NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ STIRLING
DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
A RESEARCH ON STIRLING ENGINES USING SOLAR ENERGY
HOÀNG DƯƠNG HÙNG – PHAN QUÝ TRÀ
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
PHAN QUANG XƯNG
Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Trong bài báo này chúng tôi muốn giới thiệu về nghiên cứu ứng dụng một loại động cơ nhiệt
có nhiều ưu việt mà ngày nay đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm để ứng dụng vào
thực tế, đó là động cơ Stirling. Động cơ Stirling có thể hoạt động bởi nhiều nguồn nhiệt khác
nhau mà đặc biệt là nó có thể sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, một nguồn năng lượng
sạch và vô tận.
ABSTRACT
In this article we introduce one kind of heat engine: the Stirling engine. Currently, Stirling
engines are the subject of considerable research and development efforts because of their
potential for high efficiency, clean and quiet operation, especially, if they run on solar energy.
1. Đặt vấn đề
Ðộng cơ Stirling là một thiết bị có
nhiều ưu việt và cấu tạo đơn giản. Một
đầu động cơ được đốt nóng, phần còn lại
để nguội và công hữu ích được sinh ra.
Ðây là một động cơ kín không có đường
cấp nhiên liệu cũng như đường thải khí.
Nhiệt dùng được lấy từ bên ngoài, bất kể
vật gì nếu đốt cháy đều có thể dùng để
chạy động cơ Stirling như: than, củi, rơm
rạ, dầu hỏa, dầu lửa, cồn, khí đốt tự nhiên,
gas mêtan,... và không đòi hỏi quá trình
cháy mà chỉ cần cấp nhiệt đủ để làm cho
động cơ Stirling hoạt động. Ðặc biệt động
cơ Stirling có thể hoạt động với năng
lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, hoặc
nhiệt thừa từ các quá trình công nghiệp.
2. Nguyên lý hoạt động
Ðộng cơ Stirling là một động cơ
nhiệt. Ðộng cơ nhiệt là một thiết bị có thể
liên tục chuyển đổi nhiệt năng thành cơ
năng. Nếu ta đốt nóng một đầu xilanh
(đầu nóng) nguồn nhiệt được sử dụng có
thể là chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại
đầu xilanh hoặc một cách đơn giản là
nhúng đầu xilanh vào nước nóng, thì áp
H×nh 3. Kh«ng khÝ ¸p suÊt cao ®Èy piston ®i ra
§Çu nãng
§Çu l¹nh
suất và nhiệt độ không khí bên trong tăng lên. áp suất cao sẽ đẩy piston chuyển động và sinh
ra công hữu ích (Hình: 1,2,3,4). Bất kỳ nguồn nhiệt nào cũng sinh ra công, nhưng với nguồn
có nhiệt độ càng cao thì tạo ra công càng lớn. Ðộng cơ không những chỉ chuyển nhiệt thành
công một lần đơn giản như trên ma cần phải có khả năng tiếp tục sinh công.
Công có thể sinh ra từ không khí nóng trong xilanh chừng nào còn có quá trình giãn
nở và đến khi áp suất bên trong giảm xuống bằng áp suất khí quyển thì quá trình sinh công kết
thúc (piston dừng lại).
Nếu khi piston chuyển động đến
đầu bên phải của xilanh, ta ngừng quá
trình cấp nhiệt và tăng quá trình thải
nhiệt (làm mát) thì nhiệt độ và áp suất
của không khí phía trong xilanh giảm
xuống đến khi áp suất của không khí bên
trong thấp hơn áp suất của khí quyển bên
ngoài thì piston sẽ chuyển động ngược lại
và trở lại vị trí ban đầu. (Hình: 5, 6)
Vấn đề đặt ra đối với động cơ
Stirling trong thực tế là làm thế nào để
chúng hoạt động một cách tự động, tức là
xilanh nhận, thải nhiệt đúng lúc và liên
hệ chặt chẽ với nhau. Nhất là đối với
động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt
trời khi mà nguồn năng lượng cung cấp
cho động cơ liên tục. Do vậy để động cơ
Stirling hoạt động được trong thực tế thì
ngoài xi lanh và piston như trên thì động
cơ cần phải có thêm các bộ phận phụ như
piston choán chỗ, bánh đà v.v... và các bộ
phận này phải kết hợp với nhau sao cho
quá trình nhận và thải nhiệt của môi chất
đúng chu kỳ.
3. Ðộng cơ stirling dùng năng lượng mặt trời
Ðộng cơ Stirling được tính toán thiết kế cơ bản dựa trên lý thuyết của Schmidt. Từ lý
thuyết này người ta xây dựng nên các mô hình tính toán cho động cơ Stirling nhiệt độ cao,
nhiệt độ trung bình. Ðộng cơ Stirling nhiệt độ thấp sử dụng năng lượng mặt trời đến nay vẫn
chưa có tính toán lý thuyết cũng như kết quả thực nghiệm được công bố.
Dựa vào cấu trúc của động cơ Stirling mà người ta chia động cơ Stirling thành 3 kiểu cơ
bản , , . Các kiểu này đều có một điểm chung là có ít nhất 2 buồng làm việc đó là buồng
nén và buồng giãn nở trong đó môi chất khí công tác được điền kín.
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận. Tuy nhiên đặc điểm của NLMT
là phân bố không tập trung và cường độ năng lượng mặt trời phụ thuộc vào giờ trong ngày và
thay đổi theo mùa. Cường độ bức xạ mặt trời đến bề mặt trên mặt đất cao nhất khoảng
1000W/m2. Do vậy chúng tôi lựa chọn loại động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời kiểu
để nghiên cứu.
Ðối với động cơ Stirling kiểu thì Piston làm việc và Piston choán chỗ được bố trí vào 2
H×nh 4. Qu¸ tr×nh gi·n në cho ®Õn khi ¸p suÊt kh«ng
khÝ bªn trong b»ng ¸p suÊt khÝ quyÓn
H×nh 5. Nªó ngõng cÊp nhiÖt mµ th¶i nhiÖt th× ¸p
suÊt kh«ng khÝ bªn trong gi¶m xuèng
H×nh 6. Piston chuyÓn ®éng vµo bªn trong do ¸p
suÊt kh«ng khÝ bªn ngoµi cao h¬n
xy lanh riêng biệt. Sự liên kết giữa các Piston này có thể thực hiện theo các dạng sau:
- Liên kết lạnh : Piston làm việc ở phía nhiệt độ thấp
- Liên kết nóng : Piston làm việc ở phía nhiệt độ cao
- Liên kết trung bình : Piston làm việc nối vào bộ phận hoàn nhiệt
Qua nghiên cứu và so sánh các dạng khác nhau của loại động cơ Stirling kiểu thì
chúng tôi đưa ra mẫu động cơ Stirling sử dụng NLMT như Hình 7.
Hình 7. Cấu tạo động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời
Sau khi nghiên cứu lý thuyết tính toán thiết kế và đã chế tạo động cơ Stirling với các
thông số kỹ thuật như bảng sau.
Đường kính 1,55 m Áp suất làm việc
TBình 1 bar Nhiệt độ bề mặt
hấp thụ 65-120°C
Diện tích hấp
thụ 1,75 m2 Công suất cơ khí 30 W Làm mát bằng
không khí tự
nhiên 20°C
Chiều cao 1,3 m Thể tích động cơ 208 dm3
Khối lượng 240 kg Hành trình của
Piston choán chỗ 80 mm
Khí công tác K.Khí Hành trình của
Piston làm việc 190 mm
Độ chênh nhiệt
độ giữa phần
nóng và phần
lạnh
> 25°C
Tốc độ quay 30-40 v/ph
Tỷ số nén 1,057 Dạng động cơ γ
Qua quá trình đo đạc thử nghiệm một loạt các thông số cho thấy sự khác biệt giữa các
giá trị tính toán lý thuyết và giá trị đo đạc vào khoảng 5% (Hình 8). Điều đó chứng tỏ mô
GHI CHó
1- Bé phËn hoµn nhiÖt
2- BÒ mÆt hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi
3- Piston cho¸n chæ
4- Buång nãng
5- Piston lµm viÖc
6- èng nhón g¾n piston lµm viÖc
7- Trôc g¾n Piston cho¸n chæ
8- Buång l¹nh
9- C¸nh t¶n nhiÖt
9 78 65
1
2
3 4
Mặt hấp thụ
Cánh tản nhiệt
Piston lực
Đầu bơm
Bánh đà
hình tính toán cho động cơ là thích hợp. Thực tế đã chế tạo thiết bị hoạt động tốt với điều kiện
thực tế ở miền Trung.
280
300
320
340
360
380
0 10 20 30 40 50 60 70
Toc do quay (Vòng/phút)
Nhiet do (K)
TA(Tính toán)
TH(Tính toán)
TA(Đo)
TH(Đo)
Hình 8. Nhiệt độ bề mặt hấp thụ (TA) và nhiệt độ khí công tác nóng (TH) trong động cơ
Hình 9. Bơm nước dùng năng lượng mặt trời công suất 5m3/ngày
3. Kết luận
Năng lượng mặt trời hoàn toàn có thể ứng dụng để chạy động cơ Stirling, động cơ này
có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, trong đó bơm nước là một trong các ứng dụng
đó. Bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời này có thể sử dụng hiệu quả trong các trường hợp
như bơm nước từ bể lên bồn chứa hoặc dùng bơm nước từ ao hồ, sông ngòi dùng cho tưới tiêu
cho các nông trường.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Phan Quang Xưng, Hoàng Dương Hùng, Nghiên cứu bơm nước sử dụng năng lượng
mặt trời, Đề tài nghiên cứu khoa học trọng điểm cấp Bộ, 2005.
[2] F. U. Miller, Franzis, Thermische Solarenergie, Germany, 1997.
[3] Andy ross, Ross Experimental, Mayking Stirling Enginers, 13425 Bell Rd. Marysville,
Ohio 43040, 1993.
[4] Colin D. Van Nostrand, Principles And Applications Of Stirling Enginers, West, New
York, 1985.
[5] Michael F. Modest, Radiative Heat Transfer, McGraw-Hill, Inc, 1993.
[6] G. T. Reader C. Hooper, Stirling Enginer, 1983.