Nghiên cứu động cơ stirling dùng năng lượng mặt trời

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 suất và
H×nh 3. Kh«ng khÝ ¸p suÊt cao ®Èy piston ®i ra
§Çu nãng
§Çu l¹nh
nhit khụng khớ bờn trong tng lờn. ỏp sut cao s y piston chuyn ng v sinh ra cụng
hu ớch (Hỡnh: 1,2,3,4). Bt k ngun nhit no cng sinh ra cụng, nhng vi ngun cú nhit
cng cao thỡ to ra cụng cng ln. éng c khụng nhng ch chuyn nhit thnh cụng mt ln
n gin nh trờn ma cn phi cú kh nng tip tc sinh cụng.
Cụng cú th sinh ra t khụng khớ núng trong xilanh chng no cũn cú quỏ trỡnh gión n
v n khi ỏp sut bờn trong gim xung bng ỏp sut khớ quyn thỡ quỏ trỡnh sinh cụng kt thỳc
(piston dng li).
Nu khi piston chuyn ng n
u bờn phi ca xilanh, ta ngng quỏ
trỡnh cp nhit v tng quỏ trỡnh thi nhit
(lm mỏt) thỡ nhit v ỏp sut ca
khụng khớ phớa trong xilanh gim xung
n khi ỏp sut ca khụng khớ bờn trong
thp hn ỏp sut ca khớ quyn bờn ngoi
thỡ piston s chuyn ng ngc li v tr

li v trớ ban u. (Hỡnh: 5, 6)
Vn t ra i vi ng c
Stirling trong thc t l lm th no
chỳng hot ng mt cỏch t ng, tc l
xilanh nhn, thi nhit ỳng lỳc v liờn h
cht ch vi nhau. Nht l i vi ng
c Stirling s dng nng lng mt tri
khi m ngun nng lng cung cp cho
ng c liờn tc. Do vy ng c
Stirling hot ng c trong thc t thỡ
ngoi xi lanh v piston nh trờn thỡ ng
c cn phi cú thờm cỏc b phn ph nh
piston choỏn ch, bỏnh v.v... v cỏc b
phn ny phi kt hp vi nhau sao cho
quỏ trỡnh nhn v thi nhit ca mụi cht
ỳng chu k.
3. éng c stirling dựng nng lng mt tri
éng c Stirling c tớnh toỏn thit k c bn da trờn lý thuyt ca Schmidt. T lý
thuyt ny ngi ta xõy dng nờn cỏc mụ hỡnh tớnh toỏn cho ng c Stirling nhit cao, nhit
trung bỡnh. éng c Stirling nhit thp s dng nng lng mt tri n nay vn cha cú
tớnh toỏn lý thuyt cng nh kt qu thc nghim c cụng b.
Da vo cu trỳc ca ng c Stirling m ngi ta chia ng c Stirling thnh 3 kiu c
bn , , . Cỏc kiu ny u cú mt im chung l cú ớt nht 2 bung lm vic ú l bung
nộn v bung gión n trong ú mụi cht khớ cụng tỏc c in kớn.
Nng lng mt tri l ngun nng lng sch v vụ tn. Tuy nhiờn c im ca NLMT
l phõn b khụng tp trung v cng nng lng mt tri ph thuc vo gi trong ngy v
thay i theo mựa. Cng bc x mt tri n b mt trờn mt t cao nht khong 1000W/
m2. Do vy chỳng tụi la chn loi ng c Stirling dựng nng lng mt tri kiu nghiờn
cu.
éi vi ng c Stirling kiu thỡ Piston lm vic v Piston choỏn ch c b trớ vo 2

Hình 4. Quá trình giãn nở cho đến khi áp suất không
khí bên trong bằng áp suất khí quyển
Hình 5. Nêú ngừng cấp nhiệt mà thải nhiệt thì áp
suất không khí bên trong giảm xuống
Hình 6. Piston chuyển động vào bên trong do áp
suất không khí bên ngoài cao hơn
xy lanh riờng bit. S liờn kt gia cỏc Piston ny cú th thc hin theo cỏc dng sau:
- Liờn kt lnh : Piston lm vic phớa nhit thp
- Liờn kt núng : Piston lm vic phớa nhit cao
- Liờn kt trung bỡnh : Piston lm vic ni vo b phn hon nhit
Qua nghiờn cu v so sỏnh cỏc dng khỏc nhau ca loi ng c Stirling kiu thỡ
chỳng tụi a ra mu ng c Stirling s dng NLMT nh Hỡnh 7.
Hỡnh 7. Cu to ng c Stirling s dng nng lng mt tri
Sau khi nghiờn cu lý thuyt tớnh toỏn thit k v ó ch to ng c Stirling vi cỏc
thụng s k thut nh bng sau.
ng kớnh 1,55 m
p sut lm vic
TBỡnh
1 bar
Nhit b mt
hp th
65-120C
Din tớch hp
th
1,75 m
2
Cụng sut c khớ 30 W
Lm mỏt bng
khụng khớ t
nhiờn

20C
Chiu cao 1,3 m Th tớch ng c 208 dm
3
Khi lng 240 kg
Hnh trỡnh ca
Piston choỏn ch
80 mm
Khớ cụng tỏc K.Khớ
Hnh trỡnh ca
Piston lm vic
190 mm
chờnh nhit
gia phn
núng v phn
lnh
> 25C
Tc quay 30-40 v/ph T s nộn 1,057 Dng ng c
Qua quỏ trỡnh o c th nghim mt lot cỏc thụng s cho thy s khỏc bit gia cỏc
giỏ tr tớnh toỏn lý thuyt v giỏ tr o c vo khong 5% (Hỡnh 8). iu ú chng t mụ hỡnh
GHI CHú
1- Bộ phận hoàn nhiệt
2- Bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời
3- Piston choán chổ
4- Buồng nóng
5- Piston làm việc
6- ống nhún gắn piston làm việc
7- Trục gắn Piston choán chổ
8- Buồng lạnh
9- Cánh tản nhiệt
9 78

6
5
1
2
3 4
Mặt hấp thụ
Cánh tản nhiệt
Piston lực
Đầu bơm
Bánh đà
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 (T
A
) và nhiệt độ khí công tác nóng (T
H
) trong động cơ

Hình 9. Bơm nước dùng năng lượng mặt trời công suất 5m
3
/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.