Финские исследователи создали прототип батареи Карно на основе двигателя Стирлинга, используя песок для аккумулирования тепла

Аккумулятор FIAMM FG 22703

Шведские ученые провели экспериментальную оценку прототипа батареи Карно на основе двигателя Стирлинга (Stirling Engine Carnot Battery, SECB), в которой в качестве накопителя тепловой энергии использовался недорогой песок. Целью эксперимента было проверить концепцию преобразования электроэнергии в тепло, а затем обратно в электричество. Испытания показали, что повышение температуры двигателя увеличивает производительность и продолжительность работы, но КПД в обоих направлениях остается низким, в основном из-за тепловых потерь и ограниченной теплопередачи в песчаном слое.

ETES до установки нагревательных элементов

Исследователи из Университета Аалто в Финляндии провели экспериментальную и численную оценку прототипа батареи Карно на основе двигателя Стирлинга (Stirling Engine Carnot Battery, SECB), в которой в качестве накопителя тепловой энергии (НТЭ) используется песок. SECB — это система, в которой батарея Карно накапливает электроэнергию в виде тепла, а затем с помощью двигателя Стирлинга преобразует накопленное тепло обратно в электричество.

Двигатель Стирлинга — это регенеративный тепловой двигатель с замкнутым циклом и постоянной газообразной рабочей средой, например газом или воздухом. Он преобразует тепловую энергию в механическое движение за счет сжатия и расширения рабочей среды под действием тепла, используя теплоноситель для удовлетворения потребностей в тепловой энергии.

«Теоретические и численные исследования предсказывают высокую эффективность, но не подтверждают ее экспериментально, в то время как экспериментальные батареи Карно на основе двигателя Стирлинга почти всегда используют дорогостоящие материалы с фазовым переходом (МФП) на основе металлов, — отмечают исследователи. — Хотя песок считается многообещающим альтернативным материалом для аккумулирования тепла, его эффективность в составе полноценной интегрированной батареи Карно еще не была доказана экспериментально».

Прототип состоял из изолированного резервуара для хранения тепловой энергии объемом 0,2 м³, заполненного коричневым кварцевым песком с размером зерен 0,6–2 мм. Удельная теплоемкость песка составляла 703 Дж/(кг·К), теплопроводность — 0,2–0,7 Вт/(м·К), а насыпная плотность — 1800 кг/м³.

Зарядка осуществлялась с помощью десяти электронагревателей мощностью 3 кВт и напряжением 230 В каждый. Тепло от песка передавалось двигателю через медный блок размером 0,14 м × 0,225 м × 0,225 м, соединенный с двумя медными пластинами размером 0,65 м × 0,65 м × 0,01 м. В системе использовался коммерческий беспоршневой двигатель Стирлинга Microgen мощностью 1 кВт и КПД 26 %, произведенный компанией Microgen Engine Corporation.

Исследователи протестировали прототип в двух режимах работы: при заданной температуре головки двигателя 300 °C или 350 °C.

Экспериментальная установка

Кроме того, исследователи разработали трехмерную численную модель в среде COMSOL Multiphysics для моделирования теплового режима и рабочих характеристик SECB. Сначала модель была протестирована на экспериментальных образцах при температурах 300 °C и 350 °C. Затем ее расширили для исследования более высоких рабочих температур — 400 °C и 500 °C, которые невозможно было проверить экспериментальным путем.

«Повышение заданной температуры головки двигателя с 300 °C до 350 °C увеличило пиковую электрическую мощность примерно с 500 Вт до 690 Вт и увеличило время разряда примерно с 9 до 14 часов, — показали результаты исследования. — Несмотря на это, эффективность работы в обоих направлениях оставалась относительно низкой: 4,4–5,9 % при 300 °C и 6,8–8,3 % при 350 °C». Эти результаты свидетельствуют о явном повышении производительности в зависимости от температуры, но также указывают на то, что для достижения конкурентоспособности этого подхода в сфере хранения электроэнергии потребуются значительные усовершенствования в области проектирования и интеграции.

Согласно результатам энергетического баланса, потери на этапе преобразования энергии преобладали над остальными. При температуре 300 °C на 53 кВт·ч подведенной электроэнергии приходилось 2,33 кВт·ч отданной электроэнергии, при этом 16,54 кВт·ч отводились через контур охлаждения, а 34,13 кВт·ч терялись в окружающей среде или в результате теплообмена в конструкции. Кроме того, низкая эффективная теплопроводность песчаного слоя ограничивала поток тепла к головке двигателя, что приводило к перепадам температуры и перебоям в работе.

«Численная модель показывает, что при температуре от 300 до 500 °C можно добиться более высокой эффективности преобразования энергии — от 19,1 % до 31,6 % — при условии минимизации утечек тепла и потерь на границах, — заключили исследователи. — Эти цифры должны служить ориентирами при проектировании и оценке чувствительности, а не фактическими показателями эффективности, особенно при температурах выше 400 °C, которые невозможно проверить экспериментальным путем с помощью текущего прототипа».

Система была представлена в статье «Батарея Карно на основе двигателя Стирлинга с песком в качестве теплоносителя: прототип мощностью 1 кВт,» опубликованной в Journal of Energy Storage.