Термоелектрична установка на основі двигуна Стірлінга
| dc.contributor.advisor | Головко, Володимир Михайлович | |
| dc.contributor.author | Бережнюк, Микола Миколайович | |
| dc.date.accessioned | 2026-05-11T07:14:19Z | |
| dc.date.available | 2026-05-11T07:14:19Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | 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. | |
| dc.description.abstractother | Berezhniuk M.M. Thermodynamic system based on the Stirling engine. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in the specialty 141 Electric power, electrical engineering and electromechanics in the field of knowledge 14 Electrical engineering. National Technical University of Ukraine “Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2025. The dissertation research is aimed at solving an urgent scientific problem – determining the nature of the influence of solar radiation energy factors on the stabilization of the output parameters of a Stirling engine-based thermoelectric plant through mathematical and physical modeling. The work provides a comparative analysis of the main types of solar radiation concentration plants, in particular parabolic reflectors, Fresnel linear reflectors, concentration towers, parabolic dish concentrators and Fresnel lens-based systems. The comparison takes into account key technical characteristics: the type of focusing and features of tracking systems, operating temperature ranges, concentration coefficient, the possibility of integrating a Stirling engine as an absorber of concentrated solar radiation, types of energy storage systems, as well as the principles of implementing the solar radiation concentration mechanism. The analysis proves that the most rational solution for household power supply is a system that uses a Stirling engine integrated with solar energy concentrators based on Fresnel lenses. The Stirling engine as a solar radiation absorber can be used in parabolic dish-type concentrators and concentrators using Fresnel point-focusing lenses, which ensures higher system efficiency due to the absence of heat loss through the heat transfer medium, The main disadvantage of all such systems is the need to use a sun tracking system to ensure high efficiency throughout the day. A method has been developed to determine the dependence of the concentration spot area and focus depth on the distance between the Fresnel lens and the absorbing surface, and the dependence of the concentration spot temperature on its area has been established. The results obtained give grounds to assert that the focus depth is one of the key parameters of the lens, which determines the required accuracy of its positioning relative to the Stirling engine heater. The correct position of the lens ensures the formation of the smallest possible concentration spot, within which the maximum focusing of the solar flux occurs. For a lens with geometric parameters r=150mm and f=200mm, it has been established that the permissible deviation from the nominal focal length is ±1.2mm. The study also showed that the temperature in the radiation concentration zone significantly depends on the change in the distance between the lens and the focal surface. In particular, in the example given, a lens shift of ±15mm from the focus position can cause a change in the maximum temperature of the concentration spot by more than 3000°C under insolation of 1000W/m². It has also been found that the intensity of solar radiation has a much stronger effect on temperature when the concentration spot area is small. Thus, when the insolation decreases from 1000 to 400W/m², the temperature difference for an area of 2.72mm² reaches about 850°C, while for an area of 400 mm², the temperature change is only about 240°C. This confirms the critical role of the geometric parameters of the concentration system in shaping the temperature regimes of the Stirling engine heater. It has been established that the minimum operating temperature at the engine receiver is a key parameter for selecting the lens radius, since it is the temperature that determines the minimum amount of energy required for the engine to operate. Even with high insolation levels (over 1000 W/m²), if the lens size is limited for certain reasons, additional solar reflectors must be used. This compensates for the insufficient lens size and ensures that the required amount of energy is obtained. Two options for switching on an additional energy source during a 40-second decrease in insolation are considered: when a critical temperature is reached and when the power drops below the minimum level. It was determined that 1155 J is required to compensate for the necessary energy in the first case and 1318 J in the second, and taking into account the efficiency of the electric heater, 1283 J and 1464 J, respectively. The difference between these values is 181 J (12%). This is due to the fact that the activation of an additional energy source when the power decreases occurs 5 seconds earlier than in the case of a critical temperature. Activating an additional energy source when a critical temperature is reached is a more economical option, but the risk of system shutdown in this case remains high. If engine shutdown is unacceptable, it is recommended to use the option of switching on the additional energy source when the minimum insolation level is reached, as it provides a higher temperature at the engine receiver, stabilises the system operation and increases the efficiency of energy generation. In addition, an approach has been formulated for assessing the feasibility of using an additional energy source to ensure stable operation of the Stirling engine. It has been established that the rationality of using an additional energy source is determined not only by the efficiency of the system and the current value of insolation, but also by the duration of its reduction. Therefore, taking into account the above, it becomes possible to reasonably determine the moments when the use of an additional energy source is most justified. This makes it possible to optimise the operation of the installation and ensure maximum total electricity generation even under conditions of unstable solar flux. The dissertation considers the classification of mathematical models of Stirling engines from zero to fourth order of analysis, which differ in the level of detail of physical processes and the complexity of calculations. The features of empirical models (zero order), the first-order isothermal approach (Schmidt analysis), the second-order adiabatic model with separate consideration of losses, third-order node analysis, and fourth-order multidimensional modelling are analysed. The feasibility of using the second-order method as a compromise between the accuracy of reproducing thermodynamic processes and the complexity of numerical implementation is justified, which is optimal for engineering calculations and optimisation studies of the Stirling engine within the scope of this work. A mathematical model has been developed in Simulink to study the output parameters of a DC generator (voltage, current and power) connected to a Stirling engine, as well as to analyse temperature changes in the hot part of the engine during initial heating, at the moment of start-up and under conditions of reduced solar insolation at intervals of 20, 40 and 60 seconds – both without and with the use of an additional energy source. This approach makes it possible to evaluate the effectiveness of technical solutions aimed at stabilising the operation of the Stirling engine under variable thermal load conditions. Since the operation of a Stirling engine is determined by the stability of the heat supply, the simulation results showed that even a short-term decrease in temperature on the hot part of the engine (approximately 20 seconds) leads to a disruption in the working cycle, which in turn can cause it to stop and reduce electricity generation during the thermal recovery phase. This behaviour demonstrates the high sensitivity of a system that uses concentrated solar energy to the dynamics of insolation and emphasises the importance of taking thermal fluctuations into account when evaluating the efficiency of the entire installation. An experimental stand and software have been created to verify the reliability of the simulation results and study the response of the Stirling engine to fluctuations in solar radiation levels, as well as to assess the feasibility of using an additional energy source from the point of view of ensuring the stability and energy efficiency of the system. The developed stand includes three functional subsystems: energy – covering the Stirling engine, DC generator and heating system; a measuring subsystem, which includes temperature, insolation, voltage and current sensors, together with an Arduino Uno microcontroller; and an information and analytical subsystem, represented by a server part on Node.js, which receives data from Arduino, performs its initial processing and transfers it to Google Sheets for further analysis. The use of the developed stand made it possible to experimentally confirm the operability of the system with a Stirling engine operating on the basis of concentrated solar radiation formed by a Fresnel lens. A comparison of the experimental data with the simulation results showed their general consistency, which confirms the correctness of the approaches chosen for constructing the mathematical model. The results of the work established the nature of the influence of solar radiation factors on the stability indicators of the output parameters of a thermoelectric installation based on a Stirling engine. The results obtained can be used to further optimise the system's operating modes, improve control algorithms and increase its energy efficiency under variable insolation conditions. In addition, the research provides a basis for scaling the proposed solution and adapting it to autonomous or hybrid energy systems. | |
| dc.format.extent | 167 с. | |
| dc.identifier.citation | Бережнюк, М. М. Термоелектрична установка на основі двигуна Стірлінга : дис. … д-ра філософії : 141 Електроенергетика / Бережнюк Микола Миколайович. - Київ, 2026. - 167 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/80746 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | відновлювані джерела енергії | |
| dc.subject | двигун Стірлінга | |
| dc.subject | лінза Френеля | |
| dc.subject | сонячна енергетика | |
| dc.subject | електрична енергія | |
| dc.subject | теплова енергія | |
| dc.subject | сонячне випромінювання | |
| dc.subject | концентратори сонячного випромінювання | |
| dc.subject | термоелектрична установка | |
| dc.subject | стабілізація електричних параметрів | |
| dc.subject | енергетичний баланс | |
| dc.subject | перетворення механічної енергії | |
| dc.subject | нестабільність генерування | |
| dc.subject | флуктуації інсоляції | |
| dc.subject | часткове затінення | |
| dc.subject | renewable energy sources | |
| dc.subject | Stirling engine | |
| dc.subject | Fresnel lens | |
| dc.subject | solar energy | |
| dc.subject | electrical energy | |
| dc.subject | thermal energy | |
| dc.subject | solar radiation | |
| dc.subject | solar radiation concentrators | |
| dc.subject | thermoelectric installation | |
| dc.subject | stabilisation of electrical parameters | |
| dc.subject | energy balance | |
| dc.subject | mechanical energy conversion | |
| dc.subject | generation instability | |
| dc.subject | insolation fluctuations | |
| dc.subject | partial shading | |
| dc.subject.udc | 621.472 | |
| dc.title | Термоелектрична установка на основі двигуна Стірлінга | |
| dc.title.alternative | Thermodynamic system based on the Stirling engine | |
| dc.type | Thesis Doctoral |