image 98037 25 v1
Galรฉria(9)

Mikrokogenerรกcia so Stirlingovรฝm motorom typu alfa

Partneri sekcie:

Pouลพitie Stirlingovho motora v mikrokogeneraฤnรฝch jednotkรกch nie je zatiaฤพ veฤพmi rozลกรญrenรฉ, preto bolo takรฉto zariadenie na pรดde ลฝilinskej univerzity v dlhodobej skรบลกobnej prevรกdzke. ฤŒlรกnok sa zameriava na analรฝzu vplyvu prevรกdzkovรฝch parametrov na vรฝkonovรฉ parametre mikrokogeneraฤnej jednotky a najmรค na popularizรกciu zariadenia takรฉhoto typu medzi ลกirokou odbornou verejnosลฅou.

3
4
5
Obr.1
Obr.2a
Obr.2b
tab 2
tab3

Kogenerรกcia je zdruลพenรก vรฝroba elektrickej energie a tepla v jednom technologickom zariadenรญ. V sรบฤasnosti kogeneraฤnรฉ jednotky nachรกdzajรบ svoje uplatnenie aj v inลกtalรกciรกch, kde sa poลพaduje nรญzky elektrickรฝ a tepelnรฝ vรฝkon, naprรญklad v rodinnรฝch domoch alebo v menลกรญch objektoch. V tรฝchto oblastiach sa uplatลˆuje mikrokogenerรกcia โ€“ kogenerรกcia s maximรกlnym elektrickรฝm vรฝkonom do 50 kWe. Okrem tradiฤnรฝch motorov s vnรบtornรฝm spaฤพovanรญm sa pri kogeneraฤnรฝch jednotkรกch vyuลพรญvajรบ aj novรฉ technolรณgie, ako naprรญklad palivovรฝ ฤlรกnok, Stirlingov motor, parnรฝ stroj, mikrospaฤพovacie turbรญny a pod.

Tieto jednotky sรบ schopnรฉ dosahovaลฅ elektrickรฝ vรฝkon od 0,6 kWe a tepelnรฝ vรฝkon od 1,0 kWt (naprรญklad v prรญpade pouลพitia palivovรฝch ฤlรกnkov). Filozofia ich pouลพitia je vo vรฝrobe tepla na pokrytie tepelnรฝch strรกt objektu a na prรญpravu teplej vody, ako bonus zรญskava uลพรญvateฤพ elektrickรบ energiu. Vyrobenรก elektrickรก energia nie je primรกrne urฤenรก na predaj, ale spotrebovรกva sa priamo v mieste vรฝroby, preto elektrickรฝ vรฝkon mikrokogeneraฤnej jednotky musรญ ฤo najlepลกie kopรญrovaลฅ spotrebu elektrickej energie objektu. Keฤลพe sa v mikrokogeneraฤnรฝch jednotkรกch pouลพรญvajรบ novรฉ technolรณgie, vyลพadujรบ si dlhodobรฉ testovanie v reรกlnej prevรกdzke a najmรค popularizรกciu danรฝch technolรณgiรญ medzi ลกirokou odbornou verejnosลฅou.

Stirlingov motor

Patent Stirlingovho motora bol udelenรฝ ลกkรณtskemu farรกrovi Robertovi Stirlingovi uลพ v roku 1816 โ€“ v tom ฤase to bol vynรกlez, ktorรฝ predbiehal vtedajลกie vedeckรฉ poznanie. V sรบฤasnosti zaลพรญva Stirlingov teplovzduลกnรฝ motor znovuobjavenie a nachรกdza uplatnenie v kogenerรกcii zaloลพenej na kontinuรกlnom vonkajลกom spaฤพovanรญ rรดznych druhov palรญv alebo vo vรฝrobe elektrickej energie zaloลพenej na solรกrnom ohreve.

Perspektรญvne pouลพitie Stirlingovho motora v kogenerรกcii je najmรค pre jeho vรฝhody, medzi ktorรฉ patrรญ vysokรก รบฤinnosลฅ (dosahovanรก aj pri znรญลพenom vรฝkone), moลพnosลฅ pouลพitia viacerรฝch druhov palรญv (plynnรฉ, kvapalnรฉ a tuhรฉ; mรดลพu maลฅ aj niลพลกiu kvalitu a zรกroveลˆ moลพno rรดzne druhy palรญv zameniลฅ priamo poฤas chodu motora), nรญzke koncentrรกcie produkovanรฝch plynnรฝch emisiรญ vyplรฝvajรบce z kontinuรกlneho spaฤพovania, nรญzka hladina hluku a vibrรกcii (vyลกลกรญ hluk a vibrรกcie sรบ len pri vypรญnanรญ motora).

Ideรกlny Stirlingov cyklus pozostรกva zo ลกtyroch termodynamickรฝch vratnรฝch dejov, z dvoch izochorickรฝch zmien (zmeny pri konลกtantnom objeme) a z dvoch izotermickรฝch zmien (zmeny pri konลกtantnej teplote). Priebeh ideรกlneho Stirlingovho cyklu v p-v a T-s diagrame je znรกzornenรฝ na obr. 1.

Obr. 1 Ideálny p-v a T-s diagram Stirlingovho motora

Obr. 1 Ideรกlny p-v a T-s diagram Stirlingovho motora

Ideรกlny obeh sa skladรก z tรฝchto dejov:

1โ†’2 โ€“ izotermickรก kompresia โ€“ odovzdanie tepla Q12 z pracovnรฉho plynu s cieฤพom udrลพania teploty na konลกtantne nรญzkej hodnote Tk,
2โ†’3 โ€“ izochorickรก kompresia โ€“ prรญvod tepla Q23 z regenerรกtora, pracovnรฝ plyn sa presรบva bez zmeny objemu cez regenerรกtor,
3โ†’4 โ€“ izotermickรก expanzia โ€“ rozpรญnanie pracovnรฉho plynu pri konลกtantnej teplote Th; na udrลพanie konลกtantnej teploty sa musรญ privรกdzaลฅ teplo z ohrievaฤa Q34,
4โ†’1 โ€“ izochorickรก expanzia โ€“ odvod tepla Q41 do regenerรกtora; pracovnรฝ plyn sa presรบva bez zmeny objemu cez regenerรกtor.

Teoretickรก termickรก รบฤinnosลฅ ideรกlneho Stirlingovho cyklu mรก pri danรฝch teplotรกch rovnakรบ hodnotu ako termickรก รบฤinnosลฅ Carnotovho cyklu. Zรกvisรญ len od pracovnรฝch teplรดt, maximรกlnej teploty Th (zรกvisรญ od zdroja tepla a vlastnostรญ konลกtrukฤnรฝch materiรกlov) a minimรกlnej teploty Tk (zรกvisรญ od รบฤinnosti chladenia). Uzavretรฝ cyklus vykonรกva pracovnรฉ mรฉdium (najฤastejลกie vzduch, dusรญk alebo hรฉlium), ktorรฉ je pod stรกlym pretlakom, priฤom veฤพkosลฅ pretlaku vplรฝva na vรฝkon motora. Pracovnรฝ priestor Stirlingovho motora pozostรกva z dvoch pracovnรฝch ฤastรญ (kompresnรฝ a expanznรฝ) a z troch vรฝmennรญkov tepla (ohrievaฤ, regenerรกtor a chladiฤ). Podฤพa usporiadania pracovnรฝch priestorov rozoznรกvame vo vลกeobecnosti tri zรกkladnรฉ druhy Stirlingovho motora (ลกpecifickou skupinou sรบ Stirlingove motory s voฤพnรฝm piestom):

 

Typ ฮฑ

Mรก dva piesty v oddelenรฝch valcoch, ktorรฉ sรบ spojenรฉ v sรฉrii s ohrievaฤom, regenerรกtorom a chladiฤom. Jeho vรฝhodou je jeho pouลพitie ako viacvalcovรฉho motora, ฤo umoลพลˆuje dosahovaลฅ aj vysokรฝ vรฝkon. Hlavnou vรฝhodou tohto usporiadania je oddelenie kompresnรฉho a expanznรฉho pracovnรฉho priestoru, moลพnosลฅ usporiadania konลกtrukcie motora do tvaru V, ฤรญm sa zniลพuje tepelnรฉ ovplyvลˆovanie jednotlivรฝch ฤastรญ, zjednoduลกuje ich ohrev a chladenie.

 

Typ ฮฒ

Mรก vรฝtlaฤnรฝ piest a pracovnรฝ piest v spoloฤnom valci. Vรฝtlaฤnรฝ piest prehรกลˆa pracovnรฝ plyn medzi ohrievaฤom a chladiฤom. Motor typu ฮฒ sa povaลพuje za klasickรฝ Stirlingov motor.

 

Typ ฮณ

Mรก podobnรบ konลกtrukciu ako typ ฮฒ, rozdiel je len v tom, ลพe typ ฮณ mรก samostatnรฉ valce. Motor s tรฝmto usporiadanรญm dosahuje niลพลกรญ ลกpecifickรฝ vรฝkon ako predchรกdzajรบce typy, a to z dรดvodu vรคฤลกieho ลกkodlivรฉho priestoru, ktorรฝ sa niekedy oznaฤuje aj ako mล•tvy priestor. Tento typ sa pouลพรญva najmรค v tom prรญpade, keฤ vรฝhoda oddelenรฝch valcov prevlรกda nad niลพลกรญm dosahovanรฝm vรฝkonom motora.

Mikrokogeneraฤnรก jednotka so Stirlingovรฝm motorom typu ฮฑ

Pouลพitรก mikrokogeneraฤnรก jednotka pouลพรญva dvojvalcovรฝ Stirlingov motor s usporiadanรญm valcov do tvaru V. Ako pracovnรฉ mรฉdium pouลพรญva hรฉlium, ktorรฉ je schopnรก kontinuรกlne podฤพa poลพiadaviek dopฤบลˆaลฅ z externej tlakovej fฤพaลกe. Mikrokogeneraฤnรก jednotka je zobrazenรก na obr. 2a, rez jednotkou je na obr. 2b.

Obr. 2 Mikrokogeneraฤná jednotka so Stirlingovým motorom (Celanergy, AB) a) pohฤพad Obr. 2 Mikrokogeneraฤná jednotka so Stirlingovým motorom (Celanergy, AB)  b) rez mikrokogeneraฤnou jednotkou 1 – expanzný piest, 2 – výmenník tepla na ohrev pracovného plynu,  3 – regenerátor, 4 – chladiฤ pracovného plynu, 5 – kompresný piest, 6 – kฤพukový hriadeฤพ

Obr. 2 Mikrokogeneraฤnรก jednotka so Stirlingovรฝm motorom (Celanergy, AB)
a) pohฤพad b) rez mikrokogeneraฤnou jednotkou 1 โ€“ expanznรฝ piest, 2 โ€“ vรฝmennรญk tepla na ohrev pracovnรฉho plynu, 3 โ€“ regenerรกtor, 4 โ€“ chladiฤ pracovnรฉho plynu, 5 โ€“ kompresnรฝ piest, 6 โ€“ kฤพukovรฝ hriadeฤพ

Zdrojom tepla je plynovรฝ horรกk umiestnenรฝ v ลกpeciรกlnej valcovej spaฤพovacej komore. Ako palivo sa mรดลพe pouลพiลฅ zemnรฝ plyn, LPG alebo upravenรฝ bioplyn. Pri spaฤพovanรญ plynu sa vyuลพรญva technolรณgia FLOX โ€“ technolรณgia bezplamennej oxidรกcie (oxidรกcia pri vysokรฝch teplotรกch s veฤพkou recirkulรกciou). Dosahuje sa elektrickรฝ vรฝkon od 2 do 9 kWe (v zรกvislosti od nastavenรฉho tlaku pracovnรฉho mรฉdia, maximรกlny pracovnรฝ tlak je 150 barov). Ako chladiace mรฉdium Stirlingovho motora je pouลพitรก zmes glykolu s vodou, teplo sa odovzdรกva do vykurovacieho systรฉmu cez doskovรฝ vรฝmennรญk. Zรกkladnรฉ technickรฉ parametre mikrokogeneraฤnej jednotky sรบ zhrnutรฉ v tab. 1.

Tab. 1 Parametre mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovým motorom

Mikrokogeneraฤnรก jednotka bola zapojenรก na vรฝmennรญkovรบ regulaฤnรบ stanicu (s moลพnosลฅou nastavenia rรดznych odberov tepla a teplotnรฝch spรกdov) a elektrickรบ energiu odovzdรกvala do univerzitnej siete. Jednotka bola prevรกdzkovanรก v reลพime sledovania potreby tepla, ale aj v reลพime sledovania potreby elektrickej energie.

Keฤลพe mikrokogeneraฤnรก jednotka dosahuje na inลกtalรกciu v rodinnom dome pomerne vysokรฝ elektrickรฝ a tepelnรฝ vรฝkon, jej zapojenie bolo navrhnutรฉ pre modelovรบ administratรญvnu budovu, kde je predpoklad vyลกลกej spotreby energiรญ, a tรฝm aj dlhลกieho ฤasu vyuลพitia maxima jednotky. Potreby elektrickej a tepelnej energie danรฉho objektu boli stanovenรฉ podฤพa odberovรฝch diagramov.

Prevรกdzka mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovรฝm motorom typu alfa

Vo vลกeobecnosti moลพno celรบ prevรกdzku mikrokogeneraฤnej jednotky rozdeliลฅ na tri fรกzy: spรบลกลฅanie, normรกlna prevรกdzka (pri rรดznych tlakoch pracovnรฉho mรฉdia a pri rรดznych teplotnรฝch spรกdoch vykurovacieho mรฉdia) a vypรญnanie.

 

Spรบลกลฅanie mikrokogeneraฤnej jednotky

Tvorรญ ho testovacia sekvencia jednotlivรฝch prvkov systรฉmu, automatickรฉ nastavenie tlaku pracovnรฉho plynu podฤพa poลพiadavky obsluhy a nรกslednรฉ zapรกlenie zemnรฉho plynu v horรกku; v spaฤพovacej komore prebieha klasickรฉ spaฤพovanie. Po dosiahnutรญ minimรกlnej teploty v spaฤพovacej komore poลพadovanej pre stabilnรบ bezplamennรบ oxidรกciu (okolo 420 ยฐC) sa spรบลกลฅa systรฉm horenia FLOX.

Stirlingov motor je roztoฤenรฝ trojfรกzovรฝm elektromotorom napรกjanรฝm z vonkajลกej elektrickej siete, po dosiahnutรญ stabilnรฝch otรกฤok je elektromotor prepรณlovanรฝ do reลพimu generรกtora. Generovanie elektrickej energie nastรกva po 5 minรบtach od spustenia, ustรกlenรก vรฝroba elektrickej energie po 14 minรบtach. Priebeh parametrov poฤas spรบลกลฅania mikrokogeneraฤnej jednotky pri pracovnom tlaku hรฉlia 64 barov vidieลฅ na obr. 3.

Obr. 3 Studený štart mikrokogeneraฤnej jednotky

 Obr. 3 Studenรฝ ลกtart mikrokogeneraฤnej jednotky

Prevรกdzka pri rรดznych tlakoch pracovnรฉho plynu

Zmenou tlaku pracovnรฉho plynu moลพno priamo ovplyvลˆovaลฅ dosahovanรฝ elektrickรฝ vรฝkon Stirlingovho motora. Zvรฝลกenie tlaku pracovnรฉho plynu spรดsobuje pri konลกtantnom objeme pracovnรฉho priestoru motora nรกrast hmotnosti pracovnรฉho plynu, a tรฝm aj zvรฝลกenie vykonanej prรกce (zvรคฤลกenie plochy v p-v diagrame). Poฤas dlhodobej testovacej prevรกdzky sa vyuลพรญvali pracovnรฉ tlaky od minimรกlneho po 50 % maximรกlneho povolenรฉho pracovnรฉho tlaku, teda od 40 do 75 barov.

Obr. 4 Vybrané výkonové parametre mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovým motorom

Obr. 4 Vybranรฉ vรฝkonovรฉ parametre mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovรฝm motorom

Vybranรฉ hodnoty dosahovanรฝch parametrov mikrokogeneraฤnej jednotky sรบ v tab. 2 a na obr. 4. Dosahovanรก priemernรก elektrickรก รบฤinnosลฅ bola 0,23 a celkovรก รบฤinnosลฅ 0,91. Zรกvislosลฅ dosahovanรฝch รบฤinnostรญ a napr. teplรกrenskรฉho modulu od elektrickรฉho a tepelnรฉho vรฝkonu nie je takรก vรฝraznรก ako pri klasickรฝch mikrokogeneraฤnรฝch jednotkรกch s motormi s vnรบtornรฝm spaฤพovanรญm.

Tab. 2 Vybrané dosahované parametre mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovým motorom

 

Vypรญnanie mikrokogeneraฤnej jednotky

Uskutoฤลˆuje sa uzatvorenรญm plynovej armatรบry a nรกslednรฝm ochladzovanรญm spaฤพovacej komory vhรกลˆanรญm studenรฉho vzduchu pomocou ventilรกtora pre spaฤพovacรญ vzduch. Produkcia elektrickรฉho vรฝkonu postupne klesรก, nรกsledne je elektrickรฝ generรกtor prepรณlovanรฝ do polohy trojfรกzovรฉho elektromotora, ฤo brzdรญ Stirlingov motor a prejavรญ sa odoberanรญm elektrickej energie z vonkajลกej siete (zรกpornรก hodnota produkovanรฉho elektrickรฉho vรฝkonu); tepelnรฝ vรฝkon klesรก pomaly. Pozvoฤพnรฉ spomaฤพovanie a brzdenie Stirlingovho motora sa prejavuje zvรฝลกenรฝm hlukom a vibrรกciami. รšplnรฉ zastavenie Stirlingovho motora nastรกva pribliลพne do ลกtyroch minรบt.

Obr. 5 Vypínanie mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovým motorom

Obr. 5 Vypรญnanie mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovรฝm motorom

Zรกver

Dlhodobรก prevรกdzka mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovรฝm motorom typu alfa ukรกzala moลพnosti jej nasadenia v technickej praxi na zabezpeฤenie potrieb tepla a elektrickej energie pri menลกรญch objektoch (administratรญvne budovy, bytovรฉ domy, menลกie prevรกdzky a pod). Mikrokogeneraฤnรก jednotka je schopnรก prispรดsobiลฅ sa rรดznym prevรกdzkovรฝm podmienkam, poฤas dlhodobej testovacej prevรกdzky dosahovala elektrickรฝ vรฝkon 2,13 aลพ 4,52 kWe (v zรกvislosti od nastavenรฉho tlaku pracovnรฉho mรฉdia) a tepelnรฝ vรฝkon 7,0 aลพ 12,5 kWt.

Jednotka dosahuje priemernรบ elektrickรบ รบฤinnosลฅ 0,23 a celkovรบ รบฤinnosลฅ 0,91. Dlhodobรก prevรกdzka ukรกzala, ลพe mikrokogeneraฤnรก jednotka so Stirlingovรฝm motorom typu alfa dokรกลพe konkurovaลฅ klasickรฝm kogeneraฤnรฝm jednotkรกm, v niektorรฝch parametroch ich dokonca prevyลกuje โ€“ najmรค z pohฤพadu nรญzkej hluฤnosti pri prevรกdzke โ€“, ฤo umoลพลˆuje jej nasadenie aj v miestach, kde je hluk obลฅaลพujรบci.

รšloha sa realizovala v rรกmci rieลกenia projektu KEGA 046ลฝU-4/2016 Nekonvenฤnรฉ systรฉmy vyuลพitia obnoviteฤพnรฝch zdrojov energie.

 

Ing. Marek Patsch, PhD., Ing. Peter ฤŽurฤanskรฝ, PhD., Ing. Peter Pilรกt, PhD., prof. Ing. Jozef Jandaฤka, PhD.
Autori pรดsobia na Katedre energetickej techniky Strojnรญckej fakulty ลฝilinskej univerzity.

Obrรกzky: autori

Literatรบra

  1. DVORSKร, E. โ€“ HEJTMรNKOVร, P.: Kombinovanรก vรฝroba elektrickรฉ a tepelnรฉ energie, Technical literature BEN., Praha, 2005.
  2. HOLOUBEK, D.: Kombinovanรก vรฝroba elektriny a tepla, trigenerรกcia a tepelnรก sieลฅ, Technickรก univerzita v Koลกiciach, 2010.
  3. LรBAJ, J. โ€“ KAPJOR, A. โ€“ PAPUฤŒรK, ล .: Alternatรญvne palivรก pre energetiku a dopravu, GEORG ลฝilina, 2010.
  4. MรKA, J.: Kogenerace pรญstovรฝmi motory s vnitล™nรญm a vnejลกรญm spalovรกnรญm. Habilitaฤnรก prรกca,Vล B Ostrava, 2005.
  5. PEHNT, M. โ€“ CAMES, M. โ€“ FISCHER, C. โ€“ PRAETORIUS, B. โ€“ SCHNEIDER, L. โ€“ SCHUMACHER, K. โ€“ VOรŸ, J. P.: Micro Cogeneration, Towards Decentralized Energy Systems, Springer, Berlin, 2006.
  6. Technickรก dokumentรกcia mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovรฝm motorom, Cleanergy, AB.

ฤŒlรกnok bol uverejnenรฝ v ฤasopise TZB Haustechnik 4/2017.