Tính toán thiết kế hệ thống phát điện dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý stirling

vi
MỤC LỤC
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân i
Lời cam đoan ii
Cm t iii
Tóm tắt luận văn iv
Mục lục v
Danh sách các hình viii
Chng 1 - TỔNG QUAN 1
1.1 Tng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết qu nghiên cứu trong và
ngoài nước đã công bố 1
1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của động cơ Stirling 1
1.1.2 Nguyên lý hot động của động cơ Stirling 4
1.1.3 Các loi động cơ Stirling 5
1.1.4 Cấu to của một số loi động cơ Stirling 6
1.1.5 So sánh động cơ Stirling với động cơ đốt trong 8
1.1.6 Những ứng dụng của động cơ Stirling 10
1.2 Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu 13
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 13
1.2.2 Khách thể và đối tượng nghiên cứu 14
1.3 Nhiệm vụ của đề tài và phm vi nghiên cứu 14
1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 14
1.3.2 Phm vi nghiên cứu 14
1.4 Phương pháp nghiên cứu 14
Chng 2 - C SỞ LÝ THUYẾT 15
2.1 Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling 15
vii
2.1.1 Các gi định của chu trình Stirling 15
2.1.2 Các quá trình nhiệt động trong chu trình Stirling 16
2.2 Chu trình Schmidt 21

2.2.1 Các gi định của chu trình Schmidt 21
2.2.2 Các ký hiệu dùng trong chu trình Schmidt 21
2.2.3 Chu trình Schmidt cho động cơ Stirling kiểu beta 23
2.2.4 Xác định công, công suất và hiệu suất động cơ 25
2.3 Cơ cấu hình thoi truyền động trong động cơ Stirling kiểu beta 26
2.3.1 Nguyên lý cấu to của cơ cấu hình thoi 26
2.3.2 Hành trình dịch chuyển của piston 27
2.3.3 Điểm chết trên, điểm chết dưới, chiều dài hành trình 27
2.3.4 Độ lệch pha giữa các piston 28
2.4 Nguyên lý hội tụ năng lượng mặt trời dùng gương cầu parabol 29
2.4.1 nh của mặt trời qua gương parabol 29
2.4.2 Hệ số tập trung năng lượng bức x mặt trời 30
Chng 3 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾĐNG C NHIỆT STIRLING 32
3.1 Chọn kết cấu cho động cơ Stirling 32
3.2 Tính toán cơ cấu truyền động hình thoi 33
3.3 Tính toán công suất và hiệu suất động cơ 35
3.4 Tính toán truyền nhiệt làm mát ti bung nén 36
3.5 Kết qu tính toán trên MATLAB 37
Chng 4 - THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾTTRÊN ĐNG C STIRLING 42
4.1 Thân và nắp hộp truyền động 42
4.2 Xylanh lực 45
4.3 Cụm piston lực và thanh truyền 46
4.4 Cụm piston dịch chuyển và thanh truyền 47
viii
4.5 Xylanh giãn nở 48
4.6 Cụm gối đỡ trục và  lăn 49
4.7 Bộ truyền hình thoi 51
4.8 Sơ đ lắp ráp động cơ Stirling 52
Chng 5 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾGNG PARABOL HI TỤ ÁNH
SÁNG MẶT TRỜI 54

5.1 Tính toán thông số cho biên dng gương parabol 54
5.2 Tính toán thông số chế to gương parabol 56
5.3 Kết qu tính toán trên MATLAB 57
5.4 Kích thước chế to gương parabol 57
Chng 6 - THIẾT KẾ HỆ KHUNG VÀ GIÁ ĐỠ 59
6.1 Khung đỡ gương cầu parabol 59
6.2 Giá đỡ động cơ 60
6.3 Chân và đế gương 61
6.4 Sơ đ lắp ráp mô hình hệ thống 63
Chng 7 - KẾT LUẬN 65
7.1 Kết qu đt được của đề tài 65
7.2 Những tn ti và kiến nghị để hoàn thiện đề tài 65
TÀI LIỆU THAM KHO 67
PHỤ LỤC 1 69
Chương trình MATLAB tính toán thông số bộ truyền hình thoi 69
Chương trình MATLAB tính toán công suất động cơ Stirling và thông số gương
cầu parabol 70
Chương trình MATLAB tính toán kích thước chế to gương parabol 74
PHỤ LỤC 2 76


ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG
Hình 1.1 :Mô hình động cơ Stirling do Robert Stirling sáng chế năm 1816 1
Hình 1.2 : T hợp động cơ Stirling – máy phát điện của Philips 2
Hình 1.3 :Bơm nước dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý Stirling 3
Hình 1.4 : Khi chưa cấp nhiệt 4
Hình 1.5 : Cấp nhiệt cho một đầu xylanh 5

Hình 1.6 : Ngừng cấp nhiệt và tăng cường làm mát 5
Hình 1.7 : Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha 7
Hình 1.8 : Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu beta 8
Hình 1.9 : Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu gamma 8
Hình 1.10 : T hợp phát điện Stirling dùng năng lượng mặt trời công suất 25 kW
củaStirling Energy Systems, Inc 11
Hình 1.11 : T hợp phát điện Stirling dùng dầu diesel hoặc dầu hỏa công suất 1 kW
củaWhisper Tech Limited 11
Hình 1.12 : Mô hình xe hybrid dùng động cơ Stirling do GM nghiên cứu 11
Hình 1.13 : Động cơ Stirling 75 kW của Kockums và hệ thống AIP trên tàu ngầm
HMS Näcken 12
Hình 1.14 : Hệ thống AC Whisper Gen 13
Hình 2.1 : Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu beta 15
Hình 2.2 : Trng thái ban đầu 16
Hình 2.3 : Đ thị p – V và T – S 16
Hình 2.4 : Quá trình nén đẳng nhiệt 17
Hình 2.5 : Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 18
Hình 2.6 : Quá trình giãn nở đẳng nhiệt 19
Hình 2.7 : Quá trình làm mát đẳng tích 20
Hình 2.8 : Nguyên lý cấu to của cơ cấu hình thoi 26
Hình 2.9 : Hành trình dịch chuyển của piston trong cơ cấu hình thoi 27
x
Hình 2.10 : Điểm chết trên và điểm chết dưới của piston lực 27
Hình 2.11 : Điểm chết trên và điểm chết dưới của piston dịch chuyển 28
Hình 2.12 : nh của mặt trời qua gương parabol 29
Hình 2.13 : Hệ gương phn x và mặt thu 30
Hình 3.1 : Kết cấu động cơ Stirling 33
Hình 3.2 : Bộ truyền động hình thoi 34
Hình 3.3 : Đ thị biểu diễn góc lệch pha 38
Hình 3.4 : Đ thị P – V của động cơ Stirling 38

Hình 3.5 : Đ thị P – V của chu trình Stirling lý tưởng 39
Hình 3.6 : Đ thị biểu diễn áp suất tức thời của động cơ 39
Hình 3.7 : Đ thị biểu diễn thể tích môi chất công tác 40
Hình 3.8 : Đ thị biểu diễn thể tích tức thời của bung nén và bung gin nỡ 40
Hình 4.1 : Hộp truyền động 43
Hình 4.2 : Nắp trước hộp truyền động 44
Hình 4.3 : Nắp sau hộp truyền động 44
Hình 4.4 : Nắp dưới hộp truyền động 45
Hình 4.5 : Xylanh lực 46
Hình 4.6 : Cụm piston lực và thanh truyền 47
Hình 4.7 : Cụm piston dịch chuyển và thanh truyền 48
Hình 4.8 : Xylanh giãn nở 49
Hình 4.9 : Gối đỡ trục 50
Hình 4.10 : Trục bánh răng 50
Hình 4.11 :  lăn 51
Hình 4.12 : Bánh răng truyền động 51
Hình 4.13 : Thanh nối 51
Hình 4.14 : Thanh ngang 52
Hình 4.15 : Sơ đ lắp ráp động cơ Stirling 53
Hình 5.1 : Biên dng gần đúng của gương parabol 55
Hình 5.2 : Một phần biên dng cung parabol 56
xi
Hình 5.3 : Biên dng khai triển cung parabol 56
Hình 5.4 : Kích thước chế to gương parabol 58
Hình 6.1 : Khung đỡ gương parabol 59
Hình 6.2 : Giá đỡ động cơ Stirling 60
Hình 6.3 : Đế gương 61
Hình 6.4 : Đế xoay 61
Hình 6.5 : Chân đế 62
Hình 6.6 : Sơ đ lắp ráp hệ thống 63

Hình 6.7 : Mô hình hệ thống phát điện 64

1
Chng 1
TỔNG QUAN

1.1 Tng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kt qu nghiên cứu trong và
ngoƠi nc đƣ công bố
1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của đng c Stirling [6]
Động cơ Stirlingdo ông Robert Stirling, một mục sư người Scotland,phát minh
vào năm 181θ. Phát minh này nhằm tạo ra một sự lựa chọn an toàn hơn động cơ hơi
nước đang ph biến lúc bấy giờ. Ni hơi của động cơ hơi nước thường xảy ra hiện
tượng n do áp suất cao của hơi nước và vật liệu chế tạo không phù hợp.

Hình 1.1 – Mô hình động cơ Stirling do Robert Stirling sáng chế năm 181θ.
Thực ra, những ý tưởng phát minh ra một loại động cơ mới thay thế chođộng
cơ hơi nước đã xuất hiện từ đầu những năm 1θ99 khi những điều luật đầu tiênvề khí
thải ra đời. Năm 1807 nhà phát minh người Anh George Cayley đã phát minhra
động cơ khí nóng. Nhưng mô hình động cơ Stirling của Robert Stirling đưa ranăm
181θ là được chú ý hơn cả và được xem là đáng giá nhất.
Thời kỳ phát triển mạnh nhất của động cơ Stirling là vào những năm 18η0 khi
J.Ericsson- một kỹ sư người Thụy Điển đã nghiên cứu và chế tạo ra những động
cơStirling thực tế có công suất 0,η đến η HP. Riêng trong năm đó họ đã bán
đượckhoảng 2000 chiếc ở Anh và Mỹ. Những năm sau đó động cơ Stirling tiếp tục
đượcnghiên cứu chế tạo nhằm hoàn thiện về kết cấu cũng như nâng cao công suất
2
vàhiệu suất. Tuy nhiên, sau khi xuất hiện động cơ xăng (1878) và động cơ
diesel(1893), động cơ Stirling đã được sản xuất ít dần và gần như bị lãng quên trong
mộtthời gian dài trong suốt nửa đầu thế kỷ XX.
Vào những năm cuối của thập niên 40 của thế kỷ XX, động cơ Stirling lạixuất

hiện khá ph biến dưới dạng t hợp máy phát điện xách tay do công ty
PhilipsElectronics của Hà Lan chế tạo. Cũng trong khoảng thời gian này, động cơ
Stirlingcòn được nghiên cứu thử nghiệm như một loại máy lạnh.

Hình 1.2 – T hợp động cơ Stirling – máỔ phát điện của Philips.
Trong hai lĩnh vực này động cơ Stirling đã đạt được những thành quả
nhấtđịnh. Tuy nhiên, chỉ một thời gian ngắn sau đó, khi có sự xuất hiện của ăcqui
thìmột lần nữa động cơ Stirling dưới dạng máy phát điện cỡ nhỏ lại bị loại bỏ
dầnnhường chỗ cho ăcqui, ngun cung cấp điện năng tiện dụng hơn nhiều.
Mặc dù vậy, động cơ Stirling vẫn được nghiên cứu cải tiến bởi tính chất nibật
của loại động cơ này là: nếu chu trình nhiệt động học được thực tiễn hoá thì
hiệusuất nhiệt của động cơ Stirling sẽ tương đương với hiệu suất nhiệt của chu
trìnhCarnot, tức là hiệu suất nhiệt sẽ cao hơn hiệu suất của bất kỳ động cơ nhiệt nào
đãđược sáng chế.
3
Năm 1938 công ty N. V. Philips Glaxilampen Fabrieken của Hà Lan đã bắtđầu
nghiên cứu chế tạo và sản xuất động cơ Stirling cung cấp cho thị trường. Vàcùng
với công ty Philips, rất nhiều nhà khoa học đã trở lại nghiên cứu động cơStirling.
Đối với động cơ Stirling, hiệu suất 40% và công suất 82 kW trên 1 lít thểtích quét là
hoàn toàn có thể đạt được. Và với những công trình nghiên cứu đangđược tiến hành
thì những con số ý nghĩa này còn có thể nâng cao hơn nữa.
Những nghiên cứu phát triển ứng dụng động cơ Stirling trên phương diệnvận
chuyển cũng đã được các nhà sản xuất ô tô quan tâm từ giữa thế kỷ XX. Mặtkhác,
do có thể biến đi trực tiếp năng lượng mặt trời thành cơ năng nên động cơStirling
được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trên các con tàu không gian từ năm199η. Ngày
nay, nghiên cứu động cơ Stirling để sử dụng các ngun năng lượng táisinh cũng
đang được đẩy mạnh. Những năm gần đây, ở các nước Mỹ, Nhật, châuÂu, động cơ
Stirling đang được nghiên cứu để trang bị cho tàu vũ trụ, phi thuyền sửdụng năng
lượng mặt trời, tàu ngầm, các thiết bị làm lạnh.
Tại Việt Nam, Trường Đại học Bách khoa (Đại học Đà Nẵng) đã chếtạo thành

công bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời, hoạt động theo nguyên tắcđộng cơ
Stirling với các thông số kỹ thuật [2]:
- Công suất trung bình: 5m
3
/ngày.
-Áp suất hút tối đa: ηm H
2
O.
-Áp suất đẩy tối đa: 10m H
2
O.

Hình 1.3 – Bơm nước dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý Stirling.
4
1.1.2 Nguyên lý hot đng của đng c Stirling
Động cơ Stirling là một loại động cơ nhiệt thuộc nhóm động cơ đốt ngoài.Môi
chất công tác của động cơStirling (thường là không khí, hydro hay heli) chỉ di
chuyển trong một khônggian đã được làm kín và có thành phần không thay đi
trong tất cả những giai đoạnkhác nhau của chu trình công tác. Khi môi chất công tác
được một ngun nhiệt từbên ngoài (có thể là nhiên liệu bị đốt cháy, địa nhiệt, năng
lượng mặt trời…) đốt nóngthì nó sẽ giãn nở và đẩy piston đi xuống để sinh công cơ
học. Sau đó nó được làmmát và được một piston khác đẩy trở lại không gian nén để
thực hiện chu trình làmviệc tiếp theo.
Xét một xylanh được làm kín một đầu và đầu còn lại được bịt kín bằng
mộtpiston và một ít không khí chứa bên trong. Piston chuyển động qua lạitự do
nhưng hầu như kín để không khí bên trong không thoát được ra bên ngoài. Giảsử,
lúc ban đầu toàn bộ thiết bị có nhiệt độ bằng nhiệt độmôi trường. Lúc này, không
khí bên trong có áp suất bằng áp suất khí quyển. Vớiđiều kiện đó piston sẽ đứng yên
ở vị trí ban đầu (hình 1.4).

Hình 1.4 – Khi chưa cấp nhiệt.
Nếu ta đốt nóng một đầu xylanh (đầu nóng), ngun nhiệt được sử dụng cóthể
là chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại đầu xylanh hoặc một cách đơn giản là
dùngmột ngọn nến. Khi đó áp suất và nhiệt độ của không khí bên trong sẽ tăng lên,
không khí sẽ giãnnở đẩy piston chuyển động và sinh công hữu ích (hình 1.5). Bất kỳ
ngun nhiệt nàocũng có khả năng sinh công, nhưng nhiệt độ càng cao thì sinh ra
công càng lớn.
5

Hình 1.5 – Cấp nhiệt cho một đầu xylanh.
Khi piston chuyển động đến đầu bên phải của xylanh ta ngừng quátrình cấp
nhiệt và tăng quá trình thải nhiệt bằng cách tăng cường làm mát cho xylanh thì áp
suất và nhiệt độ không khí bên trong xylanh giảm xuống. Đến một lúcnào đó ápsuất
không khí bên trong thấp hơn áp suất khí quyển thì piston sẽ chuyểnđộng trở lại vị
trí ban đầu (hình 1.6).

Hình 1.6 – Ngừng cấp nhiệt và tăng cường làm mát.
1.1.3 Các loi đng c Stirling
Động cơ Stirling có thể được phân loại theo những tiêu chí khác nhau:
Tiêu chí phân loại
Các loại động cơ Stirling
Môi chất công tác
- Động cơ Stirling với môi chất công tác là không khí.
- Động cơ Stirling với môi chất công tác là hydro.
- Động cơ Stirling với môi chất công tác là heli.
Ngun nhiệt
- Động cơ Stirling sử dụng nhiên liệu làm ngun nhiệt.
- Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời.
- Động cơ Stirling sử dụng ngun địa nhiệt.
Đặc điểm cấu tạo

- Động cơ Stirling kiểu alpha.
- Động cơ Stirling kiểu beta.
- Động cơ Stirling kiểu gamma.
T
o
T
o
6
- Động cơ Stirling một xylanh.
- Động cơ Stirling nhiều xylanh.
Công dụng
- T hợp máy phát điện Stirling.
- Máy lạnh Stirling.

1.1.4 Cấu to của mt số loi đng c Stirling [6]
Tuy có hình dáng bên ngoài, kích thước và cách bố trí rất khác nhau, nhưngtất
cả các loại động cơ Stirling đều được cấu thành từ các bộ phận cơ bản với chức
năng nhưsau:
- Bộ cấp nhiệt: là bộ phận có chức năng cấp nhiệt cho môi chất công tác. Môi
chất công tác thường dùng cho động cơ Stirling là không khí, hydro hoặc heli.
Ngun nhiệt cho động cơ Stirling có thể là từ xăng dầu, than củi, nănglượng mặt
trời, năng lượng địa nhiệt…
- Bộ hi nhiệt: là bộ phận có chức năng thu nhận nhiệt của môi chất công tác
khi nó đi từ không gian giãn nở có nhiệt độ cao sang không gian nén có nhiệt độ
thấp hơn và truyền lại phần nhiệt đã thu nhận cho môi chất công tác khi môi chất
côngtác đi ngược trở lại. Có thể xem bộ hi nhiệt như một thiết bị tận dụng năng
lượng. Động cơ Stirling vẫn có thể hoạt động khi không có bộ hi nhiệt nhưng khi
đó hiệusuất của động cơ sẽ giảm.
- Bộ làm mát: là nơi môi chất công tác thải nhiệt ra môi trường bên ngoài.
Đối với động cơ Stirling, môi chất công tác có thể được làm mát bằng không

khíhoặc nước.
- Piston giãn nở và piston nén: piston giãn nở là bộ phận tiếp nhận áp lực của
môi chất công tác khi giãn nở để sinh công cơ học. Piston nén là bộ phận có chức
năng nén và đẩy môi chất công tác từ không gian nén qua bộ trao đi nhiệt về
không gian giãn nở. Hai piston giãn nở và nén được đặt lệch pha nhau một góc
nàođó thường là 90
o
.
- Xylanh giãn nở: là bộ phận dẫn hướng piston giãn nở và cùng với piston
giãn nở tạo thành không gian giãn nở.Tại không gian giãn nở, môi chất công tác có
7
nhiệt độ và áp suất cao sẽ giãnnở đng thời đẩy piston giãn nở từ điểm chết trên đến
điểm chết dưới để sinh công.
- Xylanh nén: là bộ phận dẫn hướng piston nén và cùng với piston nén tạo
thành không gian nén.Không gian nén là nơi môi chất công tác được làm mát sau
khi được đẩy từkhông gian giãn nở qua, sau đó được nén và đẩy trở lại không gian
giãn nở.
- Cơ cấu truyền lực: bao gm các bộ phận có chức năng tiếp nhận lực đẩy
của môi chất công tác và truyền lực đó đến các bộ phận tiêu thụ đng thời phối hợp
chuyển động của các piston. Cơ cấu truyền lực của động cơ Stirling có thể cấu tạo
kiểu thanh truyền trục khuỷu tương tự như ở động cơ đốt trong thông dụng hoặc
cóthể có các cấu trúc đặc biệt khác.
1.1.4.1 Đng c Stirling kiểu alpha
Các động cơ Stirling kiểu alpha có hai piston đặt trong hai xylanh riêng biệtvà
được nối kết với nhau bằng một chuỗi các bộ phận trao đi nhiệt gm bộ phậncấp
nhiệt, bộ phận hi nhiệt và bộ phận làm mát. Haipiston này được bố trí lệch nhau
một góc 90 độ.Nhưvậy hai piston làm cho môi chất công tác di chuyển qua lại giữa
hai không gian nàyvà cùng sinh công như nhau.

Hình 1.7 – Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha.

Động cơ Stirling kiểu alpha được xem là cấu hình động cơ Stirling đơn
giảnnhất, tuy nhiên nó mắc phải nhược điểm là vấn đề làm kín đối với piston giãn
nở do tiếp xúc thường xuyên với nhiệt độ cao từ bộ cấp nhiệt.
1.1.4.2 Đng c Stirling kiểu beta
Không giống với động cơ kiểu alpha, động cơ Stirling kiểu beta có mộtpiston
lực và một piston phụ (piston dịch chuyển) được đặt đng tâm trong cùng một
8
xylanh. Piston dịch chuyển được lắp lỏng trong xylanh và nhiệm vụ của nó là đẩy
môi chất công tác từ khônggiannén sang không gian giãn nở và ngược lại.

Hình 1.8 – Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu beta.
1.1.4.3 Đng c Stirling kiểu gamma
Cũng giống như ở động cơ Stirling kiểu beta, các động cơ Stirling kiểugamma
cũng có một piston lực và một piston phụ (piston dịch chuyển). Tuy nhiên, chúng
được đặt trong haixylanh khác nhau.

Hình 1.9 – Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu gamma.
1.1.5 So sánh đng c Stirling vi đng c đốt trong [6]
So với động cơ đốt trong thông dụng dùng xăng và dầu diesel, động cơStirling
có những ưu điểm sau đây:
9
- Động cơ Stirling có thể chạy được bằng bất kỳ loại nhiên liệu nào, từ nhiên
liệu hóa thạch (than đá, các sản phẩm từ dầu mỏ) đến các ngun nhiên liệu tái tạo
như gỗ, củi, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt…
- Quá trình cháy ở động cơ Stirling (nếu dùng các loại nhiên liệu hóa thạch)
diễn ra liên tục ở bên ngoài không gian công tác nên việc đảm bảo cho quá trình
cháy diễn ra hoàn toàn dễ dàng hơn nhiều so với trường hợp động cơ đốt trong nên
nguy cơ gây ô nhiễm môi trường bởi khí thải thấp hơn.
- Chu trình công tác của động cơ Stirling thuộc loại chu trình kín, tức là
không có sự trao đi môi chất công tác với môi trường bên ngoài nên động cơ

Stirling có thể hoạt động ở bất cứ nơi đâu nếu có sự chênh lệch nhiệt độ.
- Khi hoạt động, độ n và rung động của động cơ Stirling thấp hơn do không
có sự biến đi áp suất của môi chất công tác một cách đột ngột như ở động cơ đốt
trong.
- Đối với động cơ Stirling, sản phẩm cháy không tiếp xúc trực tiếp với các bộ
phận chuyển động nên cường độ ăn mòn thấp hơn, tui thọ động cơ lớn hơn.
- Về cấu tạo thì động cơ Stirling đơn giản hơn nhiều so với động cơ đốt
trong. Nó có ít chi tiết, ít bộ phận hơn, không có các hệ thống phức tạp như ở động
cơ đốt trong.
Tuy nhiên động cơ Stirling cũng có những hạn chế không nhỏ:
- Vấn đề làm kín: đây là vấn đề phức tạp đối với động cơ Stirling công suất
cao bởi lẽ chỉ cần một sự rò rỉ môi chất công tác dù là rất nhỏ cũng ảnh hưởng rất
xấu đến hiệu suất và công suất của động cơ. Đối với môi chất công tác khôngphải là
không khí thì cần phải có sự cung cấp thêm từ bên ngoài.
- Vấn đề vật liệu chế tạo: các bộ phận trao đi nhiệt như bung đốt, bộ phận
cấp nhiệt, bộ phận hi nhiệt luôn tiếp xúc với nhiệt độ cao mà lại không được làm
mát nên dễ bị oxy hoá. Do đó phải được chế tạo bằng các vật liệu chịu nhiệt tốt, đắt
tiền. Hơn thế nữa, động cơ Stirling chỉ đạt được công suất và hiệu suất cao nhất khi
thể tích không gian chết của động cơ phải được giảm nhỏ tối thiểu và môi chất sử
dụng phải là hydro hoặc heli. Nhưng như thế thì diện tích cho sự truyền nhiệt lại
10
càng nhỏ và nhiều vật liệu sẽ trở nên giòn xốp khi tiếp xúc với hai loại môi chất trên
khi ở nhiệt độ cao. Những điều này làmcho công nghệ chế tạo, công nghệ vật liệu
và nhiệt luyện rất khó khăn.
- Vấn đề làm mát: trong tng số nhiệt lượng cung cấp cho động cơ, một phần
lập tức mất đi theo sự thoát khí, đây là nhiệt lượng mất mát vô ích. Nhiệt lượng còn
lại, một phần chuyển thành công, một phần truyền cho bộ phận làm mát (cũng xem
như là vô ích). Trong trường hợp động cơ diesel hoặc động cơ xăng thì phần nhiệt
bỏ đi bao gm nhiệt lượng truyền cho hệ thống làm mát và nhiệt lượng theo khí xả
ra ngoài. Đối với động cơ đốt trong, sự gia tăng nhiệt độ nước làm mát sẽ làm tăng

hiệu suất nhiệt. Nhưng đối với động cơ Stirling thì bất kỳ sự gia tăng nhiệt độ T
min

nào của môi chất công tác cũng ảnh hưởng xấu đến công suất riêng và hiệu suất của
động cơ. Chính vì vậy bộ phận làm mát của động cơ Stirling phải lớn hơn để giữ
nhiệt độ làm mát càng gần với nhiệt độ không khí bao quanh càng tốt. So với bộ tản
nhiệt của động cơ diesel cùng công suất thì bộ tản nhiệt của động cơ Stirling lớn
hơn gấp hai đến ba lần. Do đó muốn có một động cơ Stirling công suất cao với
hệthống làm mát không khí đơn giản là không thể có.
1.1.6 Những ứng dng của đng c Stirling[11]
1.1.6.1 Sn xuất đin năng
Do khả năng hoạt động được với nhiều ngun nhiệt khác nhau như xăng,dầu,
than, củi, năng lượng mặt trời, địa nhiệt…nên t hợp máy phát điện Stirling(động
cơ Stirling – máy phát điện) cỡ nhỏ rất thích hợp tại các vùng sâu, vùng xa, hải đảo,
các trạmkhí tượng, trên các con tàu vũ trụ– nơichưa hoặc không thể có lưới điện,
chúng có thể hoạt động trong một thời gian dài mà không cần đến sự bảo dưỡng,
chămsóc của con người.
11

Hình 1.10 – T hợp phát điện Stirling dùng
năng lượng mặt trời công suất 25 kW
củaStirling Energy Systems, Inc.
Hình 1.11 – T hợp phát điện
Stirling dùng dầu diesel hoặc dầu
hỏa công suất 1 kW củaWhisper
Tech Limited.
1.1.6.2 Đng c cho ô tô, tƠu thủy
Trong thập niên 70 và 80, một số hãng ô tô đã bắt đầu nghiên cứu về động cơ
Stirling như General Motors hay Ford. Sản phẩm nghiên cứu của họ là những xe hơi
hybrid chạy bằng xăng hoặc dầu diesel được trang bị thêm một động cơ Stirling. Khi

xe chạy, động cơ Stirling sẽ đng thời nạp điện vào ăcquy sử dụng cho động cơ điện.

Hình 1.12 – Mô hình xe
hỔbrid dùng động cơ
Stirling do GM nghiên cứu.
12
Kockums, một nhà thầu các trang thiết bị quốc phòng của Thụy Điển đã cung
cấp một loại thiết bị cho hải quân để phục vụ cho việc chế tạo các tàu ngầm yên tĩnh
nhất thế giới. Thiết bị này được đặt tên là “air-independent propulsion” (AIP) trang
bị động cơ Stirling 7η kW.Mẫu tàu ngầm đầu tiên được gắn thiết bị AIP có tên là
HMS Näcken.

Hình 1.13 – Động cơ Stirling 7η kW của Kockums (a) và hệ thống AIP
trên tàu ngầm HMS Näcken (b)
1.1.6.3 H thống nhit và đin
Whisper Tech Limited (New Zealand) đã đưa ra thị trường một thiết bị thay
thế hệ thống sưởi truyền thống, sử dụng khí gas, công suất từ 7,5 – 12 kW. Thiết bị
có tên AC Whisper Gen được tích hợp các chức năng sưởi ấm, máy nước nóng, và
cả máy phát điện nhờ được trang bị một động cơ Stirling 4 xylanh.
13

1.1.6.4 H thống làm lnh
Một ưu điểm khác biệt của động cơ Stirling so với động cơ đốt trong đó là
động cơ Stirling có thể hoạt động theo chu trình ngược. Khi đó, cơ năng hoặc điện
năng được sử dụng để dịch chuyển piston và động cơ Stirling sẽ trở thành một thiết
bị làm lạnh. Thiết bị làm lạnh theo chu trình Stirling đầu tiên được công ty Philips
chế tạo vào những năm 19η0. Về mặt lý thuyết, nếu được chế tạo đạt yêu cầu kỹ
thuật cao, những thiết bị làm lạnh theo nguyên lý Stirling có thể đạt tới nhiệt độ
10
o

K (-263
o
C).
1.2 Mc tiêu, khách thể vƠ đối tng nghiên cứu
1.2.1 Mc tiêu nghiên cứu của đề tài
- Tận dụng năng lượng mặt trời, một ngun năng lượng sạch và vô tận, để
biến đi thành điện năng nhằm góp phần giải quyết cuộc khủng hoảng về năng
lượng đang ngày càng gay gắt.
Hình 1.14 – Hệ thống
AC Whisper Gen.
14
- Nghiên cứu một hướng khác trong việc sản xuất điện năng từ năng lượng
mặt trời, ngoài hướng sử dụng tế bào quang điện.
1.2.2 Khách thể vƠ đối tng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là chu trình nhiệt động học, nguyên lý, kết
cấu của một mô hình hệ thống phát điện dùng động cơ nhiệt Stirling ứng dụng
nguyên lý hội tụ ánh sáng mặt trời.
1.3 Nhim v của đề tài và phm vi nghiên cứu
1.3.1 Nhim v của đề tài
- Tính toán thiết kế các thông số cơ bản cho một động cơ nhiệt Stirling.
- Tính toán thiết kế hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời dùng gương parabol
hội tụ.
- Mô hình hóa hệ thống trên máy tính.
- Tính toán hiệu suất, hiệu quả kinh tế.
1.3.2 Phm vi nghiên cứu
Đề tài được giới hạn ở nhiệm vụ thiết kế hệ thống chuyển đi từ năng lượng
mặt trời thành cơ năng để chạy máy phát điện, không bao hàm việc tính toán cho
máy phát điện và các thiết bị chuyển đi điện năng. Mặt khác, do có sự hạn chế về
trang thiết bị và về kinh phí thực hiện đề tài nên việc chế tạo mô hình thử nghiệm
không thực hiện được như mong muốn.

1.4 Phng pháp nghiên cứu
Người thực hiện đề tài đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu chính như sau:
- Tng hợp, tham khảo tài liệu.
- Tính toán, thiết kế mô phỏng trên máy tính.
- Quan sát thực nghiệm.


15
Chng 2
C SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Chu trình lý thuyt của đng c Stirling
Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling là chu trình nhiệt động của động
cơStirling được xâydựng trên cơ sở những giả định nhằm đơn giản hoá các quá trình
nhiệt động.
2.1.1 Các gi định của chu trình Stirling [6]

Hình 2.1 – Sơ đ kết cấu động cơ Stirling kiểu beta.
Để xây dựng chu trình lý thuyết của động cơ Stirling, ta có thể chọn mô hình
động cơ Stirling kiểu betađơn giản (hình 2.1) với những giả định như sau:
- Môi chất công tác là khí lý tưởng (có nhiệt dung riêng không đi và tuân theo
phương trình trạng thái pV=m RT).
- Nhiệt độ trong bung giãn nở luôn được duy trì ở trị số T
max
, nhiệt độ trong
bung nén luôn được duy trì ở trị số T
min
.
- Bộ hi nhiệt nhận nhiệt và nhả nhiệt theo chu kỳ và luôn có một gradient nhiệt
độ T

max
– T
min
qua mặt cắt ngang của bộ hi nhiệt.
- Không có không gian chết, tức là không gian nối giữa bung nén và bung
giãn nở được xem như bằng không.
- Bỏ qua các tn thất do ma sát khi các piston chuyển động và sự rò rỉ của môi
chất công tác.
16
2.1.2 Các quá trình nhit đng trong chu trình Stirling [3]
Giả sử điểm bắt đầu của chu trình tương ứng với thời điểm piston nén đang ở
điểmchết dưới và piston giãn nở đang đi đến điểm chết trên (hình 2.2). Tất cả môi
chất công tác lúc đó đang ở trongbung nén,thể tích môi chất công tác là cực đại, vì
vậy áp suất và nhiệt độ của môichất công tác có trị số nhỏ nhất, tương ứng với điểm
1 trên đ thị p – V và T – S(hình 2.3).

Hình 2.2 – Trng thái ban đầu

Hình 2.3 – Đ thị p – V và T – S
Như vậy, chu trình lý thuyết của động cơ Stirling được cấu thành từ bốn
quátrình nhiệt động cơ bản như sau:
- Nén đẳng nhiệt 1 – 2.
- Cấp nhiệt đẳng tích 2 – 3.
- Giãn nở đẳng nhiệt 3 – 4.
- Làm mát đẳng tích 4 – 1.
17
2.1.2.1 Quá trình nén đẳng nhit 1 ậ 2
Trong quá trình nén (hình 2.4), piston nén di chuyển về phía điểm chết trên và
pistongiãn nở được xem như là đứng yên. Môi chất công tác bị nén lại trong bung
nén,thể tích của nó giảm, áp suất tăng lên, nhiệt độ được duy trì không đi ở trị số

T
min
do được làm mát. Nhiệt lượng truyền từ bung nén ra môi trường xung quanh là
Q
c
.Quá trình nén lý thuyết được biểu diễn bằng đoạn 1 – 2 trên đ thị.

Hình 2.4 – Quá trình nén đẳng nhiệt
Phương trình trạng thái biểu diễn quá trình:
T
2
= T
1
= T
min
= const (2.1)
pV = const (2.2)
Quan hệ giữa các thông số:
p
1
p
2
=
V
2
V
1
p
2
=p

1
V
1
V
2
=p
1
V
max
V
min
=p
1
v ,

N m
2
 
(2.3)
Với v là tỉ số thể tích:
v =
V
max
V
min
(2.4)
Hệ số chuyển hoá năng lượng α:
α =
∆U
Q

= 0(2.5)
Điều này chứng tỏ rằng, trong quá trình đẳng nhiệt, nhiệt lượng của môi chất
công tác trao đi với môi trường chỉ dùng để sinh công. Do đó nhiệt lượng truyền Q
bằng công thực hiện W:
18
Q
12
= W = -

dW
2
1
= -

pdV
V
2
V
1
= -

RT
min
V
dV
V
2
V
1
(2.6)

Q
12
= - RT
min
ln
V
2
V
1
= - RT
min
ln
1
v
= RT
min
lnv , [J/kg](2.7)
Sự thay đi entropy:
∆S =

dS
2
1
=

dQ
T
min
2
1

=
1
T
min

dQ
2
1
(2.8)
∆S =

S
2
- S
1

=
Q
12
T
min
= Rlnv , [J/kg.K] (2.9)
2.1.2.2 Quá trình cấp nhit đẳng tích 2 ậ 3
Trong quá trình tiếp theo, cả hai piston đều di chuyển đng thời: piston
néntiếp tục di chuyển về phía điểm chết trên, còn piston giãn nởthì di chuyển về
phía điểm chết dưới. Môi chất công tác di chuyển từ bung nénsang bung giãn nở
với thể tích không đi. Trong khi đi qua bộ hi nhiệt, môi chấtcông tác được sấy
nóng từ nhiệt độ T
min
lên đến nhiệt độ T

R
bởi lượng nhiệt nhận từbộ hi nhiệt. Khi
đi qua bộ cấp nhiệt, môi chất công tác được đốt nóng lên đến nhiệtđộ T
max
và đi vào
bung giãn nở. Sự gia tăng nhiệt độ khi đi qua bộ hi nhiệt và bộcấp nhiệt ở thể tích
không đi sẽ làm gia tăng áp suất. Như vậy, quá trình cấp nhiệtcho môi chất công
tác diễn ra trong điều kiện đẳng tích và được biểu diễn bằngđoạn 2 – 3. Quá trình
này kết thúc khi piston nén tới điểm chết trên (hình 2.5).

Hình 2.5 – Quá trình cấp nhiệt đẳng tích
19
Phương trình trạng thái biểu diễn quá trình:
V = const (2.11)
Quan hệ giữa các thông số:
V
3
= V
2
= V
min
(2.12)
T
2
p
2
=
T
3
p

3
p
3
=p
2
T
3
T
2
=p
2
T
max
T
min
=p
2
t , [N/m
2
](2.13)

Với t là tỉ số nhiệt độ:
t =
T
max
T
min
(2.14)
Nhiệt lượng bộ cấp nhiệt truyền cho môi chất công tác:
Q

23
= C
v
(T
3
– T
2
) , [J/kg] (2.15)
Công thực hiện:
W = 0
Sự thay đi entropy:
∆S=S
3
-S
2
=C
v
ln
T
3
T
2
=C
v
lnt , [J/kg.K] (2.16)
2.1.2.3 Quá trình giãn n đẳng nhit 3 ậ 4
Tiếp theo, piston nén được xem như đứng yên tại điểm chết trên, piston giãn
nở tiếp tụcbị môi chất công tác trong bung giãn nở đẩy về phía điểm chết dưới.
Thể tích củamôi chất công tác tăng lên, áp suất giảm xuống nhưng nhiệt độ vẫn
được duy trì ởtrị số T

max
do môi chất công tác tiếp tục được cấp nhiệt lượng Q
E
từ
bộ cấp nhiệt.Giai đoạn này được biểu diễn bằng đoạn 3 – 4. Quá trình kết thúc
khipiston giãn nở tới điểm chết dưới (hình 2.6).

Hình 2.6 – Quá trình giãn nở đẳng nhiệt