Theoretical and experimental foundations for the development of an electric power generation unit with a solid-state heat engine based on a Ni-Ti-Cu alloy for the utilization of low-grade thermal energy

Abstract

The main objectives of the study are to develop a generalized thermo-electromechanical model of a solid-state heat engine based on a Ni-Ti-Cu shape memory alloy for converting low-grade thermal energy (30-100 °C) into electrical energy, establish physically justified relationships governing reactive force generation and determine conditions for energy-efficient operation of the system as a part of an electric power generation unit. To achieve the stated objectives, the following tasks were performed: experimental studies of the thermomechanical characteristics of thermosensitive springs; derivation of a generalized relationship between maximum force, pre-deformation and temperature; development of a torque generation model, accounting for the phase position of active elements, construction of an electromechanical model of the "heat engine-generator-load" system; introduction of a system of dimensionless criteria for thermal, mechanical, electromechanical and energy consistency. Key results include analytical laws for scaling torque and mechanical power, a thermal consistency criterion defining the limiting rotational speed under complete phase transformation, the condition for a steady operating point and a material energy criterion setting the fundamental limit on the engine's thermal efficiency. The significance of these results lies in enabling a transition from the analysis of an individual prototype to a generalized description of a class of SMA engines, providing a basis for performance prediction, parameter scaling, design optimization and improvement of the efficiency of low-grade thermal energy utilization systems. The findings can be applied in designing low-power autonomous energy modules, industrial waste heat recovery systems and the development of functional alloys with narrow thermomechanical hysteresis for further applications in energy systems, including distributed and renewable energy sources of the future.

Principalele obiective ale studiului sunt elaborarea unui model termo-electromecanic generalizat al unui motor termic în stare solidă bazat pe un aliaj cu memorie de formă Ni-Ti-Cu pentru conversiea energiei termice de grad scăzut (30-100 °C) în energie electrică, stabilirea unor relații justificate fizic care guverneazăgenerarea forței reactive și determinarea condițiilor pentru funcționarea eficientădin punct de vedere energetic a sistemului ca parte a uneiunități de generare a energiei electrice. Pentru a atinge obiectivele stabilite, au fost efectuate următoarele sarcini: studii experimentale ale caracteristicilor termomecanice ale arcurilor termosensibile;derivarea unei relații generalizate între forța maximă, pre-deformare și temperatură;elaborarea unui model de generare a cuplului, ținând cont de poziția de fazăa elementelor active, construirea unui model electromecanic al sistemului „motor termic-generator-sarcină”;introducerea unui sistem de criterii adimensionale pentru consistența termică, mecanică, electromecanică și energetică. Rezultatele cheie includ legi analitice pentru scalarea cuplului și a puterii mecanice, un criteriu de consistențătermică,care definește viteza de rotație limităîn condiții de transformare completăde fază, condiția pentru un punct de funcționare staționar și un criteriu de energie materialăcare stabilește limita fundamentalăa eficienței termice a motorului.Semnificația acestor rezultate constăîn facilitarea tranziției de la analiza unui prototip individual la o descriere generalizată a unei clase de motoare SMA, oferind o bază pentru predicția performanței, scalarea parametrilor, optimizarea proiectării și îmbunătățirea eficienței sistemelor de utilizare a energieitermice de joasăputere.Constatările pot fi aplicate în proiectareamodulelor energetice autonome de mică putere, a sistemelor industriale de recuperare a căldurii reziduale și în dezvoltarea de aliaje funcționale cu histerezis termomecanic îngust pentruaplicații ulterioare în sistemele energetice, inclusiv în sursele deenergie distribuită și regenerabilăale viitorului.

Основными целями исследования являются разработка обобщенной термоэлектромеханической модели твердотельного теплового двигателя на основе сплава с памятью формы Ni-Ti-Cu для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии (30-100 °C) в электрическую, установление физически обоснованных закономерностей формирования реактивного усилия и определение условий энергетически эффективной работы системы в составе электрогенераторной установки. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи: выполнены экспериментальные исследования термомеханических характеристик термочувствительных пружин; получена обобщенная зависимость максимального усилия от предварительной деформации и температурного состояния; разработана модель формирования крутящего момента с учетом фазового расположения активных элементов; построена электромеханическая модель системы «тепловой двигатель –генератор –нагрузка»; введена система безразмерных критериев термической, механической, электромеханической и энергетической согласованности. Наиболее важными результатами являются получение аналитических законов масштабирования крутящего момента и механической мощности, установление критерия термической согласованности, определяющего предельную частоту вращения при условии полной реализации фазового перехода, формулировка условия существования стационарной рабочей точки и определение материального энергетического критерия, который устанавливает фундаментальное ограничение термического КПД двигателя. Значимость полученных результатов заключается в том, что предложенный подход обеспечивает переход от анализа отдельного прототипа к обобщенному описанию класса SMA-двигателей, создает научно обоснованную основу для прогнозирования, параметрического масштабирования, оптимизации конструктивных параметров и повышения эффективности систем утилизации низкопотенциальной тепловой энергии различного назначения. Полученные положения могут быть использованы при проектировании автономных энергетических модулей малой мощности, систем рекуперации тепловых выбросов промышленных процессов, а также при обосновании перспектив дальнейшего совершенствования функциональных сплавов с узким термомеханическим гистерезисом для применений в энергетических системах, в том числе распределенной и возобновляемой энергетики будущего.