Vandaag gaan we het hebben over een type motor dat verschilt van de conventioneel gebruikte verbrandingsmotor. Voertuigen maken over het algemeen gebruik van motoren die worden aangedreven door de fossiele brandstoffen waarvan de efficiëntie meestal niet erg hoog is. In dit geval presenteren wij u de Stirlingmotor. Dit type motor biedt een aanzienlijk hoger rendement dan benzine- of dieselmotoren en is bovendien milieuvriendelijk.
In dit artikel zullen we de belangrijkste kenmerken van de Stirling-motor onderzoeken, hoe deze werkt en wat de belangrijkste voor- en nadelen zijn. We zullen ook dieper ingaan op enkele van de meest voorkomende toepassingen van deze motor, die een cruciale rol kunnen spelen in de energietransitie.
De Stirling-motor
De Stirlingmotor is een type externe verbrandingsmotor die gebruik maakt van de druk die wordt gegenereerd door een gas dat wordt verwarmd en gekoeld, in plaats van interne verbranding waarbij brandstoffen worden verbrand. Het is een uitvinding die dateert uit 1816, toen het werd ontworpen en gepatenteerd door de Schotse dominee Robert Stirling. Bedoeld als een veiliger alternatief voor de stoommachine die die tijd domineerde, bood de Stirling dankzij zijn eenvoudige constructie meer efficiëntie en veiligheid.
Hoewel het vanwege technische en economische beperkingen moeite had zich te vestigen in grootschalige toepassingen, blijft het in bepaalde sectoren zeer relevant, vooral vanwege zijn stille werking en het vermogen ervan om energie op te wekken uit verschillende bronnen, waaronder hernieuwbare energie.
Momenteel concentreert het gebruik ervan zich op onderzeeërs en elektriciteitsopwekking, vooral in zonne-energiecentrales, waar Stirling-motoren profiteren van de hitte van de zon om efficiënt energie op te wekken. In de volgende secties zullen we meer details over de werking en toepassingen ervan onderzoeken.
Stirlingmotorwerking
De Stirlingmotor volgt een thermodynamische cyclus die bekend staat als Stirling-cyclus, dat uit vier basisfasen bestaat: verwarming, expansie, koeling en compressie. In tegenstelling tot verbrandingsmotoren blijft bij de Stirlingmotor het gas opgesloten in het systeem, waardoor er geen vervuilende emissies, zoals kooldioxide of giftige gassen, vrijkomen. Dit maakt het vanuit ecologisch oogpunt een aantrekkelijke optie.
Belangrijkste werkingsprincipes: De Stirling-cyclus is gebaseerd op twee fundamentele principes:
- De druk in een gas neemt toe als de temperatuur ervan stijgt in een gesloten volume.
- De compressie van een gas met een constant volume verhoogt ook de temperatuur ervan.
Deze principes worden toegepast via twee kamers, een warme en een koude, die het werkgas bevatten (dat helium, waterstof, stikstof of zelfs lucht kan zijn). Het gas beweegt tussen beide kamers, wat variaties veroorzaakt in de druk die de zuigers aandrijft.
Het proces begint met het verwarmen van het gas in een hete cilinder. Bij verhitting zet het gas uit en duwt de zuiger naar beneden. Het hete gas wordt vervolgens overgebracht naar een koude kamer, waar het afkoelt en de druk afneemt, waardoor het opnieuw kan worden gecomprimeerd. Dit genereert de cyclische beweging van de zuigers en zet thermische energie om in mechanische energie die nuttig is voor het opwekken van elektriciteit of het verplaatsen van een voertuig.
Stirlingmotoronderdelen
De Stirlingmotor bestaat uit verschillende belangrijke onderdelen die samenwerken om de energieconversiecyclus uit te voeren:
- De verdringercilinder: Verantwoordelijk voor het verplaatsen van het gas tussen de warme en koude focus.
- Zuigerkracht: Omzetter van de thermische energie van gas in mechanische arbeid waarmee een machine kan worden verplaatst.
- De regenerator: Een warmtewisselaar die warmte uit het gas opneemt als het zich in de afkoelfase bevindt en deze teruggeeft als het gas weer wordt verwarmd. Dit helpt de cyclusefficiëntie te verbeteren.
- De brander of warmtebron: Levert de thermische energie die nodig is om het gas te verwarmen.
- Vliegwiel: Het fungeert als een stabilisator die een uniforme roterende beweging handhaaft, essentieel voor de continue werking van de motor.
- Krukas: Omzetter van de lineaire beweging van de zuiger in een roterende beweging.
In het volgende gedeelte zullen we elke fase van de bedrijfscyclus van de motor gedetailleerd beschrijven om te begrijpen hoe deze onderdelen samenwerken om mechanisch werk te genereren.
Stadia van de Stirlingmotorcyclus
De bedrijfscyclus van de Stirlingmotor bestaat uit de volgende vier fasen:
- Heetgasexpansie: Er wordt warmte toegepast op een deel van het gas in de hete cilinder, waardoor uitzetting ontstaat. Het hete gas duwt de zuiger naar beneden en voert mechanische werkzaamheden uit.
- Overbrengen naar koude cilinder: Het hete gas wordt overgebracht naar de koude cilinder, waar het snel wordt gekoeld.
- Koude gascompressie: Het koude gas wordt gecomprimeerd wanneer de zuiger omhoog gaat, waardoor een deel van de warmte wordt verwijderd die het tijdens de expansiefase heeft gewonnen.
- Terug naar warme cilinder: Het samengeperste gas keert terug naar de hete cilinder waar het proces wordt herhaald.
Voordelen van de Stirlingmotor
De Stirlingmotor heeft tal van voordelen ten opzichte van verbrandingsmotoren:
- Stille werking: Omdat er geen interne verbranding is, werkt de Stirlingmotor extreem stil, waardoor hij ideaal is voor geluidsgevoelige toepassingen zoals onderzeeërs of elektrische generatoren in stedelijke gebieden.
- Hoge efficiëntie: Dankzij het vermogen om te profiteren van meerdere externe warmtebronnen en het efficiënte ontwerp kunnen prestaties worden behaald die dicht bij de Carnot-cyclus liggen. In toepassingen zoals warmtekrachtkoppeling, deze efficiëntie is zeer waardevol.
- Flexibiliteit in warmtebronnen: De Stirlingmotor kan op allerlei warmtebronnen draaien, van fossiele brandstoffen tot volledig schone energie zoals zonne-energie.
- Lage milieu-impact: Doordat het gas afgesloten is, stoot het geen vervuilende gassen uit, waardoor het een zeer ecologische optie is.
- Minder onderhoud: Dankzij het eenvoudige ontwerp en het ontbreken van interne explosies heeft de Stirlingmotor relatief weinig onderhoud nodig in vergelijking met traditionele verbrandingstechnologieën.
- Lange levensduur: Het robuuste ontwerp en de eenvoud van het systeem zorgen ervoor dat Stirling-motoren een langere levensduur hebben, waardoor ze van grote waarde zijn bij langdurige toepassingen.
- veelzijdigheid: Van onderzeeërs tot zonne-energiegeneratoren en warmtekrachtkoppelingssystemen: de Stirlingmotor heeft een breed scala aan toepassingen, waardoor het een nuttig hulpmiddel is voor meerdere industrieën.
Nadelen van de Stirlingmotor
Ondanks de vele voordelen heeft de Stirlingmotor ook enkele nadelen die de massale acceptatie ervan hebben vertraagd:
- Hoge initiële kosten: De constructie van een Stirlingmotor, met zijn warmtewisselaars en specifieke materialen om druk en temperatuur te weerstaan, is duur, wat de concurrentiepositie ten opzichte van andere technologieën beperkt.
- Gebrek aan populariteit: Hoewel de kenmerken ervan indrukwekkend zijn, vormde het gebrek aan algemene kennis over de Stirlingmotor een obstakel voor de grootschalige toepassing ervan.
- Afdichtingsproblemen: Het conserveren van werkgas kan ingewikkeld zijn, vooral bij motoren die onder hoge druk werken, wat hun prestaties en duurzaamheid beïnvloedt.
- Grootte en gewicht: Stirlingmotoren zijn doorgaans omvangrijker vergeleken met verbrandingsmotoren met een vergelijkbaar vermogen vanwege de behoefte aan grotere warmtewisselaars.
- Beperkte responstijd: Hoewel efficiënt voor toepassingen met constant vermogen, is de Stirlingmotor niet geschikt voor systemen die snelle vermogensveranderingen vereisen, zoals bij voertuigen.
Stirlingmotor-toepassingen
De Stirlingmotor heeft toepassingen gevonden op verschillende belangrijke gebieden. Een van de meest opvallende zijn:
- Opwekking van zonne-energie: In zonnige gebieden kan de Stirling-motor geconcentreerde zonne-energie gebruiken om met een hoog rendement elektriciteit op te wekken. Experimentele installaties hebben aangetoond dat deze technologie zeer concurrerend kan zijn in vergelijking met andere hernieuwbare energiebronnen.
- Onderzeese voortstuwing: Vanwege zijn stille werking en de afwezigheid van lucht voor verbranding, wordt de Stirling-motor in onderzeeërs gebruikt voor lange onderwatermissies.
- Water pompen: In plattelandsgebieden, waar een gebrek aan elektriciteit een probleem kan zijn, wordt de Stirling-motor gebruikt voor het pompen van water dankzij zijn vermogen om op biomassa of gewasresten als warmtebron te draaien.
- Industriële toepassingen: Er wordt ook geëxperimenteerd met de Stirlingmotor in industriële toepassingen als hulpstroomgeneratoren in industriële installaties die kunnen profiteren van restwarmte van industriële processen.
- Koeling: Door de thermodynamische cyclus om te keren, kunnen Stirling-motoren worden gebruikt voor cryogene koeling, waarbij zeer lage temperaturen worden bereikt.
De Stirlingmotor valt op door zijn veelzijdigheid en hoge efficiëntie in gespecialiseerde toepassingen die een constante werking en lage emissies vereisen. Ondanks de beperkingen is het een technologie met een groot potentieel voor de toekomst, vooral als het gaat om het verkleinen van de CO2-voetafdruk en de integratie met hernieuwbare energiebronnen.