Любой источник тепловой энергии может быть использован для получения электричества. При этом определяющим моментом является только его тепловая мощность и стабильность работы. Иными словами, в быту можно получить электричество самостоятельно. Для этого достаточно иметь постоянно нагретое тело или постоянный источник тепла.
В нашей стране в большинстве случаев таким источником тепла является обычная твердотопливная печь. Ее поверхность может быть использована для установки термоэлектрических генераторов и получения электрической энергии.
Количество электрической энергии, получаемой от печи, зависит от ее поверхности нагрева, продолжительности нагрева и температуры. Это значит, что чем больше нагретых поверхностей, тем большее количество электричества можно получить в итоге.
С этой точки зрения русская баня может рассматриваться как идеальный объект, в котором есть немало возможностей для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.
Действительно, русская баня представляет собой помещение, в котором одновременно находится несколько объектов, обладающих тепловой энергией, которую можно и нужно преобразовать в электричество:
Нагретая поверхность печи
Емкость с горячей водой
Нагретые камни
Дымоход
Уходящие дымовые газы
О том, что на нагретой поверхности печи можно установить термоэлектрические элементы и получать электрический ток, говорилось ранее. По такому принципу, в частности, работает печь Индигирка, популярность которой растет с каждым годом. Но это не единственная возможность получения электрического тока в бане.
Бак с водой как аккумулятор тепловой энергии
В бане должна быть горячая вода. Это аксиома. При этом уровень комфорта бани во многом определяется количеством нагретой воды, готовой к использованию. В идеале, ее должно быть достаточно много для принятия горячего душа каждым посетителем бани. Для этого устанавливается бак с водой, нагреваемый непосредственно от печи.
Емкость бака может быть различной: от нескольких ведер до нескольких кубических метров. При этом бак с водой может быть аккумулятором тепловой энергии и использоваться для поддержания комфортной температуры в бане после прекращения топки печи.
Для этого бак с водой делают как можно более объемным и располагают под полом. Наполнение бака горячей водой происходит во время топки печи. Для этого в печи устанавливается змеевик, по которому подается холодная вода. В процессе движения вода нагревается и в бак поступает уже при температуре, близкой к кипению.
Для уменьшения потерь тепла, все поверхности бака, кроме тех, что обращены в помещение, закрывают слоем тепловой изоляции. Чем больше объем бака, тем большим запасом тепловой энергии он обладает.
О способах получения электрической энергии
В этом случае получить электрическую энергию из тепловой можно при помощи двигателя Стирлинга, представляющего собой не что иное, как компактный и простой по устройству преобразователь тепла в электричество.
При этом двигатель Стирлинга эффективен даже тогда, когда все другие способы получения электричества из тепловой энергии использовать невозможно, к примеру, при недостаточной разности температур холодной и горячей поверхности для установки термо электрогенераторов.
Для справки: Разработка и внедрение двигателей Стирлинга считается одним из наиболее перспективных направлений развития альтернативной энергетики. В частности, двигатели Стирлинга должны использоваться для преобразования тепловой энергии солнца в электричество.
Принципиальные схемы устройства двигателя Стирлинга
На сегодняшний день ученые выделяют три принципиальные схемы устройства двигателей Стирлинга, получившие названия бета, альфа и дельта.
Бета-Стирлинг представляет собой один единственный цилиндр, нагретый с одной стороны и холодный с другой стороны. Внутри этого цилиндра установлен поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема горячей полости. При нагреве газ расширяется и приводит в движение поршень. При этом совершается работа, газ остывает и возвращается из холодного отсека в нагреваемую часть цилиндра через регенератор.
Гамма-Стирлинг состоит из двух цилиндров: холодного и горячего. При этом поршень движется в холодном цилиндре, где и происходит съем мощности. Второй цилиндр нагревается с одного конца. При этом противоположный конец холодный, что и обеспечивает движение вытеснителя. Регенератор внешний, соединяющий горячую часть второго цилиндра с первым холодным цилиндром.
Альфа-Стирлинг представляет собой устройство, состоящее из двух раздельных цилиндров: горячего и холодного. Соответственно, поршни, расположенные в них, будут один холодным, а второй горячим. Цилиндр с горячим поршнем необходимо поместить в нагретую среду. К примеру, в тот же бак с горячей водой в нашем случае. Цилиндр с холодным поршнем может быть помещен в бак с холодной водой, что обеспечит его более интенсивное охлаждение. Впрочем, его можно просто оставить на открытом воздухе. Этот тип двигателя Стирлинга считается наиболее производительным и эффективным.
Как видно из приведенных схем, двигатели Стирлинга имеют простую конструкцию, которую реализовать на практике может каждый «любитель механики». Действительно, в интернете немало практических рекомендаций по самостоятельному изготовлению небольших, но эффективных устройств, использовать которые можно с успехом в русской бане.
К тому же двигатели Стирлинга предельно прост в эксплуатации. Для его запуска не нужно иметь стартер или газораспределительный механизм. Достаточно нагретой поверхности и перепада температур. В этом устройстве нечему ломаться и выходить из строя, что позволяет вести речь о длительном сроке эксплуатации. КПД двигателя Стирлинга превышает 30%. Иными словами, он более эффективен, чем обычные паровые машины.
Еще одно достоинство двигателя Стирлинга состоит в его абсолютной экологической безопасности: во время работы он практически бесшумен и не выделяет никаких вредных веществ или выхлопных газов.
И самое главное, что делает двигатель Стирлинга идеальным преобразователем тепловой энергии в электрическую для бани, это его компактность. Можно сделать устройство практически любого размера и использовать его, накапливая полученную энергию в аккумуляторах.
Следует отметить, что серийно двигатели Стирлинга, предназначенные для использования в быту, выпускаются лишь некоторыми западными производителями техники. Так, к примеру, есть устройства, работающие от обычной газовой горелки и позволяющие получить электричество в походных условиях. Ниже приводится схема одного из таких устройств.
Как рассчитать двигатель Стирлинга
При разработке двигателя Стирлинга в домашних условиях часто используются подручные средства и материалы. Так для небольшой модели двигателя можно поршень заменить мембраной.
Нагрев рабочего тела происходит в теплообменном цилиндре. При этом создается избыточное давление Р, воздействующее на поршень (мембрану) с силой F. При этом совершается работа.
Примитивный расчет двигателя Стирлинга состоит в определении его мощности и требуемого для этого объема рабочего тела. Для этого нужно знать значение Р и F.
Для определения давления Р вспомним, что при нагреве газа на один градус его объем увеличивается на 1/273 часть от объема, занимаемого рабочим телом до нагрева. Тогда мгновенное давление можно рассчитать по формуле
P=(V/273)xT
V — рабочий объем двигателя, состоящий из объема рабочего цилиндра и теплообменного цилиндра
Т — разность температур между рабочим телом и окружающей средой.
При расчете двигателя Стирлинга следует помнить, что его эффективность зависит не от температуры источника тепла и нагрева рабочего тела, а от разности температур между горячим и холодным цилиндрами.
Для вычисления силы F необходимо определить рабочую поверхность, на которую воздействует рабочее тело. Этой поверхностью является площадь поршня или площадь мембраны. Необходимо также вычислить величину вертикального хода поршня.
Расчет можно произвести по формуле:
F=SxP , где
S=3.14xR*2
Как следует из приведенного расчета, сила F прямо пропорциональна площади поршня. На первый взгляд кажется, для повышения эффективности устройства достаточно просто увеличить размер поршня, а вместе с ним и всего устройства.
Но при этом возрастают размеры устройства, его инерционность и масса отдельных частей, что приводит к потерям мощности двигателя.
Выходит, что чем меньше размер устройства и ход рабочего поршня, тем выше обороты двигателя. Но при этом возникает другой отрицательный момент: при уменьшении размера устройства уменьшается количество потребляемого им тепла и падает эффективность двигателя.
В ходе расчета двигателя необходимо найти оптимальное соотношение его размера и полученного в итоге крутящего момента. Для этого можно воспользоваться специальными компьютерными программами, найти которые можно в сети интернет по соответствующему поисковому запросу.
Но в этом есть и свои плюсы. Устройства меньшего размера проще устанавливать на нагретой поверхности бака с горячей водой. Если учесть, что двигатель Стирлинга стоит дешево, можно использовать несколько двигателей одновременно.
Учитывая миниатюрный размер устройства, не стоит рассчитывать на получение большого количества электрической энергии. Как правило, двигатель обеспечивает устойчивое горение энергосберегающей лампочки
Но малое количество электрической энергии можно накопить, сделав его запас при помощи аккумуляторной батареи. Для этого двигатели Стирлинга нужно подсоединить к аккумулятору, а еще лучше включить в автономную электрическую сеть.
Пример подключения к автономной электрической сети двигателя Стирлинга приведен на схеме. (ДС). Основным источником электрической энергии в этом случае является система термоэлектрических генераторов (ТЭГ).
Но на практике источников электрической энергии может быть несколько. К примеру, сюда же может быть включен ветрогенератор или солнечная батарея.
Установка двигателей Стирлинга
Установка двигателей Стирлинга не требует никаких специальных приспособлений и устройств. Достаточно обеспечить приток к горячему цилиндру тепловой энергии и отвод тепла от холодного цилиндра. При этом важно постоянное поступление тепловой энергии извне. Отметим, что двигатели Стирлинга часто называют двигателями внешнего сгорания.
Действительно, для их работы затрачивается тепловая энергия, полученная при сгорании топлива за пределами самого двигателя. Поэтому, двигатель можно установить в любом месте, где есть источник тепла. К примеру, (смотрите приведенный рисунок) в качестве источника тепловой энергии может даже простая чашка горячего чая.
Поэтому, двигатель Стирлинга можно установить на поверхности дымохода, а также внутри него. С его помощью можно преобразовывать в электрическую энергию тепло, накопленное камнями в парильном отделении, а также тепло поверхности печи.
Заключение
Возможно, скептически настроенные граждане могут возразить, что двигатель Стирлинга недостаточно мощный и не может, к примеру, обеспечить работу стиральной машины. Это действительно так, но использование всех возможных источников электрической энергии в загородном доме позволить создать в нем комфортные условия жизни. При этом качество электрической энергии может быть на несколько порядков выше, чем в обычных районных электрических сетях.
К тому же, для создания автономной электрической сети в собственном загородном доме многим гражданам не хватает простой уверенности в собственных силах. Сделать первый шаг в электрификации своего жилья можно именно с помощью двигателя Стирлинга, поместив его в собственной бане.
Поверьте, та электрическая лампочка, которая заработает от этого уникального устройства, станет вашим первым шагом к созданию собственной электрической сети.
Источник: //building-forum.ru/energosberezhenie/Dvigatel-Sterlinga-bane.php