Stirlingův motor a jeho využití při mikrokogeneraci – kombinovaná výroba tepla a elektrické energie

jednotka-motor

Zájem o čistotu životního prostředí a hrozba energetické krize znovu oživila zájem o Stirlingův motor. Motor pracuje s plamenem, který hoří spojitě v horké komoře a významně tak snižuje produkci škodlivin (oxid uhelnatý a oxidy dusíku) které jsou hluboko pod normou požadovaným limitem.

Motor pracuje velmi tiše a měkce i při nízkých otáčkách a navíc mazací olej nepřichází do styku s hořícími plyny, což významně prodlužuje servisní interval a celou životnost motoru.

 

Historie

Stirlingův motor si nechal patentovat technicky založený skotský duchovní Stirling v roce 1816, tedy v době bouřlivého vývoje parního stroje. V této době bylo mnoho smrtelných nehod způsobených explozí parního kotle, proto představoval Stirlingův motor, který pracoval bez kotle a navíc tiše, vhodnou alternativu. Motor jako první obsahoval generátor (zvaný „ekonomizér“), který podstatně zvyšoval účinnost stroje.

Dalším průkopníkem Stirlingových motorů se pak stal švédský vynálezce John Ericsson, který si dobře uvědomoval jeho výhody. Postavil například Stirlingův motor poháněný pouze sluneční energií.

V té době však byl vynalezen také elektromotor. Když přišel se svým lehkým motorem Benz, nemohl s ním teprve se vyvíjející Stirlingův motor soutěžit, zejména pro užití při pohonu automobilů. V následujícím století došlo k prudkému rozvoji benzínových a naftových motorů. Surová ropa byla kolem roku 1900 levná a tak Stirlingův motor upadl v zapomnění – aby se dnes v době rostoucích cen paliv a enerií stal opět aktuálním.

 

Využití Stirlingova motoru v současnosti

V současné době je Stirlingův motor využíván na příklad v kombinované výrobě tepla a elektrické energie v mikrokogeneračních jednotkách.

Našel své uplatnění rovněž v pohonu ponorek.

NASA studuje jeho použití pro k pohánění kosmických lodí sluneční energií.

 

Stirlingův motor

Stirlingův motor využívá horké spaliny kotle. Pracovní plyn (dusík, helium) uzavřený v motoru se zahřátím rozpíná, tlačí na píst a vyvolává přes klikovou hřídel otáčivý pohyb. Prostřednictvím generátoru je tímto pohybem získáván elektrický proud. V zásadě jde o přeměnu tepelné energie na kinetickou a této kinetické energie na energii elektrickou.

Důležitou součástí motoru je vhodné pracovní medium. To by mělo splňovat několik základních vlastností. Jedná se o plyn, který musí být dobře tepelně vodivý. To zaručí dobré přestupy tepla od spodní desky do plynu a z plynu do vrchní desky. Dalším faktorem je tepelná roztažnost neboli jak hodně se změní objem plynu při změně teploty. Velmi dobrou tepelnou roztažnost má vodík a helium. Z bezpečnostních důvodů se v motorech používá spíše helium. Výkon motoru je také závislý na množství pracovní látky uzavřené v motoru. Proto se staví tzv. přetlakové motory, v kterých je pracovní medium pod vysokým tlakem. Většinou se tlak pohybuje v rozmezí 10 – 22MPa.

 

Stirlingův cyklus

Pracovní válec obsahující píst A je napojený na klikovou hřídel, ke které je v posunu 90° připojen druhý píst B. Tento druhý píst se nachází ve válci, který je na svém konci zahříván a v druhé polovině je na něm přiloženo chladící žebroví. Píst B nedoléhá těsně ke stěnám válce, ve kterém se nachází, což umožňuje pohyb plynu. Funkcí tohoto pístu B je střídavé přečerpávání pracovního plynu z místa ohřevu do místa chlazení a naopak, což je umožněno právě spárou mezi pístem B a jeho válcem. Pokud se píst B nachází v části válce, která je chlazená, valná část pracovního plynu se pak nachází v části válce, který je zahříván. V důsledku zahřátí plynu dochází k jeho rozpínání a tedy růstu tlaku. Protože válec pístu B je spojen s válcem pístu A, vzniklý tlak plynu se tak na něj přenáší a pístem A pohne, což v důsledku a díky posunu připojení ojnic obou pístů na hřídel o 90°, posune píst B do části, která je zahřívaná a valná část plynu se tak přesune do části, která je chlazená a zde se plyn ochlazuje, což způsobí pokles tlaku a pracovní píst A se vrací do původní polohy a celý cyklus se opakuje.

 

Výhody

Největší výhodou motoru je to, že může pracovat s nejrůznějšími zdroji vnější tepelné energie (geotermální, solární, fosilní paliva, biomasa). Termická účinnost se u motorů s výkonem 1 až 25 kW pohybuje v rozmezí 25 až 33%. Energetická účinnost v rozmezí 18 až 22%.

Externí spalování chrání vnitřní součásti Stirlingova motoru proti kontaminaci spalinami a nedochází tak k jejich nadměrnému opotřebení. Stirlingův motor je proto téměř bezúdržbový, má velmi dlouhou životnost a několikanásobně delší servisní interval než konvenční typy motorů.

Při vhodné volbě paliva je velice ekologický. V porovnání s konvenčními plynovými motory jsou u Stirlingova motoru hodnoty emisí CO a NOx zcela minimální a dalece předbíhají i ty nejpřísnější současné limity. Uhlovodíky nejsou u Stirlingova motoru produkovány téměř žádné.

Stirlingův motor je díky externímu spalování velice nenáročný na kvalitu paliva. Je tolerantní k nečistotám, vlhkosti i velmi nízkému obsahu metanu, což umožňuje spalování bioplynu nebo skládkového plynu přímo z fermentační nádrže bez nutnosti dodatečného čištění.

Dalšími výhodami jsou tichý chod a stabilita.

Ideální pro kogenerační jednotky – chladící vodu lze použít k vytápění v ÚT

 

Využití Stirlingova motoru v praxi

Jak již bylo řečeno, v současné době je Stirlingův motor využíván v kombinované výrobě tepla a elektrické energie v kogeneračních a mikrokogeneračních jednotkách.

Mikrokogenerační jednotky patří mezi decentrální zdroje energie. To znamená, že výroba elektřiny a tepla probíhá v blízkosti jejich spotřeby. Tím odpadají ztráty způsobené přenosem a distribucí elektřiny. Elektřina z mikrokogenerační jednotky se používá pro vlastní spotřebu objektu, v němž je jednotka umístěna nebo je možné ji dodávat do sítě. Teplo z kogenerační jednotky se využívá k vytápění a přípravě teplé užitkové vody. Kogenerační jednotka zde může sloužit také jako nouzový zdroj elektrické energie.

 

Mikrokogenerační jednotky se Stirlingovým motorem

Stirlingův motor Cleanergy V161 je nejvíce a nejdéle nezávisle testovaným motorem svého druhu. Nezávislé testy ve Francii, Španělsku, Spojených státech a Rusku prokázaly, že účinnost i životnost motoru jsou na světové úrovni. Motor byl rovněž podroben řadě různých zkoušek týkajících se bezpečnosti provozu a úrovně emisí a vedle několika certifikátů získal vysoce prestižní ocenění Modrý anděl.

Výsledkem 20ti letého vývoje ve Švédsku je mikrokogenerační jednotka Cleanergy 9 kWe. Její využití je vhodné a efektivní zejména v objektech s celoročním provozem a vysokou spotřebou tepla pro vytápění, ohřev TUV nebo technologii, které mohou provozem mikrokogenerační jednotky ušetřit ročně statisíce korun na energiích.

Komentáře

  • Koupil bych kogenerační jednotku se Stirlingovým motorem. Poradte. Děkuji J.Březina

  • Je to hezký článek, ale co je ve světě to nám moc nepomůže, to jen naštve, proč se něco nedělá také u nás, třeba i s menším výkonem a hlavně za přijatelnou cenu. Tá jednotka ze Švédska to bude za půl milionu, to je nám k ničemu, dejte něco za 10 000 Kč, pak to budeme kupovat.

Zanechte komentář

Můžete využít tyto HTML značky: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

Partneři

Tarifomat
Viessmann
„Bůh stvořil člověka, ale nedal si to patentovat, a tak to teď po něm může dělat kdejakej blbec.“ Jan Werich