Енергетичний аналіз гібридної установки «твердооксидний паливний елемент – двигун Стірлінга» з каскадною утилізацією теплоти

DOI
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 29, № 3, 2026 (вересень)
Сторінки 56–70

 

Автори

Д. Д. Грінченко, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61099, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: dimag628@gmail.com, ORCID: 0009-0001-8648-8099

В. О. Тарасова, Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного НАН України (61099, Україна, м. Харків, вул. Комунальників, 2/10), e-mail: vat523710@gmail.com, ORCID: 0009-0009-3695-8388

 

Анотація

Запропоновано схемне рішення гібридної енергетичної установки на основі твердооксидного паливного елемента (ТОПЕ) і двигунів Стірлінга, що передбачає каскадну утилізацію теплового потенціалу вихідних потоків ТОПЕ. Метою дослідження є підвищення ефективності використання енергії палива в гібридній енергетичній установці ТОПЕ – двигун Стірлінга шляхом віднайдення схемного рішення з каскадним використанням енергетичного потенціалу вихідних потоків твердооксидного паливного елемента й послідовною утилізацією теплоти в двигунах Стірлінга різного температурного рівня. Розроблено математичну модель установки, що враховує матеріальні й енергетичні баланси її основних елементів, ефективність регенератора, мертві об’єми й температурні напори в двигунах Стірлінга. Проведено параметричний аналіз впливу ефективності регенерації та температурного напору між газовим потоком і робочим тілом на енергетичні характеристики установки. Для схеми з одним двигуном Стірлінга встановлено, що збільшення ефективності регенератора від 0,5 до 0,8 підвищує його термічний ККД із 16,32–16,33% до 28,41–28,54%, а електричну потужність – з 116 до 202,72 кВт. При цьому найбільше серед досліджених режимів значення енергетичного ККД гібридної установки становить 77,30%. Показано, що після першого ступеня утилізації теплоти й рекуперативного підігрівання катодного повітря температура вихідного газового потоку залишається на рівні 474–528 °C. Для використання цього теплового потенціалу запропоновано встановлення другого двигуна Стірлінга, що працює за нижчого температурного рівня підведення теплоти. За результатами розрахунків його електрична потужність становить 103,29–108,17 кВт, а сумарна електрична потужність гібридної установки досягає 810,85 кВт. Найбільше серед досліджених режимів розрахункове значення енергетичного ККД двоступеневої установки становить 89,19% при ефективності регенераторів e1=e2=0,8 і температурних напорах ΔTh,1=20 K і ΔTh,2=50 K. Отримані результати підтверджують доцільність каскадної утилізації теплового потенціалу вихідних потоків ТОПЕ в двигунах Стірлінга різного температурного рівня для додаткового виробництва електричної енергії.

 

Ключові слова: твердооксидний паливний елемент, двигун Стірлінга, гібридна енергетична установка, каскадна утилізація теплоти, регенерація теплоти, температурний напір, енергетична ефективність.

 

Повний текст: завантажити PDF

 

Література

  1. Zhu S., Yu G., Liang K., Dai W., Luo E. A review of Stirling-engine-based combined heat and power technology. Applied Energy. 2021. Vol. 294. Article 116965. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116965.
  2. Corria M. E., Melian Cobas V., Silva Lora E. Perspectives of Stirling engines use for distributed generation in Brazil. Energy Policy. 2006. Vol. 34. Iss. 18. P. 3402–3408. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2004.09.006.
  3. Kong X. Q., Wang R. Z., Huang X. H. Energy efficiency and economic feasibility of CCHP driven by Stirling engine. Energy Conversion and Management. 2004. Vol. 45. Iss. 9–10. P. 1433–1442. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2003.09.009.
  4. Kongtragool B., Wongwises S. A review of solar-powered Stirling engines and low temperature differential Stirling engines. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2003. Vol. 7. Iss. 2. P. 131–154. https://doi.org/10.1016/S1364-0321(02)00053-9.
  5. Hossain M. A., Parvez M. M. H., Ahmed I., Salekin K. M. S., Nahid M. F. H. Design, fabrication, and performance evaluation of a beta-type solar-based Stirling engine for power generation. Clean Energy. 2025. Vol. 9. Iss. 4. P. 45–53. https://doi.org/10.1093/ce/zkaf014.
  6. Schneider T., Müller D., Karl J. A review of thermochemical biomass conversion combined with Stirling engines for the small-scale cogeneration of heat and power. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2020. Vol. 134. Article 110288. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110288.
  7. Cardozo E., Erlich C., Malmquist A., Alejo L. Integration of a wood pellet burner and a Stirling engine to produce residential heat and power. Applied Thermal Engineering. 2014. Vol. 73. Iss. 1. P. 671–680. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.08.024.
  8. Durcansky P., Nosek R., Jandacka J. Use of Stirling engine for waste heat recovery. Energies. 2020. Vol. 13. Iss. 16. Article 4133. https://doi.org/10.3390/en13164133.
  9. Babamiri A., Gharib М., Ebrahimi M. Multi-criteria evaluation of a novel micro-trigeneration cycle based on α-type Stirling engine, organic Rankine cycle, and adsorption chiller. Energy Conversion and Management. 2022. Vol. 253. Article 115162. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.115162.
  10. Jin X., Lü T., Yu G., Liu J., Huang X. Design and combustion characteristic analysis of free piston Stirling engine external combustion system. Journal of Shanghai Jiaotong University (Science). 2018. Vol. 23. Iss. 1. P. 50–55. https://doi.org/10.1007/s12204-018-2022-x.
  11. Dang T. T., Ruellan M., Prevond L., Ben Ahmed H., Multon B. Sizing optimization of tubular linear induction generator and its possible application in high acceleration free-piston Stirling microcogeneration. IEEE Transactions on Industry Applications. 2015. Vol. 51. No. 5. P. 3716–3733. https://doi.org/10.1109/TIA.2015.2427284.
  12. Nikiforakis I., Mamalis S., Assanis D. Understanding solid oxide fuel cell hybridization: A critical review. Applied Energy. 2025. Vol. 377. Article 124277. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.124277.
  13. Rokni M. Thermodynamic analysis of SOFC (solid oxide fuel cell)–Stirling hybrid plants using alternative fuels. Energy. 2013. Vol. 61. P. 87–97. https://doi.org/10.1016/j.energy.2013.06.001.
  14. Rokni M. Thermodynamic and thermoeconomic analysis of a system with biomass gasification, solid oxide fuel cell (SOFC) and Stirling engine. Energy. 2014. Vol. 76. P. 19–31. https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.01.106.
  15. Lai H.-Y., Li Y.-T., Chan Y.-H. Efficiency enhancement on hybrid power system composed of irreversible solid oxide fuel cell and Stirling engine by finite time thermodynamics. Energies. 2021. Vol. 14. Iss. 4. Article 1037. https://doi.org/10.3390/en14041037.
  16. Majidniya M., Remy B., Boileau T., Zandi M. Free piston Stirling engine as a new heat recovery option for an internal reforming solid oxide fuel cell. Renewable Energy. 2021. Vol. 171. P. 1188–1201. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.02.082.
  17. Shakouri O., Ahmadi M. H., Gord M. F. Thermodynamic assessment and performance optimization of solid oxide fuel cell-Stirling heat engine–reverse osmosis desalination. International Journal of Low-Carbon Technologies. 2021. Vol. 16. Iss. 2. P. 417–428. https://doi.org/10.1093/ijlct/ctaa073.
  18. Welaya Y. M. A., Mosleh M., Ammar N. R. Thermodynamic analysis of a combined gas turbine power plant with a solid oxide fuel cell for marine applications. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering. 2013. Vol. 5. Iss. 4. P. 529–545. http://dx.doi.org/10.2478/IJNAOE-2013-0151.
  19. Ghezel-Ayagh H., Walzak J., Patel D., Daly J., Maru H., Sanderson R., Livingood W. State of direct fuel cell/turbine systems development. Journal of Power Sources. 2005. Vol. 152. P. 219–225. http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2004.12.060.
  20. Larminie J., Dicks A. Fuel cell systems explained. 2nd ed. Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 2003. 406 p. https://doi.org/10.1002/9781118878330.
  21. Kongtragool B., Wongwises S. Thermodynamic analysis of a Stirling engine including dead volumes of hot space, cold space and regenerator. Renewable Energy. 2006. Vol. 31. Iss. 3. P. 345–359. http://dx.doi.org/10.1016/j.renene.2005.03.012.

 

Надійшла до редакції 12.08.2026
Прийнята 01.09.2026
Опублікована 30.09.2026