NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ STIRLING DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGHIÊN CỨU ðỘNG CƠ STIRLING
DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
A RESEARCH ON STIRLING ENGINES USING SOLAR ENERGY


HOÀNG DƯƠNG HÙNG – PHAN QUÝ TRÀ

Trường ðại học Bách khoa, ðại học ðà Nẵng

PHAN QUANG XƯNG
ðại học ðà Nẵng


TÓM TẮT
Trong bài báo này chúng tôi muốn giới thiệu về nghiên cứu ứng dụng một loại ñộng cơ nhiệt
có nhiều ưu việt mà ngày nay ñang ñược nhiều nhà nghiên cứu quan tâm ñể ứng dụng vào
thực tế, ñó là ñộng cơ Stirling. ðộng cơ Stirling có thể hoạt ñộng bởi nhiều nguồn nhiệt khác
nhau mà ñặc 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. ðặt vấn ñề
Ðộng cơ Stirling là một thiết bị có
nhiều ưu việt và cấu tạo ñơn giản. Một
ñầu ñộng cơ ñược ñốt nóng, phần còn lại
ñể nguội và công hữu ích ñược sinh ra.
Ðây là một ñộng cơ kín không có ñường

cấp nhiên liệu cũng như ñường thải khí.
Nhiệt dùng ñược lấy từ bên ngoài, bất kể
vật gì nếu ñốt cháy ñều có thể dùng ñể
chạy ñộng cơ Stirling như: than, củi, rơm
rạ, dầu hỏa, dầu lửa, cồn, khí ñốt tự nhiên,
gas mêtan,... và không ñòi hỏi quá trình
cháy mà chỉ cần cấp nhiệt ñủ ñể làm cho
ñộng cơ Stirling hoạt ñộng. Ðặc biệt ñộng
cơ Stirling có thể hoạt ñộng với năng
lượng mặt trời, năng lượng ñịa nhiệt, hoặc
nhiệt thừa từ các quá trình công nghiệp.

2. Nguyên lý hoạt ñộng
Ðộng cơ Stirling là một ñộng cơ
nhiệt. Ðộng cơ nhiệt là một thiết bị có thể
liên tục chuyển ñổi nhiệt năng thành cơ
năng. Nếu ta ñốt nóng một ñầu xilanh
(ñầu nóng) nguồn nhiệt ñược sử dụng có
thể là chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại
ñầu xilanh hoặc một cách ñơn giản là
nhúng ñầu xilanh vào nước nóng, thì áp

H×nh 3. Kh«ng khÝ ¸p suÊt cao ®Èy piston ®i ra
§Çu nãng
§Çu l¹nh
sut v nhit ủ khụng khớ bờn trong tng lờn. ỏp sut cao s ủy piston chuyn ủng 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 ủ cng cao thỡ to ra cụng cng ln. éng c khụng nhng ch chuyn nhit thnh
cụng mt ln ủn 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 ủn 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 ủng ủn
ủu bờn phi ca xilanh, ta ngng quỏ
trỡnh cp nhit v tng quỏ trỡnh thi
nhit (lm mỏt) thỡ nhit ủ v ỏp sut
ca khụng khớ phớa trong xilanh gim
xung ủn khi ỏp sut ca khụng khớ bờn
trong thp hn ỏp sut ca khớ quyn bờn
ngoi thỡ piston s chuyn ủng ngc li
v tr li v trớ ban ủu. (Hỡnh: 5, 6)
Vn ủ ủt ra ủi vi ủng c
Stirling trong thc t l lm th no ủ
chỳng hot ủng mt cỏch t ủng, tc l
xilanh nhn, thi nhit ủỳng lỳc v liờn
h cht ch vi nhau. Nht l ủi vi
ủng c Stirling s dng nng lng mt
tri khi m ngun nng lng cung cp
cho ủng c liờn tc. Do vy ủ ủng c
Stirling hot ủng ủc trong thc t thỡ
ngoi xi lanh v piston nh trờn thỡ ủng
c cn phi cú thờm cỏc b phn ph nh
piston choỏn ch, bỏnh ủ v.v... v cỏc b
phn ny phi kt hp vi nhau sao cho
quỏ trỡnh nhn v thi nhit ca mụi cht
ủỳng chu k.

3. éng c stirling dựng nng lng mt tri
éng c Stirling ủc 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 ủng c Stirling nhit ủ cao,

nhit ủ trung bỡnh. éng c Stirling nhit ủ thp s dng nng lng mt tri ủn nay vn
cha cú tớnh toỏn lý thuyt cng nh kt qu thc nghim ủc cụng b.
Da vo cu trỳc ca ủng c Stirling m ngi ta chia ủng c Stirling thnh 3 kiu c
bn , , .

Cỏc kiu ny ủu cú mt ủim chung l cú ớt nht 2 bung lm vic ủú l bung
nộn v bung gión n trong ủú mụi cht khớ cụng tỏc ủc ủin kớn.
Nng lng mt tri l ngun nng lng sch v vụ tn. Tuy nhiờn ủc ủim ca NLMT
l phõn b khụng tp trung v cng ủ nng lng mt tri ph thuc vo gi trong ngy v
thay ủi theo mựa. Cng ủ bc x mt tri ủn b mt trờn mt ủt cao nht khong
1000W/m2. Do vy chỳng tụi la chn loi ủng c Stirling dựng nng lng mt tri kiu
ủ nghiờn cu.
éi vi ủng c Stirling kiu thỡ Piston lm vic v Piston choỏn ch ủc b trớ vo 2

Hình 4. Quá trình gin 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 ủ thp
- Liờn kt núng : Piston lm vic phớa nhit ủ 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 ủng c Stirling kiu thỡ
chỳng tụi ủa ra mu ủng c Stirling s dng NLMT nh Hỡnh 7.

Hỡnh 7. Cu to ủng c Stirling s dng nng lng mt tri

Sau khi nghiờn cu lý thuyt tớnh toỏn thit k v ủó ch to ủng c Stirling vi cỏc

thụng s k thut nh bng sau.

ng kớnh 1,55 m
p sut lm vic
TBỡnh
1 bar
Nhit ủ 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 ủng 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

ủ gia phn
núng v phn
lnh
> 25C
Tc ủ quay 30-40 v/ph

T s nộn 1,057 Dng ủng c

Qua quỏ trỡnh ủo ủc th nghim mt lot cỏc thụng s cho thy s khỏc bit gia cỏc
giỏ tr tớnh toỏn lý thuyt v giỏ tr ủo ủc vo khong 5% (Hỡnh 8). iu ủú chng t mụ
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

ðầu bơm
Bánh ñà
hình tính toán cho ñộng cơ là thích hợp. Thực tế ñã chế tạo thiết bị hoạt ñộng tốt với ñiều 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(ðo)
TH(ðo)

Hình 8. Nhiệt ñộ bề mặt hấp thụ (T
A
) và nhiệt ñộ khí công tác nóng (T
H
) trong ñộng 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 ñể chạy ñộng cơ Stirling, ñộng cơ này
có thể sử dụng cho nhiều mục ñích khác nhau, trong ñó bơm nước là một trong các ứng dụng
ñó. 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, ðề tài nghiên cứu khoa học trọng ñiểm 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.