I dag skal vi snakke om en type motor som er forskjellig fra den konvensjonelt brukte forbrenningsmotoren. Kjøretøyer bruker vanligvis motorer drevet av fossilt brensel hvis effektivitet vanligvis ikke er veldig høy. I dette tilfellet presenterer vi for deg Stirling-motoren. Denne typen motor gir betydelig større effektivitet enn bensin- eller dieselmotorer og er også miljøvennlig.
I denne artikkelen vil vi utforske hovedtrekkene til Stirling-motoren, hvordan den fungerer og hva dens viktigste fordeler og ulemper er. Vi skal også fordype oss i noen av de vanligste bruksområdene til denne motoren, som kan spille en avgjørende rolle i energiomstillingen.
Stirling-motoren
Stirling-motoren er en type ekstern forbrenningsmotor som bruker trykket som genereres av en gass som varmes opp og avkjøles, i stedet for intern forbrenning der drivstoff brennes. Det er en oppfinnelse som dateres tilbake til 1816, da den ble designet og patentert av den skotske pastoren Robert Stirling. Ment som et sikrere alternativ til dampmaskinen som dominerte tiden, tilbød Stirling større effektivitet og sikkerhet takket være sin enkle konstruksjon.
Selv om det hadde vanskeligheter med å etablere seg i store applikasjoner på grunn av tekniske og økonomiske begrensninger, er det fortsatt svært relevant i visse sektorer, hovedsakelig på grunn av dets stille drift og dens evne til å generere energi fra ulike kilder, inkludert fornybar energi.
For tiden fokuserer bruken på ubåter og Elektrisitetsproduksjon, spesielt i solcelleanlegg, der Stirling-motorer utnytter solens varme for å generere energi effektivt. I de neste delene vil vi utforske flere detaljer om driften og applikasjonene.
Drift av stirlingmotor
Stirling-motoren følger en termodynamisk syklus kjent som Stirling syklus, som består av fire grunnfaser: oppvarming, ekspansjon, kjøling og kompresjon. I motsetning til forbrenningsmotorer, i Stirling-motoren, forblir gassen forseglet i systemet, noe som betyr at ingen forurensende utslipp, som karbondioksid eller giftige gasser, frigjøres. Dette gjør det til et attraktivt alternativ fra et økologisk synspunkt.
Viktige driftsprinsipper: Stirling-syklusen er basert på to grunnleggende prinsipper:
- Trykket inne i en gass øker når temperaturen stiger i et lukket volum.
- Komprimering av en gass ved et konstant volum øker også temperaturen.
Disse prinsippene brukes gjennom to kamre, ett varmt og et kaldt, som inneholder arbeidsgassen (som kan være helium, hydrogen, nitrogen eller til og med luft). Gassen beveger seg mellom begge kamrene, noe som forårsaker variasjoner i trykket som driver stemplene.
Prosessen starter med å varme opp gassen i en varm sylinder. Ved oppvarming utvider gassen seg og skyver stemplet ned. Den varme gassen blir deretter overført til et kaldt kammer, hvor den avkjøles og trykket reduseres slik at den kan komprimeres igjen. Dette genererer den sykliske bevegelsen til stemplene og konverterer termisk energi til mekanisk energi nyttig for å generere elektrisitet eller flytte et kjøretøy.
Stirling motordeler
Stirling-motoren består av flere nøkkeldeler som fungerer sammen for å utføre energikonverteringssyklusen:
- Forskyvningssylinderen: Ansvarlig for å flytte gassen mellom varmt og kaldt fokus.
- Stempelkraft: Omformer av den termiske energien til gass til mekanisk arbeid som kan brukes til å flytte en maskin.
- Regeneratoren: En varmeveksler som tar opp varme fra gassen når den er i avkjølingsfasen og returnerer den når gassen varmes opp igjen. Dette bidrar til å forbedre sykluseffektiviteten.
- Brenneren eller varmekilden: Gir den termiske energien som er nødvendig for å varme opp gassen.
- Svinghjul: Den fungerer som en stabilisator som opprettholder en jevn roterende bevegelse, avgjørende for kontinuerlig drift av motoren.
- Veivaksel: Konverter den lineære bevegelsen til stempelet til en roterende bevegelse.
I neste avsnitt vil vi detaljere hver fase av motorens driftssyklus for å forstå hvordan disse delene samarbeider for å generere mekanisk arbeid.
Stadier av Stirling-motorsyklusen
Stirling-motorens driftssyklus består av følgende fire faser:
- Ekspansjon av varm gass: Varme påføres en del av gassen i den varme sylinderen, noe som forårsaker ekspansjon. Den varme gassen presser stemplet ned og utfører mekanisk arbeid.
- Overfør til kald sylinder: Den varme gassen overføres til den kalde sylinderen, hvor den raskt avkjøles.
- Kaldgasskompresjon: Den kalde gassen komprimeres når stempelet stiger, og fjerner noe av varmen den har fått under ekspansjonsfasen.
- Gå tilbake til varm sylinder: Den komprimerte gassen går tilbake til den varme sylinderen hvor prosessen gjentas.
Fordeler med Stirling-motoren
Stirling-motoren har mange fordeler i forhold til forbrenningsmotorer:
- Stillegående drift: Siden det ikke er noen intern forbrenning, fungerer Stirling-motoren ekstremt stillegående, noe som gjør den ideell for støyfølsomme bruksområder som ubåter eller elektriske generatorer i urbane områder.
- Høy effektivitet: Dens evne til å dra nytte av flere eksterne varmekilder og dens effektive design gjør at den kan oppnå ytelse nær Carnot-syklusen. I applikasjoner som f.eks kraftvarmeproduksjon, denne effektiviteten er svært verdifull.
- Fleksibilitet i varmekilder: Stirling-motoren kan kjøre på en rekke varmekilder, fra fossilt brensel til helt ren energi som solenergi.
- Lav miljøpåvirkning: At gassen er forseglet betyr at den ikke avgir forurensende gasser, noe som gjør den til et svært økologisk alternativ.
- Redusert vedlikehold: Takket være sin enkle design og mangel på interne eksplosjoner krever Stirling-motoren relativt lite vedlikehold sammenlignet med tradisjonelle forbrenningsteknologier.
- Lang levetid: Den robuste designen og enkelheten til systemet gjør at Stirling-motorer har lengre levetid, noe som gir dem stor verdi i langsiktige bruksområder.
- allsidighet: Fra ubåter, til solenergigeneratorer, til kraftvarmesystemer, har Stirling-motoren et bredt spekter av bruksområder, noe som gjør den til et nyttig verktøy for flere bransjer.
Ulemper med Stirling-motoren
Til tross for sine mange fordeler, har Stirling-motoren også noen ulemper som har bremset masseadopsjonen:
- Høy startkostnad: Konstruksjonen av en Stirling-motor, med sine varmevekslere og spesifikke materialer for å tåle trykk og temperatur, er kostbar, noe som begrenser konkurranseevnen i forhold til andre teknologier.
- Mangel på popularitet: Selv om funksjonene er imponerende, har mangelen på generell kunnskap om Stirling-motoren vært en hindring for dens omfattende bruk.
- Forseglingsproblemer: Bevaring av arbeidsgass kan være komplisert, spesielt i motorer som opererer ved høyt trykk, noe som påvirker ytelsen og holdbarheten.
- Størrelse og vekt: Stirling-motorer er vanligvis bulkere sammenlignet med forbrenningsmotorer med tilsvarende effekt på grunn av behovet for større varmevekslere.
- Begrenset responstid: Selv om den er effektiv for bruk med konstant kraft, er Stirling-motoren ikke egnet for systemer som krever raske endringer i kraft, for eksempel kjøretøy.
Stirling-motorapplikasjoner
Stirling-motoren har funnet applikasjoner på flere nøkkelområder. Blant de mest bemerkelsesverdige er:
- Generering av solenergi: I solrike områder kan Stirling-motoren bruke konsentrert solenergi til å generere elektrisitet med høy effektivitet. Forsøksanlegg har vist at denne teknologien kan være svært konkurransedyktig sammenlignet med andre fornybare energikilder.
- Ubåtfremdrift: På grunn av sin stille drift og fraværet av luft for forbrenning, har Stirling-motoren blitt brukt i ubåter for lange undervannsoppdrag.
- Vannpumping: I landlige områder, hvor mangel på elektrisitet kan være et problem, har Stirling-motoren blitt brukt til å pumpe vann takket være dens evne til å kjøre på biomasse eller avlingsrester som varmekilde.
- Industrielle bruksområder: Stirling-motoren blir også eksperimentert med i industrielle applikasjoner som hjelpekraftgeneratorer i industrianlegg som kan dra nytte av spillvarme fra industrielle prosesser.
- Kjøling: Ved å reversere den termodynamiske syklusen, kan Stirling-motorer brukes til kryogen kjøling, og når svært lave temperaturer.
Stirling-motoren skiller seg ut for sin allsidighet og høye effektivitet i spesialiserte bruksområder som krever konstant drift og lave utslipp. Til tross for sine begrensninger er det en teknologi med stort potensiale for fremtiden, spesielt med tanke på å redusere karbonavtrykket og integrere med fornybare energikilder.