Розроблення альтернативного джерела енергії на основі багатоступіневого термоакустичного двигуна з зовнішнім підведенням теплоти

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.341710

Ключові слова:

термоакустичний двигун, низькопотенційне тепло, автономне енергопостачання, енергоефективність, геотермальна енергія, двигун Стірлінга

Анотація

Об’єктом дослідження є багатоступеневий термоакустичний двигун із зовнішнім підведенням теплоти, що використовується для перетворення низькопотенційного тепла від сонячних і геотермальних джерел в електричну енергію.

Проблема підвищення ефективності термоакустичних двигунів при використанні низькопотенційних джерел тепла залишається невирішеною через високі температури самозапуску та значні теплові втрати. У дослідженні розглянуто підхід, заснований на створенні багатоступеневого термоакустичного двигуна із зовнішнім підведенням теплоти, який забезпечує зниження температури запуску та зростання коефіцієнта корисної дії. Для досягнення цієї мети виконано математичне моделювання в середовищі DeltaEC із використанням лінійної апроксимації рівнянь Ротта та створено лабораторний зразок восьмиступеневого двигуна.

Отримані результати показали, що при температурі нагрівача 105 °C і середньому тиску 2 бар досягається частота акустичних коливань 64 Гц і електрична потужність до 80 Вт при ККД близько 12 %. Відмінною особливістю запропонованої конструкції є оптимізація геометрії ступенів і резонатора, використання бігучої акустичної хвилі, а також можливість роботи при низьких температурах нагріву, що вигідно відрізняє її від відомих аналогів. Встановлено, що збільшення діаметра ступенів до оптимального співвідношення 10:1 відносно резонатора, покращення теплоізоляції та підвищення тиску до 8 бар здатні забезпечити зростання ККД до 40 %.

Практична значущість роботи полягає у перспективі впровадження розробленого двигуна в автономні системи енергопостачання сільських і віддалених районів Республіки Казахстан, де вартість електроенергії традиційно вища, а доставка палива ускладнена. Отримані результати підтверджують можливість використання термоакустичних технологій для сталого та екологічно чистого енергопостачання

Біографії авторів

Aliya Alkina, Abylkas Saginov Karaganda Technical University

PhD, Senior Lecturer

Department of Power Systems

Yermek Sarsikeyev, S. Seifullin Kazakh Agrotechnical Research University

PhD, Associate Professor

Department of Electrical Equipment Operating

Ali Mekhtiyev, Abylkas Saginov Karaganda Technical University

PhD, Professor, Vice-Rector for Science and Innovation

Yelena Neshina, Abylkas Saginov Karaganda Technical University

PhD, Associate Professor, Head of Department

Department of Power Systems

Ruslan Mekhtiyev, Abylkas Saginov Karaganda Technical University

Master of Science in Engineering, Engineer

Department of Automation and Production Processes

Посилання

  1. Beisengazin, K. (2025). Coal Sector of Kazakhstan: Challenges and Opportunities for Decarbonizing the Economy. Integrated Policy Strategies and Regional Policy Coordination for Resilient, Green and Transformative Development: Supporting Selected Asian BRI Partner Countries to Achieve 2030 Sustainable Development Agenda. Available at: https://unctad.org/system/files/information-document/unda2030d26-kazakhstan-coal_en.pdf?
  2. Smatayeva, A., Temerbulatova, Z., Kakizhanova, T. (2024). The Impact of Economic and Environmental Factors on the Consumption of Renewable Energy: The Case of Kazakhstan. Eurasian Journal of Economic and Business Studies, 68 (4), 61–75. https://doi.org/10.47703/ejebs.v68i4.443
  3. Zhakiyev, N., Burkhanova, D., Nurkanat, A., Zhussipkaliyeva, S., Sospanova, A., Khamzina, A. (2025). Green energy in grey areas: The financial and policy challenges of Kazakhstan’s energy transition. Energy Research & Social Science, 124, 104046. https://doi.org/10.1016/j.erss.2025.104046
  4. Minazhova, S., Kurrat, M., Ongar, B., Georgiev, A. (2025). Deploying a rooftop PV panels in the southern regions of Kazakhstan. Energy, 320, 135205. https://doi.org/10.1016/j.energy.2025.135205
  5. Mouraviev, N. (2021). Renewable energy in Kazakhstan: Challenges to policy and governance. Energy Policy, 149, 112051. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2020.112051
  6. Walker, G. (1980). Stirling Engines. Oxford: Clarendon Pres, 276. Available at: https://www.scribd.com/doc/45062130/Stirling-Engines-G-Walker-Oxford-1980-WW
  7. Fit, W. C. (Ed.) (1980). Steam Stirling Engines You Can Build. Village Press Publications, 169. Available at: https://www.scribd.com/document/820789063/Steam-Stirling-Engines-You-Can-Build
  8. Mekhtiyev, A. D., Sarsikeyev, Y. Zh., Yugay, V. V., Neshina, E. G., Alkina, A. D. (2021). Thermoacoustic engine as a low-power cogeneration energy source for autonomous consumer power supply. Eurasian Physical Technical Journal, 18 (12 (36)), 60–66. https://doi.org/10.31489/2021no2/60-66
  9. Tijani, M. E. H., Spoelstra, S. (2011). A high performance thermoacoustic engine. Journal of Applied Physics, 110 (9). https://doi.org/10.1063/1.3658872
  10. Kruse, A., Ruziewicz, A., Tajmar, M., Gnutek, Z. (2017). A numerical study of a looped-tube thermoacoustic engine with a single-stage for utilization of low-grade heat. Energy Conversion and Management, 149, 206–218. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.07.010
  11. de Blok, K. (2010). Novel 4-Stage Traveling Wave Thermoacoustic Power Generator. ASME 2010 3rd Joint US-European Fluids Engineering Summer Meeting collocated with 8th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels, 73–79. https://doi.org/10.1115/fedsm-icnmm2010-30527
  12. Sarsikeyev, Y., Mekhtiyev, A., Neshina, Y., Alkina, A., Mekhtiyev, R., Sharipov, T. (2024). An Alternative Thermoacoustic Energy Source for Power Supply to Autonomous Consumers. International Journal on Energy Conversion (IRECON), 12 (5), 184. https://doi.org/10.15866/irecon.v12i5.24875
  13. Kropachev, P. A., Mekhtiyev, A. D., Bulatbayev, F. N., Sarsikeyev, Y. Zh. (2021). Method of restoring pivot connections cast iron Bushings of heat engine with external heat supply. Metalurgija, 60 (3-4), 343–346. Available at: https://hrcak.srce.hr/file/372269
  14. Nikonova, T., Zharkevich, O., Dandybaev, E., Baimuldin, M., Daich, L., Sichkarenko, A., Kotov, E. (2021). Developing a Measuring System for Monitoring the Thickness of the 6 m Wide HDPE/LDPE Polymer Geomembrane with Its Continuous Flow Using Automation Equipment. Applied Sciences, 11 (21), 10045. https://doi.org/10.3390/app112110045
  15. Mekhtiyev, A., Breido, I., Buzyakov, R., Neshina, Y., Alkina, A. (2021). Development of low-pressure electric steam heater. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (8 (112)), 34–44. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.237873
  16. Huntingford, F., Kisha, W. (2022). Algorithmic optimisation of the electrical power output of a low-cost, multicore thermoacoustic engine with varying resonator pressure. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 49, 101776. https://doi.org/10.1016/j.seta.2021.101776
  17. Farikhah, I., Elsharkawy, E. A., Nuroso, H., Novita, M., Marlina, D., Rahmatunnisa, K. et al. (2021). Study of Stack Length on Efficiency of Thermoacoustic Engine. 2021 IEEE 3rd Eurasia Conference on IOT, Communication and Engineering (ECICE), 580–582. https://doi.org/10.1109/ecice52819.2021.9645691
  18. Sun, D., Luo, K., Zhang, J., Yu, Y. S. W., Pan, H. (2021). A novel non-linear one-dimensional unsteady model for thermoacoustic engine and its application on a looped traveling-wave thermoacoustic engine. Applied Acoustics, 181, 108136. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2021.108136
  19. Guk, S., Lee, J., Kim, J., Lee, M. (2025). Advances and Challenges in Thermoacoustic Network Modeling for Hydrogen and Ammonia Combustors. Energies, 18 (2), 346. https://doi.org/10.3390/en18020346
  20. Korobko, V., Shevtsov, A., Serbin, S., Wen, H., Dzida, M. (2025). Experimental Study of a Phase-Change Thermoacoustic Engine for Maritime Waste Heat Recovery System. Polish Maritime Research, 32 (2), 84–93. https://doi.org/10.2478/pomr-2025-0023
  21. Baccoli, R., Di Meglio, A., Fenu, A., Massarotti, N. (2025). Design and performance of a ThermoAcoustic Electric Generator powered by waste-heat based on linear and nonlinear modelling. Applied Thermal Engineering, 276, 126938. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.126938
  22. Rodriguez, J., Dyson, R. W., Wernet, M. P., Leibach, R. J. (2025). Thermoacoustic Thermal Management for Electric Aircraft. NASA Technical Report. AIAA SciTech Forum. Available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/20240015017
  23. Xiao, L., Luo, K., Zhao, D., Wu, Z., Xu, J., Luo, E. (2024). A highly efficient heat-driven thermoacoustic cooling system: Detailed study. Energy, 293, 130610. https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.130610
  24. Farikhah, I., Elsharkawy, E. A., Nuroso, H., Novita, M., Marlina, D., Rahmatunnisa, K. et al. (2021). Study of Stack Length on Efficiency of Thermoacoustic Engine. 2021 IEEE 3rd Eurasia Conference on IOT, Communication and Engineering (ECICE), 580–582. https://doi.org/10.1109/ecice52819.2021.9645691
Розроблення альтернативного джерела енергії на основі багатоступіневого термоакустичного двигуна з зовнішнім підведенням теплоти

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-10-30

Як цитувати

Alkina, A., Sarsikeyev, Y., Mekhtiyev, A., Neshina, Y., & Mekhtiyev, R. (2025). Розроблення альтернативного джерела енергії на основі багатоступіневого термоакустичного двигуна з зовнішнім підведенням теплоти. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(8 (137), 28–37. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2025.341710

Номер

Том 5 № 8 (137) (2025): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2025 Aliya Alkina, Yermek Sarsikeyev, Ali Mekhtiyev, Yelena Neshina, Ruslan Mekhtiyev

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.