NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ STIRLING DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGHIÊN CỨU ĐỘNG CƠ STIRLING DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGHIấN CU NG C STIRLING DNG NNG LNG MT TRI A RESEARCH ON STIRLING ENGINES USING SOLAR ENERGY HONG DNG HNG PHAN QUí TR Trng i hc Bỏch khoa, i hc Nng PHAN QUANG XNG i hc Nng TểM TT Trong bi bỏo ny chỳng tụi mun gii thiu v nghiờn cu ng dng mt loi ủng c nhit cú nhiu u vit m ngy nay ủang ủc nhiu nh nghiờn cu quan tõm ủ ng dng vo thc t, ủú l ủng c Stirling. ng c Stirling cú th hot ủng bi nhiu ngun nhit khỏc nhau m ủc bit l nú cú th s dng ngun nng lng mt tri, mt ngun nng lng sch v vụ tn. 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. t vn ủ éng c Stirling l mt thit b cú nhiu u vit v cu to ủn gin. Mt ủu ủng c ủc ủt núng, phn cũn li ủ ngui v cụng hu ớch ủc sinh ra. éõy l mt ủng c kớn khụng cú ủng cp nhiờn liu cng nh ủng thi khớ. Nhit dựng ủc ly t bờn ngoi, bt k vt gỡ nu ủt chỏy ủu cú th dựng ủ chy ủng c Stirling nh: than, ci, rm r, du ha, du la, cn, khớ ủt t nhiờn, gas mờtan, . v khụng ủũi hi quỏ trỡnh chỏy m ch cn cp nhit ủ ủ lm cho ủng c Stirling hot ủng. éc bit ủng c Stirling cú th hot ủng vi nng lng mt tri, nng lng ủa nhit, hoc nhit tha t cỏc quỏ trỡnh cụng nghip. 2. Nguyờn lý hot ủng éng c Stirling l mt ủng c nhit. éng c nhit l mt thit b cú th liờn tc chuyn ủi nhit nng thnh c nng. Nu ta ủt núng mt ủu xilanh (ủu núng) ngun nhit ủc s dng cú th l chựm tia bc x mt tri hi t ti ủu xilanh hoc mt cỏch ủn gin l nhỳng ủu xilanh vo nc núng, thỡ ỏp Hình 3. Không khí áp suất cao đẩy piston đi ra Đầu nóng Đầu lạnh sut v nhit ủ khụng khớ bờn trong tng lờn. ỏp sut cao s ủy piston chuyn ủng v sinh ra cụng hu ớch (Hỡnh: 1,2,3,4). Bt k ngun nhit no cng sinh ra cụng, nhng vi ngun cú nhit ủ cng cao thỡ to ra cụng cng ln. éng c khụng nhng ch chuyn nhit thnh cụng mt ln ủn gin nh trờn ma cn phi cú kh nng tip tc sinh cụng. Cụng cú th sinh ra t khụng khớ núng trong xilanh chng no cũn cú quỏ trỡnh gión n v ủn khi ỏp sut bờn trong gim xung bng ỏp sut khớ quyn thỡ quỏ trỡnh sinh cụng kt thỳc (piston dng li). Nu khi piston chuyn ủng ủn ủu bờn phi ca xilanh, ta ngng quỏ trỡnh cp nhit v tng quỏ trỡnh thi nhit (lm mỏt) thỡ nhit ủ v ỏp sut ca khụng khớ phớa trong xilanh gim xung ủn khi ỏp sut ca khụng khớ bờn trong thp hn ỏp sut ca khớ quyn bờn ngoi thỡ piston s chuyn ủng ngc li v tr li v trớ ban ủu. (Hỡnh: 5, 6) Vn ủ ủt ra ủi vi ủng c Stirling trong thc t l lm th no ủ chỳng hot ủng mt cỏch t ủng, tc l xilanh nhn, thi nhit ủỳng lỳc v liờn h cht ch vi nhau. Nht l ủi vi ủng c Stirling s dng nng lng mt tri khi m ngun nng lng cung cp cho ủng c liờn tc. Do vy ủ ủng c Stirling hot ủng ủc trong thc t thỡ ngoi xi lanh v piston nh trờn thỡ ủng c cn phi cú thờm cỏc b phn ph nh piston choỏn ch, bỏnh ủ v.v . v cỏc b phn ny phi kt hp vi nhau sao cho quỏ trỡnh nhn v thi nhit ca mụi cht ủỳng chu k. 3. éng c stirling dựng nng lng mt tri éng c Stirling ủc tớnh toỏn thit k c bn da trờn lý thuyt ca Schmidt. T lý thuyt ny ngi ta xõy dng nờn cỏc mụ hỡnh tớnh toỏn cho ủng c Stirling nhit ủ cao, nhit ủ trung bỡnh. éng c Stirling nhit ủ thp s dng nng lng mt tri ủn nay vn cha cú tớnh toỏn lý thuyt cng nh kt qu thc nghim ủc cụng b. Da vo cu trỳc ca ủng c Stirling m ngi ta chia ủng c Stirling thnh 3 kiu c bn , , . Cỏc kiu ny ủu cú mt ủim chung l cú ớt nht 2 bung lm vic ủú l bung nộn v bung gión n trong ủú mụi cht khớ cụng tỏc ủc ủin kớn. Nng lng mt tri l ngun nng lng sch v vụ tn. Tuy nhiờn ủc ủim ca NLMT l phõn b khụng tp trung v cng ủ nng lng mt tri ph thuc vo gi trong ngy v thay ủi theo mựa. Cng ủ bc x mt tri ủn b mt trờn mt ủt cao nht khong 1000W/m2. Do vy chỳng tụi la chn loi ủng c Stirling dựng nng lng mt tri kiu ủ nghiờn cu. éi vi ủng c Stirling kiu thỡ Piston lm vic v Piston choỏn ch ủc b trớ vo 2 Hình 4. Quá trình gin nở cho đến khi áp suất không khí bên trong bằng áp suất khí quyển Hình 5. Nêú ngừng cấp nhiệt mà thải nhiệt thì áp suất không khí bên trong giảm xuống Hình 6. Piston chuyển động vào bên trong do áp suất không khí bên ngoài cao hơn xy lanh riờng bit. S liờn kt gia cỏc Piston ny cú th thc hin theo cỏc dng sau: - Liờn kt lnh : Piston lm vic phớa nhit ủ thp - Liờn kt núng : Piston lm vic phớa nhit ủ cao - Liờn kt trung bỡnh : Piston lm vic ni vo b phn hon nhit Qua nghiờn cu v so sỏnh cỏc dng khỏc nhau ca loi ủng c Stirling kiu thỡ chỳng tụi ủa ra mu ủng c Stirling s dng NLMT nh Hỡnh 7. Hỡnh 7. Cu to ủng c Stirling s dng nng lng mt tri Sau khi nghiờn cu lý thuyt tớnh toỏn thit k v ủó ch to ủng c Stirling vi cỏc thụng s k thut nh bng sau. ng kớnh 1,55 m p sut lm vic TBỡnh 1 bar Nhit ủ b mt hp th 65-120C Din tớch hp th 1,75 m 2 Cụng sut c khớ 30 W Lm mỏt bng khụng khớ t nhiờn 20C Chiu cao 1,3 m Th tớch ủng c 208 dm 3 Khi lng 240 kg Hnh trỡnh ca Piston choỏn ch 80 mm Khớ cụng tỏc K.Khớ Hnh trỡnh ca Piston lm vic 190 mm chờnh nhit ủ gia phn núng v phn lnh > 25C Tc ủ quay 30-40 v/ph T s nộn 1,057 Dng ủng c Qua quỏ trỡnh ủo ủc th nghim mt lot cỏc thụng s cho thy s khỏc bit gia cỏc giỏ tr tớnh toỏn lý thuyt v giỏ tr ủo ủc vo khong 5% (Hỡnh 8). iu ủú chng t mụ GHI CHú 1- Bộ phận hoàn nhiệt 2- Bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời 3- Piston choán chổ 4- Buồng nóng 5- Piston làm việc 6- ống nhún gắn piston làm việc 7- Trục gắn Piston choán chổ 8- Buồng lạnh 9- Cánh tản nhiệt 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) Nhiet do (K) TA(Tính toán) TH(Tính toán) TA(ðo) TH(ðo) Hình 8. Nhiệt ñộ bề mặt hấp thụ (T A ) và nhiệt ñộ khí công tác nóng (T H ) trong ñộng cơ Hình 9. Bơm nước dùng năng lượng mặt trời công suất 5m 3 /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.