Η πρωτοποριακή θερμοακουστική γεννήτρια Stirling μετατρέπεται σε ενέργεια χωρίς κινούμενα μέρη από Κινέζους επιστήμονες.
Κινέζοι επιστήμονες έκαναν ένα βήμα μπροστά στον αγώνα για εναλλακτική ενέργεια με την ανάπτυξη της πιο ισχυρής θερμοακουστικής γεννήτριας Stirling μέχρι σήμερα.
Τροφοδοτούμενη από θερμότητα, η υψηλής απόδοσης γεννήτρια λειτουργεί πολύ αθόρυβα, η οποία είναι ιδανική για εφαρμογές όπου η σιωπή είναι κρίσιμη, όπως στα υποβρύχια και στην αεροδιαστημική βιομηχανία.
Σε μια πρόσφατη επίδειξη, το πρωτότυπο παρέδωσε μια πρωτοποριακή ισχύ 102 κιλοβάτ από μια πηγή θερμότητας 530 βαθμών Κελσίου (986 Φαρενάιτ). Ήταν η πρώτη φορά που αυτός ο τύπος γεννήτριας ξεπέρασε το όριο των 100 kW – ορόσημο για πρακτική εφαρμογή.
Ιστορικά, η μετατροπή θερμότητας σε ηλεκτρισμό κυριαρχείται από ατμοστρόβιλους – συσκευές γνωστές για το μέγεθος, τον θόρυβο και τις απαιτήσεις συντήρησης. Με την ανάγκη για πιο αξιόπιστη και πιο αθόρυβη λειτουργία, ειδικά στα υποβρύχια, η νέα γεννήτρια αντιπροσωπεύει μια σημαντική ανακάλυψη.
Το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας LEW-TOPS-80 της Nasa πρότεινε έναν θερμοακουστικό κινητήρα σε συνδυασμό με έναν εναλλάκτη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο διάστημα. Η NASA δεν έχει δείξει πρωτότυπο.
Ο θερμοακουστικός μετατροπέας ισχύος της NASA Glenn αναδιαμορφώνει τον συμβατικό κινητήρα Stirling από δακτυλιοειδές σχήμα σε ευθεία ευθύγραμμη διάταξη. Αντί να βασίζεται σε επιρρεπείς σε αστοχίες μηχανικούς σωλήνες αδράνειας και συμμόρφωσης, αυτός ο σχεδιασμός επιτυγχάνει ακουστικό συντονισμό χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Σε μια τυπική μηχανή Stirling, το ακουστικό κύμα ταξιδεύει γύρω από έναν δακτύλιο και ανακλάται προς τα πίσω, σχηματίζοντας ένα στάσιμο κύμα. Στη συσκευή του Glenn, αντίθετα, το κύμα ταξιδεύει σε ευθύ επίπεδο όπου ένας μετατροπέας λαμβάνει το ακουστικό κύμα και τα ηλεκτρικά στοιχεία διαμορφώνουν το σήμα. Ένας δεύτερος μορφοτροπέας στην διαμετρικά αντίθετη πλευρά επαναφέρει το ακουστικό κύμα με τη σωστή φάση για την επίτευξη ενίσχυσης και συντονισμού. Ο σχεδιασμός του Glenn επιτρέπει στους μορφοτροπείς να λειτουργούν σε υψηλή συχνότητα ενώ παρουσιάζουν αντίσταση μάζας και όχι ακαμψίας. Ο μαγνητοσυσταλτικός εναλλάκτης του Glenn χρησιμοποιεί στοιβαγμένα μαγνητοσυστολικά υλικά υπό μια πολωμένη μαγνητική συμπίεση και συμπίεση που προκαλείται από τάσεις. Η ακουστική ενέργεια από τον κινητήρα ταξιδεύει μέσω ενός στρώματος που ταιριάζει με την αντίσταση (το οποίο μπορεί να σχηματιστεί από υλικά αερογέλης) που είναι φυσικά συνδεδεμένο με τη μαγνητοσυστολική μάζα. Τα μπουλόνια συμπίεσης διατηρούν τη δομή υπό συμπιεστική καταπόνηση, επιτρέποντας τη συμπίεση σε κλίμακα μικρού του μαγνητοσυστολικού υλικού και εξαλείφοντας την ανάγκη για ρουλεμάν. Η εναλλασσόμενη συμπίεση και διαστολή του μαγνητοσυστολικού υλικού δημιουργεί ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο που στη συνέχεια προκαλεί ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα πηνίο που τυλίγεται γύρω από τη στοίβα. Αυτός ο εναλλάκτης παράγει ηλεκτρική ισχύ από το κύμα ακουστικής πίεσης και, όταν η συχνότητα συντονισμού είναι συντονισμένη ώστε να ταιριάζει με τον κινητήρα, μπορεί να αντικαταστήσει τον γραμμικό εναλλάκτη με εξαιρετικό αποτέλεσμα.
Οφέλη
Αποδοτικό: Προσφέρει πολύ υψηλή θερμική προς ηλεκτρική απόδοση σε σύγκριση με άλλους θερμικούς κινητήρες
Αξιόπιστο: Δεν διαθέτει κινούμενα μέρη ή συστήματα ρουλεμάν, περιορίζοντας τις ευκαιρίες αστοχίας
Χαμηλότερο κόστος: Μειώνει το κόστος κατασκευής χρησιμοποιώντας λιγότερα εξαρτήματα και επιτρέποντας μεγάλες ανοχές στην κατασκευή
Συμπαγής: Επιτρέπει σημαντικά μειωμένη μάζα και όγκο κινητήρα
Ευέλικτο: Παρέχει ευελιξία στο σχεδιασμό, έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί οποιαδήποτε πηγή θερμότητας για την παροχή ενέργειας
Εφαρμογές
Συστήματα κατανεμημένης παραγωγής και οικιακής ενέργειας
Συνδυασμένα συστήματα θερμότητας και ισχύος
Συγκεντρωμένη παραγωγή ηλιακής ενέργειας
Υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα
Συστήματα ψύξης
ΑΝΤΛΙΕΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ
Υποβρύχια και θαλάσσια συστήματα ισχύος
Βοηθητικές μονάδες ισχύος
Έκδοση της Κίνας
Η κινεζική γεννήτρια δημιουργήθηκε από το Τεχνικό Ινστιτούτο Φυσικής και Χημείας (TIPC) στην Κινεζική Ακαδημία Επιστημών (CAS) και έχει μήκος περίπου 2 μέτρα (6 ½ πόδια) με σχήμα που μοιάζει με αλτήρα.
Λειτουργεί με εντυπωσιακή απόδοση, σύμφωνα με τον καθηγητή Hu Jianying του TIPC.
«Η τρέχουσα απόδοση θερμοηλεκτρικής μετατροπής είναι περίπου 28 τοις εκατό. με ένα θερμότερο θερμικό ρευστό 600 μοιρών, η απόδοση θα μπορούσε να φτάσει το 34 τοις εκατό», είπε.
Αυτή η απόδοση μπορεί να συναγωνιστεί εκείνη των ατμοστροβίλων.
Ο καθηγητής Luo Ercang του TIPC τόνισε την αξιοπιστία, τον απλό σχεδιασμό, τα λίγα κινούμενα μέρη και τη συμβατότητα της γεννήτριας με διάφορες πηγές θερμότητας.
«Λειτουργεί αθόρυβα και αποτελεσματικά και μπορεί να χρησιμοποιεί διαφορετικούς τύπους θερμότητας, συμπεριλαμβανομένης της ηλιακής ενέργειας, της σπατάλης θερμότητας και της βιομάζας», δήλωσε ο Lou σε δήλωση του CAS.
Το καινοτόμο σύστημα περιλαμβάνει έναν θερμοακουστικό κινητήρα Stirling και έναν γραμμικό κινητήρα που περικλείεται σε ένα άκαμπτο κέλυφος. Ο κινητήρας μετατρέπει τη θερμότητα σε ηχητικά κύματα που αντηχούν για να σχηματίσουν ένα σταθερό ηχητικό πεδίο. Αυτά τα κύματα στη συνέχεια οδηγούν ένα έμβολο, το οποίο με τη σειρά του παράγει ηλεκτρική ενέργεια.
Θερμοακουστική Γεννήτρια Stirling
E3S Web of Conferences 313, 08005 (2021)
19° International Stirling Engine Conference – Εισαγωγή στους θερμοακουστικούς κινητήρες Stirling: Πρώτα βήματα και πρακτική
Η εργασία επικεντρώνεται στη θεωρητική μελέτη και σχεδίαση Θερμοακουστικών Μηχανών Κύκλου Στέρλινγκ. Ένας από τους κύριους στόχους αυτής της μελέτης είναι να περιγράψει την εφαρμογή μιας μεθοδολογίας ενεργειακής ανάλυσης και βελτιστοποίησης θερμοακουστικών συσκευών. Αυτή η νέα προσέγγιση αποφεύγει πολύπλοκες μαθηματικές θεραπείες, διευκολύνει την πρόσβαση σε αυτή τη συναρπαστική τεχνολογία για όλα τα ακροατήρια. Η μεθοδολογία που παρουσιάζεται βασίζεται στην κατανομή της ροής της ενεργητικής και άεργης ακουστικής ισχύος σύμφωνα με το παθητικό ακουστικό κύκλωμα. Επιπλέον, αυτή η μεθοδολογία επιτρέπει τη βελτιστοποίηση της συσκευής συγκρίνοντας διαφορετικά ακουστικά κυκλώματα. Αυτή η μέθοδος αξιολογείται σε θεωρητικό επίπεδο με τα μοντέλα και τις προσομοιώσεις που αναπτύχθηκαν, για κάθε μία από τις περιπτωσιολογικές μελέτες. Εξάλλου, αυτή η έκδοση δείχνει την πράξη από τα πρώτα βήματα, έτσι ο αναγνώστης καθοδηγείται στη σχεδίαση και κατασκευή ενός συμπαγούς κινητήρα θερμοακουστικής ανάκτησης ενέργειας Stirling, που λειτουργεί σε εργαστηριακές συνθήκες. Η προκύπτουσα επίδειξη είναι η ίδια ένα ακαδημαϊκό εργαλείο για τη μεταφορά γνώσης.
https://www.e3s-conferences.org/articles/e3sconf/pdf/2021/89/e3sconf_isec2021_08005.pdf
https://www.researchgate.net/figure/Simplified-diagram-of-different-passive-resonant-acoustic-network-configurations-a_fig2_355521587
https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/15435075.2021.2021414
Οι θερμοακουστικές μηχανές Stirling (TASEs) είναι τα ακουστικά ισοδύναμα των κινητήρων Stirling. Έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή από τους ερευνητές λόγω των μοναδικών χαρακτηριστικών τους, όπως το χαμηλό κόστος κατασκευής, η υψηλή απόδοση, τα χαρακτηριστικά χωρίς συντήρηση και ο χαρακτήρας αυτόματης εκκίνησης. Αυτό το άρθρο εξετάζει την κατάσταση της βιβλιογραφίας για τη διερεύνηση των εξαρτημάτων των θερμοακουστικών κινητήρων Stirling και τον προσδιορισμό της επίδρασης κάθε εξαρτήματος στη συνολική απόδοση αυτών των κινητήρων. Για την επίτευξη αυτού του στόχου, διερευνώνται τα σημαντικά εξαρτήματα όπως ο αναγεννητής, η αδράνεια, ο συντονιστής (stub), η συμμόρφωση και οι σωλήνες απομόνωσης. Αυτή η εργασία ανασκόπησης δείχνει ότι η εφαρμογή αλλαγών στις διαστάσεις ή τις θέσεις των εξαρτημάτων του κινητήρα επηρεάζει την απόδοση τέτοιων κινητήρων και επίσης αποκαλύπτει την ουσιαστικότητα ενός προσεκτικού σχεδιασμού. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι η αύξηση του αριθμού των αναγεννητών (τμήμα πυρήνα) στον κινητήρα έχει ως αποτέλεσμα τη βελτίωση της απόδοσης του κινητήρα. Επιπλέον, η κατάλληλη θέση συμμόρφωσης στον βρόχο σωλήνα είναι περίπου λ4 και 3λ4 μακριά από το τμήμα πυρήνα και αυτός ο παράγοντας είναι λ2 και για το τμήμα αδράνειας. Επίσης, προβλέπεται η επίδραση της αλλαγής άλλων μηχανικών εξαρτημάτων στην απόδοση του κινητήρα. Στη συνέχεια, αυτή η μελέτη εξετάζει την επίδραση των παραμέτρων υγρού των θερμοακουστικών μηχανών Stirling (δηλαδή θερμοκρασία, μέση πίεση, ισχύς εξόδου και πλάτος μεταβολών πίεσης) μεταξύ τους. Τέλος, αναθεωρήθηκαν όλοι οι θερμοακουστικοί κινητήρες Stirling που έχουν αναπτυχθεί μέχρι τώρα. Αυτή η εργασία ανασκόπησης επιβεβαιώνει το αυξανόμενο ενδιαφέρον των ερευνητών να εργαστούν και να ερευνήσουν σε αυτόν τον τομέα τα τελευταία χρόνια λόγω των επισημασμένων πλεονεκτημάτων.
Σχόλιο Γεωργίου Δικαίου: Ο κινητήρας της φωτογραφίας είναι παρόμοιος με κινητήρες που χρησιμοποιούνται στο διάστημα, αλλά υπάρχουν έμβολα...., το Stirling είναι η πρώτη θέση, ωστόσο, πρέπει να ανακοινωθεί ολόκληρη η λίστα.
Τα Stirling απαιτούν:
2 προμήθειες υγρού οξυγόνου,
3 ηλεκτρικές αντλίες για να παροχή υγρού οξυγόνου και καυσίμου στο σημείο όπου καίγεται
4 χημικοί απορροφητές αέριων προϊόντων καύσης - CO2 ή ηλεκτρικός συμπιεστής για συμπίεση του αερίου και κυλίνδρους για την αποθήκευσή του. Θα απαιτηθούν ηλεκτροκίνητες αντλίες·
Αυτό είναι το ελάχιστο από αυτά που πρέπει επιπλέον να εγκατασταθούν στο σκάφος εκτός από ντίζελ, παροχή καυσίμου ντίζελ και κλασικές μπαταρίες, αν και μπορεί να είναι λιγότερες επειδή έχουμε εδώ ένα VNEU. πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι όλα τα παραπάνω (ή σχεδόν όλα) πρέπει να εγκατασταθούν μέσα σε ένα ανθεκτικό περίβλημα, και αυτό παρά το γεγονός ότι δεν υπάρχουν περιττά εξαρτήματα μέσα στους όγκους του ανθεκτικού περιβλήματος και θα πρέπει να αναζητήσετε έναν συμβιβασμό και να δώσετε επάνω κάτι διαφορετικό για να λειτουργήσει.