Энергетике США требуются новые модели двигателей
На сегодняшний день энергосистема США предоставляет конечному потребителю энергию, полученную от углеводородного топлива, со средним КПД всего лишь в 33%. Этот коэффициент необходимо поднять не только ради сохранности окружающей среды. По подсчетам Edison Foundation, к 2030 году американцам понадобится лишних (по сравнению с 2012 годом) 214 гигаватт электроэнергии, сообщает MIT Technology Review.
Пока большинство инноваций в сфере энергетики относится к сфере новых технологий – конструируются новые солнечные, ветряные и топливные батареи. Увеличение скорости реакции на катодах топливных батарей и снижение стоимости производства солнечных – вот магистральные направления повышения рентабельности этих технологий. Однако для их реального использования в массовом масштабе осталось сделать еще очень многое. Тем временем львиная доля электроэнергии в США вырабатывается благодаря традиционным технологиям (поршневым двигателям и турбинам). Газовые и паровые турбины, используемые на электростанциях, работают на мощностях, превышающих десять мегаватт – генераторы на поршневых двигателях пока значительно слабее. Улучшение конструкции обычных поршневых двигателей могло бы дополнить их достоинства (высокая надежность, дешевизна получаемой энергии) повышением КПД и снижением выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.
Одно из главных направлений повышения КПД поршневых двигателей – изменение их конструкции. Можно упомянуть о новой технологии изготовления поршневых колец, уплотняющей сжатые газы, и тем самым снижающей потери на трение при движении поршней внутри цилиндра двигателя. Корректирование фаз газораспределения сможет снизить энергозатраты при выхлопе. Но надо сказать, что конструктивные изменения в двигателях уже дошли до своего теоретического предела: при их внедрении КПД поршневых двигателей вырастет максимум до 45% (сейчас он в среднем составляет 35%). Повышение КПД до 50% и выше требует радикально иного подхода к архитектуре двигателей.
Именно таким подходом руководствуется фирма EtaGen. Ее конструкторы, во главе с Шэннон Миллер (Shannon Miller) начинают с фундаментальных термодинамических условий работы двигателя. Если повысить давление в двигателе, то потери при сгорании топлива и выхлопе существенно уменьшаться и КПД двигателя взлетит до 50-60%. Однако высокое давление создает внутри двигателя экстремальные температуры, а также увеличивает силу трения поршня о цилиндр. Чтобы обойти эти трудности, Миллер обратилась к старой идее «плавающего поршня», двигающегося вверх-вниз независимо от коленчатого вала. Однако чтобы заставить эту идеи работать на практике, нельзя просто поменять местами пару деталей – необходима серьезная работа по полной перестройке архитектуры двигателя. Пока компания изготовила лишь прототип, но обещает вскоре предоставить образцы, пригодные для установки на электростанциях.
Артём Космарский nauka21vek.ru