Чем можно заменить тепловые двигатели

Альтернатива тепловых двигателей

•Тепловым двигателем называют устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива. •Существуют разные виды тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, газовая и паровая турбины, реактивный двигатель. •Физическая величина, показывающая, какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

Изобретение паровой машины сыграло огромную роль в переходе к машинному производству. Недаром на памятнике Уатту написано: «Увеличил власть человека над природой».

Просмотр содержимого документа
«Альтернатива тепловых двигателей»

Альтернатива тепловых двигателей

Тепловые двигатели

Тепловой двигатель – машина в которой внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Виды тепловых двигателей

1.)Двигатель внутреннего сгорания

4.)Паровая машина

2.)Паровая и газовая турбины

3.)Реактивный Двигатель

В настоящее время эксплуатируются также тепловые машины, использующие теплоту, выделяющуюся в реакторе, где происходит расщепление и преобразование атомных ядер .

Двигатели Стирлинга — технологический прорыв в автономной энергетике XXI века

Сейчас уже всем очевидно, что одним из основных направлениями развития экономики и научно-технического прогресса в XXI веке становятся задачи поиска перспективных техноло­гий энергопреобразования и серийного производства новой техники на основе высокоэф­фективных термодинамических циклов с использованием возобновляемых видов топлива и новых рабочих тел. Это означает создание, производство и внедрение в массовое применение таких высокоэффективных и экологически чистых энергосистем, которые бы обеспечивали удовлетворение нужд промышленности и населения в энергии при минимальных затратах мате­риальных ресурсов.

Во всех развитых странах мира (прежде всего, ЕС и США) основой инновационного развития промышленности становится задачи перехода на новый технологический уровень, связанный с энергосбережением, экологий и сокращением доли использования традиционных энергоресурсов. Так, к 2025 году в странах ЕС более 20% энергии будет производиться за счет использования альтернативных и возобновляемых видов топлива. В рамках решения этих задач, по оценкам многих зарубежных специалистов, наиболее перспективным путем является разработка, производство и широкое внедрение энергопреобразующих сис­тем на основе двигателей Стирлинга.

Термодинамический цикл рассматриваемых двигателей был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. Наличие двух изотерм определяет равенство термодинамической эффективности идеального цикла Стирлинга и цикла Карно. Поэтому теоретически двигатели, работающие по циклу Стирлинга, потенциально самые высокоэффективные машины из всех существующих типов двигателей.

Первые наиболее интенсивные и серьезные работы по созданию конкурентноспособных двигателей Стирлинга, отличающихся чистотой выбросов, низким уровнем шума ввиду отсутствия взрывного сгорания, отсутствием систем газораспределения и зажига­ния, высокой топливной экономичностью начались в 1934 году в голландской компании «Филипс».

С 1975 года до 1990-х годов работы по создание двигателей Стирлинга велись в основном для автомобилестроительных компаний, таких как, “GeneralMotorsCo”, “FordMotorCo”, “MAN-MBW” и для военных нужд. Транспортные двигатели Стирлинга, как правило, исполнялись по типу двойного действия, с линейным приводом и т.д. При создании транспортных двигателей Стирлинга, с учетом большого количества циклов «пуск-остановка» и часто меняющейся мощности, жестких требований по массе и размерам, применялись дорогостоящие материалы (например, кобальт, цинк, медь, никель и т.д.) и сложное технологическое исполнение оригинальных конструктивных элементов. Такой подход позволял добиваться максимальных среди всех поршневых двигателей показателей эффективности, но и значительно повышал стоимость изделий. В настоящее время за рубежом транспортные типы двигателей Стирлинга широко используются в аэрокосмической технике, подводном кораблестроении, в качестве источников энергии для переносных станций связи диверсионных групп и войск специального назначения, а также в других областях военной техники.

С середины 90-х годов прошлого века в области создания двигателей Стирлинга стало превалировать направление стационарных энергетических установок. При их серийном производстве и эксплуатации наиболее значимым показателем является стоимость, которая складывается из стоимости изготовления и обслуживания. Массовые и габаритные характеристики для стационарных когенерационных установок не являются столь определяющими. На основе этого, в современных типах двигателей Стирлинга заложены новые технические решения, позволившие значительно снизить их стоимость. Необходимо отметить, что рядом зарубежных фирм начато производство двигателей, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки в диапозоне мощностей от 1 до 100 кВт.

Основные технические характеристики предлагаемых сегодня на рынке энергетических установок на основе двигателей Стирлинга, зависимости от фирмы производителя, колеблется в пределах:

— удельная стоимость от 1300$ до 3000$ за киловатт установленной мощности;

— моторесурс от 20000 до 87000 часов;

— эффективный к.п.д. до 45%.

Необходимо отметить, что в последние годы на рынке производителей двигателей Стирлинга происходят серьезные изменения. К работам по созданию двигателей Стирлинга приступили практически во всех крупных энергетических компаниях мира. О своих программах по двигателю Стирлинга заявили такие ведущие в мире фирмы по производству энергетических установок, как «TODEM», “CumminsPowerGeneration”, “ToshibaCorp.”, “MitsubishiElectricCorp.” и др. Только за последний, 2007 год, появились новые мощные объединения, например, европейский швейцарско-немецкий концерн «Stirling Systems AG» и транснациональная корпорация, в состав которой входят ведущие американские, японские, итальянские и немецкие энергетические фирмы (“Merloni Termosanitari (MTS Group)” (Италия), “Bosch Group” (Германия), “Rinnai” (Япония), “Infinia” (США).

Появление столь крупных компаний, объединяющих в себе значительные финансовые и производственные мощности, объясняется новым более высоким уровнем требований к эффективности энергетических систем, их экологической чистоты, возрастанием требований по использованию возобновляемых и чистых местных энергоресурсов. Безусловно, уже в ближайшее время это приведет к жесткой конкурентной борьбе на рынке двигателей Стирлинга и автономных энергетических установок в целом.

Перспективы использования машин Стирлинга в различных областях энергетики в настоящее время стали очевидным для всех промышленно развитых стран мира, так по данным зарубежных экспертов, в настоящее время во всем мире не менее 140 научно-исследовательских организаций и компаний ведут интенсивные исследования в этом направлении. Ведущими странами в области проектирования и создания машин Стирлинга являются США, Великобритания, Япония, ФРГ, Швеция и Нидерланды. Кроме перечисленных стран, в последнее время начались интенсивные исследования по двигателям Стирлинга в Китае, ЮАР, Австралии, Израиле, Канаде, Индии и ряде других стран. Объективно, в последние 15-20 лет в мире начала формироваться новая перспективная отрасль машиностроения – стирлингостроение.

Что такое машины, работающие по циклу Стирлинга?

Машины Стирлинга — это машины, работающие по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.

Конструктивно, машины Стирлинга представляют собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: теп­лообменника нагрузки (нагревателя или конденсатора), регенератора и холодильника. В качестве рабочего тела используется, как правило, ге­лий, а также азот и воздух.

К достоинствам машин, работающих по циклу Стирлинга, следует отнести высокую степень экологической чистоты как самих рабочих тел машин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуата­ции, а также энергетическую эффективность.

К преимуществам машин Стирлинга следует отнести ряд принципиальных свойств, присущих только этим машинам и создающих реальные предпосылки для их широкого использования практически во всех областях промышлен­ности и техники, основными из которых являются:

* широкая универсальность самого термодинамического цикла, позво­ляющего при различном конструктивном исполнении создавать как преобра­зователи прямого цикла (двигатели), так и обратного цикла (холодильные и криогенные машины);

* наивысшая энергетическая эффективность (теоретический к.п.д. цикла идеальной машины Стирлинга равен к.п.д. цикла Карно);

* высокая степень экологической чистоты как самих рабочих тел ма­шин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуатации;

* многотопливность двигателей — возможность применения в качестве источников теплоты не только сгорание традиционных энергоносителей (нефтепродукты, природный газ и т.д.), но и солнечной радиации, биогаза, древесины, торфа, угля и т.д.

Среди выпускаемых двигателей энергетические установки с двигателем Стирлинга наиболее экологически чистые, так как концентрация вредных веществ в продуктах сгорания двигателя Стирлинга практически на два порядка ниже, чем у других поршневых и газотурбинных двигателей. Важнейшим потребительским свойство двигателей Стирлинга является самый низкий уровень шума по сравнению со всеми существующими двигателями других типов. В настоящее время этот показатель для двигателя Стирлинга колеблется на уровне 60-65 дБ. Это дает возможность устанавливать стирлинг-генераторы в непосредственной близости от потребителя, что позволит избавиться от потерь на передачу электроэнергии.

Современные области применения энергетических установок с двигателями Стирлинга

Современная мировая энергетика развивается в направлении децентрализации энергоснабжения, которое оказывает содействие созданию автономных когенерационных установок и максимального использования возобновляемых источников энергии. Исключительное свойство двигателей Стирлинга, как двигателя с внешним подводом теплоты, позволяет применять не только традиционные виды топлива, но также все без исключения виды альтернативных топлив, известных в настоящее время в мире, например, биогаз, уголь, отходы деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства, солнечную, атомную, высокопотенциальную теплоту дымовых газов и любые другие виды энергии, делает их особенно привлекательными в связи с использованием энергии из возобновляемых источников. Двигатель Стирлинга можно использовать во всех областях, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую.

Когенерационные энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на традиционном газовом топливе (природный газ и пропан).

Высокая экологическая чистота и эффективность обеспечивают перспективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках (КУ) мощностью до 100 кВт, для одновременной выработки электроэнергии и тепла в местах их непосредственного потребления. Это новая технология для комбинирован­ного производства электроэнергии и тепла, на основе автономных двига­телей и системы рекуперации тепла, в которой энергия охлаждающей воды и отработанных газов используется для нужд теплоснабжения потребите­лей. Эффективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами, обусловлена особенностью его теплового баланса, выражающегося в разнице между потерями теплоты с отработанными газами и в охлаждающую воду. Для двигателя Стирлинга этот баланс составляет, соответственно, 10% и 40%, что с учетом более высокого к.п.д. самого двигателя, позво­ляет создавать компактные и высокоэффективные когенерационные установки (КУ). К.п.д. современных зарубежных стирплинг-генераторов с учетом получения дополнительного тепла может достигать до 95%.

На рис. 1 представлен двигатель Стирлинга, работающий на природном газе мощностью 9 кВт. Данный двигатель входит в состав когенерационной установки вырабатывающей дополнительно около 27 кВт тепловой энергии.

Применение КУ на основе двигателей Стирлинга позволяет на 40% снизить расход топлива на производство электроэнергии и тепла, по сравнению с централизованным энергоснабжением. Себестоимость 1 кВт*.ч электроэнергии, выработанной в когенерационной установке, в 3 — 4 раза ниже, чем действующие тарифы централизованных энергосистем (для России. ), а тепло получается фактически бесплатным! Применение КУ позволяет эффективно допол­нять рынок теплоэнергоснабжения без реконструкции старых, перегруженных сетей. Автономная работа когенерационной установки позволяет обеспечить потребителей теплом и электро­энергией со стабильными темпе­ратурными показателями и ка­чественной горячей водой.

С 2008 года в Германии и в ряде других развитых стран реализуются федеральные энергетическая программы по установки в домах и квартирах когенерационных установок на двигателем Стирлинга с электрической мощностью от 1,5 кВт. По мнению немецких специалистов, предтворение в жизнь данного проекта позволит избежать строительства трех крупных атомных электростанций на территории страны.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на твердых биоресурсах.

В настоящее время ввиду истощения ранее разведанных запасов и удорожания органического топлива (нефти и природного газа), для многих стран мира представляет значительный интерес возмож­ность серийного производства электрогенераторов средней мощности (от 3 до 100 кВт) с модификацией двигателя Стирлинга под местное топливо. В качестве местного топлива для стирлинг-генераторов может использовать­ся торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и ле­соперерабатывающей промышленности. Решение данного вопроса уже в бли­жайшее время позволит обеспечить многие регионы мира дешевыми в экс­плуатации автономными энергоисточниками на местном топливе.

В настоящее время на рынке уже появились когенерационные установки с двигателями Стирлинга, в качестве топлива для которых используются древесная щепа, торф, биогаз и отходы сельского хозяйства.

Возврат к биоресурсам – это не возврат в прошлое, а разумный подход к экономике и экологии. Широкое использование автономных источников энергии, работающих на местном топливе, отражает мировую тенденцию на энерго- и ресурсосбережение. Наиболее интенсивно данное направление развивается в странах имеющих значительный запас биоресурсов (леса, торфяных болот и т.д.), к числу которых относятся: Швеция, Норвегия, Дания, Финляндия, России, страны Африки и Южной Америки. В России многие регионы обладают огромными запасами местного дешевого топлива. Так, например, Карелия (северо-западный регион России) располагает значительными ресурсами постоянно возобновляемой биомассы в виде древесных растений, торфа и отходов сельского хозяйства, которые могут быть использованы в энергетических целях. Запасы торфа в Карелии оценены в 2 млрд. тонн и ресурсы древесного сырья лиственных пород около 2 млн.м3/год. Только за счет использования торфа и древесного сырья можно на 60% уменьшить объем привозного топлива, а это практически третья часть бюджета Республики Карелия.

На рис.2 показан двигатель Стирлинга мощностью 28,5 кВт , работающий на древесной щепе.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на генераторном газе.

Другим направлением использования стирлинг-генераторов, работающих на твердой биомассе является использование технологии газификации биомассы. Газификация древесных отходов обеспечивает получение топливного газа, основу которого составляет СО, Н2 и N2 и который может быть использован в качестве газообразного топлива для двигателей Стирлинга. При получении генераторного газа из древесины его теплотворная способность обычно составляет 12-13 МДж/кг, удельная масса — 1,10 до 1,15 кг/м.куб. Выход газа, в среднем, 1,8-2,5 м.куб. на каждый килограмм газифицируемой биомассы. Благодаря высокой эффективности процесса газификации (выход генераторного газа — 85-90%), а также удобству использования газа в качестве топлива, газификация является более чистым и эффективным способом получения тепла, чем сжигание твердого топлива непосредственно в топке котла. Еще одним важным преимуществом является то, что для работы газогенератора можно использовать топливо низкого качества — опилки, стружка, измельченная кора.

Переработка древесных отходов методом пиролизного генерирования газа позволяет получать дешевую энергию. Газогенератор может решить проблемы по обеспечению теплом и электроэнергией население небольшого поселка или удаленной городской окраины крупного города. В качестве загрузочного материала могут быть использованы отходы из ближайшего леса — разобранные буреломы, кора, древесные отходы с плановых вырубок, ветви и т.п. В газогенераторе можно использовать наиболее плохие отходы древесины, низкокалорийные и содержащие высокий процент влаги — до 50%. Размеры древесных отходов, используемых в качестве топлива могут быть до 30 см .

В основе работы газогенератора лежит принцип: преобразование твердого топлива в газообразное под воздействием высокой температуры без доступа кислорода. В результате процесса, называемого пиролизом, вырабатывается генераторный, древесный газ. Газогенераторная установка предельно проста по конструкции, не требует специально обученного обслуживающего персонала в эксплуатации. Газогенератор состоит из трех основных частей: камеры газообразования, камеры возгорания и загрузочного бункера. Детали установки, работающие при повышенных температурах, изготавливаются из жаропрочных материалов. Высокая рентабельность газогенераторных стирлинг-генераторов определяется дешевизной электрической и тепловой энергии, использованием местных видов топлива, близостью к потребителю, отсутствием необходимости в дорогостоящих ЛЭП и подстанциях, экологической безопасностью и мобильностью.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на солнечной энергии.

Высокий к.п.д. и надежность конструкции двигателя Стирлинга обуславливают эффективность его использования в солнечных энергетических установках (Рис.3). Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух. Роль такого экологически чистого источника энергии в современном мире легко оценить. Из известных практически реализованных солнечных установок для получения электроэнергии наибольшим к.п.д. обладают установки с па­раболическими зеркалами и двигателями Стирлинга.

Среди наиболее значимых проектов по использованию солнечной энергии в настоящее время является проект создания грандиозной солнечной фермы на юге США. По данному проекту, на территории штата Невада площадью 160 кв. км будет создана, не имеющая аналогов в мире, гелиоэнерегетическая система на основе «солнечных» двигателей Стирлинга. В конечном счёте, проект предполагает компактное размещение десятки тысяч таких установок, которые будут трансформировать солнечную энергию и поставлять электричество юго-западным распределительным компаниям США.

Рис. 4. Солнечная ферма с двигателями Стирлинга в штате Невада

По расчетам американских специалистов, в случае удачного реализации данного проекта, на юге США будет создана ферма солнечных стирлингов, площадью 160х160 километров на юге США, которая покроет полностью всю потребность страны в электроэнергии.

Широко известны работы ряда крупных зарубежных фирм по созданию солнечных энергетических установок с двигателями Стирлинга для космических аппаратов, орбитальных космических станций и «лунных баз» с двигателями Стирлинга мощностью от 3 до 200 кВт. Фирмой «Алиссон» разработан и построен космический вариант солнечной установки с двигателем Стирлинга мощностью 5 кВт. Двигатель имел при n=3000 об/мин и к.п.д. равное 37,5%. В качестве источника теплоты использовался параболический лепестковый концентратор диаметром 5,8 м, который создавал в приемнике температуру 947 К. В ловушке приемника излучения предусматривался тепловой аккумулятор, отдававший тепло фазового превращения при постоянной температуре на теневых участках орбиты полета. Данная анаэробная установка имела массу 250 кг и долгое время работала на одном из искусственных спутников Земли (ИСЗ) типа «Джеминай».

В настоящее время разработкой солнечных энергетических установок с двигателями Стирлинга для объектов различного назначения занимаются ряд крупных зарубежных фирм, среди которых американская корпорация «NASA», фирма «Sanpower», анг­лийская фирма «Britisch Аerospace Public Сompany» и т.д. Так, компаниями «MC Donnall Donglas Aerospаcе» и «United Stirling AB» созданы несколько образцов «солнечных Стирлингов» мощности до 25 кВт.

Американская компания Infinia до конца текущего года рассчитывает завершить разработку конструкции новых электрогенераторов для развивающихся стран, построенных на основе солнечных двигателей Стирлинга. В отличие от традиционных солнечных батарей, коэффициент полезного действия которых составляет от 12 до 15 процентов и редко достигает 22 процентов, к.п.д. установки Infinia на основе двигателя Стирлинга, по прогнозам компании, будет составлять более 24 процентов. Мощность двигателя 3-5 кВт.

Атомные энергетические установки с двигателем Стирлинга.

Основные работы по созданию энергетических установок с двигателями Стирлинга, работающих за счет атомной энергии ведутся в США. Двигатель Стирлинга может обеспечить надежную работу энергетических установок с ресурсом более 5 лет (до 80000 часов) при к.п.д. преобразования тепловой энергии в электрическую, равном 35-40%. В качестве источника тепла для двигателя Стирлинга могут быть использованы радиоизотопные тепловые блоки и ядерные реакторы. Планируются, что атомные энергетические установки с двигателями Стирлинга мощностью от 0,5 до 15 кВт целесообразно использовать на долгоживущих пилотируемых и беспилотных космических аппаратах. Энергоустановки мощностью от 15 до 200 кВт и более целесообразно применять на пилотируемых орбитальных станциях или на обитаемых лунных базах с большими потребными мощностями. Так, по проекту “SP-100” для планируемой лунной базы в США создается ядерная энергоустановка с тремя двигателями Стирлинга общей мощностью 250 кВт и массой 3000 кг.

В 2011 год NASA отправила к спутникам Юпитера исследовательского зонда с ядерным реактором на борту. Но еще раньше — в 2009 году — атомный двигатель планируется использовать в очередной американской марсианской миссии. Разрабатывает «атомные Стирлинги» для NASA компания Lockheed Martin и Центр Гленна. В настоящее время уже разработан двигатель Стирлинга мощностью 25 кВт, который будет установлен в энергетическую установку с радиоизотопной накачкой.

Рис. 5.

Программа ядерных источников питания (Nuclear Power Program) имеет целью резко (на 1-2 порядка) повысить научную отдачу межпланетных миссий за счет увеличения продолжительности работы и производительности космических аппаратов и приборов, размещения на МКС нескольких посадочных аппаратов, приборов с высоким энергопотреблением, а также организации высокоскоростных каналов связи.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающими на нетрадиционном газовом топливе (биогаз, свалочный газ, попутном нефтяном газе и т.д.).

Одним из направлений применения местных биоресурсов является проект энергоснабжения небольшого населенного пункта с использованием двигателей Стирлинга, работающих на биогазе. Биогаз вырабатывается в метантенках на окраине поселка и подается по трубопроводам к индивидуальным домам, в которых установлены когенерационные установки с двигателями Стирлинга. На рис. 6 представлен эскиз данного проекта.

Биогаз представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофный и метанообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты – метан и углекислоту.

Перспективным направлением является и использования в двигателях Стирлинга в качестве топлива биогаза из городских твердых бытовых отходов (ТБО). Для производства биогаза из ТБО, измельченные отходы в метантенке перемешивают с канализационным осадок из первичных и вторичных отстойников очистных сооружений. В 2005 году впервые в мире в Китае был создан экспериментальный энергетический модуль мощностью 250 кВт с 5 двигателями Стирлинга, работающими на биогазе из городских твердых бытовых отходов. Испытания прошли успешно в течении 3 лет и в настоящее время принимается решение властями Китая о создании таких энергетических модулей на свалках твердых бытовых отходов всех городов Китая.

Рис. 7. Двигатель Стирлинга мощностью 50 кВт

Автономные энергетические установки с двигателями Стирлинга (стирлинг-генераторы) незаменимы в нефтегазовой промышленности при освоении новых месторождений, особенно в условиях Крайнего Севера и шельфа арктических морей, где нужна серьезная энерговооруженность разведочных, буровых, сварочных и других работ.

В этих условиях в качестве топлива можно будет использовать неочищенный природный газ, попутный нефтяной газ, добываемый совместно с нефтью, и газовый конденсат. Столь широкий спектр топлив делает стирлинг-генераторы универсальными источниками энергии. Таким образом, исчезает проблема с обеспечением энергией буровых скважин, вахтовых поселков, узлов связи и других автономных систем.

В настоящее время только в Российской Федерации ежегодно пропадает до 50 млрд. м3 попутного газа, который выходит вместе с нефтью. Собирать его сложно и дорого, использовать в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания нельзя из-за постоянно меняющегося фракционного состава, и чтобы газ не загрязнял атмосферу, он попросту сжигается. Однако этот газ может быть приемлемым моторным топливом для энергетических установок с двигателями Стирлинга.

По предварительным расчетам, стрилинг-генератор мощностью 100 кВт, работающий на природном или попутном нефтяном газе, сможет обеспечить электроэнергией и теплом вахтовый поселок газовиков, нефтяников или геологов численностью до 50 человек. Отпадает необходимость завозить топливо с материка и не наносить ущерб природе, поскольку минимизируются вредные выбросы.

Об экономической целесообразности серийного производства двигателей Стирлинга в Российской Федерации

В мировых обзорах по энергопреобразующей тех­нике, двигатель Стирлинга рассматривается как двигатель, обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки. Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ). В связи с этим, по сравнению с ДВС, в двигателях Стирлинга про­цесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает более равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двига­теля, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.

Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на раз­личных топливах, большой ресурс, сравнимые размеры и масса, хорошие характеристики крутящегося момента — все эти параметры дают возмож­ность машинам Стирлинга в ближайшее время значительно потеснить двига­тели других типов. В настоящее время наиболее перспективным является производство двигателей Стирлинга мощностью от 0,1 до 100 кВт, но уже в ближайшей время на мировом рынке появятся высокоэффективные двигатели Стирлинга мощностью до 1000 кВт.

К сожалению, в России из-за общего экономического спада разработкой машин Стирлинга на государственном уровне никто не занимается, хотя до 1990 года исследования в этой области техники проводились в 15 организациях военно-промышленного комплекса.

Учитывая, что в настоящее время в России практически отсутствует серийное производство конкурентоспособных энергетических установок мощностью от 1 до 50 кВт, производство высокоэффективных и экологически чистых машин Стирлинга является наиболее перспективным направлением в развитии отечественного машиностроения. Проведенные маркетинговые исследования показывают, что емкость отечественного рынка энергетических установок данного мощностного ряда составляет до 60 тыс. установок в год. Основными областями применения энергетических установок с двигателями Стирлинга в Российской Федерации являются: когенерация с использованием местного топлива; автономные источники для нефтегазового комплекса, включая катодную защиту; автономные источники для ЖКХ населенных пунктов; использование бросовой теплоты отработанных газов котельных установок и транспортных средств; анаэробные установки и др.

Наиболее перспективным является серийное производство электрогенераторов небольшой мощности с модификацией двигателя Стирлинга под местное биотопливо: торф, отходы сельского хозяйства и ле­соперерабатывающей промышленности. Новая технология открывает широкие возможности для снабжения электроэнергией и теплом не газифицированных сельских районов, поселков, фермерских хозяйств, животноводческих ферм, птицефабрик и т.д. Она также поможет решить многие проблемы жилищно-коммунальных хозяйств городов.

Серийное производство двигателей Стирлинга позволит обеспечить загрузку оставшихся высокотехнологичных предприятий отечественного машиностроения, конверсию ряда оборонных предприятий страны, экспорт наукоемких технологий в области автономной энергетики. С учетом имеющегося более чем 40-летнего опыта серийного производства

Альтернативные силовые установки для транспортных средств

Использование водорода в качестве топлива возможно в транпортных средствах как с ДВС, так и с водородными топивными элементами. Однако традиционные поршневые ДВС приспособить к работе на водороде и сложно, и дорого (стоимость эксплуатации и обслуживания такой водородной силовой установки примерно в 100 раз выше, чем у обычного двигателя внутреннего сгорания).

Альтернативные вариантом являются топливные элементы (ТЭ), преобразующие химическую энергию топлива в тепло и постоянный электрический ток, питающий электродвигатель или системы бортового питания транспортного средства. ТЭ представляет собой непрерывно перезаряжаемую батарею из двух покрытых катализатором электродов, между которыми находится электролит. Через один электрод подается водород, через другой — чистый кислород или кислород из воздуха, к которым постоянно добавляются химическое топливо и окислитель. Соединение водорода с кислородом обычно происходит внутри пористой полимерной мембраны.
Водородные ТЭ намного более экологичны, эффективны (их КПД составляет 45%, современного автомобильного ДВС — 35%), надежны, способны работать при низких температурах, при этом менее габаритны. Они могут применяться в качестве силовых установок в гибридных автомобилях, а в электромобилях — в качестве суперконденсаторов.

Эффекты

Экологичность: при сгорании водорода в двигателе образуется практически только вода

Распределенное энергоснабжение: водород в виде неиспользованного электричества можно применять для питания домашней электросети

Возможное сокращение общего объема потребления нефти в секторе автомобильных перевозок на 40% к 2050 г.

Оценки рынка

70 тыс. в год

к 2027 г. составит выпуск новых водородных автомобилей в мире

Драйверы и барьеры

Удобство использования автомобильной техники на ТЭ (не требуют перезарядки, моментально поставляют электроэнергию, выработка энергии ТЭ не зависит от времени суток, погодных условий и др. )

В перспективе открытие более дешевых и эффективных катализаторов для получения водорода позволит значительно снизить стоимость производства водородных ТЭ

Высокие затраты на выработку водорода: от $4 до $12 за килограмм в разных странах (бензин-галлоновая эквивалентная стоимость составляет от $1,60 до $4,80)

Отсутствие автомобильной инфраструктуры

Сложность в эксплуатации: у язвимость к ударным нагрузкам и сотрясениям, взрывоопасность, при низких температурах ТЭ требуют внешнего подогрева из-за замерзающей воды

Отсутствие единых стандартов безопасности, хранения, транспортировки, распределения и применения водородных ТЭ

Международные
научные публикации

Международные
патентные заявки

Уровень развития
технологии в России

«Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных « на равных » сотрудничать с мировыми лидерами.

МЕТАНОЛЬНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Метанол — высококачественное моторное топливо для ДВС — хорошо зарекомендовал себя и как энергоноситель в ТЭ, используемых в портативной электронике, транспортных приложениях, а также в электромобилях. В ТЭ метанол расщепляется при взаимодействии с атмосферным кислородом (воздухом), в результате этой реакции возникает электрический ток и образуется вода в качестве побочного продукта.

В настоящее время разрабатываются технологии получения метанола из природного газа (минуя синтез-газ) посредством гидрирования из промышленных выбросов углекислого газа (в долгосрочной перспективе его научатся извлекать прямо из окружающего воздуха). Также ведутся разработки по производству биометанола из биомассы (лигноцеллюлозы), что послужит толчком к массовому распространению метанольных ТЭ.

Эффекты

Сокращение выбросов углекислого газа более чем на 70% при расщеплении биометанола в ТЭ

Электромобили нового типа могут проезжать до 800 км на одном заряде батареи с применением метанольных ТЭ

Оценки рынка

40 млн ед.

к 2020 г. составит объем рынка автотранспортных средств, работающих на метанольных ТЭ (благодаря чему на 104 млн т будут сокращены выбросы углекислого газа по сравнению с объемом выбросов от автомобилей на бензиновом ДВС)

Драйверы и барьеры

Экологичность: метанол менее биологически опасен, чем нефтепродукты

Возможность использования существующей транспортной инфраструктуры для заправки транспортного средства

Простота эксплуатации: в частности, метанол не улетучивается при транспортировке

Возможно создание технологии производства биометанола в промышленных масштабах, что увеличит его использование в ТЭ

Высокая себестоимость производства метанола с помощью существующих технологий

Используемые в качестве катализаторов в ТЭ драгоценные металлы (платиноиды) значительно повышают рыночную стоимость установок и вырабатываемой ими энергии

Международные
научные публикации

Международные
патентные заявки

Уровень развития
технологии в России

«Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных « на равных » сотрудничать с мировыми лидерами.

ДВИГАТЕЛИ НА ДИМЕТИЛОВОМ ЭФИРЕ

Серьезным конкурентом традиционным видам ископаемого и синтетического топлива и основной альтернативой дизелю может стать диметиловый эфир (ДМЭ). В сравнении с дизельным топливом эфир лучше горит и более экологичен (не содержит серы, в течение суток полностью разлагается в атмосфере на воду и углекислый газ). Это в целом более чистое топливо, некоррозионноактивное, нетоксичное, не вызывает мутаций, в том числе канцерогенного характера.

Сегодня ДМЭ производится из переработанного угля, природного газа, биомассы, бытовых и промышленных отходов. Также разрабатывается синтетическое биотопливо второго поколения (BioDME), которое может быть изготовлено из лигноцеллюлозной биомассы. Преобразовать дизельный двигатель в ДМЭ-двигатель можно без больших затрат, что будет стимулировать массовое распространение технологии.

Эффекты

Значительное сокращение уровня вредных выбросов с отработавшими газами: оксидов азота в 3-4 раза, углеводородных соединений — в 3 раза, угарного газа — в 5 раз, при практически бездымной работе двигателя во всех режимах

Повышение экономичности ДВС (до 5%) и его КПД по сравнению с работой на дизельном топливе

Оптимизация расходов на производство и транспортировку топлива (сократятся в 10 раз относительно показателей сжиженного природного газа)

Легкое преобразование ДМЭ в бензин, характеризующийся высокой стабильностью и повышенным экологическим качеством, минимальным содержанием нежелательных примесей (отсутствие серы, незначительное содержание бензола (0,1% при норме 1%), непредельных углеводородов (

Создание дополнительных рабочих мест в добывающей промышленности благодаря развитию производства диметилового эфира из ископаемого сырья (природный газ, уголь)

Оценки рынка

$9,7 млрд

к 2020 г. достигнет объем глобального рынка ДМЭ (среднегодовые темпы роста 16-19% в 2015-2020 гг.)

Драйверы и барьеры

Ужесточение экологических стандартов

Наличие соответствующей инфраструктуры: применение ДМЭ не требует серьезной конструкционной доработки дизельных двигателей и установки специальных фильтров. Использование ДМЭ на автомобилях с ДВС возможно даже при 30%-м его содержании в топливе без трансформации систем питания и зажигания двигателя.

Масштабная сырьевая база: сырьем для производства ДМЭ является природный газ, доказанные запасы которого в России по состоянию на 2015 г. остаются крупнейшими в мире.

Ряд нерешенных проблем с хранением ДМЭ

Сравнительно высокая рыночная цена ДМЭ относительно других видов топлива

При производстве ДМЭ затрачивается существенно больший объем сырьевого газа, чем для других топливных продуктов с эквивалентной теплотворной способностью

При меньшей в 1,5 раза полноте сгорания по сравнению с дизельным топливом увеличивается расход ДМЭ в 1,5–1,6 раза

ДМЭ является наркотическим галлюциногенным веществом

Международные
научные публикации

Международные
патентные заявки

Уровень развития
технологии в России

«Возможности альянсов» – наличие отдельных конкурентоспособных коллективов, осуществляющих исследования на выосоком уровне и способных « на равных » сотрудничать с мировыми лидерами.

Квантовые двигатели — новый прорыв, «изгибающий» второй закон термодинамики

Тепловые двигатели преобразуют тепло в другие виды энергии. Новый квантовый тепловой двигатель может генерировать больше энергии, чем классические аналоги.

Двигатели внутреннего сгорания работают благодаря известному второму закону термодинамики. Этот закон справедлив и для сверхмалых двигателей в квантовой сфере, но с небольшими отклонениями. Исследованиями установлено, что квантовая запутанность может помочь отдельным атомам управлять тепловыми машинами.

Информация, безусловно, важна для понимания термодинамики, а также совершенно необходима для понимания странных частей квантовой механики. Крошечные кусочки материи могут существовать в двух местах одновременно, это явление называется суперпозицией. Две или более частиц могут быть разбиты в так называемое запутанное состояние, запутанно связывая свойства частиц независимо от расстояния между ними.

Хотя второй закон остается в силе, способность использовать информацию из квантовых эффектов помогает делать то, что невозможно было делать классически.

Незыблемый второй закон термодинамики и его «изгиб»

Когда французский инженер Сади Карно рассчитал максимальную эффективность теплового двигателя в 1824 году, он понятия не имел, что такое тепло. В те дни физики считали, что тепло — это жидкость, называемая калорией. Но для Карно, которого позже рассматривали как пионера в установлении второго закона термодинамики, и не нужно было знать эти детали, потому что термодинамика нечувствительна к микроскопическим деталям. Тепло всегда распространяется от горячего к холодному независимо от того, состоит ли оно из жидкости или металла. Термодинамика, законы и уравнения, управляющие энергией и ее полезностью для работы, касается только общей картины.

Это успешный классический подход. Как того требует термодинамика, энергия всегда сохраняется (первый закон), и когда она распространяется от горячего к холодному, она может выполнять работу, ограниченную генерацией беспорядка или энтропии (второй закон). Эти законы определяют все, начиная от расстояния перемещения на литре топлива, которое двигатель автомобиля может реализовать до батареи аккумулятора смартфона. Они помогают физикам лучше понять черные дыры и понять, почему время движется вперед, а не назад.

Тем не менее, общий подход, учитывающий поле, а не колоски, заставил физиков задуматься, действует ли термодинамика на всех уровнях. Будет ли это работать, если двигатель состоит из трех молекул, а не из типичного триллиона триллионов? Возможно, термодинамический код не так уж жесток в области очень малых размеров, управляемых причудливыми правилами квантовой механики.

За последние несколько десятилетий физики постепенно исследовали поток тепла на квантовом уровне, и были заинтригованы обнаруженными нарушениями второго закона термодинамики. Пока что второй закон остается в силе, но новые точные экспериментальные методы позволяют физикам более полно исследовать квантовые основы термодинамики и получить интересные результаты. Проверяя пределы, установленные теоретиками, исследователи строят крошечные двигатели, некоторые из которых приводятся в действие одним атомом, и измеряют слабую мощность устройств. Эксперименты, проведенные на протяжении многих лет, показали, что если второй закон термодинамики действительно нарушается в небольших масштабах, то это нарушение не очень велико.

Даже если физики не могут нарушить термодинамические правила, последние данные предлагают способы «согнуть» их — особенно путем использования способа, которым квантовая запутанность сплетает вместе «судьбы» нескольких частиц. Например, методы, используемые при обработке квантовой информации, могут оказаться полезными для выжимания дополнительной энергии из миниатюрных двигателей. Эти достижения, например, могут помочь ученым создать наномашины, которые собирают тепло и используют его для доставки лекарств в организм, или помогают уменьшить потери энергии в крошечных компонентах традиционных компьютеров.

Квантовые двигатели

Будущее практического применения этой работы будет зависеть от понимания того, как основные термодинамические принципы действуют в сверхмалых масштабах.

В проведенных исследованиях квантовый двигатель превзошел свой традиционный эквивалент, без каких-либо особых настроек в его среде. Устройство использует странную физику очень маленьких объектов для производства большей мощности, чем стандартный или классический двигатель в тех же условиях.

«Ученые очень убедительно показали, что квантовая машина работает лучше, чем классическая», — говорит физик Марк Митчисон из Тринити-колледжа в Дублине. «Это очень важный шаг вперед».

Устройство представляет собой тип теплового двигателя. Традиционные тепловые двигатели превращают тепло в движение. Например, двигатель внутреннего сгорания автомобиля сжигает топливо для перемещения поршней по цилиндру, в результате чего автомобиль движется вперед. Другие тепловые двигатели имеют увеличенные мощности. Но прирост мощности этих машин полагается на изменения в окружающей среде вне основной машины — например, источник тепла машины, возможно, был наделен дополнительными полезными свойствами — поэтому большая мощность не была полностью характерной особенностью самой машины.

В новом исследовании квантовый двигатель работает не путем зажигания бензина, а с помощью лазера, чтобы заставить электрон внутри крошечного дефекта кристалла алмаза перепрыгнуть между уровнями энергии. И вместо того, чтобы двигать поршни, квантовая машина выводит свою мощность в электромагнитных волнах.

Вот где появляется квантовая часть: объекты, которые ведут себя в соответствии с квантовой механикой, иногда находятся в подвешенном состоянии, известном как суперпозиция, то есть они пойманы в двух местах одновременно или в двух разных конфигурациях. Электрон в квантовом двигателе может находиться в суперпозиции двух энергетических уровней. Как будто поршень двигателя автомобиля одновременно находился в верхнем и нижнем положениях.

При определенных условиях это свойство приводит к увеличению выходной мощности по сравнению с максимальной мощностью, возможной для традиционного теплового двигателя. «Это первый эксперимент, когда такой режим был достигнут», — говорит физик Роберто Серра из Федерального университета ABC в Санто-Андре, Бразилия.

Квантовое увеличение мощности проявляется только в том случае, если двигатель работает чрезвычайно осторожно, как автомобильный двигатель, в котором поршни двигаются незначительно во время каждого цикла. Это означает, что квантовая машина не заменяет всех возможных конкурентов, а только тех, которые также работают в этом спокойном состоянии, а пока большинство из них работают на других режимах.

Так что не ожидайте, что эти квантовые двигатели будут питать транспортные средства или устройства в ближайшее время. «Если вы пытаетесь построить автомобиль или реактивный двигатель . это абсолютно бесполезно», — говорит физик Ян Уолмсли из лондонского Имперского колледжа, соавтор исследования.

Вместо этого, исследования ученых раскрывают новые детали того, как квантовая механика взаимодействует с термодинамикой, теорией, которая управляет теплом, температурой и энергией. В этом случае новый двигатель открывает лазейку для нормальных ограничений по выработке электроэнергии. «Мы не изменили структуру термодинамики, но мы открыли новую ее часть», — говорит Уолмсли.

Вместо того, чтобы анализировать энтропию напрямую, команда Оппенгейма изучила, сколько энергии у системы есть для выполнения работы — количество, называемое свободной энергией. В нашем макроскопическом мире количество свободной энергии зависит только от температуры и энтропии системы. Но, приближаясь к меньшим и меньшим коллекциям частиц, исследователи обнаружили, что им нужно было учесть еще несколько разновидностей свободной энергии. Каждый из них уменьшается со временем. Другими словами, второй закон требует соблюдения еще большего количества правил на квантовом уровне.

Информационное преимущество преобразования тепла в работу

Многие физики пытаются использовать суперпозицию, квантовую запутанность и другие квантовые хитрости для выполнения информационных задач, которые невозможны по правилам классической физики. Исследователи предполагают сверхзащищенные сети связи и квантовые компьютеры, которые используют запутанные фотоны или ионы для легкого решения сложных проблем.

Но информация означает гораздо больше, чем просто обмен и обработка единиц и нулей. В результате физики, размышляющие над квантовыми вычислениями и коммуникацией, обратили свое внимание на термодинамику. Они начали решать вопрос, могут ли такие свойства, как запутанность, также дать преимущество в преобразовании тепла в работу.

Получение информации со скидкой может развить технологию, которая превосходит второй закон и превосходит лучшие двигатели в натуральную величину. «На что мы можем надеяться, так это на машины, которые работают быстрее, на холодильники, которые эффективнее охлаждаются, или на батареи, которые накапливают больше энергии или заряжаются быстрее», — говорит Хубер, теоретик квантовой информации в Женевском университете.

Двигатель размером с атом

В ближайшее время ученые смогут в лабораториях экспериментировать с двигателями, использующими квантовые эффекты. Немецкие исследователи уже сделали шаг к этой цели, построив тепловой двигатель, состоящий из одного атома. Йоханнес Роснагель, квантовый физик из Университета Майнца, и его коллеги построили конусообразную оболочку вокруг иона кальция. После использования лазера и электрического поля для нагрева иона примерно на один градус выше абсолютного нуля, исследователи измерили работу, выполняемую ионом, когда он оказывал небольшое усилие к вершине конуса.

Типичный двигатель (слева) использует тепловую энергию для привода турбины или выполнения какой-либо другой задачи. Уменьшите размер двигателя до минимального, и он может заставить один атом (справа, зеленая точка) вибрировать и выполнять небольшую работу.

Исследователи сообщили в статье, опубликованной на сайте arXiv.org, наноскопический двигатель работал в соответствии с законами термодинамики. Роснагель говорит, что с учетом крошечного веса иона мощность была сопоставима с мощностью автомобильного двигателя. «Довольно интересно видеть, что вы можете управлять тепловыми машинами с одним атомом», — говорит он.

Несмотря на измеримую выходную мощность одноионного двигателя, Роснагель предупреждает, что наноразмерные двигатели для практического использования находятся в лучшем случае на расстоянии десятилетий. Вместо этого полезность квантовой термодинамики, вероятно, будет происходить при развитии других технологий.

Квантовая термодинамика и управление теплом

Некоторые исследователи следят за индустрией компьютерных чипов стоимостью в несколько миллиардов долларов. В стремлении создавать все более быстрые компьютеры инженеры продолжают уменьшать транзисторы, чтобы все больше их количество упаковывать в микросхемы. Транзисторы шириной в несколько десятков нанометров имеют тенденцию к утечке электронов и нагреванию. Это тепло разрушает энергоэффективность компьютера и повреждает компоненты. Квантовая термодинамика может помочь физикам научиться трюкам, чтобы уменьшить количество потерянного тепла или, возможно, даже собрать его с помощью небольших устройств внутри компьютера.

Управление теплом еще более важно для физиков, стремящихся создать практические квантовые компьютеры. Такое устройство должно работать при экстремально низких температурах, чтобы использовать квантовые эффекты и потенциально превосходить традиционные компьютеры.

Некоторые представители физики утверждают, что подобные эксперименты могут в конечном итоге нарушить основополагающий второй закон термодинамики.