Двигун Стірлінга на сонячній енергії

26.06.2014

Продовжуючи тему сонячної енергії я розповім про мої експерименти з двигуном Стірлінга. А одна з наступних статей буде присвячена експериментам з сонячними батареями. Також я обґрунтую свою думку: чому саме сонячні батареї мають більші перспективи, незважаючи на їх високу вартість.

Але повернемось до двигуна Стірлінга. Двигун Стірлінга винайшов Роберт Стірлінг (Rev Dr Robert Stirling) :) Двигун Стірлінга, який робить за циклом Стірлінга не зміг конкурувати з двигуном внутрішнього згоряння, який робить за циклом Карно. Теоретично ККД обох циклів приблизно однаковий, але на практиці Двигун Стірлінга реалізувати з високим ККД значно складніше, ніж двигун внутрішнього згоряння. Це і стало вирішальним моментом у "боротьбі" двох систем. Незважаючи на це, двигуни Стірлінга залишаються досить цікавими і зараз. Особливо, коли мова йде про перетворення дармової теплової, наприклад - сонячної, енергії в механічну.

Я не експерт у питанні будівництва двигунів Стірлінга. Взагалі я цим зайнявся виключно під впливом робіт Ігора Белецького м. Харків http://physicstoys.narod.ru/ Якщо Ви бажаєте будувати двигуни Стірлінга - Вам до нього. Я виготовив лише одну модель, з однією метою - перевірити ефективність двигуна Стірлінга для утилізації сонячної енергії. І, по можливості, порівняти з ефективністю та зручністю сонячних батарей. При цьому визначити технічні аспекти, які можуть виникнути при реальній реалізації реального проекту. Моя модель повинна була працювати від сонячного концентратора. Але, двигун працював навіть від тепла звичайної лампочки  потужністю 60 Вт.

Конструкція двигуна

Двигун зробленій з низької скляної чаші (1). Я використовував чашку Петрі. В ній розташовано диска з пінополістиролу, який виконує роль витіснювача (2). Можна використовувати будь-який інший легкий матеріал. На нижній поверхні наклеєна фольга, пофарбована у чорний колір. Ця поверхня буде нагріватися світлом. Як я казав раніше, планувалося, що двигун буде працювати від сонячного концентратора, тому розташування цієї поверхні знизу - цілком логічне. У верхній частині витіснювача розміщений магніт (5). Я використовував невеличкі неодимові магніти діаметром 3 мм. Вага витіснювача повинна бути мінімально, щоб під дією іншого магніту на відстані 5-10мм витіснювач міг притягнутися до нього. Скляна чаша накрита металевою кришкою-холодильником (6) яка у центрі має отвір. Я використав диск зі старого HDD. До цього отвору закріплена горловина (7) на якій закріплюється резинова мембрана (шматок медичної рукавички). На цій мембрані закріплений інший магніт (4).

Як це диво працює

У положенні (А) світло потрапляє знизу на чорну поверхню витіснювача (2). Повітря нагрівається і розширюється, що призводить до підняття мембрани (3) до положення (B).

Коли мембрана підіймається на відстань при якій магніти вже не можуть утримувати витіснювач, той падає на дно скляної чаші (1) і витісняє гаряче повітря до холодильника (6). Положення (С).

Повітря починає охолоджуватися і стискатися. Що призводить до опускання мембрани. Коли мембрана опуститься досить низько, сила тяжіння магнітів збільшується і витіснювач підіймається вверх, витісняючи холодне повітря до зони нагрівання (положення (A)). Цикл повторюється.

Помпа з двигуном Стірлінга

У конструкції помпи мембрана (3) виконує роль поршня двигуна і помпи одночасно. У якості клапанів були використані пластикові кулькові клапани від побутових розпилювачів.

Це відео знято рік тому. Пропоную подивитися що з цього вийшло.

Під час експериментів виникла технічна особливість, яка впливала на ефективність роботи двигуна. Об`єм двигуна герметичний. Цей об’єм у стані спокою змінюється в залежності від атмосферного тиску і температури навколишнього середовища. Тобто, якщо налаштувати двигун при певному атмосферному тиску - він працює ідеально, але уже завтра атмосферний тиск може змінитися, отже об’єм у стані спокою теж зміниться. Це призводить до зміщення середнього положення поршня, що впливає на ефективність роботи двигуна.

На відео видно, як двигун Стірлінга, працюючи від світла звичайної еклектичної лампи потужністю 60 Вт, перекачує повітря, тобто працює як помпа. Планувалося, що він буде перекачувати воду, але якість кулькових клапанів була досить низькою і вони застрягали після декількох рухів. Отже, система працездатна, хоча і потребує доопрацювань і досить акуратного виготовлення усіх деталей.

Експерименти припинилися через технічні складнощі. А саме:

• для сонячного концентратора обов’язково потрібна система орієнтації на сонце;
• всі деталі двигуна повинні виготовлятися з жаростійкого матеріалу через наявність високих температур;
• система орієнтації на сонце з її рухомими частинами, сонячний концентратор і двигун Стірлінга надто громіздкі і не працюють за відсутністю прямих сонячних променів.

Всі ці недоліки (окрім фінансових) вирішили сонячні батареї. Про які я розповім у наступній статті.

Успіхів!

Дивись також:

• Солнечный тепловой концентратор. Солнечная энергетика. Часть 1
• Сонячний тепловий концентратор. Сонячна енергетика. Частина 2
• Гнучка сонячна батарея
• Solar tracker - Система орієнтування на Сонце