Stirlingův motor
Stirlingův motor je tepelný pístový stroj s vnějším spalováním a uzavřeným oběhem, ve kterém probíhá cyklická expanze a komprese plynné pracovní látky, nejčastěji vzduchu. Ohřívání a chlazení pracovní látky se uskutečňuje pomocí dvou tepelných výměníků, takže veškeré teplo se do stroje nebo ze stroje přenáší přes pevnou stěnu těchto výměníků. Mechanická práce vzniká při expanzi plynu pohybem pracovního pístu ve válci.
Horkovzdušný motor si v roce 1816 nechal patentovat skotský duchovní a inženýr Robert Stirling, který se snažil najít praktickou a hlavně bezpečnou alternativu rozmáhajícím se parním strojům.
Klasický Stirlingův motor se skládá z několika základních částí:
- Výměník ohřívače: tvoří jej teplovodivá stěna pracovního válce na horkém konci. Při výkonnějších strojích se používá různé žebrování pro zvětšení povrchu a zajištění dostatečného přenosu tepla do pracovní látky.
- Výměník chladiče: u malých výkonů je tvořen stěnami pracovního válce na jeho studeném konci. Zde je teplo odváděno do okolního prostředí.
- Přehaněč: speciální píst přesouvající pracovní plyn z prostoru ohřívače do prostoru chladiče a naopak.
- Regenerátor: určitý vnitřní tepelný výměník uchovávající teplo při přesunu plynu ke studenému konci a uvolňující akumulované teplo při návratu plynu do horkého konce.
- Pracovní píst: utěsněný píst vytlačovaný při ohřívání a růstu tlaku plynu (pracovní zdvih) a stlačující plyn při jeho ochlazování a poklesu tlaku (kompresní zdvih). Rozdíl větší práce při pracovním zdvihu a menší při kompresním dává užitečnou práci termodynamického stroje.
Typ Stirlingova motoru určuje především způsob přesunu pracovní látky mezi horkou a studenou částí stroje. Původní Alfa konfigurace má dva samostatné písty ve dvou propojených válcích – studeném a teplém. Nevýhodou této konfigurace je složitost utěsnění a mazání pístu především teplého válce při vysokých teplotách.
V teplém válci se plyn zahřívá, jeho tlak i objem roste a tlačí na píst spojený s klikovým mechanizmem. Plyn postupně expanduje i do studeného válce, jehož objem se pístem, ovládaným mechanizmem klikové hřídele, zvětšuje. Píst teplého válce vytlačí veškerý plyn do studeného válce, kde se začíná jeho ochlazování. Ochlazený pracovní plyn je studeným pístem stlačován při nižším tlaku, než byl tlak expanze. Stlačený plyn je pomocí pístů přesunut do horké části motoru a celý cyklus se opakuje.
Druhým typem Stirlingova motoru je Beta konfigurace, při které má motor jen jeden válec, jeden pracovní píst a jeden přehaněč přesouvající pracovní plyn mezi teplým a studeným prostorem válce.
Gama konfigurace Stirlingova motoru je podobná Beta konfiguraci jen s tím rozdílem, že pracovní píst není součástí hlavního válce, ale je umístěn v samostatném menším válci propojeném s hlavním válcem.
Nejčastěji používají Stirlingovy motory v roli pracovní látky vzduch. Jeho malou nevýhodou je menší výkonová hustota a potenciální riziko výbuchu při styku atmosférického kyslíku s hořlavými mazivy. Řešením je použití čistého a poměrně bezpečného dusíku.
Mezi výhody Stirlingových motorů patří především vnější spalování a použití prakticky libovolného zdroje tepla včetně solárního koncentrátoru, geotermálního nebo jaderného zdroje, případně zdroje odpadního tepla z jiných technologických procesů.
Mezi zásadní nevýhody Stirlingových motorů patří poměrně malý výkon na jednotku hmotnosti stroje. Konstrukce Stirlingových motorů neumožňují plynulé řízení výkonu a hodí se spíše pro dodávky konstantních výkonů.
Stirlingovy motory jsou ve světě využívány především ve dvou oblastech – při výrobě elektrické energie a při topení a chlazení.
Spojení Stirlingova motoru s generátorem je charakteristické především pro solární koncentrátory. Účinnost solárních koncentrátorů se Stirlingovým motorem je porovnatelná s koncentrovanou fotovoltaikou, ale je vyšší, než jakou dosahují obyčejné fotovoltaické panely. Pro představu lze uvést, že solární koncentrátor o průměru 12 metrů obsahuje přes 300 malých zakřivených zrcadel a dokáže při plném oslunění a teplotě v ohnisku přes 700 °C vyrobit až 25 kW elektrické energie.
Stirlingovy motory mají zajímavý potenciál i ve spojení s jaderným zdrojem. Jiným směrem vývoje jdou radioizotopové Stirlingovy generátory, určené pro dlouhodobou výrobu elektrické energie v kosmických sondách. Zdrojem tepla by bylo štěpení jaderného materiálu a druhý konec Stirlingova motoru by se chladil v kosmickém prostoru.
V systémech kombinované výroby elektřiny a tepla lze Stirlingovy motory využít k výrobě elektřiny a odpadní teplo z chladiče motoru k ohřevu vody nebo všude tam, kde se dá využít nízkopotenciální teplo. Horká část motoru může být v těchto systémech ohřívána spalováním libovolného paliva.
Pokud je Stirlingovu stroji dodávána mechanická energie zvenku může fungovat jako tepelné čerpadlo k vytápění nebo ke chlazení.
