Dzisiaj porozmawiamy o typie silnika różniącym się od konwencjonalnie stosowanego silnika spalinowego. Pojazdy zazwyczaj korzystają z silników napędzanych przez paliwa kopalne których skuteczność zwykle nie jest zbyt wysoka. W tym przypadku przedstawiamy Państwu silnik Stirlinga. Silnik tego typu oferuje znacznie większą wydajność niż silniki benzynowe czy wysokoprężne, a przy tym jest przyjazny dla środowiska.
W tym artykule zbadamy główne cechy silnika Stirlinga, jak on działa oraz jakie są jego główne zalety i wady. Zagłębimy się także w niektóre z najczęstszych zastosowań tego silnika, który może odegrać kluczową rolę w transformacji energetycznej.
Silnik Stirlinga
Silnik Stirlinga to rodzaj silnika spalinowego, który wykorzystuje ciśnienie wytwarzane przez podgrzewany i chłodzony gaz zamiast spalania wewnętrznego, podczas którego spalane jest paliwo. Jest to wynalazek, którego początki sięgają 1816 roku, kiedy to został zaprojektowany i opatentowany przez szkockiego wielebnego Roberta Stirlinga. Zaprojektowany jako bezpieczniejsza alternatywa dla dominującej wówczas maszyny parowej, Stirling zapewniał większą wydajność i bezpieczeństwo dzięki swojej prostej konstrukcji.
Chociaż miał trudności z zadomowieniem się w zastosowaniach na dużą skalę ze względu na ograniczenia techniczne i ekonomiczne, pozostaje bardzo istotny w niektórych sektorach, głównie ze względu na swoje cicha praca i jego zdolność do wytwarzania energii z różnych źródeł, w tym energii odnawialnej.
Obecnie jego zastosowanie skupia się na okręty podwodne i generowanie elektryczności, szczególnie w elektrowniach słonecznych, w których silniki Stirlinga wykorzystują ciepło słoneczne do wydajnego wytwarzania energii. W kolejnych rozdziałach poznamy więcej szczegółów na temat jego działania i zastosowań.
Praca silnika Stirlinga
Silnik Stirlinga działa zgodnie z cyklem termodynamicznym znanym jako Cykl Stirlinga, który składa się z czterech podstawowych faz: ogrzewania, rozprężania, chłodzenia i sprężania. W przeciwieństwie do silników spalinowych, w silniku Stirlinga gaz pozostaje zamknięty w układzie, co oznacza, że nie wydzielają się żadne zanieczyszczenia, takie jak dwutlenek węgla czy toksyczne gazy. Czyni to opcję atrakcyjną z ekologicznego punktu widzenia.
Kluczowe zasady działania: Cykl Stirlinga opiera się na dwóch podstawowych zasadach:
- Ciśnienie wewnątrz gazu wzrasta wraz ze wzrostem jego temperatury w zamkniętej objętości.
- Sprężanie gazu przy stałej objętości również podnosi jego temperaturę.
Zasady te stosowane są w dwóch komorach, jednej gorącej i jednej zimnej, w których znajduje się gaz roboczy (którym może być hel, wodór, azot, a nawet powietrze). Gaz przepływa pomiędzy obiema komorami, co powoduje zmiany ciśnienia napędzającego tłoki.
Proces rozpoczyna się od podgrzania gazu w gorącej butli. Po podgrzaniu gaz rozszerza się i popycha tłok w dół. Gorący gaz jest następnie kierowany do zimnej komory, gdzie ulega ochłodzeniu, a jego ciśnienie spada, umożliwiając jego ponowne sprężenie. Generuje to cykliczny ruch tłoków i przekształca energię cieplną w energię mechaniczną przydatną do wytwarzania energii elektrycznej lub poruszania pojazdem.
Części silnika Stirlinga
Silnik Stirlinga składa się z kilku kluczowych części, które współpracują ze sobą w celu przeprowadzenia cyklu konwersji energii:
- Cylinder wyporowy: Odpowiedzialny za przemieszczanie gazu pomiędzy gorącym i zimnym ogniskiem.
- Moc tłoka: Przetwornik energii cieplnej gazu na pracę mechaniczną, którą można wykorzystać do poruszenia maszyny.
- Regenerator: Wymiennik ciepła, który pochłania ciepło z gazu w fazie chłodzenia i oddaje je po ponownym podgrzaniu gazu. Pomaga to poprawić efektywność cyklu.
- Palnik lub źródło ciepła: Zapewnia energię cieplną niezbędną do ogrzania gazu.
- Koło zamachowe: Pełni funkcję stabilizatora utrzymującego równomierny ruch obrotowy, niezbędny do ciągłej pracy silnika.
- Wał korbowy: Przetwornik ruchu liniowego tłoka na ruch obrotowy.
W następnej sekcji szczegółowo omówimy każdą fazę cyklu pracy silnika, aby zrozumieć, w jaki sposób te części współpracują w celu wygenerowania pracy mechanicznej.
Etapy cyklu silnika Stirlinga
Cykl pracy silnika Stirlinga składa się z czterech faz:
- Rozprężanie gorącego gazu: Ciepło jest doprowadzane do części gazu w gorącym cylindrze, powodując ekspansję. Gorący gaz popycha tłok w dół, wykonując pracę mechaniczną.
- Przenieść do zimnego cylindra: Gorący gaz kierowany jest do zimnego cylindra, gdzie jest szybko schładzany.
- Sprężanie zimnego gazu: Zimny gaz jest sprężany, gdy tłok unosi się, usuwając część ciepła uzyskanego w fazie rozprężania.
- Powrót do gorącego cylindra: Sprężony gaz wraca do gorącego cylindra, gdzie proces się powtarza.
Zalety silnika Stirlinga
Silnik Stirlinga ma wiele zalet w porównaniu z silnikami spalinowymi:
- Cicha praca: Ponieważ nie ma spalania wewnętrznego, silnik Stirlinga pracuje wyjątkowo cicho, co czyni go idealnym do zastosowań wrażliwych na hałas, takich jak łodzie podwodne lub generatory elektryczne na obszarach miejskich.
- Wysoka wydajność: Możliwość wykorzystania wielu zewnętrznych źródeł ciepła i wydajna konstrukcja pozwalają na osiągnięcie wydajności zbliżonej do cyklu Carnota. W zastosowaniach takich jak kogeneracja, ta skuteczność jest bardzo cenna.
- Elastyczność w zakresie źródeł ciepła: Silnik Stirlinga może działać na różnych źródłach ciepła, od paliw kopalnych po całkowicie czystą energię, taką jak energia słoneczna.
- Niski wpływ na środowisko: Szczelność gazu powoduje, że nie emituje gazów zanieczyszczających środowisko, co czyni go rozwiązaniem bardzo ekologicznym.
- Zredukowana konserwacja: Dzięki prostej konstrukcji i brakowi wewnętrznych wybuchów silnik Stirlinga wymaga stosunkowo niewielkiej konserwacji w porównaniu z tradycyjnymi technologiami spalania wewnętrznego.
- Długi okres użytkowania: Solidna konstrukcja i prostota systemu pozwala na dłuższą żywotność silników Stirlinga, co zapewnia im dużą wartość w zastosowaniach długoterminowych.
- Wszechstronność: Od łodzi podwodnych, przez generatory energii słonecznej, po systemy kogeneracyjne – silnik Stirlinga ma szeroki zakres zastosowań, co czyni go użytecznym narzędziem dla wielu gałęzi przemysłu.
Wady silnika Stirlinga
Pomimo wielu zalet silnik Stirlinga ma również pewne wady, które spowalniają jego masowe przyjęcie:
- Wysoki koszt początkowy: Budowa silnika Stirlinga wraz z wymiennikami ciepła i specjalnymi materiałami wytrzymującymi ciśnienie i temperaturę jest kosztowna, co ogranicza jego konkurencyjność w stosunku do innych technologii.
- Brak popularności: Chociaż jego funkcje są imponujące, brak ogólnej wiedzy na temat silnika Stirlinga stanowi przeszkodę w jego zastosowaniu na szeroką skalę.
- Problemy z uszczelnieniem: Konserwacja gazu roboczego może być skomplikowana, zwłaszcza w silnikach pracujących pod wysokim ciśnieniem, co wpływa na ich osiągi i trwałość.
- Rozmiar i waga: Silniki Stirlinga są zazwyczaj większe w porównaniu z silnikami spalinowymi o podobnej mocy ze względu na potrzebę stosowania większych wymienników ciepła.
- Ograniczony czas reakcji: Chociaż silnik Stirlinga jest wydajny w zastosowaniach o stałej mocy, nie nadaje się do systemów wymagających szybkich zmian mocy, takich jak pojazdy.
Zastosowania silnika Stirlinga
Silnik Stirlinga znalazł zastosowanie w kilku kluczowych obszarach. Do najbardziej godnych uwagi należą:
- Wytwarzanie energii słonecznej: Na obszarach nasłonecznionych silnik Stirlinga może wykorzystywać skoncentrowaną energię słoneczną do wytwarzania energii elektrycznej z dużą wydajnością. Zakłady doświadczalne wykazały, że technologia ta może być wysoce konkurencyjna w porównaniu z innymi odnawialnymi źródłami energii.
- Napęd łodzi podwodnej: Ze względu na cichą pracę i brak powietrza do spalania, silnik Stirlinga był używany w okrętach podwodnych do długich misji podwodnych.
- Pompowanie wody: Na obszarach wiejskich, gdzie brak prądu może stanowić problem, do pompowania wody wykorzystuje się silnik Stirlinga ze względu na jego zdolność do zasilania biomasą lub resztkami pożniwnymi jako źródłem ciepła.
- Zastosowania przemysłowe: Silnik Stirlinga jest również eksperymentowany w zastosowaniach przemysłowych jako pomocnicze generatory prądu w zakładach przemysłowych, które mogą wykorzystywać ciepło odpadowe z procesów przemysłowych.
- Chłodzenie: Odwracając cykl termodynamiczny, silniki Stirlinga można wykorzystać do chłodzenia kriogenicznego, osiągając bardzo niskie temperatury.
Silnik Stirlinga wyróżnia się wszechstronnością i wysoką wydajnością w specjalistycznych zastosowaniach, które wymagają ciągłej pracy i niskiej emisji. Pomimo swoich ograniczeń jest to technologia o ogromnym potencjale na przyszłość, zwłaszcza w zakresie ograniczenia śladu węglowego i integracji z odnawialnymi źródłami energii.