В последнее время в сети начали появляться интересные предложения – газовые котлы, одновременно вырабатывающие электроэнергию. Котел, в принципе, обычный, но вот сердцем электрогенератора является двигатель Стирлинга. Существуют и другие разработки –электрогенераторы на базе этого двигателя и просто двигатели. Насколько серьезны такие предложения и имеет ли смысл использовать их для автономного электроснабжения? Попробуем разобраться в этом вопросе.
Немного истории
Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. В принципе, первые двигатели подобного рода были известны еще в XVII веке, сам Стирлинг лишь добавил к «двигателю горячего воздуха» регенератор, который сам изобретатель, по совместительству священник (или наоборот), назвал «эконом».
Интересно! В 1943 году Брат Роберта Джеймс установил такой двигатель на заводе, где он работал. В 1938 году компания «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и КПД более 30%. Правда, о том, чем закончился этот проект, история скромно умалчивает.
Принцип работы
Двигатель Стирлинга является машиной внешнего сгорания. Принцип работы – постоянно чередуемое нагревание и охлаждение рабочего тела, в роли которого выступает газ (обычно воздух, но применяются и другие газы и даже жидкости). В процессе работы рабочее тело не расходуется, двигатель ничего не выбрасывает и не получает кроме тепла. Цикл работы машины разделяется на 4 фазы:
- Источник тепла нагревает рабочее тело в нижней части цилиндра. Вытеснительный поршень (а) имеет меньший диаметр, чем цилиндр, а потому нагретый газ, расширяясь, проходит в зазоры и начинает толкать рабочий поршень вверх. Тот в свою очередь начинает вращать маховик (с).
- Маховик проворачивается и заставляет вытеснительный поршень двигаться вниз. При этом нагретый воздух перегоняется из зоны подогрева (d) в зону охлаждения (е).
- Воздух охлаждается и уменьшается в объеме, заставляя двигаться рабочий поршень вниз.
- Вытеснительный поршень поднимается, перегоняя охлажденный воздух в зону подогрева.
В принципе, все просто как для понимания, так и конструктивно. Такой двигатель должен быть дешевым, надежным, долговечным и, самое главное, экологически чистым. Причем работать он может на практически на любой разнице температур. Как вариант, предлагается использовать разницу температур слоев воды в океане или улица-дом.
О чем говорят
Вернемся к Интернету. Одновременно с предложениями в сети появляется море статей, прославляющих этот чудо-двигатель, причем у некоторых авторов КПД таких машин может достигать 90%! У других блогеров машина размером с трехлитровую банку вырабатывает до 5 кВт электроэнергии. Третьи заявляют, что двигатель может работать на любом виде топлива – от газа и угля до старых бабушкиных калош. Только бери лопату и шуруй. Доморощенные Кулибины даже предлагают носить такие генераторы в поход. Сунул в рюкзак и пошел бодренько так.
Почему же этот почти идеальный двигатель до сих пор не применяется? Сунул под капот и поехал, поставил во двор и получай электроэнергию, а заодно и отопление. В комментариях, которых под статьями вагон и маленькая тележка, все сходятся на теории заговора. Энергокомпаниям, начиная от газовых и нефтяных, кончая электрическими, эта чудо-машина – нож по горлу. Этот же нож под ребро производителям всевозможных ДВС, парогенераторов, ТЭЦ, ГЭС, АЭС, в конце концов. Вот и пылится бедная машина под сукном.
Реальность
Что же, посмотрим, что это за волшебный двигатель и почему мы об него до сих пор не спотыкаемся на каждом шагу. Ведь 200 лет прошло с момента изобретения.
КПД
Как отмечалось выше, очень многие считают, что двигатель Стирлинга имеет фантастический КПД. Это не совсем так. Точнее, совсем не так. Если разогревать камеру, к примеру, обычной газовой конфоркой, а рабочее тело будет иметь умеренное (скажем, несколько атмосфер) давление, то КПД машины будет чуть выше, чем у паровоза.
Чтобы хоть немного приблизить этот параметр к КПД двигателя внутреннего сгорания, температуру подогрева придется поднять, а давление в камере увеличить хотя бы до сотни атмосфер. Да и воздух придется заменить на что-то более «годное» - к примеру, водород или гелий. Казалось бы, в чем проблема? Проблема в том, что камера и поршни при таком давлении будут подвергаться огромным нагрузкам. Из чугуна такой двигатель не отольешь. Потребуются высокотехнологичные материалы, но и они долго не проработают.
Что касается работы при малых перепадах температур, то о более-менее приемлемом КПД и речи не будет. Возможно, привод Стирлинга будет работать на разнице температур слоев воды (возможно, но не факт). Ну и что, что КПД низкий? Даровая же энергия! Но строить установку размером с плавучую буровую вышку и прокладывать многокилометровый кабель для того, чтобы обеспечить электроэнергией деревеньку в три хатки как-то обидно. А ведь ее еще надо обслуживать! Вот вам и «даровая».
Топливо
Да, двигатель Стирлинга теоретически может работать на любом топливе – главное, чтобы грело. Это так. Но греть надо тоже с умом. Не получится просто взять лопату и шуровать в топку уголь или подкидывать полешки. За температурой подогрева нужно следить и очень тщательно. Упала температура – упал КПД. Поднялась – двигатель вышел из режима и грозит просто развалиться. Значит, нужна какая-то автоматика. Использовать энергию Солнца? Зашло за тучки – КПД упал. Закатилось – привод встал. А автоматика, которая будет следить за Солнцем, и поворачивать вслед на ним рефлекторы? И тут халявы не получается.
Экология
Сам по себе мотор Стирлинга экологичен – он ничего не выбрасывает, ничем ничего не засоряет и не загрязняет. То же самое можно сказать и про ТЭЦ! Сама по себе она ничего не выбрасывает. Выбрасывает горелка, греющая турбины. Но и в машине Стирлинга есть горелка! Тем не менее, о Стирлинге говорят, что машина 100% экологична, а про ТЭЦ молчат. И то, и другое, увы, далеко от экологии.
Важно! Добиться полной экологичности можно, если использовать экологически чистый источник тепла – какой-нибудь гейзер, солнечную энергию и пр.
Габариты
То, что двигатель Стирлинга может иметь размеры трехлитровой банки – полнейший бред. Нет, можно построить и такой, но энергии, полученной от такой установки, не хватит даже для зарядки мобильника. Чтобы получить хоть какой-нибудь результат, придется оснастить установку огромными, массивными и металлоемкими теплообменниками. Весить та же двухкиловаттная машина будет с полтонны, а ее размерам позавидует стиральная машина-автомат.
Стоимость
Чтобы изготовить сколь-нибудь полезный двигатель, придется использовать очень дорогие высокотехнологичные материалы, плюс точная механика, плюс высокотемпературная горелка, управляемая процессором. В результате стоить такой генератор будет как небольшой космический корабль.
К примеру, Viessmann Vitotwin 300-W, фото которого приведено ниже, вырабатывает 6 кВт тепла для отопления и 1 кВт электроэнергии. Имеет габариты 900 х 480 х 480 мм, весит 100 кг. А обойдется такое чудо всего в 10 000 евро. Что касается КПД, то для двигателя Стирлинга, установленного в котле, он составляет 15%.
Важно! Для промышленной установки добавим к стоимости рабочее тело под высоким давлением, которое надо поддерживать (утечки при 100 атмосферах неизбежны), постоянное обслуживание, регулярную замену изношенных узлов, непрерывную транспортировку топлива (тоже не бесплатного).
Да будет свет?
С двигателем Стирлинга мы разобрались. Осталось решить, стоит ли его использовать для автономного электроснабжения. Если приобрести Viessmann Vitotwin 300-W, то это не электрогенератор, а слезы. 1 кВт – холодильник, компьютер да лампочки. О каком электроснабжении может идти речь? А постирать (ТЭН 2кВт)? А что делать летом, продолжать топить ради 1 кВт электроэнергии? Если покупать его как котел для отопления, а электрогенератор считать бонусом, то хорош получается бонус - 10 000 евро.
Полезно! Конечно, вышеприведенная модель не единственная, можно найти дешевле. Вот, к примеру, чисто электрогенератор Стирлинга. Работает от газа. Электрическая мощность 2 кВт, вес 470 кг, стоимость 4125 евро.
Когда окупится такое приобретение? Не нужно быть великим математиком, чтобы понять – никогда. Единственно, он может пригодиться, если нет альтернативы. Но не найти более дешевую альтернативу, вырабатывающую пару киловатт – это надо уметь.
К примеру, трехкиловаттную солнечную электростанцию, фото которой приведено ниже, можно купить за 2 000 евро. Делим 10 000 на 2 000, получаем 5. Пять солнечных электростанций – это 15 кВт. Совсем другое дело и никаких расходов на топливо. Это, конечно, пример. Вариантов много больше - бензиновый, ветрогенератор, гидрогенератор и пр.
Так что напрашивается очевидный вывод – использовать электрогенератор на базе Двигателя Стирлинга – полная глупость и пустая трата огромных денег.