A Stirling-motor és alkalmazásai

A Stirling-ciklus zárt, gáz munkaközegű körfolyamat, ahol a zárt azt jelenti, hogy a munkaközeg mindvégig a rendszerben marad. A Stirling-körfolyamat alapján működő motorok külsőégésű motorok, vagyis az üzemanyagot a hengeren kívül égetik el; a hőbevitel és hőelvonás hőcserélőkön keresztül valósul meg. A külső égés előnye, hogy a folyamathoz szükséges hő szinte bármilyen üzemanyag elégetéséből származhat – sőt, a hő bármilyen egyéb, így akár szoláris vagy geotermikus eredetű is lehet.

A Stirling-motor működése

A Stirling-körfolyamatot megvalósító berendezések egy lehetséges elrendezése az alábbi ábrán látható egyszerűbb Stirling-motor:

 1.png

Levegő munkaközegű, egyszerű Stirling-motor magyarázó vázlata

 A körfolyamat zártsága miatt a hengertérben lévő munkaközeg (a fenti elrendezésben levegő) nem lép ki a rendszerből, szemben a belsőégésű motorokkal, ahol a beszívott levegőből és a befecskendezett tüzelőanyagból álló keverék égését követően a keletkezett kipufogógáz elhagyja a motort. A motor mozgatásához szükséges hajtóerő létrehozásához a hengerfalat az egyik végén fűteni, másik végén hűteni kell. A hajtáshoz szükséges hőmérséklet széles határok között változhat: a következő ábrán látható elrendezéshez hasonló motorok általában olyan megvásárolható “dísztárgyak”, amelyeket az ember kezének hője melegít és a környezeti levegő hűt.

2.png

Egyszerű Stirling-motor működése

 A motor működése a fenti ábra jelöléseivel:

  1. A munkadugattyú összenyomta a gázt (munkaközeget); a terelődugattyú a felső állásban van, így a gáz nagy része a melegítő hőcserélő felületnél található.
  2. A felmelegített gáz nyomása megnő, a munkadugattyút a felső állásába tolja.
  3. A terelődugattyú lefelé mozdul; a gáz nagy része a hűtő hőcserélő felületnél található.
  4. A lehűtött gázt a lendkerék lendülete komprimálja.

 A motorok kialakítása rendkívül változatos, felépítés szerint három csoportba szokás sorolni a berendezéseket: beszélhetünk alfa, béta és gamma-típusú Stirling-motorokról (a hivatkozásokon animált ábrákkal szemléltetve). A fenti berendezés egy gamma-típusú motor.

Alkalmazások

Első alkalmazásai között szerepelt a vízszivattyúzás, ventilátorok, kisebb őrlőegységek és manufaktúrák működtetése. Ilyen, még ma is működő  antik darab a képen látható Rider-Ericsson forró levegő hajtású vízszivattyú.

3_1.png
Antik Stirling-meghajtású vízszivattyú

 A második világháború után a Philips elektronikai óriáscég hordozható rádiókkal szerette volna meghódítani a világpiacot. Kis teljesítményű generátor beépítésével a olyan helyeken is hallgathattak rádiót az emberek, ahol nem volt megoldott a villamosenergia-ellátás. Az egyik legfontosabb szempont a halk működés volt, de fontos előnye a Stirling-motoroknak, hogy egy átlagos háztartásban megtalálható hőforrással működtethető. A tranzisztorok megjelenésével azonban a cég érdekeltsége a további fejlesztésekben megszűnt. A Philips mérnökei több különböző alkalmazással próbálkoztak, így alakult ki a fordított Stirling-körfolyamatú kriogenikus hűtőberendezés, melyet a mai napig gyártanak.

 Autóipari alkalmazása nem terjedt el, mivel lassan reagál, gyors terhelés-változtatásra nem alkalmas, ráadásul nehéz és drága is a  belsőégésű motorokhoz képest. Hibrid gépjárművekben tartalék ellátásaként lenne létjogosultsága, de ennek előfeltétele lenne a súlyprobléma csökkentése.

A NASA az elmúlt évtizedben Stirling-generátoros űrszonda kifejlesztését támogatta. A felszabadult hőenergia plutóniumban lejátszódó magreakcióból származik, a Stirling-generátor ezt képes folyamatosan, dinamikusan átalakítani. Több, mint 10 év folyamatos tesztüzem után ez a megbízható és robosztus generátor alkalmasnak látszik az űrkutatás eljövendő küldetéseinek energiaellátására.

 A magas hatásfok mellett a Stirling-motorok előnye a halk működés, emiatt dízel-elektromos tengeralattjárókban is használatos generátorok hajtására. A generátorok által termelt villamos energia tölti az akkumulátorokat és ellátja a vízalatti meghajtást szolgáló (csendes) villanymotorokat, míg a felszínen a hajtásért közvetlenül dízelmotorok felelnek. Ez a megoldás tartós “levegőfüggetlen” vízalatti meghajtást tesz lehetővé (Air Independent Propulsion, AIP), mivel a motor üzemeltetéséhez szükséges hőt a belsőégésű motorok tüzelőanyagának (gázolaj) elégetésével nyerik, az égéshez szükséges oxigént pedig folyékony halmazállapotban (LOX) szállítják, így nincs szükség arra, hogy az akkumulátorok töltéséhez a hajó a vízfelszín közelében, “légzőcsövön” keresztül vételezett levegővel, a hangos dízelmotorok segítségével hajtsa generátorait. Az 1980-as évek óta alkalmazott Stirling-motoros AIP az egyik legbeváltabb ilyen technológiának számít, a Svéd Haditengerészetben az összes jelenleg szolgáló tengeralattjáró Stirling AIP rendszerrel van ellátva.

4_1.png
A svéd Kockums hajógyár által fejlesztett A26 tengeralattjáró (renderelt kép), a legmodernebb Stirling-motoros AIP rendszerrel szerelt tengeralattjáró

 A Stirling-motort leginkább generátorokban használják, többek között naphőerőművekben. Egyik változata a Fresnel-lencsés megoldás, de ennél hatékonyabb a parabola-tükröt alkalmazó tányéros naphőerőmű.

A Stirling elvén működő naperőművek nem arattak hatalmas sikert, mivel sokkal drágábbak, mint az elterjedt, és praktikus, háztetőre is szerelhető PV elemek. Megnyerőbb konstrukció lenne a Stirling-motoros naperőmű, ha képes lenne hőenergiát tárolni, például a működés közben jellemző hőmérsékleten lejátszódó halmazállapot-változás útján.


5.png

Egy 11,6 méter átmérőjű, 25 kW teljesítményű tányéros naphőerőmű (Stirling dish) Arizonában

A megfordított folyamatú Stirling-motor (villamosenergia befektetésével hőmérséklet-különbséget hozunk létre) kiválóan alkalmas lenne hőszivattyúként való alkalmazásra, de hétköznapi használatban nem terjedt el, mivel meglehetősen drága. Alacsonyabb beruházási költségek mellett alkalmazható lenne decentralizált vagy akár hálózatra nem csatlakoztatott rendszerek hűtésére.

A Stirling-motor lokális, kapcsolt hő- és villamosenergia-termelésre is alkalmas. Ilyen például az új-zélandi Whisper Tech cég WhisperGen terméke, melynek gyártása egy földrengés miatt megszakadt, technikai terméktámogatását a Off Grid Energy Ltd. vette át. Nagyobb sikernek örvend az osztrák ÖkoFEN, Pellematic Condens_e típusú készüléke, melyet magas hatásfokával, a fogyasztó hálózat- és szolgáltató-függetlenségével, illetve szén-dioxid semlegességével reklámoznak, és viszonylag elterjedt Ausztriában és tőle északra.

Alapvetően megfigyelhető, hogy mérnöki szempontból a Stirling-motorokat mindig nagy érdeklődés és várakozások övezték, hiszen rendkívül hatékony technológiáról van szó, azonban ez csak egy a műszaki megoldások elterjedését meghatározó számos meghatározó tényezőből.

Talán a közeljövőben, amint a világban erősödnek a klímavédelmet és a decentralizációt célzó törekvések, lehetőség nyílhat a Stirling-motor alkalmazásának terjedésére.

Ha tetszett a cikkünk, és szeretnétek értesülni a legújabb bejegyzéseinkről, kövessetek minket facebookon!


Értékelés

Ábrák forrásai:

Thermodynamics: An Engineering Approach

American Stirling Company - stirlingengine.com

United States Department of Energy - energy.gov

Saab -  saab.com

[1]  Robert Stirling (1790 – 1878) skót lelkész és feltaláló; 1816-ban, mérnök testvére segítségével alkotta meg a nevét viselő Stirling-motort.

Lektorálta: Szondy Borbála, Rádi Róbert