Stirlingov motor

Stirlingov motor je piestový tepelný stroj, v ktorom sa energia pre pracovný cyklus privádza prestupom tepla z vonkajšieho zdroja. Vo väčšine prípadov sa teplo získava spaľovaním, ide o motor s vonkajším spaľovaním

História

Bratia Róbert a James Stirlingovci zostrojili v roku 1816 tepelný stroj, ktorý bol (je) bezpečný, jednoduchý a najmä hospodárny. V tom čase bol využívaný predovšetkým na odčerpávanie vody z baní. Účinnosť Stirlingovho motora bola vtedy porovnateľná s účinnosťou parného stroja, ide o druhý stroj v histórii, ktorý mení tepelnú energiu na mechanickú. Na prelome devätnásteho a dvadsiateho storočia, keď hlavné požiadavky na motor boli výkon, jeho regulovateľnosť a rýchly nábeh, podľahol Stirlingov motor mohutnému tlaku spaľovacích motorov s vnútorným spaľovaním (zážihový motor a vznetový motor) – ktorý vlastne trvá až dodnes.
Až v ostatných rokoch sa začali využívať nové pracovné látky (napr. hélium…), druhy tesnení, zdokonalené typy výmenníkov tepla a poznatky v oblasti prúdenia, až do takej miery, že Stirlingov motor začalo byť výhodné používať opäť – ako napr. súčasť kogeneračných zariadení – a je ho možné vo všeobecnosti nazvať ekologickým motorom 21. storočia.

Princíp funkcie

Piest (3) sa nachádza v dolnej úvrati. Na začiatku je všetka pracovná látka – plyn – pri nízkej teplote a tlaku v hornej časti valca (2) (Obr. č. 1a). Piest sa posunie smerom nahor – do hornej úvrate, vytlačí pracovný plyn, ktorý voľne obtečie okolo piesta, do dolnej časti (4). Dolná („teplá“) časť motora je ohrievaná vonkajším zdrojom tepla. Teplota plynu vo vnútri valca vzrastie – plyn zväčší svoj objem, čo je sprevádzané zväčšením tlaku plynu vo valci (4) (Obr. č. 1b). V ďalšej fáze sa piest opäť presunie do dolnej úvrate, horúci plyn sa presunie do hornej časti, ktorá je nepretržite ochladzovaná, plyn sa ochladí, zmenší objem – a tlak a teplota v sústave klesne.
V reálnom zariadení namiesto U – trubice sa nachádza pracovný (tesný) piest (1), ktorý sa pohybuje vo svojom pracovnom valci vplyvom zmeny tlaku pracovného plynu. Pohyby piestov sú navzájom prepojené mechanizmom (obr. č. 2). Piest (3) sa presunie do dolnej úvrate a horúci plyn je ním vytlačený do hornej časti (2) valca, pracovný piest v dôsledku zmeny tlaku (zväčšenie) sa posunie do dolnej úvrate. V ďalšom cykle dôjde k odobratiu tepla (Q2) z valca a poklesu tlaku vo valci. V dôsledku podtlaku je pracovný piest (1) posúvaný k hornej úvrati. Súčasne sa piest (3) presúva do hornej úvrate a z priestoru (2) vytláča pracovný plyn do dolnej časti (4).

Použitie v kogenerácii

Je možné zostrojiť motor o relatívne malom výkone – iba niekoľko wattov (demonštračné funkčné zariadenie, kde rozdiel teplôt, ktorý uvedie motor do pohybu je niekoľko stupňov Celzia – rádove (5-6) °C – ale to je krajný extrém), čo ponúka určité možnosti nasadenia práve Stirlingového motora v tzv. mikrokogenerácii t. j. tam, kde je síce potreba elektrickej energie, ale pri splnení požiadavky 6000 prevádzkových hodín, nie je možné použiť z dôvodu nízkej trvalej potreby elektrickej energie bežné kogeneračné jednotky – na báze spaľovania zemného plynu, ktoré sa vyrábajú až od výkonu 5-6 kWel, čo predstavuje výkon, ktorý nie je možné využiť počas roka.
Príklad: Bežný rodinný dom – bez bazénov, klimatizácie…, byt v čase neprítomnosti obyvateľov počas dňa, má trvalú potrebu el. energie veľmi nízku. V prevádzke je malý počet zariadení, ktoré pre svoju prevádzku potrebujú neustále byť pripojené na el. sieť – chladnička, mraznička, zariadenia v tzv. spiacom režime…, po príchode obyvateľov – osvetlenie, zvlhčovač vzduchu, príprava teplej úžitkovej vody atď. A práve tam je možné použiť Stirlingov motor o potrebnom (malom) výkone.
Elektrická účinnosť motora malého výkonu je relatívne nízka a pohybuje sa v rozsahu 10% (350 Wel),12,5% (800 Wel) a 25% (3000 Wel) . V ďalšom je možné uvažovať o spojení Stirlingovho motora s tepelným čerpadlom, kde dôjde k lepšiemu využitiu tepelnej energie, resp. primárnych zdrojov. Tepelná účinnosť použiteľného Stirlingovho motora sa pohybuje v rozmedzí 60 – 70%, elektrická 20 – 30%, teda celková účinnosť je okolo 90%  (použiteľný v zmysle prevádzkovom. Nemá totiž význam hovoriť o kogenerácii o výkone 350 W). Prevádzkový čas 5 000 – 10 000 hodín bez údržby a dlhý čas po prvú generálnu opravu, čo je cca 30 000 hodín zaručuje hospodárnu prevádzku kogenerácie aj zariadeniam o malom výkone (okolo 10 kWel), hospodárnejšiu ako pri použití zážihového motora.
Štúdia pre spoločnosť Forst & Sullivan poukázala na fakt, že za priaznivých okolností môžu byť Stirlingove motory na trhu skôr ako palivové články – a to práve z dôvodu ich možnosti nasadenia ako viacpalivových zariadení – (zemný plyn/iné palivo ako záloha) a jednoduchšej výrobe.