Stirlingův motor – historie, princip a jeho využití při kogeneraci

1. Historie Stirlingova motoru

První fungující tepelný motor s otevřeným cyklem sestrojil pravděpodobně Sir George Cayley v roce 1807. Zásadní pokrok ovšem přináší patent skotského pastora Roberta Stirlinga z roku 1816. Jeho motor jako první obsahoval generátor (zvaný „ekonomizér“), který podstatně zvyšoval účinnost stroje. Cílem bylo sestrojit motor, který by nahradil soudobé parní motory, které právě zažívaly bouřlivý rozvoj. V této době bylo mnoho smrtelných nehod způsobených explozí parního kotle, proto představoval Stirlingův motor, který pracoval bez kotle a navíc tiše, vhodnou alternativu.

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. Kvůli nedokonalosti materiálů a jejich zpracování byly však tyto teplovzdušné motory ve 20. století vytlačeny motory spalovacími.

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 stal opět aktuálním.

V současné době je Stirlingův motor využíván na příklad v kombinované výrobě tepla a elektrické energie v kogeneračních jednotkách, našel své uplatnění v pohonu ponorek a  NASA studuje jeho použití pro  k pohánění kosmických lodí sluneční energií.

2. Princip fungování Stirlingova motoru

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.

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

Nevýhody

Nevýhodou je špatná regulovatelnost a malá pohotovost k provozu. Potřebuje také poměrně velký chladič s výkonným ventilátorem a pro dosažení vysoké účinnosti musí pracovat s vysokými tlaky plynu. Používá se většinou jako stacionární motor.

3. 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 jednotkách.

Mikrokogenerační jednotky se Stirlingovým motorem Cleanergy 9kWe a WhisperGen 1kWe

Stirlingův motor Cleanergy V161 je nejvíce a nejdéle nezávisle testovaným motorem svého druhu. Motor používaný dnes, vychází z původního švédského technického designu a je výsledkem více než 20-ti letého vývoje. 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.

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.

Zdroj:

1. Stirling Energy

http://www.stirlingenergy.cz/

2. Wikipedie

http://cs.wikipedia.org/wiki/Stirling%C5%AFv_motor

3. Stirlingmotor.cz

http://stirlingmotor.cz/

4. Robert Stirling biography

http://www.robertstirlingengine.com/history.php