เครื่องยนต์สเตอร์ลิง

เครื่องยนต์สเตอร์ลิง (Stirling Engine)
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงหรือเครื่องจักรสเตอร์ลิง  (Stirling Engine) คือเครื่องยนต์สันดาปภายนอกที่สามารถใช้เชื้อเพลิงได้หลากหลาย   ขอให้มีแหล่งพลังงานความร้อน  เครื่องยนต์ก็สามารถทำงานได้  ถูกสร้างขึ้นโดย  Robert Stirling  เมื่อปี ค.ศ. 1816  เป็นที่รู้จักกันในชื่อเครื่องยนต์อากาศร้อน (Hot air engine)  โดยจะมีก๊าซบรรจุอยู่ภายในกระบอกสูบ  ทำงานโดยอาศัยหลักการที่ว่า  เมื่อความร้อนในกระบอกสูบเพิ่มขึ้นจะทำให้อากาศในกระบอกสูบขยายตัว และเมื่อเพิ่มความเย็นให้กับกระบอกสูบด้านตรงข้ามก็จะทำให้อากาศหดตัว ทำให้เกิดแรงดันให้ลูกสูบเคลื่อนที่สลับไปมาที่อยู่ภายในกระบอกสูบ เกิดเป็นพลังงานกลหรืองานอย่างต่อเนื่อง  โดยความร้อนจะถูกป้อนให้กับเครื่องยนต์ทางด้านใดด้านหนึ่งแล้วผลิตงานออกมาตราบเท่าที่ยังคงมีความร้อนป้อนอยู่

ความเป็นมาของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
Robert  Stirling   เป็นคนประเทศอังกฤษที่มีเชื้อสายสก๊อตแลนด์  โดยมีอาชีพเป็นนักบวชแต่มีงานอดิเรกเป็นนักประดิษฐ์ ซึ่งแรงบัลดาลใจในการผลิตเครื่องยนต์สเตอร์ลิงคือ เขาต้องการผลิตเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพและมีความปลอดภัยมากกว่าเครื่องจักรไอน้ำในสมัยนั้น ที่มักจะมีการระเบิดทำให้มีผู้เสียชีวิต  และเขาได้สร้างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงได้สำเร็จในปี ค.ศ. 1816   หลังจากนั้น  55 ปี  ทฤษฎีทั่วไปสำหรับการวิเคราะห์เครื่องยนต์สเตอร์ลิงได้พัฒนาขึ้นโดย  Gustav  Schmidt ในปี 1871  โดยสมการหลักที่ใช้คือ สมการอนุรักษ์มวล  สมการสภาวะ ,  สมการการเคลื่อนที่แบบรูปคลื่นซายน์  (Sinusoidal)  และได้พัฒนาต่อมาเรื่อยๆ จนกระทั่งในปี 1958  ห้องปฏิบัติการค้นคว้าฟิลลิปส์  โดย  Meijer ได้สร้างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงแบบเบต้าใช้กลไกแบบรอมห์บิค  มีการรีเจนเนอร์เรเตอร์  ใช้ไฮโดรเจนเป็นสารทำงานแทนอากาศ ทำให้มีประสิทธิภาพดีขึ้น

ส่วนประกอบของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง

เครื่องยนต์สเตอร์ลิงจะประกอบไปด้วยลูกสูบ 2 กระบอก  ซึ่งแต่ละกระบอกจะมีอากาศหรือก๊าซอยู่ภายในและไม่สามารถออกมาภายนอกกระบอกสูบได้   โดยกระบอกที่หนึ่งจะมีอุณหภูมิที่ร้อน  ภายในจะมีลูกสูบไล่หรือ  ดิสเพลสเซอร์ (Displacer piston) ซึ่งลูกสูบจะมีขนาดเล็กกว่าตัวกระบอกสูบเล็กน้อยเพื่อให้ลูกสูบสามารถไล่อากาศในกระบอกสูบให้เคลื่อนที่อยู่ระหว่างด้านร้อนกับด้านเย็น แต่ลูกสูบไล่ ไม่ใช่ส่วนสำคัญในการสร้างกำลังให้กับเครื่องยนต์   ส่วนกระบอกที่สองเป็นส่วนที่ไม่ได้รับความร้อน  โดยภายในจะมีลูกสูบขนาดเล็กที่เรียกว่าลูกสูบกำลัง (Power piston) เป็นส่วนที่สำคัญที่นำกำลังออกจากเครื่องยนต์ทั้งหมด  โดยพลังงานที่ได้จากเครื่องยนต์สเตอร์ลิงจะดันให้ล้อตุนกำลังหมุน และส่วนต่าง 90 องศาของหน้าเฟสจะทำให้เครื่องยนต์เคลื่อนที่สลับไปมาเป็นวัฏจักร

วัฏจักรสเตอร์ลิง
วัฏจักรสเตอร์ลิงแบ่งการทำงานออกเป็น  4   ขั้นตอนดังต่อไปนี้

ขั้นตอนที่ 1 เมื่อเพิ่มความร้อนให้กับกระบอกสูบทางด้านซ้าย  ก็จะทำให้มีความดันของก๊าซมากขึ้น  จึงดันให้ลูกสูบทางด้านขวาเคลื่อนที่ลง

ขั้นตอนที่ 2  เมื่อกระบอกทางด้านขวาเคลื่อนตัวลง  ทำให้ก๊าซที่มีความร้อนเคลื่อนที่ไปยังกระบอกสูบทางด้านขวา  และถูกทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วด้วยน้ำแข็งเพื่อให้ความดันลดลง

ขั้นตอนที่  3  เมื่อแรงดันก๊าซลดลง  ลูกสูบเย็นก็จะเริ่มเคลื่อนที่ขึ้นมาอัดก๊าซ  ความร้อนที่เกิดจากการอัดตัวก็จะระบายออกสู่นอกกระบอกสูบ

ขั้นตอนที่  4  เมื่อลูกสูบขวาเลื่อนขึ้น  ลูกสูบทางซ้ายก็จะเลื่อนลง  ทำให้ก๊าซที่อยู่ภายในเกิดการเคลื่อนตัวไปสู่กระบอกสูบทางซ้ายอีกครั้งทำให้วัฏจักรเข้าสู่ ขั้นตอนที่ 1

หลักการทางานของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง

    
ขั้นตอนที่ 1  ให้ความร้อนกับอากาศภายในกระบอก จึงทำให้มีความดันก๊าซเพิ่มขึ้นดันให้ลูกสูบไล่เคลื่อนที่มาทางด้านขวา  ในขณะที่ลูกสูบกำลังยังคงหยุดนิ่ง  

ขั้นตอนที่ 2  เมื่อลูกสูบทางด้านร้อนมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น  จึงทำให้เกิดแรงดันลูกสูบกำลังเคลื่อนตัวไปทางขวา และเมื่อรับความร้อนจนกระทั่งอุณหภูมิคงตัว  ความดันก็จะลดลง

ขั้นตอนที่  3  เมื่อลูกสูบกำลังเลื่อนมาทางขวาทำให้ล้อตุนกำลังจะหมุนไปพร้อมกับดันลูกสูบไล่เคลื่อนที่ไปทางซ้าย  เพื่อไล่ความร้อนออกมาทางด้านเย็นและระบายออกสู่ภายนอกเครื่องยนต์สเตอร์ลิง 

ขั้นตอนที่  4  เมื่อลูกสูบกำลังเคลื่อนกลับมาทางขวา  ล้อตุนกำลังก็หมุนไปพร้อมกับดึงลูกสูบไล่กลับมาทางซ้าย  ซึ่งทั้งหมดได้กลับมาอยู่ตำแหน่งเดียวกับขั้นตอนที่ 1 และวนเช่นนี้ไปเป็นวัฏจักร

เทคโนโลยีของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงพลังงานแสงอาทิตย์
ระบบจานพาราโบลาร่วมกับเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
เป็นการผลิตโดยใช้ใช้หลักการแปลงพลังงานจากรังสีดวงอาทิตย์ให้เป็นความร้อน  แล้วแปลงพลังงานความร้อนให้เป็นพลังงานกลเพื่อนำไปผลิตไฟฟ้าตามลำดับ โดยระบบจะประกอบไปด้วยจานรวมแสงแบบพาราโบลา  เครื่องยนต์สเตอร์ลิง และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า  ทำงานโดยอาศัยรังสีจากดวงอาทิตย์ที่ตกลงมากระทบกับตัวรวมแสงแบบจานพาราโบลา  ซึ่งมีแผ่นสะท้อนแสงหลายชิ้นประกอบรวมกัน  และมีเครื่องยนต์สเตอร์ลิงกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าวางอยู่ที่จุดโฟกัสของจานพาราโบลา เมื่อเกิดความร้อนขึ้นที่บริเวณกระบอกสูบทำให้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงทำงาน จึงทำให้มีแรงไปกระทำกับเครื่องกำเนิดไปฟ้าซึ่ง เครื่องยนต์สเตอร์ลิง 1 ชุด จะมีกำลังการผลิตไฟฟ้าอยู่ที่ 25-40 kW แต่ละชุดสามารถทำงานโดยอิสระ  และถ้าต้องการกำลังไฟฟ้ามากขึ้น  ก็สามารถทำการติดตั่งหลาย ๆ ชุดได้  ซึ่งคล้ายกับระบบการผลิตไฟฟ้าด้วยโซลาร์เซลล์นั่นเอง

อ้างอิง
http://powerelement4.blogspot.com/ Appendix B Solar Stirling Engine 
http://www.rmutphysics.com/charud/naturemystery/stiring%20engine/index.htm  
http://design.ipst.ac.th/docu/photo/D005.pdf  
http://www.cssckmutt.in.th/cssc/cssc_classroom/Solarenergy/Assignment/SolEn54/SolEn54_Doc/19_StirlingEngine.docx 
http://www.energy.ca.gov/sitingcases/solartwo/documents/applicant/afc/volume_02+03/MASTER_Appendix%20B.pdf 
http://e-org.e-tech.ac.th/e-org/depart/pakindustry/attachments/category/2012/%E0%B9%80%E0%B8%84%E0%B8%A3%E0%B8%B7%E0%B9%88%E0%B8%AD%E0%B8%87%E0%B8%A2%E0%B8%99%E0%B8%95%E0%B9%8C%E0%B8%AA%E0%B9%80%E0%B8%95%E0%B8%AD%E0%B8%A3%E0%B9%8C%E0%B8%A5%E0%B8%B4%E0%B8%87.pdf