несколько лет, чтобы получить все новые компоненты, но в конце 2012 года, версия MK II двигателя была готова и была собрана.
Кулер с рёбрами для двигателя стирлинга
Пробный запуск генератора Стирлинга SV-2 MK II
Для SV-2 MK II был первый запуск в январе 2013 года и сразу было видно, что редизайн улучшил как ходовые качества, так и производительность. Двигатель стал работать довольно приятно, когда давление рабочего газа было поднято до 4 бар (3,95 атм. или 0,4 МПа), и при увеличении давления обороты увеличивались пропорционально. И замеры мощности не были сделаны в тот момент из-за не соответствующей геометрии горелки новой ребристой головке нагревателя.
Собранный двигатель с генератором показан ниже:
Генератор на двигателе стирлинга МК-2 
Генератор МК-2. Вид сзади
Водяное охлаждение стирлинга
Так как двигатель альфа имеет водяное охлаждение, то для циркуляции охлаждающей жидкости применён небольшой электрический гидронасос, запитываемый в дальнейшем от выходной мощности электрогенератора.
Дальнейшая разработка горелки
Новая горелка сейчас строится, она будет соответствовать ребристой геометрии головки нагревателя и будет выдавать более высокую теплоотдачу для предполагаемого вывода выходного вала 700 Вт на 1800 оборотов в минуту. Конструкция горелки должна быть готова к тестированию в следующем месяце или чуть позже, и должна быть полностью готова для исследования и раскрытия полного потенциала этого двигателя.
Сейчас нет планов и нет чертежей для этого генератора
У меня нет никаких планов ни производить этот двигатель ни продавать чертежи для изготовления его деталей. Это строго научный проект для демонстрации жизнеспособности данного изделия. Затруднения и издержки в изготовлении некоторых компонентов нивелировались выбором усреднённого хоббийного качества изготовления. Также, существуют компромиссы в использовании для данного двигателя элементов компрессора РВ-2, которые не будут присутствовать в идеальной конструкции. Если так и будет, то для повышения производительности это требует размещение всех термодинамических компонентов на основе собственной разработки — то есть, спроектированный заново картер, поршни, шатуны и т.д. Только тогда это будет продукт, который сможет иметь определённый рыночный потенциал.
Пожалуйста, смотрите на мои новые видео YouTube, как прогрессирует развитие. Я искренне благодарю всех вас за проявленный интерес!
Кирк Двигатели, Inc.
Далее некоторые данные из самого видео.
Совсем недавно, полная реконструкция нагревателя, регенератора и холодильника была выполнена и ,были произведены новые компоненты. Этот вариант, SV-2 MKII включает в себя все тонкости, необходимые для достижения поставленных целей. Головка нагревателя сделана из заготовки стали 316 при помощи электроэрозионного процесса. Купол и фланец свариваются в месте. Как внутренние, так и наружные ребра использованы для усиления теплообмена с рабочей жидкостью.
Внешние рёбра нагревателя и сварочный шов
Внутренние рёбра нагревателя и сварочный шов
Регенератор имеет корпус из нержавеющей стали 316 используя оберточную нержавеющую фольгу в виде материала регенератора. Толщина составляет 0,001 дюйма. Эта часть выполнена в виде цилиндрического контейнера. Торцевые экраны держат фольгу на месте.
Корпус регенератора
Охладитель сделан из 6061 Т-6 алюминиевого сплава также при помощи электроэрозионного процесса. Внешнее кольцо образует обводный канал для охлаждающей жидкости. Нагреватель, регенератор и охладитель между собой объединены в «стек» и герметизированы при помощи кольцеобразных уплотнений. Обратите внимание на 1 кубический сантиметр, расположенный рядом.
Холодильник двигателя стирлинга с водяной рубашкой
Головка цилиндра зоны компрессии изготовлена из алюминиевой заготовки. Соединительный канал сделан из толстостенной медной трубы.
Компрессионный насос двигателя стирлинга
«Стек» укреплён 4-мя несущими болтами диаметром 0,313 на кольцеобразных хомутах. Такая конструкция минимизирует утечку тепла в глубину структуры двигателя.
Кольцевые хомуты на двигателе стирлинга
Компания Sunpower Inc. создала комплект промышленного 1 кВт-го свободнопоршневого двигателя Стирлинга для разработчиков. На сайте указано, что компания ищет потенциальных интеграторов.
Основой технологии Sunpower является свободнопоршневой двигатель Стирлинга (FPSE), изобретенный Sunpower. FPSE преобразует тепло в электричество в герметически закрытом сосуде с помощью термодинамического цикла Стирлинга. Sunpower использует запатентованную технологию газовых подшипников, которая предотвращает контакт во время работы, устраняя износ и необходимость смазки, что приводит к многолетнему, не требующему технического обслуживания производству электроэнергии с высоким КПД. Как свидетельство этого уровня эффективности и надежности, НАСА финансирует разработку и производство SunPower FPSE в качестве потенциальной системы преобразования энергии следующего поколения для дальних космических полетов.
Преимущества
- Не требует технического обслуживания за все время своего существования
- Расчетный срок службы двигателя 20 лет
- Система изменяет мощность в зависимости от спроса на электроэнергию
- КПД больше, чем у термоэлектрических преобразователей
- Более экологически чистые, чем термоэлектрические, газовые или дизельные генераторы
- Тихая работа
- Возможность применения любого топлива
В настоящее время комплект для разработчика на 1 кВт предполагает работу на пропане или природном газе, но если имеется другой источник высокой температуры, возможны варианты перенастройки.
Потенциальные области применения
- Автономные источники электроэнергии
- Системы катодной защиты
- Системы диспетчерсого управления и сбора данных
- Военное
- Морские суда
- Off-grid бесперебойные источники
- Возобновляемая энергетика
Текущий статус разработки
1 кВт двигатель Стирлинга успешно продемонстрировал, что она готов для коммерческого развертывания. Sunpower разрабатывает контроллер двигателя и настраивает заводские компоненты в соответствии с требованиями различных областей применения. В настоящее время комплект на 1 кВт для разработчиков является лабораторией для инженерных подразделений для оказания помощи потенциальным интеграторам и исследовательским группам в понимании технологии и разработке будущих продуктов, основанных на технологии. Пока еще не продукт готов к продаже для конечного потребителя.
Кого ищет SunPower Inc? В идеале, Sunpower ищет потенциальных партнеров с жизнеспособными приложениями и существующей сетью продаж и обслуживания. Sunpower работает над определением ключевых характеристик, необходимых продуктам для различных рынков, и хотели бы работать непосредственно с потенциальными интеграторами, чтобы лучше понять требования.
1 кВт двигатель Стирлинга SunPower
Характеристики 1кВт набора с двигателем Стирлинга
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Номинальная выходная мощность | 1000Вт |
| Напряжение выхода | 390-450 В пост. ток |
| Расход пропана при мощности 600Вт | 13 литров / день |
| Расход пропана при мощности 1000Вт | 22 литра / день |
| Максимальная длительная температура | 550° С |
| Гарантия на двигатель | 2 года |
| Гарантия — балансировка заводских компонентов | нет |
| Рабочая температура окружающей среды | 6-70° С |
| Температура хранения | -25 — 70° С |
| Максимальное количество серы в топливе | 30 мг/ м3 |
| Топливо | пропан / природный газ |
| КПД двигателя | 23% |
| КПД системы (выход эл-ва) | 12-14% |
Внутреннее устройство бокса комплекта 1кВт двигателя Стирлинга
