Stirlingův cyklus - Využití Stirlingova motoru v praxi

Stirlingův motor - řez

Stirlingův motor se točí, protože v něm cyklicky stoupá a klesá tlak pracovního plynu podle toho, do které části (horké nebo studené) je plyn nahnán přeháněčem. Na tyto změny tlaku reaguje pracovní píst.  Teplo, které dodáme pracovnímu plynu v horkém konci, aby se rozpínal musíme v další fázi pracovního cyklu ve studeném konci zase odebrat, aby se pracovní plyn zase smrštil.

Důležitou součástí je generátor. Jde o je kus velmi pórézního materiálu s velkou tepelnou kapacitou, který je umístěn uvnitř Stirlingova motoru tak, aby pracovní plyn hnaný přeháněčem z jedné části motoru do druhé musel proudit právě přes tento regenerátor. Teplo, které plyn vyměňuje s regenerátorem neopouští pracovní cyklus motoru a je znovu dále využíváno. Regenerátor šetří potřebné teplo, proto se také této části Stirlingova motoru říká „ekonomizér“.


1. Stirlingův cyklus

Pracovní válec obsahující píst A je napojený na klikovou hřídel, ke které je v posunu 90° připojen druhý píst B. Tento druhý píst se nachází ve válci, který je na svém konci zahříván a v druhé polovině je na něm přiloženo chladící žebroví.

Píst B nedoléhá těsně ke stěnám válce, ve kterém se nachází, což umožňuje pohyb plynu. Funkcí tohoto pístu B je střídavé přečerpávání pracovního plynu z místa ohřevu do místa chlazení a naopak, což je umožněno právě spárou mezi pístem B a jeho válcem. Pokud se píst B nachází v části válce, která je chlazená, valná část pracovního plynu se pak nachází v části válce, který je zahříván.

V důsledku zahřátí plynu dochází k jeho rozpínání a tedy růstu tlaku. Protože válec pístu B je spojen s válcem pístu A, vzniklý tlak plynu se tak na něj přenáší a pístem A pohne, což v důsledku a díky posunu připojení ojnic obou pístů na hřídel o 90°, posune píst B do části, která je zahřívaná a valná část plynu se tak přesune do části, která je chlazená a zde se plyn ochlazuje, což způsobí pokles tlaku a pracovní píst A se vrací do původní polohy a celý cyklus se opakuje.


Stirlingův cyklus

1. Přeháněč nažene studený plyn do horkého konce. Zde se plyn ohřeje a rozpíná se. Tlak plynu v motoru se zvýší a působí na pracovní píst. Ten se začne pohybovat.

2. Během pohybu pracovního pístu se ze začne pohybovat přeháněč a žene plyn do studeného konce přes regenerátor. Horký plyn odevzdá část tepla regenerátoru a částečně ochlazený pokračuje do studeného konce.

3. Teplo v regenerátoru zůstává „uskladněno“, plyn se dále ochladí ve studeném konci a smršťuje se. Tlak v motoru klesá. Pracovní píst se vrací.

4. Opět se začne pohybovat přeháněč a žene plyn do horkého konce přes regenerátor. Studený plyn bude přijímat od teplého regenerátoru  předtím uskladněné teplo. Částečně se ohřeje a pokračuje do horkého konce












2. Stirlingův motor

Stirlingův motor využívá horké spaliny kotle. Pracovní plyn (dusík, helium) uzavřený v motoru se zahřátím rozpíná, tlačí na píst a vyvolává přes klikovou hřídel otáčivý pohyb. Prostřednictvím generátoru je tímto pohybem získáván elektrický proud. V zásadě jde o přeměnu tepelné energie na kinetickou a této kinetické energie na energii elektrickou.

Důležitou součástí motoru je vhodné pracovní medium. To by mělo splňovat několik základních vlastností. Jedná se o plyn, který musí být dobře tepelně vodivý. To zaručí dobré přestupy tepla od spodní desky do plynu a z plynu do vrchní desky. Dalším faktorem je tepelná roztažnost neboli jak hodně se změní objem plynu při změně teploty. Velmi dobrou tepelnou roztažnost má vodík a helium. Z bezpečnostních důvodů se v motorech používá spíše helium. Výkon motoru je také závislý na množství pracovní látky uzavřené v motoru. Proto se staví tzv. přetlakové motory, v kterých je pracovní medium pod vysokým tlakem.

Výhody

Největší výhodou motoru je to, že může pracovat s nejrůznějšími zdroji vnější tepelné energie (geotermální, solární, fosilní paliva, biomasa).

Externí spalování chrání vnitřní součásti Stirlingova motoru proti kontaminaci spalinami a nedochází tak k jejich nadměrnému opotřebení. Stirlingův motor je proto téměř bezúdržbový, má velmi dlouhou životnost a několikanásobně delší servisní interval než konvenční typy motorů.

Při vhodné volbě paliva je velice ekologický. V porovnání s konvenčními plynovými motory jsou u Stirlingova motoru hodnoty emisí CO a NOx zcela minimální a dalece předbíhají i ty nejpřísnější současné limity. Uhlovodíky nejsou u Stirlingova motoru produkovány téměř žádné.

Stirlingův motor je díky externímu spalování velice nenáročný na kvalitu paliva. Je tolerantní k nečistotám, vlhkosti i velmi nízkému obsahu metanu, což umožňuje spalování bioplynu nebo skládkového plynu přímo z fermentační nádrže bez nutnosti dodatečného čištění.

Dalšími výhodami jsou tichý chod a stabilita.

Stirlingův motor Cleanergy V161

Stirlingův motor Cleanergy V161 je nejvíce a nejdéle nezávisle testovaným motorem svého druhu. Motor používaný dnes, vychází z původního švédského technického designu a je výsledkem více než 20-ti letého vývoje. Nezávislé testy ve Francii, Španělsku, Spojených státech a Rusku prokázaly, že účinnost i životnost motoru jsou na světové úrovni. Motor byl rovněž podroben řadě různých zkoušek týkajících se bezpečnosti provozu a úrovně emisí a vedle několika certifikátů získal vysoce prestižní ocenění Modrý anděl.

3. Využití Stirlingova motoru v praxi 

V současné době je Stirlingův motor mimo jiné využíván při kombinované výrobě tepla a elektrické energie - při tzv. kogeneraci nebo mikrokogeneraci.

Stirlingův motor využívá horké spaliny kotle. Pracovní plyn (dusík, helium) uzavřený v motoru se zahřátím rozpíná, tlačí na píst a vyvolává přes klikovou hřídel otáčivý pohyb. Prostřednictvím generátoru je tímto pohybem získáván elektrický proud. V zásadě jde o přeměnu tepelné energie na kinetickou a této kinetické energie na energii elektrickou.

Ideální pro kogenerační jednotky – chladící vodu lze použít k vytápění v ÚT


Mikrokogenerační jednotky se Stirlingovým motorem

Mikrokogenerační jednotky patří mezi decentrální zdroje energie. To znamená, že výroba elektřiny a tepla probíhá v blízkosti jejich spotřeby. Tím odpadají ztráty způsobené přenosem a distribucí elektřiny. Elektřina z mikrokogenerační jednotky se používá pro vlastní spotřebu objektu, v němž je jednotka umístěna nebo je možné ji dodávat do sítě. Teplo z kogenerační jednotky se využívá k vytápění a přípravě teplé užitkové vody.  Kogenerační jednotka zde může sloužit také jako nouzový zdroj elektrické energie

Mikrokogenerační jednotka WhisperGen

Výkon jednotky: 1000 W elektrických, 7,5 až 14,5 kW tepelných
Přídavný hořák pro pokrytí špičkového zatížení: až 14,5 kWtep

Mikrokogenerační jednotka WhisperGen

WhisperGen je kompaktní a tiché zařízení určené pro společnou výrobu elektřiny a tepla v rodinných domech, bytech, kancelářích a menších provozovnách.

Jedinečný topný systém se Stirlingovým motorem v sobě kombinuje funkci plynového kotle a domácí elektrárny, takže společně s ohřevem topné a teplé užitkové vody vyrábí vždy také elektřinu.

Využití takto vyrobené elektřiny pro vlastní spotřebu spolu s prodejem případných přebytků do distribuční soustavy vede k citelnému snížení nákladů na nákup elektřiny od dodavatele.

Více informací naleznete zde.





 Mikrokogenerační jednotka Cleanergy

Výkon jednotky: 2-9 kW elektrických, 8-26 kW tepelných

Mikrokogenerační jednotka Cleanergy

Mikrokogenerační jednotka Cleanergy je moderní sofistikované zařízení určené pro společnou výrobu tepla a elektrické energie v bytových domech, administrativních budovách, ubytovacích zařízeních, nemocnicích, obchodních prostorách i průmyslových objektech.

Více informací naleznete zde.








Související články:

Mikrokogenerace – Moderní technologie budoucnosti, která navíc může generovat zisk

Stirlingův motor – historie, princip a jeho využití při kogeneraci

Co je to mikrokogenerace 

Kogenerace, mikrokogenerace - kombinovaná výroba tepla a elektrické energie