Mikrokogenerácia so Stirlingovým motorom typu alfa

Použitie Stirlingovho motora v mikrokogeneračných jednotkách nie je zatiaľ veľmi rozšírené, preto bolo takéto zariadenie na pôde Žilinskej univerzity v dlhodobej skúšobnej prevádzke. Článok sa zameriava na analýzu vplyvu prevádzkových parametrov na výkonové parametre mikrokogeneračnej jednotky a najmä na popularizáciu zariadenia takéhoto typu medzi širokou odbornou verejnosťou.

Kogenerácia je združená výroba elektrickej energie a tepla v jednom technologickom zariadení. V súčasnosti kogeneračné jednotky nachádzajú svoje uplatnenie aj v inštaláciách, kde sa požaduje nízky elektrický a tepelný výkon, napríklad v rodinných domoch alebo v menších objektoch. V týchto oblastiach sa uplatňuje mikrokogenerácia – kogenerácia s maximálnym elektrickým výkonom do 50 kW_e. Okrem tradičných motorov s vnútorným spaľovaním sa pri kogeneračných jednotkách využívajú aj nové technológie, ako napríklad palivový článok, Stirlingov motor, parný stroj, mikrospaľovacie turbíny a pod.

Tieto jednotky sú schopné dosahovať elektrický výkon od 0,6 kW_e a tepelný výkon od 1,0 kW_t (napríklad v prípade použitia palivových článkov). Filozofia ich použitia je vo výrobe tepla na pokrytie tepelných strát objektu a na prípravu teplej vody, ako bonus získava užívateľ elektrickú energiu. Vyrobená elektrická energia nie je primárne určená na predaj, ale spotrebováva sa priamo v mieste výroby, preto elektrický výkon mikrokogeneračnej jednotky musí čo najlepšie kopírovať spotrebu elektrickej energie objektu. Keďže sa v mikrokogeneračných jednotkách používajú nové technológie, vyžadujú si dlhodobé testovanie v reálnej prevádzke a najmä popularizáciu daných technológií medzi širokou odbornou verejnosťou.

Stirlingov motor

Patent Stirlingovho motora bol udelený škótskemu farárovi Robertovi Stirlingovi už v roku 1816 – v tom čase to bol vynález, ktorý predbiehal vtedajšie vedecké poznanie. V súčasnosti zažíva Stirlingov teplovzdušný motor znovuobjavenie a nachádza uplatnenie v kogenerácii založenej na kontinuálnom vonkajšom spaľovaní rôznych druhov palív alebo vo výrobe elektrickej energie založenej na solárnom ohreve.

Perspektívne použitie Stirlingovho motora v kogenerácii je najmä pre jeho výhody, medzi ktoré patrí vysoká účinnosť (dosahovaná aj pri zníženom výkone), možnosť použitia viacerých druhov palív (plynné, kvapalné a tuhé; môžu mať aj nižšiu kvalitu a zároveň možno rôzne druhy palív zameniť priamo počas chodu motora), nízke koncentrácie produkovaných plynných emisií vyplývajúce z kontinuálneho spaľovania, nízka hladina hluku a vibrácii (vyšší hluk a vibrácie sú len pri vypínaní motora).

Ideálny Stirlingov cyklus pozostáva zo štyroch termodynamických vratných dejov, z dvoch izochorických zmien (zmeny pri konštantnom objeme) a z dvoch izotermických zmien (zmeny pri konštantnej teplote). Priebeh ideálneho Stirlingovho cyklu v p-v a T-s diagrame je znázornený na obr. 1.

Obr. 1 Ideálny p-v a T-s diagram Stirlingovho motora

Ideálny obeh sa skladá z týchto dejov:

1→2 – izotermická kompresia – odovzdanie tepla Q₁₂ z pracovného plynu s cieľom udržania teploty na konštantne nízkej hodnote T_k,
2→3 – izochorická kompresia – prívod tepla Q₂₃ z regenerátora, pracovný plyn sa presúva bez zmeny objemu cez regenerátor,
3→4 – izotermická expanzia – rozpínanie pracovného plynu pri konštantnej teplote Th; na udržanie konštantnej teploty sa musí privádzať teplo z ohrievača Q₃₄,
4→1 – izochorická expanzia – odvod tepla Q₄₁ do regenerátora; pracovný plyn sa presúva bez zmeny objemu cez regenerátor.

Teoretická termická účinnosť ideálneho Stirlingovho cyklu má pri daných teplotách rovnakú hodnotu ako termická účinnosť Carnotovho cyklu. Závisí len od pracovných teplôt, maximálnej teploty T_h (závisí od zdroja tepla a vlastností konštrukčných materiálov) a minimálnej teploty T_k (závisí od účinnosti chladenia). Uzavretý cyklus vykonáva pracovné médium (najčastejšie vzduch, dusík alebo hélium), ktoré je pod stálym pretlakom, pričom veľkosť pretlaku vplýva na výkon motora. Pracovný priestor Stirlingovho motora pozostáva z dvoch pracovných častí (kompresný a expanzný) a z troch výmenníkov tepla (ohrievač, regenerátor a chladič). Podľa usporiadania pracovných priestorov rozoznávame vo všeobecnosti tri základné druhy Stirlingovho motora (špecifickou skupinou sú Stirlingove motory s voľným piestom):

Typ α

Má dva piesty v oddelených valcoch, ktoré sú spojené v sérii s ohrievačom, regenerátorom a chladičom. Jeho výhodou je jeho použitie ako viacvalcového motora, čo umožňuje dosahovať aj vysoký výkon. Hlavnou výhodou tohto usporiadania je oddelenie kompresného a expanzného pracovného priestoru, možnosť usporiadania konštrukcie motora do tvaru V, čím sa znižuje tepelné ovplyvňovanie jednotlivých častí, zjednodušuje ich ohrev a chladenie.

Typ β

Má výtlačný piest a pracovný piest v spoločnom valci. Výtlačný piest preháňa pracovný plyn medzi ohrievačom a chladičom. Motor typu β sa považuje za klasický Stirlingov motor.

Typ γ

Má podobnú konštrukciu ako typ β, rozdiel je len v tom, že typ γ má samostatné valce. Motor s týmto usporiadaním dosahuje nižší špecifický výkon ako predchádzajúce typy, a to z dôvodu väčšieho škodlivého priestoru, ktorý sa niekedy označuje aj ako mŕtvy priestor. Tento typ sa používa najmä v tom prípade, keď výhoda oddelených valcov prevláda nad nižším dosahovaným výkonom motora.

Mikrokogeneračná jednotka so Stirlingovým motorom typu α

Použitá mikrokogeneračná jednotka používa dvojvalcový Stirlingov motor s usporiadaním valcov do tvaru V. Ako pracovné médium používa hélium, ktoré je schopná kontinuálne podľa požiadaviek dopĺňať z externej tlakovej fľaše. Mikrokogeneračná jednotka je zobrazená na obr. 2a, rez jednotkou je na obr. 2b.

Obr. 2 Mikrokogeneračná jednotka so Stirlingovým motorom (Celanergy, AB) a) pohľad b) rez mikrokogeneračnou jednotkou 1 – expanzný piest, 2 – výmenník tepla na ohrev pracovného plynu, 3 – regenerátor, 4 – chladič pracovného plynu, 5 – kompresný piest, 6 – kľukový hriadeľ

Zdrojom tepla je plynový horák umiestnený v špeciálnej valcovej spaľovacej komore. Ako palivo sa môže použiť zemný plyn, LPG alebo upravený bioplyn. Pri spaľovaní plynu sa využíva technológia FLOX – technológia bezplamennej oxidácie (oxidácia pri vysokých teplotách s veľkou recirkuláciou). Dosahuje sa elektrický výkon od 2 do 9 kW_e (v závislosti od nastaveného tlaku pracovného média, maximálny pracovný tlak je 150 barov). Ako chladiace médium Stirlingovho motora je použitá zmes glykolu s vodou, teplo sa odovzdáva do vykurovacieho systému cez doskový výmenník. Základné technické parametre mikrokogeneračnej jednotky sú zhrnuté v tab. 1.

Mikrokogeneračná jednotka bola zapojená na výmenníkovú regulačnú stanicu (s možnosťou nastavenia rôznych odberov tepla a teplotných spádov) a elektrickú energiu odovzdávala do univerzitnej siete. Jednotka bola prevádzkovaná v režime sledovania potreby tepla, ale aj v režime sledovania potreby elektrickej energie.

Keďže mikrokogeneračná jednotka dosahuje na inštaláciu v rodinnom dome pomerne vysoký elektrický a tepelný výkon, jej zapojenie bolo navrhnuté pre modelovú administratívnu budovu, kde je predpoklad vyššej spotreby energií, a tým aj dlhšieho času využitia maxima jednotky. Potreby elektrickej a tepelnej energie daného objektu boli stanovené podľa odberových diagramov.

Prevádzka mikrokogeneračnej jednotky so Stirlingovým motorom typu alfa

Vo všeobecnosti možno celú prevádzku mikrokogeneračnej jednotky rozdeliť na tri fázy: spúšťanie, normálna prevádzka (pri rôznych tlakoch pracovného média a pri rôznych teplotných spádoch vykurovacieho média) a vypínanie.

Spúšťanie mikrokogeneračnej jednotky

Tvorí ho testovacia sekvencia jednotlivých prvkov systému, automatické nastavenie tlaku pracovného plynu podľa požiadavky obsluhy a následné zapálenie zemného plynu v horáku; v spaľovacej komore prebieha klasické spaľovanie. Po dosiahnutí minimálnej teploty v spaľovacej komore požadovanej pre stabilnú bezplamennú oxidáciu (okolo 420 °C) sa spúšťa systém horenia FLOX.

Stirlingov motor je roztočený trojfázovým elektromotorom napájaným z vonkajšej elektrickej siete, po dosiahnutí stabilných otáčok je elektromotor prepólovaný do režimu generátora. Generovanie elektrickej energie nastáva po 5 minútach od spustenia, ustálená výroba elektrickej energie po 14 minútach. Priebeh parametrov počas spúšťania mikrokogeneračnej jednotky pri pracovnom tlaku hélia 64 barov vidieť na obr. 3.

 Obr. 3 Studený štart mikrokogeneračnej jednotky

Prevádzka pri rôznych tlakoch pracovného plynu

Zmenou tlaku pracovného plynu možno priamo ovplyvňovať dosahovaný elektrický výkon Stirlingovho motora. Zvýšenie tlaku pracovného plynu spôsobuje pri konštantnom objeme pracovného priestoru motora nárast hmotnosti pracovného plynu, a tým aj zvýšenie vykonanej práce (zväčšenie plochy v p-v diagrame). Počas dlhodobej testovacej prevádzky sa využívali pracovné tlaky od minimálneho po 50 % maximálneho povoleného pracovného tlaku, teda od 40 do 75 barov.

Obr. 4 Vybrané výkonové parametre mikrokogeneračnej jednotky so Stirlingovým motorom

Vybrané hodnoty dosahovaných parametrov mikrokogeneračnej jednotky sú v tab. 2 a na obr. 4. Dosahovaná priemerná elektrická účinnosť bola 0,23 a celková účinnosť 0,91. Závislosť dosahovaných účinností a napr. teplárenského modulu od elektrického a tepelného výkonu nie je taká výrazná ako pri klasických mikrokogeneračných jednotkách s motormi s vnútorným spaľovaním.

Vypínanie mikrokogeneračnej jednotky

Uskutočňuje sa uzatvorením plynovej armatúry a následným ochladzovaním spaľovacej komory vháňaním studeného vzduchu pomocou ventilátora pre spaľovací vzduch. Produkcia elektrického výkonu postupne klesá, následne je elektrický generátor prepólovaný do polohy trojfázového elektromotora, čo brzdí Stirlingov motor a prejaví sa odoberaním elektrickej energie z vonkajšej siete (záporná hodnota produkovaného elektrického výkonu); tepelný výkon klesá pomaly. Pozvoľné spomaľovanie a brzdenie Stirlingovho motora sa prejavuje zvýšeným hlukom a vibráciami. Úplné zastavenie Stirlingovho motora nastáva približne do štyroch minút.

Obr. 5 Vypínanie mikrokogeneračnej jednotky so Stirlingovým motorom

Záver

Dlhodobá prevádzka mikrokogeneračnej jednotky so Stirlingovým motorom typu alfa ukázala možnosti jej nasadenia v technickej praxi na zabezpečenie potrieb tepla a elektrickej energie pri menších objektoch (administratívne budovy, bytové domy, menšie prevádzky a pod). Mikrokogeneračná jednotka je schopná prispôsobiť sa rôznym prevádzkovým podmienkam, počas dlhodobej testovacej prevádzky dosahovala elektrický výkon 2,13 až 4,52 kW_e (v závislosti od nastaveného tlaku pracovného média) a tepelný výkon 7,0 až 12,5 kW_t.

Jednotka dosahuje priemernú elektrickú účinnosť 0,23 a celkovú účinnosť 0,91. Dlhodobá prevádzka ukázala, že mikrokogeneračná jednotka so Stirlingovým motorom typu alfa dokáže konkurovať klasickým kogeneračným jednotkám, v niektorých parametroch ich dokonca prevyšuje – najmä z pohľadu nízkej hlučnosti pri prevádzke –, čo umožňuje jej nasadenie aj v miestach, kde je hluk obťažujúci.

Úloha sa realizovala v rámci riešenia projektu KEGA 046ŽU-4/2016 Nekonvenčné systémy využitia obnoviteľných zdrojov energie.

Ing. Marek Patsch, PhD., Ing. Peter Ďurčanský, PhD., Ing. Peter Pilát, PhD., prof. Ing. Jozef Jandačka, PhD.
Autori pôsobia na Katedre energetickej techniky Strojníckej fakulty Žilinskej univerzity.

Obrázky: autori

Literatúra

1. DVORSKÝ, E. – HEJTMÁNKOVÁ, P.: Kombinovaná výroba elektrické a tepelné energie, Technical literature BEN., Praha, 2005.
2. HOLOUBEK, D.: Kombinovaná výroba elektriny a tepla, trigenerácia a tepelná sieť, Technická univerzita v Košiciach, 2010.
3. LÁBAJ, J. – KAPJOR, A. – PAPUČÍK, Š.: Alternatívne palivá pre energetiku a dopravu, GEORG Žilina, 2010.
4. MÍKA, J.: Kogenerace pístovými motory s vnitřním a vnejším spalováním. Habilitačná práca,VŠB Ostrava, 2005.
5. PEHNT, M. – CAMES, M. – FISCHER, C. – PRAETORIUS, B. – SCHNEIDER, L. – SCHUMACHER, K. – VOß, J. P.: Micro Cogeneration, Towards Decentralized Energy Systems, Springer, Berlin, 2006.
6. Technická dokumentácia mikrokogeneračnej jednotky so Stirlingovým motorom, Cleanergy, AB.

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 4/2017.