LV Spotkanie Forum Energia-Efekt-Środowisko NFOŚiGW. Silniki Stirlinga przegląd rozwiązań i zastosowań

Transkrypt

1 LV Spotkanie Forum Energia-Efekt-Środowisko NFOŚiGW Silniki Stirlinga przegląd rozwiązań i zastosowań Jacek Nowacki, Rafał Pietrak

2 Agenda 150 lat od wynalazku Klasyfikacja i zasada działania Wady i zalety Zastosowania Przykłady wdrożeń komercyjnych Porównanie z fotowoltaiką Bilans energetyczny dla przeciętnego gospodarstwa domowego 2

3 150 lat od wynalazku 1816 Patent Roberta Stirlinga w 1816 r Pierwsze zastosowanie do pompowania wody w kamieniołomie. Na rynku istniało wiele innych typów silników na gorące powietrze. W 1884 za sugestią Fleeminga Jenkina zaczęto nazywać tę grupę silników silnikami Stirlinga. Silniki Stirlinga o większej mocy musiały działać przy dużych ciśnieniach i temperaturach, na co nie pozwalały stosowane ówcześnie materiały. Silniki były awaryjne. Kiedy w połowie XIX w. pojawiły się odpowiednie stopy żeliwa, silniki parowe zdominowały już rynek Produkcja wielu silników Stirlinga o małej mocy, działających przy małych ciśnieniach i temperaturach. Ich zaletą w stosunku do silników parowych była łatwość obsługi. Cały wiek XIX Rosnąca dominacja silników parowych Silniki Stirlinga ulegają zapomnieniu i przegrywają z silnikami elektrycznymi i spalinowymi Philips sprzedaje generatory prądu 180/200 W ( bungalow set ) dla zasilania urządzeń odbiorczych w regionach pozbawionych elektryczności Renesans zainteresowania. Liczne publikacje naukowe i zastosowania komercyjne. Koncepcja jest ciągle aktywnie rozwijana. Nie istnieje w tzw świadomości publicznej. 3

4 Co to jest silnik Stirlinga Silnik zewnętrznego spalania tzn. całość wymiany ciepła odbywa się przez barierę z ciała stałęgo (nagrzewnicę i chłodnicę) izolując wnętrze silnika od procesu spalania. Poprzez nagrzewanie nagrzewnicy i chłodzenie chłodnicy powodujemy przepływ strumienia cieplnego przez silnik. Część tego strumienia jest zamieniana na pracę mechaniczną wykonywaną przez silnik. Źródło ciepła może być dowolne. Silnik cieplny działający na skutek cyklicznego sprężania i rozprężania gazowego czynnika roboczego Większość implementacji opiera się na wykorzystaniu ruchu posuwisto-zwrotnego tłoka Posiada regenerator-tym różni się od innych silników na gorące powietrze. Regenerator zwiększa sprawność cieplną. Efektywność jest tym większa im większa różnica temperatur i ciśnienie gazu. 4

5 Zasada działania 4. Minimalna objętość gazu, rozpocznie się rozprężanie. 1. Większość gazu w gorącym cylindrze. Trwa ogrzewanie i rozprężanie. 3. Większość gazu w zimnym cylindrze. Trwa schładzanie i sprężanie Maksymalna objętość gazu. Gaz będzie przemieszczał się do zimnego cylindra. 5

6 Przykład silnik typu beta 1. Ściana gorącego cylindra 2. Ściana zimnego cylindra 3. Podłączenie rur z czynnikiem chłodzącym 4. Izolacja termiczna 5. Wypornik 6. Tłok 7. Mechanizm romboidalny 6

7 Efektywność Sprawność teoretyczna cyklu Carnote a wynosi 1 T T 2 Gdzie: 1 T 1 temperatura nagrzewnicy, np. 240 C (500K) T 2 temperatura chłodnicy, np. 20 C (300K) Dla tego przykładu sprawność wynosi 40%. Sprawność silników Stirlinga jest nieco mniejsza od teoretycznej sprawności cyklu Carnote a. Na przykład rzeczywista instalacja słoneczna EuroDish osiąga efektywność 24%. Wiele wyników rzeczywistych jest lepszych. Przy kogeneracji (ciepło odebrane czynnikiem chłodzącym jest w pełni wykorzystane), sprawność zbliża się do 100%. Inny czynniki pośrednio wpływające na efektywność i moc to rodzaj i ciśnienie gazu roboczego i wydajność wymiany ciepła przez wymienniki. 7

8 Zalety Dowolne źródło ciepła: słoneczne, geotermiczne, biologiczne, nuklearne, ciepło odpadowe, ciepło ze spalania paliw. Wysoka efektywność w porównaniu do silników spalinowych i ogniw fotowoltaicznych Ciągły proces spalania to mniejsza emisja zanieczyszczeń i hałasu Łożyska pracują w zimnej części silnika i mają większą trwałość niż w silnikach spalinowych. Prostsze też są mechanizmy. Cicha praca Nie wymaga obecności powietrza Niska temperatura (zła pogoda) nie utrudnia rozruchu Elastyczność mogą być używane jako źródło ciepła i energii elektrycznej zimą i klimatyzatory latem. Łatwość odzyskania ciepła odpadowego w stosunku do silników spalinowych. 8

9 Wady Wielkość i koszt Wymienniki ciepła pracują w wysokich temperaturach, wymagają stosowania odpornych i drogich materiałów Wysoka efektywność zależy od dużej różnicy temperatur. Dlatego silniki Stirlinga mogą lepiej sprawdzać się np. w północnych serokościach geograficznych i zimą. Duże rozmiary chłodnic Moc i moment obrotowy Wymiary w stosunku do uzyskiwanej mocy są duże, zwłaszcza dla małych różnic temperatur. Rozruch nie jest natychmiastowy, wymagane jest rozgrzanie. Silniki St. działają najlepiej ze stałą prędkością obrotową. Moc wyjściowa jest raczej stała i trudno ją płynnie lub szybko regulować. Wybór gazu roboczego o małej pojemności cieplnej Wodór ma najlepsze właściwości, ale ma tendencję do silnej dyfuzji i przez to uzupełniania np. przez elektrolityczny generator wodoru. Wodór jest też palny i stwarza zagrożenie wybuchem. Hel ma niewiele gorsze właściwości cieplne od wodoru. Wymaga jednak dostarczania w butlach i jest drogi. Powietrze lub azot są łatwo dostępne, ale nie pozwalają na osiągnięcie wyższych mocy z jednostki objętości. 9

10 Zastosowania Napęd mechaniczny Silniki samochodowe (NASA 1986,Ford) Pojazdy elektryczne (hybryda, 2007 Szwecja) Silniki lotnicze (wzrost efektywności z wysokością, niezawodność ale mały stosunek moc/masa) Silniki jednostek pływających (łodzie podwodne Gottland i Södermanland) Wytwarzanie energii elektrycznej Kogeneracja ciepła i energii elektrycznej (Disenco, Whispergen, inni) Wytwarzanie prądu z energii słonecznej (wielu dostawców) Elektrownie jądrowe (NASA) Ogrzewanie i chłodzenie Chłodnice kriogeniczne (Sunpower, Honeywell, inni) Pompy ciepła Przenośne chłodziarki (Twinbird Company 2002, Coleman Company 2004) 10 Silniki niskotemperaturowe Rekord to 0,5 C Mała moc zabawki, modele Pompy wody ok. 1 m średnicy działające bezpośrednio w słońcu Inne nowe zastosowania Akustyczny silnik Stirlinga (Los Alamos, chłodzenie lub generacja energii elektrycznej) Mikrokogeneracja kilka kw, redukcjaco 2 (Whispergen) Chłodzenie układów scalonych (MSI Taiwan)

11 Whispergen 1987 University of Canterbury (Nowa Zelandia) 1995 Utworzenie Whispergen Dostawy do przemysłu stoczniowego Przejście do rynku Pierwsze testy w UK domowego 2012 Tysiące instalacji w Europie Paliwo: gaz ziemny, LPG Produkcja ciepła:7,5-14,5 kw Produkcja energii elektrycznej: 1 kw Zużycie energii: 11-60W Wydajność energetyczna: 96% Emisja CO 2 : 1 tona na rodzinę/rok Wymiary: 49,1cm szer*83,8cm wys*56,3cm głęb Waga: 142 kg Hałas: 46 db Nominalna moc przy 60-80ºC: kw Moc z zewnętrznym palnikiem przy 60-80ºC: kW 11

12 SunPower Inc. Firma utworzona w 1974, Athens, Ohio, USA Fabryka 3700 m 2 powierzchni, R&D, produkcja chłodziarek, stanowiska testowe. Od końca lat 1980 firma produkuje krio-chłodziarki dla zastosowań w astronomii, medycynie, telekomunikacji, skraplania gazów, naprzewodnictwa. 12

13 Infinia Corp. (USA) Własna technologia - silniki z wolnymi tłokami Trwałość silnika między serwisami h (11,4 lat) Produkty: Systemy solarne PowerDish (ko)generacja ze spalaniem paliw Solarne systemy hybrydowe (słońce+biogaz, 24/7) 13

14 Infinia Corp. C.d. Przenośne generatory dla wojska. Paliwo: gaz ziemny, propan, diesel, JP8, bio-diesel Kogeneracja dla terenów wiejskich. Działa na biogazie z generatora. Ciepło z chłodnicy jest dalej wykorzystywane przez chłodziarkę adsorpcyjną dla celów chłodzenia mleka itd. Kogeneracja, przenośne generatory prądu. Zastosowania dla wojska i w terenach wiejskich. 14

15 Instalacje EuroDish - DISPOWER Projekt Komisji Europejskiej Reflektor o średnicy 8,5 m2, koncentrujący słońce na silniku Stirlinga z dwoma cylindrami, o mocy 10 kw, efektywność około 23% Sewilla, Hiszpania Eibelstadt koło Würzburga Mediolan, Włochy Odeillo, Francja Vellore, Indie Almeria, Spain 15

16 Porównanie z fotowoltaiką 1. Nasłonecznienie w polsce wynosi średnio 1600 h/rok uwzględniając zachmurzenie; nie uwzględniając zachmurzenia jest 4000 h/rok. 2. W Polsce moc dostępnego promieniowania: 800W/m 2 latem, 100W/m 2 zimą po uwzględnieniu zachmurzenia. Zdarza się że przez cały miesiąc jest 50 W/m Po uśrednieniu jest 800godz/rok, z tym, że każda z tych godzin ma już 800W/m 2, renormalizując do w stosunku do 1000W-norma-ogniwa/800W-realnie dostępne; dostajemy 640godz/rok. 4. Cena ogniw nie wykazuje regresji wraz z mocą - jest stała, ok 5zł za 1W wyprodukowany przy nasłonecznieniu 1000W/m 2 5. Czyli kosztem 5zł za ogniwo produkujące 1W mocy, przez wszystkie znormalizowane godziny w roku dostajemy 0.64kWh przez rok z takiego ogniwa. Cena kwh to 0.3zł -> czyli przez rok wyprodukujemy prądu za 20gr zł / 20gr zatem inwestycja zwraca się po 25 latach. 16

17 Porównanie z fotowoltaiką, cd. 1. Lustra są tańsze niż ogniwa, ponadto: 2. Słońca nie można dowolnie koncentrować na ogniwach fotowoltaicznych, ponieważ to je niszczy 3. Natomiast słońce można (i należy) koncentrować na maszynie Stirlinga. 4. Przy przeciętnej sprawności ogniw: 17%, i przykładowej sprawności znanych przemysłowych maszyn Stirlinga: 24%; potrzeba o 30% mniejszej powierzchni "farmy słonecznej", dla danej, zainstalowanej mocy produkcji energii elektrycznej. 5. Przy koprodukcji energii elektrycznej i ciepła, sprawność maszyna stirlinga dla przeciętnych temperatur pracy (300^C-400^C) przekracza 60%. 17

18 Bilans energetyczny dla gospodarstwa domowego (zima) Zimą dostępne jest 50W/m 2 energii słonecznej 15% tego jest przetwarzane na prąd, 40% tego jest pobierane w postaci ciepła Dom potrzebuje 15kW ciepła. Pełne 15kW ciepła jest możliwe do dostarczenia pompą cieplną(klimatyzatorem) o poborze mocy: 5kW Przyjmijmy że 8kW będzie pobierane bezpośrednio ze skoncentrowanego promieniowania słonecznego, a pozostałe 7kW będzie dostarczane pompą cieplną pobierającą 2.5kW mocy. Kiedy 8kW pochodzi z frakcji 40% pobieranej energii słonecznej, a 2.5kW z frakcji 15% sprawności silnika stirlinga. systemowi trzeba ok 20kW mocy. 20kW/0.05kW = 400m 2 zatem lustro o wymiarach 20m x 20m zapewnia tę moc zimą. 18

19 Pytania Dziękujemy za uwagę Jacek Nowacki Rafał Pietrak 19