Mikrokogenerรกcia so Stirlingovรฝm motorom typu alfa
Pouลพitie Stirlingovho motora v mikrokogeneraฤnรฝch jednotkรกch nie je zatiaฤพ veฤพmi rozลกรญrenรฉ, preto bolo takรฉto zariadenie na pรดde ลฝilinskej univerzity v dlhodobej skรบลกobnej prevรกdzke. ฤlรกnok sa zameriava na analรฝzu vplyvu prevรกdzkovรฝch parametrov na vรฝkonovรฉ parametre mikrokogeneraฤnej jednotky a najmรค na popularizรกciu zariadenia takรฉhoto typu medzi ลกirokou odbornou verejnosลฅou.
Kogenerรกcia je zdruลพenรก vรฝroba elektrickej energie a tepla v jednom technologickom zariadenรญ. V sรบฤasnosti kogeneraฤnรฉ 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 uplatลuje mikrokogenerรกcia โ kogenerรกcia s maximรกlnym elektrickรฝm vรฝkonom do 50 kWe. Okrem tradiฤnรฝch motorov s vnรบtornรฝm spaฤพovanรญm sa pri kogeneraฤnรฝch jednotkรกch vyuลพรญvajรบ aj novรฉ technolรณgie, ako naprรญklad palivovรฝ ฤlรกnok, 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 ฤlรกnkov). 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 urฤenรก na predaj, ale spotrebovรกva sa priamo v mieste vรฝroby, preto elektrickรฝ vรฝkon mikrokogeneraฤnej jednotky musรญ ฤo najlepลกie kopรญrovaลฅ spotrebu elektrickej energie objektu. Keฤลพe sa v mikrokogeneraฤnรฝch 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 ฤase to bol vynรกlez, ktorรฝ predbiehal vtedajลกie vedeckรฉ poznanie. V sรบฤasnosti 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 รบฤinnosลฅ (dosahovanรก aj pri znรญลพenom vรฝkone), moลพnosลฅ pouลพitia viacerรฝch druhov palรญv (plynnรฉ, kvapalnรฉ a tuhรฉ; mรดลพu maลฅ aj niลพลกiu kvalitu a zรกroveล moลพno rรดzne druhy palรญv zameniลฅ priamo poฤas 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 Ideรกlny p-v a T-s diagram Stirlingovho motora
Ideรกlny obeh sa skladรก z tรฝchto dejov:
1โ2 โ izotermickรก kompresia โ odovzdanie tepla Q12 z pracovnรฉho plynu s cieฤพom udrลพania teploty na konลกtantne nรญzkej hodnote Tk,
2โ3 โ izochorickรก kompresia โ prรญvod tepla Q23 z regenerรกtora, pracovnรฝ plyn sa presรบva bez zmeny objemu cez regenerรกtor,
3โ4 โ izotermickรก expanzia โ rozpรญnanie pracovnรฉho plynu pri konลกtantnej teplote Th; na udrลพanie konลกtantnej teploty sa musรญ privรกdzaลฅ teplo z ohrievaฤa Q34,
4โ1 โ izochorickรก expanzia โ odvod tepla Q41 do regenerรกtora; pracovnรฝ plyn sa presรบva bez zmeny objemu cez regenerรกtor.
Teoretickรก termickรก รบฤinnosลฅ ideรกlneho Stirlingovho cyklu mรก pri danรฝch teplotรกch rovnakรบ hodnotu ako termickรก รบฤinnosลฅ Carnotovho cyklu. Zรกvisรญ len od pracovnรฝch teplรดt, maximรกlnej teploty Th (zรกvisรญ od zdroja tepla a vlastnostรญ konลกtrukฤnรฝch materiรกlov) a minimรกlnej teploty Tk (zรกvisรญ od รบฤinnosti chladenia). Uzavretรฝ cyklus vykonรกva pracovnรฉ mรฉdium (najฤastejลกie vzduch, dusรญk alebo hรฉlium), ktorรฉ je pod stรกlym pretlakom, priฤom veฤพkosลฅ pretlaku vplรฝva na vรฝkon motora. Pracovnรฝ priestor Stirlingovho motora pozostรกva z dvoch pracovnรฝch ฤastรญ (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 ohrievaฤom, regenerรกtorom a chladiฤom. Jeho vรฝhodou je jeho pouลพitie ako viacvalcovรฉho motora, ฤo umoลพลuje dosahovaลฅ aj vysokรฝ vรฝkon. Hlavnou vรฝhodou tohto usporiadania je oddelenie kompresnรฉho a expanznรฉho pracovnรฉho priestoru, moลพnosลฅ usporiadania konลกtrukcie motora do tvaru V, ฤรญm sa zniลพuje tepelnรฉ ovplyvลovanie jednotlivรฝch ฤastรญ, zjednoduลกuje ich ohrev a chladenie.
Typ ฮฒ
Mรก vรฝtlaฤnรฝ piest a pracovnรฝ piest v spoloฤnom valci. Vรฝtlaฤnรฝ piest prehรกลa pracovnรฝ plyn medzi ohrievaฤom a chladiฤom. 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 vรคฤลกieho ลกkodlivรฉho priestoru, ktorรฝ sa niekedy oznaฤuje aj ako mลtvy priestor. Tento typ sa pouลพรญva najmรค v tom prรญpade, keฤ vรฝhoda oddelenรฝch valcov prevlรกda nad niลพลกรญm dosahovanรฝm vรฝkonom motora.
Mikrokogeneraฤnรก jednotka so Stirlingovรฝm motorom typu ฮฑ
Pouลพitรก mikrokogeneraฤnรก jednotka pouลพรญva dvojvalcovรฝ Stirlingov motor s usporiadanรญm valcov do tvaru V. Ako pracovnรฉ mรฉdium pouลพรญva hรฉlium, ktorรฉ je schopnรก kontinuรกlne podฤพa poลพiadaviek dopฤบลaลฅ z externej tlakovej fฤพaลกe. Mikrokogeneraฤnรก jednotka je zobrazenรก na obr. 2a, rez jednotkou je na obr. 2b.
Obr. 2 Mikrokogeneraฤnรก jednotka so Stirlingovรฝm motorom (Celanergy, AB) |
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 mikrokogeneraฤnej jednotky sรบ zhrnutรฉ v tab. 1.
Mikrokogeneraฤnรก jednotka bola zapojenรก na vรฝmennรญkovรบ regulaฤnรบ 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.
Keฤลพe mikrokogeneraฤnรก 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 ฤasu vyuลพitia maxima jednotky. Potreby elektrickej a tepelnej energie danรฉho objektu boli stanovenรฉ podฤพa odberovรฝch diagramov.
Prevรกdzka mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovรฝm motorom typu alfa
Vo vลกeobecnosti moลพno celรบ prevรกdzku mikrokogeneraฤnej jednotky rozdeliลฅ na tri fรกzy: spรบลกลฅanie, normรกlna prevรกdzka (pri rรดznych tlakoch pracovnรฉho mรฉdia a pri rรดznych teplotnรฝch spรกdoch vykurovacieho mรฉdia) a vypรญnanie.
Spรบลกลฅanie mikrokogeneraฤnej 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 roztoฤenรฝ trojfรกzovรฝm elektromotorom napรกjanรฝm z vonkajลกej elektrickej siete, po dosiahnutรญ stabilnรฝch otรกฤok je elektromotor prepรณlovanรฝ do reลพimu generรกtora. Generovanie elektrickej energie nastรกva po 5 minรบtach od spustenia, ustรกlenรก vรฝroba elektrickej energie po 14 minรบtach. Priebeh parametrov poฤas spรบลกลฅania mikrokogeneraฤnej jednotky pri pracovnom tlaku hรฉlia 64 barov vidieลฅ na obr. 3.
Obr. 3 Studenรฝ ลกtart mikrokogeneraฤnej jednotky
Prevรกdzka pri rรดznych tlakoch pracovnรฉho plynu
Zmenou tlaku pracovnรฉho plynu moลพno priamo ovplyvลovaลฅ 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 (zvรคฤลกenie plochy v p-v diagrame). Poฤas dlhodobej testovacej prevรกdzky sa vyuลพรญvali pracovnรฉ tlaky od minimรกlneho po 50 % maximรกlneho povolenรฉho pracovnรฉho tlaku, teda od 40 do 75 barov.
Obr. 4 Vybranรฉ vรฝkonovรฉ parametre mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovรฝm motorom
Vybranรฉ hodnoty dosahovanรฝch parametrov mikrokogeneraฤnej jednotky sรบ v tab. 2 a na obr. 4. Dosahovanรก priemernรก elektrickรก รบฤinnosลฅ bola 0,23 a celkovรก รบฤinnosลฅ 0,91. Zรกvislosลฅ dosahovanรฝch รบฤinnostรญ a napr. teplรกrenskรฉho modulu od elektrickรฉho a tepelnรฉho vรฝkonu nie je takรก vรฝraznรก ako pri klasickรฝch mikrokogeneraฤnรฝch jednotkรกch s motormi s vnรบtornรฝm spaฤพovanรญm.
Vypรญnanie mikrokogeneraฤnej jednotky
Uskutoฤลuje sa uzatvorenรญm plynovej armatรบry a nรกslednรฝm ochladzovanรญm spaฤพovacej komory vhรกลanรญm studenรฉho vzduchu pomocou ventilรกtora pre spaฤพovacรญ vzduch. Produkcia elektrickรฉho vรฝkonu postupne klesรก, nรกsledne je elektrickรฝ generรกtor prepรณlovanรฝ do polohy trojfรกzovรฉho elektromotora, ฤo 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. รplnรฉ zastavenie Stirlingovho motora nastรกva pribliลพne do ลกtyroch minรบt.
Obr. 5 Vypรญnanie mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovรฝm motorom
Zรกver
Dlhodobรก prevรกdzka mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovรฝm motorom typu alfa ukรกzala moลพnosti jej nasadenia v technickej praxi na zabezpeฤenie potrieb tepla a elektrickej energie pri menลกรญch objektoch (administratรญvne budovy, bytovรฉ domy, menลกie prevรกdzky a pod). Mikrokogeneraฤnรก jednotka je schopnรก prispรดsobiลฅ sa rรดznym prevรกdzkovรฝm podmienkam, poฤas 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 รบฤinnosลฅ 0,23 a celkovรบ รบฤinnosลฅ 0,91. Dlhodobรก prevรกdzka ukรกzala, ลพe mikrokogeneraฤnรก jednotka so Stirlingovรฝm motorom typu alfa dokรกลพe konkurovaลฅ klasickรฝm kogeneraฤnรฝm jednotkรกm, v niektorรฝch parametroch ich dokonca prevyลกuje โ najmรค z pohฤพadu nรญzkej hluฤnosti pri prevรกdzke โ, ฤo umoลพลuje jej nasadenie aj v miestach, kde je hluk obลฅaลพujรบci.
รloha sa realizovala v rรกmci rieลกenia projektu KEGA 046ลฝU-4/2016 Nekonvenฤnรฉ systรฉmy vyuลพitia obnoviteฤพnรฝch zdrojov energie.
Ing. Marek Patsch, PhD., Ing. Peter ฤurฤanskรฝ, PhD., Ing. Peter Pilรกt, PhD., prof. Ing. Jozef Jandaฤka, PhD.
Autori pรดsobia na Katedre energetickej techniky Strojnรญckej fakulty ลฝilinskej univerzity.
Obrรกzky: autori
Literatรบra
- DVORSKร, E. โ HEJTMรNKOVร, P.: Kombinovanรก vรฝroba elektrickรฉ a tepelnรฉ energie, Technical literature BEN., Praha, 2005.
- HOLOUBEK, D.: Kombinovanรก vรฝroba elektriny a tepla, trigenerรกcia a tepelnรก sieลฅ, Technickรก univerzita v Koลกiciach, 2010.
- LรBAJ, J. โ KAPJOR, A. โ PAPUฤรK, ล .: Alternatรญvne palivรก pre energetiku a dopravu, GEORG ลฝilina, 2010.
- MรKA, J.: Kogenerace pรญstovรฝmi motory s vnitลnรญm a vnejลกรญm spalovรกnรญm. Habilitaฤnรก prรกca,Vล B Ostrava, 2005.
- PEHNT, M. โ CAMES, M. โ FISCHER, C. โ PRAETORIUS, B. โ SCHNEIDER, L. โ SCHUMACHER, K. โ VOร, J. P.: Micro Cogeneration, Towards Decentralized Energy Systems, Springer, Berlin, 2006.
- Technickรก dokumentรกcia mikrokogeneraฤnej jednotky so Stirlingovรฝm motorom, Cleanergy, AB.
ฤlรกnok bol uverejnenรฝ v ฤasopise TZB Haustechnik 4/2017.