Stirlingův motor: Jak funguje a jaké má výhody?
Stirlingův motor je pístový tepelný stroj, který využívá teplo z vnějšího zdroje k vytvoření energie pro pracovní cyklus. Toto teplo se nejčastěji získává vnějším spalováním, jedná se tedy o motor s vnějším spalováním.
Takový typ motoru využívá chemickou energii získanou spálením paliva k ohřevu pracovní látky, která následně v motoru vykonává práci. Spalování probíhá vždy mimo motor a pracovní látkou bývá nejčastěji plyn.
Obsah
- Historie Stirlingova motoru ve zkratce
- Konstrukce Stirlingova motoru
- Jak funguje jednoválcový Stirlingův motor?
- Jak funguje dvou a více válcový Stirlingův motor?
- Výhody Stirlingova motoru
- Nevýhody Stirlingova motoru
- Využití Stirlingova motoru
- Budoucí inovace
- Zajímavá fakta o Stirlingově motoru
- Často kladené otázky o Stirlingově motoru
- Závěr
Historie Stirlingova motoru ve zkratce
Vývoj Stirlingova motoru začal už na začátku 19. století, kdy se skotský inženýr a kněz Robert Stirling snažil vytvořit bezpečnější alternativu k parním strojům, které byly pověstné tím, že vybuchovaly. Stirlingův motor byl patentován v roce 1816. V následujících letech prošel několika vylepšeními pro zvýšení účinnosti. Bratři Stirlingovi si také v roce 1827 patentovali horkovzdušný motor.
Během 19. a 20. století zažívaly Stirlingovy motory období zvýšeného zájmu a inovací, zejména během nedostatku paliva nebo v obdobích rapidního technologického pokroku. Stirlingovy motory se v dnešní době opět dostávají do popředí jako ekologická alternativa k tradičním spalovacím motorům.
Konstrukce Stirlingova motoru
Po konstrukční stránce má Stirlingův motor oproti jiným spalovacím motorům mnohé výhody. Motor je robustní a má velmi jednoduchou konstrukci, díky čemuž je velmi spolehlivý.
Tento motor je zapouzdřený a těsný, což umožňuje jeho použití například pod vodou či ve vakuu. Jelikož ke spalování paliva nedochází uvnitř motoru, nevzniká žádný zbytečný hluk ani vibrace.
Motor je tedy tišší, kultivovanější a má vyšší životnost než klasické motory s vnitřním spalováním, neboť jeho součástky jsou méně namáhány. Účinnost Stirlingova motoru je stejná, někdy i vyšší než u nejlepších vznětových motorů. Jeho největší předností je však to, že k pohonu motoru lze použít různé typy paliv.
Jak funguje jednoválcový Stirlingův motor?
Zpočátku se plyn při nízké teplotě a tedy i tlaku nachází mezi spodním (netěsným) a horním pracovním (těsným) pístem, které jsou spolu propojeny. Spodní píst se posune do horní části válce a vytlačí plyn, který obteče kolem pístu do dolní části válce, která je ohřívána vnějším zdrojem tepla.
Díky ohřevu se teplota plynu uvnitř válce zvýší, plyn tak zvětší svůj objem a tlak a následně expanduje směrem vzhůru, přičemž opět obtéká netěsný píst.
Písty motoru: Co všechno musí vydržet a jaká je jejich funkce?
V horní části válce je plyn zchlazený, čímž zmenší svůj objem a tlak, což způsobí, že pracovní píst putuje směrem dolů a zvedá tak netěsný píst směrem nahoru, díky čemuž se plyn opět dostane do spodní části válce, která je ohřívána. Tento cyklus se neustále opakuje.
Jak funguje dvou a více válcový Stirlingův motor?
Červený válec je ohříván vnějším zdrojem tepla. Plyn ve válci zvětšuje svůj objem a tlak, čímž zatlačuje píst (červeného) válce do horní části. Poté, co píst dosáhne horní hranice válce, proudí plyn přes trubici do druhého (modrého) válce.
Tam je zchlazený, díky čemuž zmenší svůj objem i tlak, čímž způsobí klesání pístu, který tak vytlačuje zchlazený plyn opět do ohřívaného válce.
Výhody Stirlingova motoru
Stirlingův motor má všestranné využití a srovnatelnou účinnost se zážehovými či vznětovými motory. Jak již bylo zmíněno, jedná se o motor s vnějším spalováním, které je dokonalejší a vytváří se při něm menší množství škodlivých látek.
Zážehový a vznětový motor: Jaký je mezi nimi rozdíl a co jejich výhody a nevýhody?
Jelikož do motoru nevstupuje, ale ani z něj nevystupuje žádná látka, je možné použít ve válcích tu nejvhodnější pracovní náplň. Mezi hlavní výhody Stirlingova motoru patří následující:
- Všestrannost paliva: Stirlingovy motory mohou běžet prakticky na jakémkoli zdroji tepla, díky čemuž jsou přizpůsobitelné široké škále paliv včetně obnovitelných zdrojů energie, jako je solární energie.
- Vysoká účinnost: Díky regenerátoru a izotermickým procesům mohou Stirlingovy motory dosáhnout vyšší tepelné účinnosti ve srovnání se spalovacími motory.
- Nízké emise: Proces externího spalování vede k nižším emisím a nižšímu znečištění, díky čemuž jsou Stirlingovy motory ekologickým řešením. Stirlingův motor nepotřebuje olej, který se přimíchává do paliva například u dvoutaktních spalovacích motorů. Díky absenci oleje v palivu se do ovzduší dostává méně škodlivých látek.
- Tichý provoz: Stirlingovy motory pracují s minimálním hlukem a vibracemi, protože nedochází k vnitřnímu spalování a tak ani k rychlému odvádění výfukových plynů.
Paliva pro Stirlingův motor
Jak již bylo zmíněno, obrovskou výhodou Stirlingova motoru oproti jiným spalovacím motorům je to, že k pohonu motoru lze použít širokou paletu různých paliv jako například:
- Zemní plyn (dosahují se s ním nejlepší výsledky po ekonomické ale i ekologické stránce)
- Tekutá a plynná paliva
- Tuhá paliva
- Biomasa (dřevěné štěpky, rostlinné zbytky, sláma a další...)
- Bioplyn (plyn ze skládek, čistíren, koksový plyn)
- Solární energie
- mnohé další...
Kromě Stirlingova motoru neexistuje žádný jiný motor, který je schopen využít pro svůj pohon tak širokou skupinu různých zdrojů.
Nevýhody Stirlingova motoru
Stirlingův motor má jako každé jiné zařízení svá pozitiva a negativa. Mezi negativa tohoto motoru můžeme zařadit následující:
- Nižší poměr výkonu a hmotnosti: Ve srovnání se spalovacími motory mají Stirlingovy motory nižší poměr výkonu a hmotnosti.
- Komplexní konstrukce: Stirlingovy motory mají složitější konstrukci, což vede k vyšším výrobním nákladům a problémovější údržbě.
- Náročnost materiálů: Efektivní přenos tepla mezi horkou a studenou komorou je nezbytný pro optimální výkon. Nároky na materiály na těsnění jsou proto vysoké a tím i výrobní náklady.
Využití Stirlingova motoru
Stirlingův motor se díky své všestrannosti a jedinečným vlastnostem používá v široké škále aplikací:
- Výroba energie: Stirlingův motor lze použít k výrobě elektřiny v odlehlých oblastech s využitím odpadního tepla nebo obnovitelných zdrojů energie, jako je solární energie.
- Kogenerace: V systémech kombinované výroby tepla a elektřiny (CHP) může Stirlingův motor získávat odpadní teplo z průmyslových procesů nebo budov, čímž se zvyšuje celková energetická účinnost.
- Námořní pohon: Stirlingův motor se používá v ponorkách a jiných námořních plavidlech pro jejich tichý provoz a úsporu paliva.
- Energie kosmické lodi: Radioizotopové Stirlingovy generátory se používají jako zdroj energie pro mise ve vesmíru, jako je například pokročilý Stirlingův generátor radioizotopů NASA (ASRG).
Budoucí inovace
Stirlingovy motory jsou připraveny sehrát významnou roli při přechodu na čistší a efektivnější energetická řešení. Potenciální oblasti pro budoucí inovace zahrnují:
- Solární energie: Systémy koncentrované solární energie mohou využívat Stirlingovy motory k přeměně slunečního světla na elektřinu, čímž nabízejí obnovitelný zdroj.
- Rekuperace odpadního tepla: Vývoj pokročilých materiálů a konstrukcí může dále zlepšit účinnost Stirlingových motorů, což z nich činí atraktivní možnost na rekuperaci odpadního tepla a úsporu energie.
- Využití v automobilu: Přestože ještě nejsou rozšířeny, integrace Stirlingových motorů do systémů hybridních vozidel by mohla pomoci snížit spotřebu paliva a emise.
Zajímavá fakta o Stirlingově motoru
- První patentovaný motor: Stirlingův motor byl prvním patentovaným motorem, který získal svůj patent v roce 1816, tedy ještě před spalovacím motorem.
- Bezpečnostní inovace: Stirlingův motor byl původně vyvinut jako bezpečnější alternativa k parním strojům, které byly náchylné k výbuchy v důsledku vysokotlaké páry.
- Švédské ponorky: Švédské námořnictvo používá Stirlingovy motory ve svých ponorkách třídy Gotland od roku 1996, přičemž využívá výhod tichého provozu a účinnosti motorů.
- Philips Electronics: V 50. letech 20. století společnost Philips Electronics vyvinula řadu Stirlingových motorů pro použití v rádiích a jiných malých spotřebičích, čímž pomohla tuto technologii zpopularizovat.
- Nejdéle běžící Stirlingův motor: Nejdéle nepřetržitě běžící Stirlingův motor se nachází na University of Canterbury na Novém Zélandu. Tento motor, známý jako Canterbury Ringbom, je v provozu od roku 1986.
Často kladené otázky o Stirlingově motoru
Otázka: Může být Stirlingův motor použitý v autě?
Odpověď: Stirlingův motor zatím není rozšířen v případě použití v automobilu kvůli jeho nižšímu poměru výkonu k hmotnosti a složitosti. Může však být integrován do hybridních systémů vozidel pro zlepšení palivové účinnosti a snížení emisí.
Otázka: Jaká je účinnost Stirlingova motoru v porovnání s účinností spalovacího motoru?
Odpověď: Stirlingův motor může dosáhnout vyšší tepelné účinnosti ve srovnání se spalovacími motory, přičemž často dosahuje účinnosti 30-40% nebo více, zatímco spalovací motory mají obvykle účinnost kolem 20-25%.
Otázka: Jaké jsou hlavní faktory ovlivňující účinnost Stirlingova motoru?
Odpověď: Účinnost Stirlingova motoru závisí na několika faktorech, včetně teplotního rozdílu mezi horkou a studenou komorou, konstrukce regenerátoru, pracovního plynu a mechanických ztrát v motoru.
Otázka: Jak startuje Stirlingův motor?
Odpověď: Stirlingův motor vyžaduje ke spuštění provozu externí zdroj tepla. Jakmile se pracovní plyn zahřeje a začne expandovat, motor se nastartuje a bude pokračovat v provozu do doby, než je zdroj tepla zachován.
Otázka: Jaký pracovní plyn se používá ve Stirlingově motoru?
Odpověď: Pracovní plyn ve Stirlingově motoru se může lišit v závislosti na konkrétní konstrukci a aplikaci. Běžně používané plyny zahrnují vzduch, vodík, helium a dusík.
Závěr
Stirlingův motor nabízí jedinečnou kombinaci všestrannosti paliva, vysoké účinnosti a nízkých emisí, díky čemuž má možnost širokého využití. S pokrokem v technologiích bude potenciál Stirlingova motoru narůstat, stejně jako jeho využití v různých oblastech.