Động cơ Stirling

Cấu tạo

Các thiết kế khác nhau của động cơ Stirling thường có một khối khí bao bọc trong buồng kín, trong đó chất khí có thể là không khí, hydro hay heli. Buồng chứa chất khí có hai phần, một phần tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ cao, phần kia tiếp xúc với nơi có nhiệt độ thấp.
Trong quá trình hoạt động, khối khí trong buồng sẽ được đẩy qua đẩy lại từ phần nóng sang phần lạnh hoặc ngược lại, nhờ vào sự di chuyển của các piston hoặc các con chạy có chức năng hoán đổi thể tích chứa khí giữa hai phần. Khối khí khi dao động qua lại giữa phần nóng và phần lạnh sẽ thực hiện công lên một piston chịu lực. Piston chịu lực sẽ vận hành bánh đà và máy móc bên ngoài, đồng thời có thể điều khiển sự di chuyển của các piston hoặc con chạy để di chuyển khối khí qua lại giữa hai phần nóng và lạnh.
Trong hầu hết các thiết kế, không cần thiết có van để đóng mở dòng lưu thông của khí, do đó hệ thống cơ học khá đơn giản và có độ tin cậy cao.
Một bộ phận quan trọng trong động cơ Stirling là phần giữ nhiệt, nằm trên đường di chuyển của khối khí từ phần nóng sang phần lạnh, thường làm bằng khối dây kim loại. Nó có tác dụng hấp thụ nhiệt của khối khí từ phần nóng đi qua, lưu giữ nhiệt năng này, và hâm nóng khối khí đi từ phần lạnh tới. Phần này có tác dụng làm tăng đáng kể hiệu suất của động cơ, và là một chi tiết quan trọng trong sáng chế của Robert Stirling năm 1816. Trong một số thiết kế, con chạy vừa đóng vai trò đẩy khí qua lại giữa phần nóng và phần lạnh, vừa có vai trò giữ nhiệt.

Phân loại

Có nhiều thiết kế cho động cơ Stirling.

Loại alpha

Động cơ Stirling loại alpha có hai piston chịu lực nằm tại xy lanh nóng (tiếp xúc với nguồn nhiệt độ cao) và xy lanh lạnh (tiếp xúc với nơi làm mát). Loại thiết kế này cho ra công suất cao với một kích thước động cơ nhỏ gọn. Tuy nhiên, xy lanh và piston làm việc tại nhiệt độ cao sẽ chịu các hạn chế kỹ thuật, như tuổi thọ của chúng.

Loại beta

Động cơ Stirling loại beta có duy nhất một piston chịu lực nằm đồng trục với con chạy. Chỉ có piston chịu lực khớp khít với xy lanh, còn con chạy không khít với xy lanh và không thực hiện công cơ học lên khối khí mà chỉ có tác dụng di chuyển khối khí từ bên nóng sang bên lạnh và ngược lại. Khi khối khí bị đẩy sang bên phần nóng, nó sẽ giãn nở và thực hiện công lên piston chịu lực. Trong thiết kế này, piston chịu lực luôn nằm bên phần lạnh và do đó không chịu hạn chế kỹ thuật do nhiệt độ cao gây ra.

Loại gamma

Động cơ Stirling loại gamma thực chất là động cơ loại beta nhưng piston chịu lực nằm trong xy lanh riêng cạnh xy lanh chứa con chạy . Khối khí có thể di chuyển giữa hai xy lanh nhưng vẫn nằm trong một thể tích kín chung. Thiết kế này có tỷ số nén thấp nhưng đơn giản.

Piston tự do

Có nhiều thiết kế trong đó piston (và con chạy) được tự do di chuyển không cần liên kết với nhau hay với các hệ thống cơ học bên ngoài. Sự dao động qua lại của piston chịu lực có thể vận hành máy phát điện tịnh tiến; đồng thời các máy phát điện tịnh tiến có thể hoạt động ở chế độ ngược, trong đó dòng điện được cung cấp để điều hòa sự di chuyển của piston và con chạy. Các piston có thể làm bằng chất lỏng hay bằng màng ngăn là chất dẻo đàn hồi để đơn giản hóa vấn đề bôi trơn.

Các loại khác

Một số nhà sáng chế cũng theo đuổi việc thiết kế động cơ Stirling quay, trong đó khối khí trực tiếp tạo ra mômen lực để quay máy móc .
Cũng có thiết kế để động cơ Stirling hoạt động như máy bơm nước, trong đó nước đóng vai trò tản nhiệt luôn cho phần lạnh.

Hệ thống cung cấp điện năng và nhiệt năng

WhisperGen, một công ty ở New Zealand có trụ sở ở Christchurch, đã chế tạo các máy phát điện và cung cấp nhiệt dùng động cơ Stirling mang tên microCHP. Chúng dùng khí thiên nhiên để vừa sản xuất điện bán cho lưới điện công cộng, vừa đun nóng nước. Năm 2004, họ công bố đã bán 80.000 máy như này cho các hộ gia đình ở Anh. 20 máy khác đã được thử nghiệm ở Đức năm 2006.

Tận dụng năng lượng Mặt Trời

Các máy phát điện hội tụ ánh sáng mặt Trời vào động cơ Stirling cho hiệu suất cao hơn pin Mặt Trời. Ngày 11 tháng 8 năm 2005, Southern California Edison công bố việc mua các máy phát điện năng lượng Mặt Trời dùng động cơ Stirling từ Stirling Energy Systems trong vòng 20 năm với số lượng (20.000 chiếc) đủ để tạo ra 500 megawatt điện năng. Các hệ thống này được lắp đặt trên một vùng rộng 19 km² để hứng ánh nắng Mặt Trời.
Các động cơ Stirling có thể tận dụng năng lượng Mặt Trời để bơm nước, thay vì phát điện, cho những công trình thủy lợi. Luồng nước vào ra có chức năng tản nhiệt luôn cho phần lạnh của động cơ.

Máy lạnh Stirling

Khi thực hiện công vào piston chịu lực, chênh lệch nhiệt độ sẽ xuất hiện tại đầu nóng và đầu lạnh của động cơ Stirling. Cơ chế này có thể được ứng dụng để tạo ra nhiệt độ thấp tại đầu lạnh, là ngăn lạnh của tủ lạnh hay buồng lạnh của điều hòa nhiệt độ. Đầu nóng sẽ được tản nhiệt vào môi trường.
Cũng như với động cơ Stirling, hiệu suất của máy lạnh Stirling cũng tăng lên khi có bộ phận lưu nhiệt nằm giữa đầu nóng và đầu lạnh.
Philips đã sản xuất những máy lạnh để tạo ra nitơ lỏng vào những năm 1950, và đơn vị này vẫn đang hoạt động trong lĩnh vực chế tạo máy lạnh Stirling.
Máy lạnh nhiệt âm học cũng hoạt động với chu trình Stirling trên sóng âm có biên độ lớn.
Công cung cấp cho máy lạnh Stirling có thể lấy từ động cơ Stirling khác. Hệ thống như vậy có thể thu ánh nắng Mặt Trời để làm mát nhà cửa bên trong (ánh nắng cấp nhiệt cho một động cơ Stirling, động cơ này làm vận hành một máy lạnh Stirling, và máy lạnh Stirling làm mát căn nhà), và có ưu điểm là trời càng nắng nóng thì nhà càng được làm mát.

Các ứng dụng khác

Động cơ Stirling đã được lắp đặt trên tàu ngầm bởi Kockums, một cơ sở đóng tàu của Thụy Điển.
Động cơ Stirling có tiềm năng ứng dụng trong nhà máy phát điện dùng năng lượng hạt nhân hoặc địa nhiệt.
Động cơ Stirling cũng đã được nghiên cứu để ứng dụng trên máy bay.
Những mô hình động cơ Stirling loại gamma nhỏ gọn và chỉ cần hơi ấm bàn tay để vận hành có thể được dùng để giảng dạy.