Бережнюк М. М. Термоелектрична установка на основі двигуна Стірлінга

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуального наукового завдання — визначенню характеру впливу чинників надходження сонячного випромінювання на показники стабілізації вихідних параметрів термоелектричної установки на базі двигуна Стірлінга шляхом математичного та фізичного моделювання. У роботі здійснено порівняльний аналіз основних типів концентраційних установок сонячного випромінювання — параболічних рефлекторів, лінійних рефлекторів Френеля, концентраційних веж, параболічних тарілчастих концентраторів та систем на основі лінз Френеля. Обґрунтовано, що концентратор із використанням лінзи Френеля є найбільш доцільним рішенням для децентралізованого електропостачання домогосподарств завдяки простоті конструкції, низькій вартості та здатності досягати температур понад 1000 °C. Розроблено методику визначення залежності площі концентраційної плями та глибини фокусу від відстані між лінзою Френеля та поглинальною поверхнею, а також встановлено залежність температури плями від її площі. Для лінзи з параметрами r = 150 мм та f = 200 мм визначено, що допустиме відхилення від фокусної відстані становить ±1,2 мм, а зсув на ±15 мм може спричинити зміну температури на понад 3000 °C при інсоляції 1000 Вт/м². Сформульовано підхід до оцінювання доцільності використання додаткового джерела енергії (ДДЕ) для стабілізації роботи двигуна Стірлінга. Встановлено критерій енергетичної доцільності, який ґрунтується на аналізі ККД системи залежно від рівня та тривалості зниження інсоляції. Досліджено два сценарії вмикання резервного електричного нагрівача — за температурою нагрівача та за рівнем інсоляції. У середовищі Simulink розроблено імітаційну модель гібридної системи для дослідження вихідних параметрів генератора постійного струму та динаміки теплових процесів. Моделювання підтвердило, що навіть короткочасне (≈20 с) зниження температури нагрівача призводить до порушення робочого циклу, а застосування ДДЕ усуває простої та збільшує виробіток енергії у 2,9–6,5 разів залежно від тривалості переривання інсоляції. Створено експериментальний стенд з трьома підсистемами: енергетичною (двигун Стірлінга з генератором та системою нагрівання), вимірювальною (датчики з мікроконтролером Arduino Uno) та інформаційно-аналітичною (сервер Node.js з передачею даних у Google Sheets). Експеримент підтвердив працездатність системи та загальну узгодженість з результатами моделювання. Застосування ДДЕ повністю усунуло простої двигуна, збільшивши виробіток електроенергії у 1,5–2,3 рази для перерв тривалістю 20, 40 та 60 секунд.