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. H×nh 3. Kh«ng khÝ ¸p suÊt cao ®Èy piston ®i ra §Çu nãng §Çu l¹nh 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 nhiệt độ không khí bên trong tăng lên. áp suất cao sẽ đẩy piston chuyển động và sinh ra công hữu ích (Hình: 1,2,3,4). Bất kỳ nguồn nhiệt nào cũng sinh ra công, nhưng với nguồn có nhiệt độ càng cao thì tạo ra công càng lớn. Ðộng cơ không những chỉ chuyển nhiệt thành công một lần đơn giản như trên ma cần phải có khả năng tiếp tục sinh công. Công có thể sinh ra từ không khí nóng trong xilanh chừng nào còn có quá trình giãn nở và đến khi áp suất bên trong giảm xuống bằng áp suất khí quyển thì quá trình sinh công kết thúc (piston dừng lại). H×nh 4. Qu¸ tr×nh gi·n në cho ®Õn khi ¸p suÊt kh«ng khÝ bªn trong b»ng ¸p suÊt khÝ quyÓn H×nh 5. Nªó ngõng cÊp nhiÖt mµ th¶i nhiÖt th× ¸p suÊt kh«ng khÝ bªn trong gi¶m xuèng H×nh 6. Piston chuyÓn ®éng vµo bªn trong do ¸p suÊt kh«ng khÝ bªn ngoµi cao h¬n Nếu khi piston chuyển động đến đầu bên phải của xilanh, ta ngừng quá trình cấp nhiệt và tăng quá trình thải nhiệt (làm mát) thì nhiệt độ và áp suất của không khí phía trong xilanh giảm xuống đến khi áp suất của không khí bên trong thấp hơn áp suất của khí quyển bên ngoài thì piston sẽ chuyển động ngược lại và trở lại vị trí ban đầu. (Hình: 5, 6) Vấn đề đặt ra đối với động cơ Stirling trong thực tế là làm thế nào để chúng hoạt động một cách tự động, tức là xilanh nhận, thải nhiệt đúng lúc và liên hệ chặt chẽ với nhau. Nhất là đối với động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời khi mà nguồn năng lượng cung cấp cho động cơ liên tục. Do vậy để động cơ Stirling hoạt động được trong thực tế thì ngoài xi lanh và piston như trên thì động cơ cần phải có thêm các bộ phận phụ như piston choán chỗ, bánh đà v.v... và các bộ phận này phải kết hợp với nhau sao cho quá trình nhận và thải nhiệt của môi chất đúng chu kỳ. 3. Ðộng cơ stirling dùng năng lượng mặt trời Ðộng cơ Stirling được tính toán thiết kế cơ bản dựa trên lý thuyết của Schmidt. Từ lý thuyết này người ta xây dựng nên các mô hình tính toán cho động cơ Stirling nhiệt độ cao, nhiệt độ trung bình. Ðộng cơ Stirling nhiệt độ thấp sử dụng năng lượng mặt trời đến nay vẫn chưa có tính toán lý thuyết cũng như kết quả thực nghiệm được công bố. Dựa vào cấu trúc của động cơ Stirling mà người ta chia động cơ Stirling thành 3 kiểu cơ bản a, b, g. Các kiểu này đều có một điểm chung là có ít nhất 2 buồng làm việc đó là buồng nén và buồng giãn nở trong đó môi chất khí công tác được điền kín. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận. Tuy nhiên đặc điểm của NLMT là phân bố không tập trung và cường độ năng lượng mặt trời phụ thuộc vào giờ trong ngày và thay đổi theo mùa. Cường độ bức xạ mặt trời đến bề mặt trên mặt đất cao nhất khoảng 1000W/m2. Do vậy chúng tôi lựa chọn loại động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời kiểu g để nghiên cứu. Ðối với động cơ Stirling kiểu g thì Piston làm việc và Piston choán chỗ được bố trí vào 2 xy lanh riêng biệt. Sự liên kết giữa các Piston này có thể thực hiện theo các dạng sau: - Liên kết lạnh : Piston làm việc ở phía nhiệt độ thấp - Liên kết nóng : Piston làm việc ở phía nhiệt độ cao - Liên kết trung bình : Piston làm việc nối vào bộ phận hoàn nhiệt Qua nghiên cứu và so sánh các dạng khác nhau của loại động cơ Stirling kiểu g thì chúng tôi đưa ra mẫu động cơ Stirling sử dụng NLMT như Hình 7. Hình 7. Cấu tạo động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời Sau khi nghiên cứu lý thuyết tính toán thiết kế và đã chế tạo động cơ Stirling với các thông số kỹ thuật như bảng sau. Đường kính 1,55 m Áp suất làm việc TBình 1 bar Nhiệt độ bề mặt hấp thụ 65-120°C Diện tích hấp thụ 1,75 m2 Công suất cơ khí 30 W Làm mát bằng không khí tự nhiên 20°C Chiều cao 1,3 m Thể tích động cơ 208 dm3 Độ chênh nhiệt độ giữa phần nóng và phần lạnh > 25°C Khối lượng 240 kg Hành trình của Piston choán chỗ 80 mm Khí công tác K.Khí Hành trình của Piston làm việc 190 mm Tốc độ quay 30-40 v/ph Tỷ số nén 1,057 Dạng động cơ γ Qua quá trình đo đạc thử nghiệm một loạt các thông số cho thấy sự khác biệt giữa các giá trị tính toán lý thuyết và giá trị đo đạc vào khoảng ±5% (Hình 8). Điều đó chứng tỏ mô hình 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. Hình 8. Nhiệt độ bề mặt hấp thụ (TA) và nhiệt độ khí công tác nóng (TH) trong động cơ Mặt hấp thụ Cánh tản nhiệt Piston lực Đầu bơm Bánh đà Hình 9. Bơm nước dùng năng lượng mặt trời công suất 5m3/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 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. F. U. Miller, Franzis, Thermische Solarenergie, Germany, 1997. Andy ross, Ross Experimental, Mayking Stirling Enginers, 13425 Bell Rd. Marysville, Ohio 43040, 1993. Colin D. Van Nostrand, Principles And Applications Of Stirling Enginers, West, New York, 1985. Michael F. Modest, Radiative Heat Transfer, McGraw-Hill, Inc, 1993. G. T. Reader C. Hooper, Stirling Enginer, 1983.