ЕЛЕКТРОУСТАНОВКА З ТВЕРДОТІЛЬНИМ ТЕПЛОВИМ ДВИГУНОМ НА ОСНОВІ СПЛАВІВ З ПАМ’ЯТТЮ ФОРМИ ДЛЯ ГЕНЕРАЦІЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ З НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНИХ ДЖЕРЕЛ ТЕПЛА
The work is devoted to the study of processes of conversion of low-potential thermal energy into electrical energy using a solid-state heat engine based on shape memory alloys (SMA). The relevance of the topic is due to significant losses of low-temperature heat in industrial and energy systems and...
Gespeichert in:
| Datum: | 2026 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Veröffentlicht: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2026
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1823 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Technical Electrodynamics |
Institution
Technical Electrodynamics| _version_ | 1863945784660066304 |
|---|---|
| author | Козирський, В.В. Жильцов, А.В. Бунько, В.Я. |
| author_facet | Козирський, В.В. Жильцов, А.В. Бунько, В.Я. |
| author_sort | Козирський, В.В. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-04-30T10:09:41Z |
| description | The work is devoted to the study of processes of conversion of low-potential thermal energy into electrical energy using a solid-state heat engine based on shape memory alloys (SMA). The relevance of the topic is due to significant losses of low-temperature heat in industrial and energy systems and the need to improve the energy efficiency of autonomous power sources. NiTi alloy springs are used as drive elements, which implement reversible austenite-martensite phase transformations and ensure the direct conversion of thermal energy into mechanical work. The aim of the work is to develop a physically based mathematical and numerical model of a heat engine, taking into account cyclic heating and cooling, thermomechanical hysteresis, the inertia of the mechanical system and electromechanical interaction with the generator, as well as to evaluate the energy characteristics of the power generation plant. A three-level approach to modelling is proposed, including an analytical quasi-static model for engineering estimates, a quasi-stationary moment balance model for determining steady states, and a complete dynamic system of differential equations that takes into account non-stationary heat transfer, phase kinetics, and inertial effects. Numerical integration was performed in Python using fourth- and fifth-order Runge–Kutta methods. The simulation results confirmed the adequacy of the proposed model and showed the formation of self-stabilised rotation modes and power saturation. It was found that simplified approaches provide a conservative estimate of energy performance, while the full dynamic model more accurately reproduces transient processes and real operating characteristics; the discrepancy between the models does not exceed 15–20%. The influence of the bilateral shape memory effect, which in the temperature range of 70–80 °C can increase electrical power by 20–30 %, was investigated. The expediency of partial immersion of SMA elements in the coolant to ensure stable cyclic heat exchange was demonstrated. The results obtained confirm the prospects of using SMA engines for the utilisation of low-potential heat and the creation of compact autonomous systems for small-scale electricity generation. References 20, figures 7. |
| first_indexed | 2026-05-01T01:00:21Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs2.ted.new-point.com.ua:article-1823 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| last_indexed | 2026-05-01T01:00:21Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs2.ted.new-point.com.ua:article-18232026-04-30T10:09:41Z ELECTRICAL INSTALLATION WITH A SOLID-STATE THERMAL ENGINE BASED ON SHAPE MEMORY ALLOYS FOR GENERATING ELECTRICITY FROM LOW-POWER HEAT SOURCES ЕЛЕКТРОУСТАНОВКА З ТВЕРДОТІЛЬНИМ ТЕПЛОВИМ ДВИГУНОМ НА ОСНОВІ СПЛАВІВ З ПАМ’ЯТТЮ ФОРМИ ДЛЯ ГЕНЕРАЦІЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ З НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНИХ ДЖЕРЕЛ ТЕПЛА Козирський, В.В. Жильцов, А.В. Бунько, В.Я. shape memory alloys heat engine electricity generation сплави з пам’яттю форми тепловий двигун електрогенерація The work is devoted to the study of processes of conversion of low-potential thermal energy into electrical energy using a solid-state heat engine based on shape memory alloys (SMA). The relevance of the topic is due to significant losses of low-temperature heat in industrial and energy systems and the need to improve the energy efficiency of autonomous power sources. NiTi alloy springs are used as drive elements, which implement reversible austenite-martensite phase transformations and ensure the direct conversion of thermal energy into mechanical work. The aim of the work is to develop a physically based mathematical and numerical model of a heat engine, taking into account cyclic heating and cooling, thermomechanical hysteresis, the inertia of the mechanical system and electromechanical interaction with the generator, as well as to evaluate the energy characteristics of the power generation plant. A three-level approach to modelling is proposed, including an analytical quasi-static model for engineering estimates, a quasi-stationary moment balance model for determining steady states, and a complete dynamic system of differential equations that takes into account non-stationary heat transfer, phase kinetics, and inertial effects. Numerical integration was performed in Python using fourth- and fifth-order Runge–Kutta methods. The simulation results confirmed the adequacy of the proposed model and showed the formation of self-stabilised rotation modes and power saturation. It was found that simplified approaches provide a conservative estimate of energy performance, while the full dynamic model more accurately reproduces transient processes and real operating characteristics; the discrepancy between the models does not exceed 15–20%. The influence of the bilateral shape memory effect, which in the temperature range of 70–80 °C can increase electrical power by 20–30 %, was investigated. The expediency of partial immersion of SMA elements in the coolant to ensure stable cyclic heat exchange was demonstrated. The results obtained confirm the prospects of using SMA engines for the utilisation of low-potential heat and the creation of compact autonomous systems for small-scale electricity generation. References 20, figures 7. Роботу присвячено дослідженню процесів перетворення низькопотенційної теплової енергії в електричну з використанням твердотільного теплового двигуна на основі сплавів з пам’яттю форми (SMA). Актуальність тематики зумовлена значними втратами низькотемпературного тепла в промислових та енергетичних системах і необхідністю підвищення енергоефективності автономних джерел живлення. Як приводні елементи застосовано пружини зі сплаву NiTi, що реалізують оборотні аустенітно-мартенситні фазові перетворення та забезпечують безпосереднє перетворення теплової енергії в механічну роботу. Метою роботи є розроблення фізично обґрунтованої математичної моделі теплового двигуна з урахуванням циклічного нагрівання й охолодження, термомеханічного гістерезису, інерції механічної системи та електромеханічної взаємодії з генератором, а також оцінка енергетичних характеристик установки генерації електроенергії. Запропоновано трирівневий підхід до моделювання, що включає аналітичну квазістатичну модель для інженерних оцінок, квазістаціонарну модель балансу моментів задля визначення усталених режимів та повну динамічну систему диференціальних рівнянь, яка враховує нестаціонарний теплоперенос, фазову кінетику та інерційні ефекти. Результати моделювання підтвердили адекватність запропонованої моделі та показали формування самостабілізованих режимів обертання й насичення потужності. Встановлено, що спрощені підходи забезпечують консервативну оцінку енергетичних показників, тоді як повна динамічна модель більш точно відтворює перехідні процеси та реальні експлуатаційні характеристики; розбіжність між моделями не перевищує 15–20 %. Досліджено вплив двостороннього ефекту пам’яті форми, який у діапазоні температур 70–80 °C може підвищувати електричну потужність на 20–30 %. Отримані результати підтверджують перспективність використання SMA-двигунів задля утилізації низькопотенційного тепла та створення компактних автономних систем малої генерації електричної енергії. Бібл. 20, рис. 7. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2026-04-30 Article Article https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1823 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 3 (2026): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 079 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 3 (2026): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 079 2218-1903 1607-7970 Авторське право (c) 2026 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | сплави з пам’яттю форми тепловий двигун електрогенерація Козирський, В.В. Жильцов, А.В. Бунько, В.Я. ЕЛЕКТРОУСТАНОВКА З ТВЕРДОТІЛЬНИМ ТЕПЛОВИМ ДВИГУНОМ НА ОСНОВІ СПЛАВІВ З ПАМ’ЯТТЮ ФОРМИ ДЛЯ ГЕНЕРАЦІЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ З НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНИХ ДЖЕРЕЛ ТЕПЛА |
| title | ЕЛЕКТРОУСТАНОВКА З ТВЕРДОТІЛЬНИМ ТЕПЛОВИМ ДВИГУНОМ НА ОСНОВІ СПЛАВІВ З ПАМ’ЯТТЮ ФОРМИ ДЛЯ ГЕНЕРАЦІЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ З НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНИХ ДЖЕРЕЛ ТЕПЛА |
| title_alt | ELECTRICAL INSTALLATION WITH A SOLID-STATE THERMAL ENGINE BASED ON SHAPE MEMORY ALLOYS FOR GENERATING ELECTRICITY FROM LOW-POWER HEAT SOURCES |
| title_full | ЕЛЕКТРОУСТАНОВКА З ТВЕРДОТІЛЬНИМ ТЕПЛОВИМ ДВИГУНОМ НА ОСНОВІ СПЛАВІВ З ПАМ’ЯТТЮ ФОРМИ ДЛЯ ГЕНЕРАЦІЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ З НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНИХ ДЖЕРЕЛ ТЕПЛА |
| title_fullStr | ЕЛЕКТРОУСТАНОВКА З ТВЕРДОТІЛЬНИМ ТЕПЛОВИМ ДВИГУНОМ НА ОСНОВІ СПЛАВІВ З ПАМ’ЯТТЮ ФОРМИ ДЛЯ ГЕНЕРАЦІЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ З НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНИХ ДЖЕРЕЛ ТЕПЛА |
| title_full_unstemmed | ЕЛЕКТРОУСТАНОВКА З ТВЕРДОТІЛЬНИМ ТЕПЛОВИМ ДВИГУНОМ НА ОСНОВІ СПЛАВІВ З ПАМ’ЯТТЮ ФОРМИ ДЛЯ ГЕНЕРАЦІЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ З НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНИХ ДЖЕРЕЛ ТЕПЛА |
| title_short | ЕЛЕКТРОУСТАНОВКА З ТВЕРДОТІЛЬНИМ ТЕПЛОВИМ ДВИГУНОМ НА ОСНОВІ СПЛАВІВ З ПАМ’ЯТТЮ ФОРМИ ДЛЯ ГЕНЕРАЦІЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ З НИЗЬКОПОТЕНЦІЙНИХ ДЖЕРЕЛ ТЕПЛА |
| title_sort | електроустановка з твердотільним тепловим двигуном на основі сплавів з пам’яттю форми для генерації електричної енергії з низькопотенційних джерел тепла |
| topic | сплави з пам’яттю форми тепловий двигун електрогенерація |
| topic_facet | shape memory alloys heat engine electricity generation сплави з пам’яттю форми тепловий двигун електрогенерація |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1823 |
| work_keys_str_mv | AT kozirsʹkijvv electricalinstallationwithasolidstatethermalenginebasedonshapememoryalloysforgeneratingelectricityfromlowpowerheatsources AT žilʹcovav electricalinstallationwithasolidstatethermalenginebasedonshapememoryalloysforgeneratingelectricityfromlowpowerheatsources AT bunʹkovâ electricalinstallationwithasolidstatethermalenginebasedonshapememoryalloysforgeneratingelectricityfromlowpowerheatsources AT kozirsʹkijvv elektroustanovkaztverdotílʹnimteplovimdvigunomnaosnovísplavívzpamâttûformidlâgeneracííelektričnoíenergííznizʹkopotencíjnihdžereltepla AT žilʹcovav elektroustanovkaztverdotílʹnimteplovimdvigunomnaosnovísplavívzpamâttûformidlâgeneracííelektričnoíenergííznizʹkopotencíjnihdžereltepla AT bunʹkovâ elektroustanovkaztverdotílʹnimteplovimdvigunomnaosnovísplavívzpamâttûformidlâgeneracííelektričnoíenergííznizʹkopotencíjnihdžereltepla |