Avaruus
Ympäristöystävällinen ja tehokas: Kuinka termoakustiset Stirling-moottorit muuttavat avaruusteollisuuden
Termoakustiset Stirling-moottorit (TASE) saattavat kuulostaa paljon käsiteltävältä kerralla. Mutta periaatteessa ne ovat Stirling-moottorien akustisia vastineita. Siksi ennen kuin syvennymme tarkemmin TASE:iin, meidän on aloitettava Stirling-moottoreista.
Mikä on Stirling-moottori?
Nimi tulee sen keksijältä, reverendi Robert Stirlingilta, joka kehitti ulkoisen lämpömoottorin, joka poikkeaa merkittävästi perinteisistä autoissa käytetyistä sisäpolttomoottoreista. Se eroaa käyttämällään sekoitussyklillä, jolla on kolme keskeistä ominaisuutta.
- Stirling-moottorissa käytetyt kaasut eivät koskaan poistu moottorista. Toisin kuin bensiinimoottorit tai dieselmoottorit, näissä moottoreissa ei ole pakoputkia korkean paineen kaasujen poistamiseen. Myöskään räjähdyksiä ei tapahdu. Tämän seurauksena Stirling-moottorit ovat erittäin hiljaisia.
- Koska se ei ole sisäpolttomoottori, se vaatii ulkoisen lämmönlähteen. Tämä lämmönlähde voi olla auringon säteet, geoterminen lämpö, bensiini tai aurinkoenergia. Lämpö voi jopa tulla hajonneesta kasvista.
- Lopuksi kaikki, mitä tarvitaan, on heiluripropelli, jonka lempeä pyöritys käynnistää moottorin.
Tässä Stirling-moottorien rakennusperinteessä syntyvät termoakustiset Stirling-moottorit eli TASE:t, Stirling-moottorien akustiset vastineet.
TASE:t: Stirling-moottorien akustiset vastineet
Termoakustiset Stirling-moottorit ovat saaneet vauhtia ja huomiota tieteellisessä tutkimuksessa niiden alhaisen valmistuskustannuksen, korkean hyötysuhteen, huoltovapaan ominaisuuden ja itsestään käynnistyvien kykyjen vuoksi.
Yksi suosituimmista termoakustisten Stirling-moottorien kategorioista on termoakustiset Stirling-lämpömoottorit eli TASHE:t. Nämä laitteet voivat muuntaa lämmön akustiseksi voimaksi erittäin korkean hyötysuhteen tasolla. Niiden potentiaali perustuu siihen, että niissä ei ole liikkuvia osia, ja komponentit ovat melko yksinkertaisia. Näiden järjestelmien valmistus- ja ylläpitokustannukset ovat alhaisemmat. Monet suosivat niitä puhtaan ja tehokkaan energian tuottamiseen.
Miten TASHE:t toimivat?
Energiamuunnosprosessi näissä moottoreissa tapahtuu regeneroijassa. Regeneroija on huokoinen metallinen lohko kuuman lämmönvaihtimen (HHX) ja kylmän tai ympäristölämmönvaihtimen välillä. Tällainen sijoitus molemmilla päillä auttaa ylläpitämään keskimääräistä lämpötila-asteikkoa aksiaalisessa suunnassa. Akustiset aallot, jotka kulkevat sen läpi – oikeassa vaiheessa – voidaan vahvistaa termodynamiikkaan perustuvalla prosessilla, joka muistuttaa Stirling-sykliä.
Miksi termoakustiset Stirling-moottorit ovat hyödyllisiä?
Fossiilisten polttoaineiden niukkuus on lähitulevaisuudessa ihmiskuntaa kohtaava haaste. Fossiiliset polttoaineet eivät myöskään ole hyviä planeetan terveydelle ja niihin liittyy monia kestävyyshuolia.
Tieteelliset yhteisöt ovat pohtineet vaihtoehtoisten polttoaineiden käyttöä, mukaan lukien aurinkoenergia, geoterminen energia, biopolttoaineet/biomassa, radioisotoopit ja muut.
Tässä tilanteessa Stirling-moottorit ovat osoittaneet hyviä tuloksia korkean hyötysuhteensa, suljetun termodynaamisen sykliensä, hiljaisen toiminnansa, alhaisen tärinän, pitkän käyttöiän ja vähäisen huollon ansiosta.
Stirling-moottoreita voi olla kahta tyyppiä: perinteinen ja kehittynyt.
Termoakustisten Stirling-moottorien kehitys: innovaatiot ja läpimurrot
TASE:iden historian tunteminen on ratkaisevaa niiden tarkoituksen ja teknologian luonteen ymmärtämiseksi.
Olemme jo puhuneet akustisista aalloista, jotka kulkevat lämpötila-asteikon läpi kuuman ja kylmän tai ympäristölämmönvaihtimen välillä kahdella puolella.
Vuoteen 1980 asti suurimman osan alalla olevien suunnitelmien hyötysuhde ei yleensä ylittänyt 5 %. Käännekohdaksi vuonna 1979 merkittävä läpimurto saavutettiin Ceperleyn toimesta. Hän osoitti, että kulkevat aallot voivat poimia akustista energiaa tehokkaammin, mikä johti nykyään käytössä olevien kulkevan aallon TASHE-konseptien suunnitteluun.
Tässä tehokkaammassa järjestelmässä osa tuotetusta akustisesta voimasta palautuu regeneroijaan jonkinlaisen palautesilmukan kautta, ja osa siitä ohjataan resonanssialueelle energian talteenottoa varten.
2000-luvun ensimmäinen vuosikymmen näki lisäparannuksia TASHE:iden teknologian taustalla. Vuonna 2011 Tijani & Spolestra suunnittelivat kulkevan aallon TASHE:n, joka saavutti merkittävän kokonaiskäytön hyötysuhteen 49% Carnotin rajan tasosta. Lisätietona, Carnotin raja asettaa absoluuttisen rajan sille, kuinka tehokkaasti lämpöenergia voidaan muuntaa hyödylliseksi työksi.
Viimeisimmässä development TASE-alueella Kiina on äskettäin kehittänyt korkean hyötysuhteen termoakustisen Stirling-generaattorin, joka voi tuottaa 140 hevosvoimaa tai 102 kW tehoa 986 Fahrenheit-asteen lämpölähteestä. Kehitys syntyi Kiinan tiedeakatemian Fysiikan ja kemian teknillisessä instituutissa työskentelevien tutkijoiden toimesta. Tämä oli ensimmäinen kerta, kun tällainen Stirling-generaattori ylitti 134 hevosvoiman tai 100 kW tehoa.
Monet näkevät tämän kiinalaisen innovaation potentiaalisena pelin muuttajana sen monipuolisuuden vuoksi. Se voi toimia erilaisilla lämmönlähteillä ja voi muuttaa energian tuotantotapaa, tarjoten ratkaisuja erilaisiin energiatarpeisiin.
Innovoinnin tiimin mukaan sen luotettavuus, yksinkertainen muotoilu ja yhteensopivuus erilaisten lämmönlähteiden kanssa voivat tehdä siitä kilpailukykyisen höyryturbiinien hyötysuhteen kanssa. Moottorin suunnittelu poistaa järjestelmästä tärinän ja auttaa ylläpitämään tiivistä tiivistystä. Innovaatio voisi auttaa Kiinaa kehittämään erittäin hiljaisia, ei-ydin sukellusveneitä.
Toinen 2017 tutkimus ehdotti termoakustista Stirling-voiman tuotantoa LNG:n kylmäenergiasta ja matalalämpötilaisesta jätelämmöstä. Tutkimus johti termoakustisen Stirling-generaattorin suunnitteluun, joka toimii 4 MPa helium-kaasulla ja pystyy tuottamaan 2,3 kW sähkötehoa korkeimmalla eksyergiatehokkuudella 0,253, kun kylmä- ja kuumapäädyt pidetään 110 K ja 500 K lämpötiloissa.
Termoakustisen Stirling-moottorin kehittymistä ratkaisuna, joka tuo mukanaan korkeamman energiatehokkuuden, on tutkittu tarkasti tutkijoiden ja huippuammattilaisten toimesta ympäri maailmaa. Lisäksi on tehty paljon työtä suurten yritysratkaisujen saralla.
Organisaatiot, jotka hyödyntävät termoakustisia Stirling-moottoreita
1. NASA
NASA on saavuttanut merkittävää edistystä termoakustisten Stirling-moottorien alalla. Ratkaisu, joka tunnetaan nimellä Stirling Thermoacoustic Power Converter ja Magnetostrictive Alternator, poistaa kaikki liikkuvat osat maksimaalisen hyötysuhteen ja luotettavuuden saavuttamiseksi.
Uusi teknologia, jonka on kehittänyt NASA:n Glenn Research Center
Tämä teknologia tekee Stirling-moottoreista tehokkaampia ja edullisempia. Se hyödyntää termoakustisia teho-muuntimia, joissa ääntä käytetään lämmön muuntamiseen sähköenergiaksi. Järjestelmä käyttää lämmön aiheuttamia paineita ja tilavuusvärähtelyjä termoakustisista lähteistä piezoelektristen generaattorien tai muiden teho-muuntimien voimanlähteenä. Tämä laite pystyy tuottamaan sähköä vertaansa vailla olevalla tehokkuudella.
NASA:n innovaation vaikutus on ollut laaja-alaista. Termoakustinen teho-muunnin on auttanut muokkaamaan perinteistä Stirling-moottoria toroidimuodosta suoraksi kollineaariseksi järjestelmäksi. Tämä innovaatio varmistaa, että tulevat järjestelmät eivät joudu riippumaan vikaherkistä mekaanisesta inerttiudesta ja joustavuusputkista. Tavoite voidaan saavuttaa käyttämällä akustista resonanssia elektronisten komponenttien avulla.
Innovaatio on johtanut tehokkaaseen, luotettavaan, edulliseen, kompaktioon ja monikäyttöiseen ratkaisuun. Sitä voidaan käyttää hajautetussa tuotannossa ja asuinvoimalaitoksissa, yhdistetyissä lämpö- ja sähköjärjestelmissä, keskittyneessä aurinkovoimassa, hybridi-sähköajoneuvoissa, jäähdytysjärjestelmissä, lämpöpumpuissa, vedenalaisissa ja merellisissä voimalaitoksissa sekä apuvoimalaitteissa.
2. SpaceX
On suuri todennäköisyys, että SpaceX, toinen avaruus- ja ilmailuteknologian jättiläinen, saattaa tutkia TASE:ita lähiaikoina. Se voisi auttaa heitä saavuttamaan paremman tehokkuuden lämmön muuntamisessa mekaaniseksi työksi.
Alhaiset valmistus- ja ylläpitokustannukset voisivat johtaa kevyempien avaruusalusten tuottamiseen alhaisemmilla kustannuksilla. Se auttaisi myös SpaceX:ää hallitsemaan lämpöä tehokkaasti, parantaen energian tuotantokapasiteettia syvän avaruuden tehtävissä.
Mid-augustin 2023 raporttien mukaan SpaceX:n voimakas liikevaihto on tehnyt siitä kannattavan vuoden 2023 ensimmäisellä neljänneksellä kahden peräkkäisen vuosittaisen tappion jälkeen. Elon Muskin omistama yritys tuotti 55 miljoonaa dollaria voittoa 1,5 miljardin dollarin liikevaihdosta tammikuusta maaliskuuhun. Se oli arvostettu lähes 150 miljardin dollarin arvosta äskettäisessä työntekijöiden osakekaupassa.
3. Sierra Lobo, Inc.
Fremontissa, Ohiossa sijaitseva Sierra Lobo, Inc., tarjoaa erikoistuneita avaruus- ja ilmailutestauksen, arvioinnin ja insinööripalveluita maailmanlaajuisesti. Se on kehittänyt täysimittaisia termoakustisia Stirling-lämpömoottoreita, jotka voivat toimia erilaisilla energia-/lämmönlähteillä, korkean hyötysuhteen ja luotettavuuden kanssa, ilman liikkuvia osia. Se on kompakti ja skaalautuva, ja sitä voidaan käyttää avaruussovelluksissa sen painovoimasta riippumattoman toiminnan vuoksi.
Näiden lämpömoottorien odotetaan löytävän sovelluksia monilla aloilla, mukaan lukien akustinen teho- ja paineaaltojen generointi sekä sähkön tuotanto maassa, veden alla ja avaruudessa. Ne voivat samanaikaisesti tuottaa sähkö- ja jäähdytystehoa, ohjata lineaarigeneraattoria sähkön tuotantoon sekä toimia jääkaappina ja kylmäkoneena jäähdytyksen tuottamiseen.
Haasteet ja mahdollisuudet tulevaisuudessa
Termoakustiset Stirling-lämpömoottorit (TASE:t), Stirling-moottorien erityinen kategoria, ovat osoittaneet suurta potentiaalia kehittäessään syvän avaruuden matkoihin sopivia energialähteitä. NASA, erityisesti sen Glenn Research Centerin kautta, on ollut eturintamassa hyödyntämässä teknologian tehokkuutta ja vähähuollollisia ominaisuuksia. Tämän teknologian odotetaan kehittyvän edelleen, tukien energiajärjestelmiä, jotka voivat olla keskeisiä lukuisissa avaruustutkimusprojekteissa, mahdollisesti mukaan lukien kuun ja marsin tukikohtien voimanlähteet.
Nämä moottorit ovat suosittuja niiden kyvyn vuoksi tarjota erittäin korkea lämpö‑sähkötehokkuus verrattuna muihin lämpömoottoreihin. Laakerijärjestelmien ja liikkuvien osien puuttuminen TASE:ssa vähentää merkittävästi vikaantumisriskiä ja valmistuskustannuksia.
Kuitenkin, jotta siitä tulisi suosituin valinta, on vielä tehtävä merkittävää työtä teknologian hiomisen parissa. TASE:t kohtaavat tällä hetkellä haasteita tilavuuden ja painon suhteen, pääosin koska niiden suunnittelu, jossa on lämmönvaihtimet sekä kuumassa että kylmässä pisteessä, tekee niistä massiivisempia ja raskaampia kuin perinteiset sisäpolttomoottorit, joilla on vastaava teho.
Lisäksi TASE:t kohtaavat usein hitaamman käynnistyksen haasteen sisäisen lämpöinenertian vuoksi. Niiden käyttö on rajoitettua tilanteissa, jotka vaativat nopeaa käynnistystä tai nopeita nopeuden muutoksia. Kuitenkin käynnissä olevat teknologiset innovaatiot pyrkivät voittamaan nämä haasteet, asettaen TASE:t keskeiseksi osaksi korkean teknologian avaruustoimintoja ja sen ulkopuolelle.
