Термоелектрична установка на основі двигуна Стірлінга
Вантажиться...
Дата
2026
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Бережнюк М.М. Термоелектрична установка на основі двигуна Стірлінга. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка, галузь знань 14 Електрична інженерія. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертаційне дослідження спрямоване на вирішення актуальної наукової задачі – визначення характеру впливу чинників надходження енергії сонячного випромінювання на показники стабілізації вихідних параметрів термоелектричної установки на базі двигуна Стірлінга шляхом математичного та фізичного моделювання. У роботі здійснено порівняльний аналіз основних типів концентраційних установок сонячного випромінювання, зокрема параболічних рефлекторів, лінійних рефлекторів Френеля, концентраційних веж, параболічних тарілчастих концентраторів та систем на основі лінз Френеля. Під час порівняння враховано ключові технічні характеристики: тип фокусування та особливості трекінгових систем, робочі температурні режими, концентраційний коефіцієнт, можливість інтеграції двигуна Стірлінга як поглинача концентрованого сонячного випромінювання, типи систем акумулювання енергії, а також принципи реалізації механізму концентрації сонячного випромінювання. Аналіз доводить, що найбільш раціональним рішенням для електропостачання домогосподарств є система, що застосовує двигун Стірлінга, який інтегрований із концентраторами сонячної енергії на основі лінз Френеля. Двигун Стірлінга як поглинач сонячного випромінювання може застосовуватися в параболічних концентраторах тарілчастого типу та концентраторах із використанням лінз Френеля точкового фокусування, що забезпечує вищу ефективність системи завдяки відсутності втрат теплоти через теплоносій, а основним недоліком усіх таких систем є необхідність використання системи відстеження руху Сонця (трекінгу) для забезпечення високої ефективності протягом дня. Розроблено методику визначення залежності площі концентраційної плями та глибини фокусу від відстані між лінзою Френеля та поглинальною поверхнею, а також встановлено залежність температури концентраційної плями від її площі. Отримані результати дають підстави стверджувати, що глибина фокусу є одним із ключових параметрів лінзи, який визначає необхідну точність її позиціонування відносно нагрівача двигуна Стірлінга. Коректне розташування лінзи забезпечує формування мінімально можливої концентраційної плями, у межах якої відбувається максимальне фокусування сонячного випромінювання. Для лінзи з геометричними параметрами r=150мм та f=200мм встановлено, що допустиме відхилення від номінальної фокусної відстані становить ±1,2мм. Дослідження також показало, що температура у зоні концентрації випромінювання істотно залежить від зміни відстані між лінзою та фокусною поверхнею. Зокрема, у наведеному прикладі зсув лінзи на ±15мм від положення фокусу може спричинити зміну максимальної температури концентраційної плями на величину більше 3000°C за умови інсоляції 1000Вт/м². Також виявлено, що інтенсивність сонячного випромінювання впливає на температуру значно сильніше у випадках, коли площа концентраційної плями є малою. Так, при зниженні інсоляції з 1000 до 400Вт/м² температурний перепад для площі 2,72мм² сягає близько 850°C, тоді як для площі 400мм² зміна температури становить лише приблизно 240°C. Це підтверджує критичну роль геометричних параметрів концентраційної системи у формуванні температурних режимів нагрівача двигуна Стірлінга. Встановлено, що мінімальна робоча температура на приймачі двигуна є ключовим параметром для вибору радіуса лінзи, оскільки саме температура визначає мінімальну кількість енергії, необхідну для роботи двигуна. Навіть при високому рівню інсоляції (більше 1000 Вт/м²), якщо розмір лінзи обмежений через певні причини, необхідно використовувати додаткові відбивачі сонячного випромінювання. Це дозволяє компенсувати недостатній розмір лінзи та забезпечити отримання необхідної кількості енергії. Розглянуто два варіанти увімкнення додаткового джерела енергії під час зниження інсоляції протягом 40 с: при досягненні критичної температури та при зниженні потужності нижче мінімального рівня. Визначено, що для компенсації необхідної енергії потрібно 1155 Дж у першому випадку та 1318 Дж у другому, а з урахуванням коефіцієнта корисної дії електронагрівача – відповідно 1283 Дж і 1464 Дж. Різниця між цими значеннями становить 181 Дж (12%). Це пов’язано з тим, що вмикання додаткового джерела енергії при зниженні потужності відбувається на 5 с раніше, ніж у випадку з критичною температурою. Увімкнення додаткового джерела енергії при досягненні критичної температури є економічнішим варіантом, проте ризик зупинки системи в цьому випадку залишається високим. Якщо зупинка двигуна є неприпустимою, рекомендується використовувати варіант із увімкненням додаткового джерела енергії при досягненні мінімально рівня інсоляції, оскільки він забезпечує вищу температуру на приймачі двигуна, стабілізує роботу системи та підвищує ефективність генерації енергії. Крім того, сформульовано підхід до оцінювання доцільності використання додаткового джерела енергії з метою забезпечення стабільної роботи двигуна Стірлінга. Встановлено, що раціональність застосування додаткового джерела енергії визначається не лише рівнем ККД системи та поточною величиною інсоляції, а й тривалістю її зниження. Отже, враховуючи вищесказане, з’являється можливість обґрунтовано визначати моменти, коли використання додаткового джерела енергії є найбільш виправданим. Це дає змогу оптимізувати роботу установки та забезпечити максимальний сумарний виробіток електроенергії навіть за умов нестабільного сонячного випромінювання. У дисертаційній роботі розглянуто класифікацію математичних моделей двигуна Стірлінга від нульового до четвертого порядку аналізу, що відрізняються рівнем деталізації фізичних процесів та складністю розрахунків. Проаналізовано особливості емпіричних моделей (нульовий порядок), ізотермічного підходу першого порядку (аналіз Шмідта), адіабатичної моделі другого порядку з відокремленим урахуванням втрат, вузлового аналізу третього порядку та багатовимірного моделювання четвертого порядку. Обґрунтовано доцільність застосування методу другого порядку як компромісного підходу між точністю відтворення термодинамічних процесів і складністю чисельної реалізації, що є оптимальним для проведення інженерних розрахунків і оптимізаційних досліджень двигуна Стірлінга в межах даної роботи. У середовищі Simulink розроблено математичну модель для дослідження вихідних параметрів генератора постійного струму (напруги, струму та потужності), під’єднаного до двигуна Стірлінга, а також для аналізу зміни температури на гарячій частині двигуна під час початкового нагріву, у момент запуску та за умов зниження сонячної інсоляції на інтервалах 20, 40 і 60 секунд – як без використання додаткового джерела енергії, так і з його застосуванням. Зазначений підхід дає змогу оцінити ефективність технічних рішень, спрямованих на стабілізацію роботи двигуна Стірлінга за змінних умов теплового навантаження. Оскільки робота двигуна Стірлінга визначається стабільністю теплового підведення, отримані результати моделювання виявили, що навіть нетривале зменшення температури на гарячій частині двигуна (приблизно 20с) призводить до порушення узгодженості робочого циклу, що, у свою чергу, може спричинити його зупинку та зменшення виробітку електроенергії протягом фази відновлення теплового режиму. Така поведінка демонструє високу чутливість системи, яка використовує концентровану сонячну енергію, до динаміки інсоляції та підкреслює важливість врахування теплових коливань під час оцінювання ефективності всієї установки. Створено експериментальний стенд та програмне забезпечення для перевірки достовірності результатів моделювання й дослідження реакції двигуна Стірлінга на коливання рівня сонячного випромінювання, а також для оцінювання доцільності застосування додаткового джерела енергії з позиції забезпечення стабільності та енергоефективності роботи системи. Розроблений стенд включає три функціональні підсистеми: енергетичну – охоплює двигун Стірлінга, генератор постійного струму та систему нагрівання; вимірювальну – до складу входять датчики температури, інсоляції, напруги та струму разом із мікроконтролером Arduino Uno; та інформаційно-аналітичну – представлену серверною частиною на Node.js, що приймає дані від Arduino, здійснює їх первинну обробку та передавання у Google Sheets для подальшого аналізу. Використання розробленого стенду дало змогу експериментально підтвердити працездатність системи з двигуном Стірлінга, що працює на основі концентрованого сонячного випромінювання, сформованого лінзою Френеля. Порівняння експериментальних даних із результатами моделювання показало їх загальну узгодженість, що свідчить про коректність обраних підходів до побудови математичної моделі. Завдяки результатам роботи встановлено характер впливу чинників надходження сонячного випромінювання на показники стабільності вихідних параметрів термоелектричної установки на базі двигуна Стірлінга. Отримані результати можуть бути використані для подальшої оптимізації режимів роботи системи, удосконалення алгоритмів керування та підвищення її енергоефективності в умовах змінної інсоляції. Крім того, проведені дослідження створюють підґрунтя для масштабування запропонованого рішення та його адаптації до автономних або гібридних енергетичних систем.
Опис
Ключові слова
відновлювані джерела енергії, двигун Стірлінга, лінза Френеля, сонячна енергетика, електрична енергія, теплова енергія, сонячне випромінювання, концентратори сонячного випромінювання, термоелектрична установка, стабілізація електричних параметрів, енергетичний баланс, перетворення механічної енергії, нестабільність генерування, флуктуації інсоляції, часткове затінення, renewable energy sources, Stirling engine, Fresnel lens, solar energy, electrical energy, thermal energy, solar radiation, solar radiation concentrators, thermoelectric installation, stabilisation of electrical parameters, energy balance, mechanical energy conversion, generation instability, insolation fluctuations, partial shading
Бібліографічний опис
Бережнюк, М. М. Термоелектрична установка на основі двигуна Стірлінга : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика / Бережнюк Микола Миколайович. - Київ, 2026. - 167 с.