Nghiên cứu động cơ stirling dùng năng lượng mặt trời a research on stirling engines using solar energy

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 suất và nhiệt ñộ không khí bên trong tăng lên. áp suất cao sẽ ñẩy piston chuyển ñộng 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 ñộ càng cao thì tạo ra công càng lớn. Ðộng cơ không những chỉ chuyển nhiệt thành công một lần ñơn 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 ñến khi áp suất bên trong giảm xuống bằng áp suất khí quyển thì quá trình sinh công kết thúc (piston dừng lại). Nếu khi piston chuyển ñộng ñến ñầu bên phải của xilanh, ta ngừng quá trình cấp nhiệt và tăng quá trình thải nhiệt (làm mát) thì nhiệt ñộ và áp suất của không khí phía trong xilanh giảm xuống ñến khi áp suất của không khí bên trong thấp hơn áp suất của khí quyển bên ngoài thì piston sẽ chuyển ñộng ngược lại và trở lại vị trí ban ñầu. (Hình: 5, 6) Vấn ñề ñặt ra ñối với ñộng cơ Stirling trong thực tế là làm thế nào ñể chúng hoạt ñộng một cách tự ñộng, tức là xilanh nhận, thải nhiệt ñúng lúc và liên hệ chặt chẽ với nhau. Nhất là ñối với ñộng cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời khi mà nguồn năng lượng cung cấp cho ñộng cơ liên tục. Do vậy ñể ñộng cơ Stirling hoạt ñộng ñược trong thực tế thì ngoài xi lanh và piston như trên thì ñộng cơ cần phải có thêm các bộ phận phụ như piston choán chỗ, bánh ñà v.v... và các bộ phận này phải kết hợp với nhau sao cho quá trình nhận và thải nhiệt của môi chất ñúng chu kỳ. 3. Ðộng cơ stirling dùng năng lượng mặt trời Ðộng cơ Stirling ñược 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 ñộng cơ Stirling nhiệt ñộ cao, nhiệt ñộ trung bình. Ðộng cơ Stirling nhiệt ñộ thấp sử dụng năng lượng mặt trời ñến nay vẫn chưa có tính toán lý thuyết cũng như kết quả thực nghiệm ñược công bố. Dựa vào cấu trúc của ñộng cơ Stirling mà người ta chia ñộng cơ Stirling thành 3 kiểu cơ bản α, β, γ. Các kiểu này ñều có một ñiểm chung là có ít nhất 2 buồng làm việc ñó là buồng nén và buồng giãn nở trong ñó môi chất khí công tác ñược ñiền kín. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận. Tuy nhiên ñặc ñiểm của NLMT là phân bố không tập trung và cường ñộ năng lượng mặt trời phụ thuộc vào giờ trong ngày và thay ñổi theo mùa. Cường ñộ bức xạ mặt trời ñến bề mặt trên mặt ñất cao nhất khoảng 1000W/m2. Do vậy chúng tôi lựa chọn loại ñộng cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời kiểu γ ñể nghiên cứu. Ðối với ñộng cơ Stirling kiểu γ thì Piston làm việc và Piston choán chỗ ñược bố trí vào 2 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 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 ñộ thấp - Liên kết nóng : Piston làm việc ở phía nhiệt ñộ 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 ñộng cơ Stirling kiểu γ thì chúng tôi ñưa ra mẫu ñộng cơ Stirling sử dụng NLMT như Hình 7. Hình 7. Cấu tạo ñộng cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời Sau khi nghiên cứu lý thuyết tính toán thiết kế và ñã chế tạo ñộng cơ Stirling với các thông số kỹ thuật như bảng sau. ðường kính 1,55 m Áp suất làm việc TBình 1 bar Nhiệt ñộ 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 ñộng cơ 208 dm3 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 ðộ chênh nhiệt ñộ giữa phần nóng và phần lạnh > 25°C Tốc ñộ quay 30-40 v/ph Tỷ số nén 1,057 Dạng ñộng cơ γ Qua quá trình ño ñạc thử nghiệm một loạt các thông số cho thấy sự khác biệt giữa các giá trị tính toán lý thuyết và giá trị ño ñạc vào khoảng ±5% (Hình 8). ðiều ñó chứng tỏ mô GHI CHó 1- Bé phËn hoµn nhiÖt 2- BÒ mÆt hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi 3- Piston cho¸n chæ 4- Buång nãng 5- Piston lµm viÖc 6- èng nhón g¾n piston lµm viÖc 7- Trôc g¾n Piston cho¸n chæ 8- Buång l¹nh 9- C¸nh t¶n nhiÖt 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) N hi et d o (K ) TA(Tính toán) TH(Tính toán) TA(ðo) TH(ðo) Hình 8. Nhiệt ñộ bề mặt hấp thụ (TA) và nhiệt ñộ khí công tác nóng (TH) trong ñộng cơ 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 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.