Stirling-motorok MEGGI 2003 Megújuló Energiaforrásokkal Működő Gépek Gazdaságos Hasznosíthatóságáért és Innovációjáért Közhasznú Társaság – MEGGI 2003 KHT meggi@meggi.hu Budapest, 2007. március 1.

ENERGIAFELHASZNÁLÁS TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉSE Az ipari forradalomig alapvetően megújuló energiaforrásokat hasznosítottak. A gőzgéppel és a hirtelen megnövő energia-igénnyel indult be a fosszilis tüzelőanyag-készletek nagyarányú kitermelése és felhasználása. Az ipari forradalom első szakaszában először a gőzturbina készült el. (1629-ben)

Az első megbízható gőzgépet JAMES WATT helyezte üzembe 1775-ben, amely 24 LE-s teljesítményre volt képes, de a kis gőznyomás miatt még csak 2,7%-os volt a hatásfoka.

A belsőégésű motorok feltalálása vezetett az ipari forradalom második szakaszához, forradalmasítva a közlekedést. Meghatározó energiahordozóvá vált az olaj és a földgáz. A négyütemű motor működési elvét ALPHONSE BEAU DE ROCHAS francia erdőmérnök ismertette 1861-ben. Tőle függetlenül 1878-ban AUGUST OTTO újra feltalálta az elvet, melyet műszakilag rendkívüli tökéletességgel fekvő hengerrel valósított meg. RUDOLF DIESEL 1892-ben jutott a dízelmotor feltalálásához.

A hőlégmotor (Stirling-motor) fejlesztésének történeti áttekintése A hőlégmotorok története gyakorlatilag akkor indult, amikor a gőzgépeké. Az első irodalmi utalás egy "atmoszférikus tűzkerékre" a francia Amontons-tól származik, 1699-ből. 1759-ben H. Wood egy atmoszférikus Newcomen típusú gőzgépet alakított át olyan géppé mely "a forró, avagy ritka levegő elvén működik". 1807-ben Sir George Cayley, egy Yorkshire-i földbirtokos épített egy nyitott ciklusú, belsőégésű hőlégmotort, mely talán az első ilyen típusú, működőképes gép volt. Cayley a repülés egyik korai úttörőjeként felismerte valószínűleg, hogy a repülés megvalósításá-hoz nem gőzgép, hanem egy könnyű motor szükséges.

Robert Stirling a skót egyház lelkésze volt, és szabadidejében dolgozott a motorján. Eredeti szándéka a gőzgépek megújítása volt, mivel ezek akkoriban gyakran felrobbantak, súlyos sérüléseket okozva a közelben tartózkodóknak. Az új típusú motornál a robbanás nem következhetett be, miközben nagyobb volt a teljesítménye, mint a korabeli gőzgépeknek. Stirling atya az 1812-ben feltalált "új típusú légmotorjára", 1816-ban kapta meg első szabadalmát, amelyet testvérével James-sel tökéletesítettek. Definíció szerint a Stirling gép olyan gép, amely a munkavégző közeget különböző hőmérsékleti szinteken komprimálva és expandálva, zárt, regeneratív termodinamikai ciklust valósít meg, és a közeg áramlását a gépen belül bekövetkező térfogatváltozások vezérlik. (Amennyiben e térfogatváltozásokat szelepek vezérlik, Ericcson-gépekről beszélünk.) – filmbemutató.

Stirling eredeti gépének metszete és axonometrikus képe ( 1816 ) Az elkövetkező években a testvérpár folyamatosan fejlesztette a gépüket, de erőfeszítéseiket erősen korlátozták, eredményeiket behatárolták az akkori rossz minőségű szerkezeti anyagok.

Robert Stirling 1876-ban, életének alkonyán így írt fejélesztéseikről: „Ha a Bessemer-féle vas vagy acél harmincöt-negyven évvel ezelőtt ismert lett volna, a gép kétségkívül nagy sikereket ért volna el... A jövő képzett és ambiciózus gépészeire marad, hogy előnyösebb feltételek mellett reprodukálják, és teljes sikerre vigyék...” Robert Stirling 1876-ban, életének alkonyán így írt erről:

Az 1900-as évek eleje: A Stirling-gépek fejlesztése egyre nagyobb lendülettel folytatódik, de a legnagyobb korlátot még mindig a szerkezeti anyagok jelentik. A XIX. század végén és a XX. elején kis hőlég-motorokat sok boltban polcról is lehetett kapni, épp-úgy, mint manapság a robbanó- vagy villanymotorokat.

Ekkortájt a szakirodalom éppúgy tárgyalta őket, mint a gőzgépeket vagy a belsőégésű motorokat. Az első világháború idejére azonban e gépek gyártása ( a villamosság térhódításával párhuzamosan ) a nagyközönség számára leállt, bár speciális célokra még sokáig gyártották őket egyes cégek. Megbízhatóságukra jellemző, hogy a világ különböző részein esetenként ma is találhatunk egy-egy, ebből a korból származó, működő darabot. (A Mezőgazdasági Gépmúzeum, Mezőkövesd tulajdonában lévő XIX. század végén készült Herlici gyártmányú Stiling-motorról készült amatőr film bemutatása.)

A Herlici gyártmányú Stiling-motor

Az 1950-es évektől számíthatjuk az ipari forradalom harmadik szakaszát, amikor a villamos energia, az olaj és a gáz szállítására, elosztására nemzetközi hálózatok épülnek. Megjelenik a nukleáris forrásra alapozott elektromos energiatermelés. Az 1967-es Közelkeleti háború után jelenik meg a takarékos, környezetkímélő energiapolitika. A megújuló energiaforrásokra irányul a figyelem. Véget ér az olcsó energiahordozók kora.

A hőlégmotor (Stirling-motor) újrafelfedezése A Philips cég eindhoveni kutatólaboratóriumában olyan kisméretű, csendes, hőenergiával működtetett hordozható villamos áramfejlesztők kifejlesztését tűzte ki célul, melyek alkalmasak rádió-készülékek működtetésére olyan helyeken, ahol nincs hálózat. A végeredmény 200W teljesítményű, levegő közegű Stirling-motorral hajtott hordozható villamos generátor lett. (1950-es évek)

A tranzisztor-technika megjelenése az eredeti célkitűzés létjogosultságát kérdésessé tették. Ekkor a fejlesztők figyelmüket a nagyobb teljesítményű gépek felé irányították. Ehhez az időszakhoz fűződik többek között a rombuszhajtómű és a gördülőharisnyás tömítés kifejlesztése, valamint sok egy- és többhengeres gép megépítése, melyek némelyikének teljesítménye a több száz kW-ot is elérte.

Az 1960-as évek elején William Beale, az Ohio-i Egyetem professzora kifejlesztette a szabaddugattyús Stirling-gépet, melyből az első működőképes modellek az 1970-es évek elejére készültek el. Ezek fejlesztésén Beale saját cége, a Sunpower Inc., és a General Electric dolgoztak. Az űrkutatásban a fedélzeti energia előállítására (és tárolására) a Stirling-motor + termokémiai akkumulátor párosítás nagy energiasűrűségű megoldást kínál. A NASA-nál pl. 1989-1992 között sikeresen teszteltek egy 25 kW teljesítményű kísérleti motort. A gép szabaddugattyús kivitelű volt, lineáris alternátorral felszerelve. Dacára a mindössze 1:2-es hőmérsékleti aránynak (hidegtér : melegtér), 25%-os hatásfokkal üzemelt.

A Stirling-gépek fejlesztése a '70-es évek végén megtorpant A Stirling-gépek fejlesztése a '70-es évek végén megtorpant. Ennek oka, hogy a befektetett anyagi és szellemi tőke ellenére nem sikerült olyan elfogadható áron előállítható gépet építeni, mely a piacon versenyezhetett volna a belsőégésű gépekkel. A '90-es évekre azonban a tüzelőanyag-árak megsokszorozódtak, a környezetvédelmi előírások megszigorodtak. A fenti okok miatt a kedvező tulajdonságokkal rendelkező Stirling-gépek fejlesztése ismét érdekessé vált. Új felhasználási területek is megjelentek: Pl. a tapasztalatok szerint a napenergiát kedvezőbb hatásfokkal hasznosíthatjuk Stirling-gépekkel, mint fotoelektromos átalakítókkal.

Stiling- motor működési elve: A Stirling-gép gyakorlati megvalósítása úgy történik, hogy a gép munkaterét két részre, egy állandóan hideg, és egy állandóan forró térre osztjuk. Az állandóan forró tér neve expanziótér, az állandóan hidegé kompressziótér. E két térben két dugattyút mozgatunk úgy, hogy a munkavégző közeget komprimálja és expandáltatja, de közben a munkavégző közegnek a hideg- és a melegtér közti áramlását is biztosítsa.

Néhány példa:

A gép elméleti ( maximális ) hatásfokát a jól ismert Carnot-féle képlettel számíthatjuk ki, éppúgy, mint más hőerőgépek esetében: Maga a Stirling-ciklus sok tekintetben hasonlít a Carnot-féle ciklusra, bár annál jóval előnyösebb.

Az ideális Stirling-körfolyamat és Carnot-körfolyamat közösen ábrázolva

A Stirling-motor előnyös tulajdonságai: Külső égés, ezért a levegő-tüzelőanyag-keveréket sokkal pontosabban lehet szabályozni. A hőforrás folytonos égést kíván, ezért az elégetlen füstgázok mennyisége elenyésző. Sok Stirling-motor csapágyazása a hideg oldalon helyezkedik el, ezért a kenést egyszerűbb megoldani és a kenőanyag élettartama két olajcsere között hosszabb lehet. Az egész motor sokkal kevésbé bonyolult szerkezet, mint a belsőégésű motorok. Sokkal kisebb nyomáson üzemelnek, (biztonság) mint a konvencionális hőerőgépek. A kisebb üzemnyomás könnyebb szerkezeti elemek beépítését teszi lehetővé. Nagyon nyugodt járású szerkezetet lehet kivitelezni.

A Stirling-motor hátrányos tulajdonságai: A Stirling-motor hideg és meleg oldali hőcserélői költséges szerkezetek. Különösen kis hőmérsékletkülönbség esetén a hideg és meleg oldal között a motor méretei sokkal nagyobbak az azonos teljesítményű belsőégésű motorokhoz képest. Körülményes a Stirling motorokat gépkocsi hajtására alkalmazni. A Stirling motort nem lehet gyorsan beindítani. A leadott teljesítményt nehéz változtatni, gyors változtatás nem is lehetséges. A teljesítményt vagy a dugattyú lökethosszának változtatásával vagy az áramló gáz mennyiségével lehet szabályozni. Ez hibrid hajtásokban és alaperőforrásoknál, ahol állandó teljesítményre van szükség, kevéssé problematikus. A hidrogént kis molekulasúlya ideális munkaközeggé teszi, de a hidrogént kicsi molekulái miatt nagyon nehéz zárt térben tartani szivárgás nélkül.

Példák a Stirling-motorok gyakorlati alkalmazásairól: Az első ismert Stirling-gép, amely repülőgépmodellt emelt sikeresen a levegőbe. (25 cm³-es Stirling-motor)

Új-Zéland-i fejlesztés:

A Kokums svéd hajógyár több, mint tíz tengeralattjárót épített Stirling hajtással az 1980-as években.

2005-ben a Southern California Edison jelentett be egy megállapodást 500 MW összteljesítményű, 20 000 db napfény fűtésű Stirling motor szállítására az Energy Systemtől 20 éven keresztül. Ez a rendszer egy 19 km² területű napfény farmon lesz elhelyezve és tükrök fogják a napfényt a motorokra vetíteni, melyek generátorokat hajtanak majd. film

film

A CHP modul néhány adata: Áram termelési teljesítmény: 1,5-3 kW Termikus teljesítmény: 4,5-10,5 kW Elektromos hatásfok: 20-25 % Teljes hatásfok: kb. 90% Előremenő hőmérséklet max.: 85 oC Visszatérő hőmérséklet (optimális): 30 oC Zaj kibocsátás: 49-54 dB

Az alfa típusú Stirling-motor:

A béta típusú Stirling-motor:

Szabaddugattyús változat:

Alafa típusú megoldással működik az általunk forgalmazott (gázüzemű) kapcsolt hő- és elektromos áramot termelő egység:

A CHP modul néhány adata: Elektromos teljesítmény: 2 - 9 kW (± 5%) Hőteljesítmény: 8 - 22 kW Elektromos hatásfok: 22- 24,5 % (± 1%) Teljes hatásfok: 92 - 96 % Munkagáz átlagos nyomása max. 130 bar Névleges fordulatszám 1500 1/perc Égő teljesítménye min. – max. 16- 40 kW

STIRLING 161 CHP- MODUL FLOX-égő (lángmentes oxidáció)

Csatlakozók:

A Stirling-motor optimális üzeme A fűtési rendszerbe a CHP modult puffertá-rolóval kell bekötni, ami lehetővé teszi a motor hosszan tartó működését. – az a cél, hogy a modul naponta maximum egyszer álljon le. A motor előnyös tulajdonsága: a friss vizet közvetlenül a Stirling-motor hűtőjébe lehet vezetni, mert így javul a motor hatásfoka.

A kapcsolt áram- és hőtermelésről A decentralizáltan használt CHP modulok használata elismerten hatásos eljárást jelen-tenek a széndioxid emisszió csökkentésére. A hazai célkitűzések eléréséhez szükséges a blokkfűtő-erőművek termelésének növelése. Nagy potenciál fekszik az 1-10 kW-os kis berendezések elterjedésében, ahol a termelt hő hasznosítása maximálisan megoldható.

A SOLO CHP modul legfontosabb előnyei: Alacsony az üzemeltetési költsége, mert a karbantartás mentes futási ideje 5-8 ezer óra. A Stirling égők károsanyag kibocsátása legalább tízszer alacsonyabb, mint a katali-zátoros gáz- OTTO motoroknak. Gyorsan megtérül a beruházás, ha a futási idő több mint 5 ezer óra évente.

Előnyös alkalmazási területek: Lakótelepek közeli hőközponttal Uszodák Ipari üzemek Szállodák

A hűtőtechnikában fordított működésű Stirling-motorokat használnak. Biomassza tüzelésű SOLO Stirling-motor

Köszönöm megtisztelő figyelmüket MEGGI 2003 KHT. 3526 MISKOLC, ARANY JÁNOS TÉR 10. E-mail: meggi@meggi.hu