Luận văn Tính toán thiết kế hệ thống phát điện dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý Stirling (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Tính toán thiết kế hệ thống phát điện dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý Stirling (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐOÀN HỮU LIÊM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THEO NGUYÊN LÝ STIRLING S K C 0 0 3 9 5 9 NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 S KC 0 0 4 2 3 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐOÀN HỮU LIÊM “TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THEO NGUYÊN LÝ STIRLING” NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. LÊ HIẾU GIANG TP. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2014
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ& tên: Đoàn Hữu Liêm Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 04/09/1985 Nơi sinh: Tiền Giang Quê quán: Giao Hòa, Châu Thành, Bến Tre Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 38 Trần Quốc Tuấn, P7, TP Mỹ Tho, Tỉnh Tiền Giang. Điện thoại cơ quan: (073) 6250200 Điện thoại nhà riêng: (073) 3850399 0907 035 631 Fax: E-mail: doanhuuliem@tgu.edu.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2003 đến 03/2008. Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM. Ngành học: Công nghệ tự động. Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu, khai thác và ứng dụng vào giảng dạy phần mềm CAD/CAM-CNC Keller SYMplus Turning 3.0. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 15/02/2008 tại Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM. Người hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Đảm. 2. Trình độ ngoại ngữ: Anh văn, TOEFL ITP 490. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công ty cổ phần Cao su Sài Gòn 06/2008 – 12/2008 Kỹ sư Cơ khí. KYMDAN 01/2009 đến nay Trường Đại học Tiền Giang Giảng viên Bộ môn Cơ khí. i
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TP. Hồ Chí Minh, ngày 17 tháng 05 năm 2014 Đoàn Hữu Liêm ii
5. CẢM TẠ Lời đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM, đặc biệt là Quý thầy cô thuộc khoa Cơ khí chế tạo máy đã tận tình giảng dạy và hướng dẫncho chúng tôi trong suốt thời gian theo học tại trường. Trong quá trình hoàn thànhluận văn này,tôiđã nhận được sự giúp đỡ tận tình của PGS.TS. Lê Hiếu Giang. Xin trân trọng cảm ơn Thầy. Tôi cũng xin cảm ơn sự góp ý chân thành của Quý thầy cô phản biện và Quý thầy cô trong Hội đồng bảo vệ luận văn, giúp tôi có thể hoàn thiện những thiếu sót của đề tài. Mặc dùđã rất cố gắng và nỗ lực khi thực hiện đề tài nhưng với lượng kiến thức còn hạn chế nên kết quả đạt được không thể tránh khỏi những thiếu sót, kính mong nhận được ý kiến đóng góp của Quý thầy cô và các anh chị học viên. Trân trọng cảm ơn ! Đoàn Hữu Liêm iii
6. TÓM TẮT LUẬN VĂN Nội dung luận văn trình bày đề tài “Tính toán, thiết kế hệ thống phát điện dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý Stirling”, đây là một trong những giải pháp tiết kiệm điện năng tận dụng nguồn năng lượng sạch và vô tận từ mặt trời. Hệ thống trên biến đổi năng lượng mặt trời thành cơ năng để chạy máy phát điện thông qua một hệ gương parabol hội tụ năng lượng bức xạ mặt trời để đốt nóng cho động cơ đốt ngoài Stirling đặt tại tiêu điểm của gương. Hệ gương parabol có đường kính khoảng 1,5 m có thể được chế tạo bằng tấm nhôm hoặc inox. Động cơ Stirling được chọn là loại beta, dung tích khoảng 600 cm3, môi chất công tác là không khí, sử dụng cơ cấu truyền động hình thoi. Kết quả tính toán ban đầu cho thấy, với thông số động cơ và hệ gương parabol được chọn thì công suất của hệ thống đạt được là 22,82 W và hiệu suất nhiệt đạt 21,87 %. Quá trình tính toán công suất động cơ Stirling và kích thước của gương parabol được thực hiện với chương trình tính toán soạn thảo trên phần mềm MATLAB. ABSTRACT This thesis presented the topic “Calculation and design a generation system using solar energy based on the Stirling principle”, this isone of theenergy savingsolutions using cleanandendlesspower sourcefrom the sun. This systemtransformsthesolar energytomechanical energytooperate a generatorviaaparabolicmirrorconcentratingsolar radiationenergy to heattheexternal combustionStirlingengineplacedat the focal pointof themirror. The parabolicmirrorwith a diameterof 1,5mcan bemadeof aluminumorstainless steel sheets. The Stirlingenginesis abeta type witha volume of about600cm3, using air workingfluid and rhombic drive mechanism. The initial result showed that the system with selected engine and mirror reached a power of 22,82 W and an efficiency of 21,87 %. The process calculatingStirlingengine iv
7. powerandparabolicmirror dimension is performed by a MATLAB calculation program. v
8. MỤC LỤC Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt luận văn iv Mục lục v Danh sách các hình viii Chƣơng 1 - TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1 1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của động cơ Stirling 1 1.1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling 4 1.1.3 Các loại động cơ Stirling 5 1.1.4 Cấu tạo của một số loại động cơ Stirling 6 1.1.5 So sánh động cơ Stirling với động cơ đốt trong 8 1.1.6 Những ứng dụng của động cơ Stirling 10 1.2 Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu 13 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 13 1.2.2 Khách thể và đối tượng nghiên cứu 14 1.3 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu 14 1.3.1 Nhiệm vụ của đề tài 14 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 14 1.4 Phương pháp nghiên cứu 14 Chƣơng 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15 2.1 Chu trình lý thuyết của động cơ Stirling 15 vi
9. 2.1.1 Các giả định của chu trình Stirling 15 2.1.2 Các quá trình nhiệt động trong chu trình Stirling 16 2.2 Chu trình Schmidt 21 2.2.1 Các giả định của chu trình Schmidt 21 2.2.2 Các ký hiệu dùng trong chu trình Schmidt 21 2.2.3 Chu trình Schmidt cho động cơ Stirling kiểu beta 23 2.2.4 Xác định công, công suất và hiệu suất động cơ 25 2.3 Cơ cấu hình thoi truyền động trong động cơ Stirling kiểu beta 26 2.3.1 Nguyên lý cấu tạo của cơ cấu hình thoi 26 2.3.2 Hành trình dịch chuyển của piston 27 2.3.3 Điểm chết trên, điểm chết dưới, chiều dài hành trình 27 2.3.4 Độ lệch pha giữa các piston 28 2.4 Nguyên lý hội tụ năng lượng mặt trời dùng gương cầu parabol 29 2.4.1 Ảnh của mặt trời qua gương parabol 29 2.4.2 Hệ số tập trung năng lượng bức xạ mặt trời 30 Chƣơng 3 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾĐỘNG CƠ NHIỆT STIRLING 32 3.1 Chọn kết cấu cho động cơ Stirling 32 3.2 Tính toán cơ cấu truyền động hình thoi 33 3.3 Tính toán công suất và hiệu suất động cơ 35 3.4 Tính toán truyền nhiệt làm mát tại buồng nén 36 3.5 Kết quả tính toán trên MATLAB 37 Chƣơng 4 - THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾTTRÊN ĐỘNG CƠ STIRLING 42 4.1 Thân và nắp hộp truyền động 42 4.2 Xylanh lực 45 4.3 Cụm piston lực và thanh truyền 46 4.4 Cụm piston dịch chuyển và thanh truyền 47 vii
10. 4.5 Xylanh giãn nở 48 4.6 Cụm gối đỡ trục và ổ lăn 49 4.7 Bộ truyền hình thoi 51 4.8 Sơ đồ lắp ráp động cơ Stirling 52 Chƣơng 5 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾGƢƠNG PARABOL HỘI TỤ ÁNH SÁNG MẶT TRỜI 54 5.1 Tính toán thông số cho biên dạng gương parabol 54 5.2 Tính toán thông số chế tạo gương parabol 56 5.3 Kết quả tính toán trên MATLAB 57 5.4 Kích thước chế tạo gương parabol 57 Chƣơng 6 - THIẾT KẾ HỆ KHUNG VÀ GIÁ ĐỠ 59 6.1 Khung đỡ gương cầu parabol 59 6.2 Giá đỡ động cơ 60 6.3 Chân và đế gương 61 6.4 Sơ đồ lắp ráp mô hình hệ thống 63 Chƣơng 7 - KẾT LUẬN 65 7.1 Kết quả đạt được của đề tài 65 7.2 Những tồn tại và kiến nghị để hoàn thiện đề tài 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC 1 69 Chương trình MATLAB tính toán thông số bộ truyền hình thoi 69 Chương trình MATLAB tính toán công suất động cơ Stirling và thông số gương cầu parabol 70 Chương trình MATLAB tính toán kích thước chế tạo gương parabol 74 PHỤ LỤC 2 76 viii
11. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 :Mô hình động cơ Stirling do Robert Stirling sáng chế năm 1816 1 Hình 1.2 : Tổ hợp động cơ Stirling – máy phát điện của Philips 2 Hình 1.3 :Bơm nước dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý Stirling 3 Hình 1.4 : Khi chưa cấp nhiệt 4 Hình 1.5 : Cấp nhiệt cho một đầu xylanh 5 Hình 1.6 : Ngừng cấp nhiệt và tăng cường làm mát 5 Hình 1.7 : Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha 7 Hình 1.8 : Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu beta 8 Hình 1.9 : Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu gamma 8 Hình 1.10 : Tổ hợp phát điện Stirling dùng năng lượng mặt trời công suất 25 kW củaStirling Energy Systems, Inc 11 Hình 1.11 : Tổ hợp phát điện Stirling dùng dầu diesel hoặc dầu hỏa công suất 1 kW củaWhisper Tech Limited 11 Hình 1.12 : Mô hình xe hybrid dùng động cơ Stirling do GM nghiên cứu 11 Hình 1.13 : Động cơ Stirling 75 kW của Kockums và hệ thống AIP trên tàu ngầm HMS Näcken 12 Hình 1.14 : Hệ thống AC Whisper Gen 13 Hình 2.1 : Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu beta 15 Hình 2.2 : Trạng thái ban đầu 16 Hình 2.3 : Đồ thị p – V và T – S 16 Hình 2.4 : Quá trình nén đẳng nhiệt 17 Hình 2.5 : Quá trình cấp nhiệt đẳng tích 18 Hình 2.6 : Quá trình giãn nở đẳng nhiệt 19 Hình 2.7 : Quá trình làm mát đẳng tích 20 Hình 2.8 : Nguyên lý cấu tạo của cơ cấu hình thoi 26 Hình 2.9 : Hành trình dịch chuyển của piston trong cơ cấu hình thoi 27 ix
12. Hình 2.10 : Điểm chết trên và điểm chết dưới của piston lực 27 Hình 2.11 : Điểm chết trên và điểm chết dưới của piston dịch chuyển 28 Hình 2.12 : Ảnh của mặt trời qua gương parabol 29 Hình 2.13 : Hệ gương phản xạ và mặt thu 30 Hình 3.1 : Kết cấu động cơ Stirling 33 Hình 3.2 : Bộ truyền động hình thoi 34 Hình 3.3 : Đồ thị biểu diễn góc lệch pha 38 Hình 3.4 : Đồ thị P – V của động cơ Stirling 38 Hình 3.5 : Đồ thị P – V của chu trình Stirling lý tưởng 39 Hình 3.6 : Đồ thị biểu diễn áp suất tức thời của động cơ 39 Hình 3.7 : Đồ thị biểu diễn thể tích môi chất công tác 40 Hình 3.8 : Đồ thị biểu diễn thể tích tức thời của buồng nén và buồng giản nỡ 40 Hình 4.1 : Hộp truyền động 43 Hình 4.2 : Nắp trước hộp truyền động 44 Hình 4.3 : Nắp sau hộp truyền động 44 Hình 4.4 : Nắp dưới hộp truyền động 45 Hình 4.5 : Xylanh lực 46 Hình 4.6 : Cụm piston lực và thanh truyền 47 Hình 4.7 : Cụm piston dịch chuyển và thanh truyền 48 Hình 4.8 : Xylanh giãn nở 49 Hình 4.9 : Gối đỡ trục 50 Hình 4.10 : Trục bánh răng 50 Hình 4.11 : Ổ lăn 51 Hình 4.12 : Bánh răng truyền động 51 Hình 4.13 : Thanh nối 51 Hình 4.14 : Thanh ngang 52 Hình 4.15 : Sơ đồ lắp ráp động cơ Stirling 53 Hình 5.1 : Biên dạng gần đúng của gương parabol 55 Hình 5.2 : Một phần biên dạng cung parabol 56 x
13. Hình 5.3 : Biên dạng khai triển cung parabol 56 Hình 5.4 : Kích thước chế tạo gương parabol 58 Hình 6.1 : Khung đỡ gương parabol 59 Hình 6.2 : Giá đỡ động cơ Stirling 60 Hình 6.3 : Đế gương 61 Hình 6.4 : Đế xoay 61 Hình 6.5 : Chân đế 62 Hình 6.6 : Sơ đồ lắp ráp hệ thống 63 Hình 6.7 : Mô hình hệ thống phát điện 64 xi
14. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã công bố 1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của động cơ Stirling [6] Động cơ Stirlingdo ông Robert Stirling, một mục sư người Scotland,phát minh vào năm 1816. Phát minh này nhằm tạo ra một sự lựa chọn an toàn hơn động cơ hơi nước đang phổ biến lúc bấy giờ. Nồi hơi của động cơ hơi nước thường xảy ra hiện tượng nổ do áp suất cao của hơi nước và vật liệu chế tạo không phù hợp. Hình 1.1 – Mô hình động cơ Stirling do Robert Stirling sáng chế năm 1816. Thực ra, những ý tưởng phát minh ra một loại động cơ mới thay thế chođộng cơ hơi nước đã xuất hiện từ đầu những năm 1699 khi những điều luật đầu tiênvề khí thải ra đời. Năm 1807 nhà phát minh người Anh George Cayley đã phát minhra động cơ khí nóng. Nhưng mô hình động cơ Stirling của Robert Stirling đưa ranăm 1816 là được chú ý hơn cả và được xem là đáng giá nhất. Thời kỳ phát triển mạnh nhất của động cơ Stirling là vào những năm 1850 khi J.Ericsson- một kỹ sư người Thụy Điển đã nghiên cứu và chế tạo ra những động cơStirling thực tế có công suất 0,5 đến 5 HP. Riêng trong năm đó họ đã bán đượckhoảng 2000 chiếc ở Anh và Mỹ. Những năm sau đó động cơ Stirling tiếp tục đượcnghiên cứu chế tạo nhằm hoàn thiện về kết cấu cũng như nâng cao công suất 1
15. vàhiệu suất. Tuy nhiên, sau khi xuất hiện động cơ xăng (1878) và động cơ diesel(1893), động cơ Stirling đã được sản xuất ít dần và gần như bị lãng quên trong mộtthời gian dài trong suốt nửa đầu thế kỷ XX. Vào những năm cuối của thập niên 40 của thế kỷ XX, động cơ Stirling lạixuất hiện khá phổ biến dưới dạng tổ hợp máy phát điện xách tay do công ty PhilipsElectronics của Hà Lan chế tạo. Cũng trong khoảng thời gian này, động cơ Stirlingcòn được nghiên cứu thử nghiệm như một loại máy lạnh. Hình 1.2 – Tổ hợp động cơ Stirling – máy phát điện của Philips. Trong hai lĩnh vực này động cơ Stirling đã đạt được những thành quả nhấtđịnh. Tuy nhiên, chỉ một thời gian ngắn sau đó, khi có sự xuất hiện của ăcqui thìmột lần nữa động cơ Stirling dưới dạng máy phát điện cỡ nhỏ lại bị loại bỏ dầnnhường chỗ cho ăcqui, nguồn cung cấp điện năng tiện dụng hơn nhiều. Mặc dù vậy, động cơ Stirling vẫn được nghiên cứu cải tiến bởi tính chất nổibật của loại động cơ này là: nếu chu trình nhiệt động học được thực tiễn hoá thì hiệusuất nhiệt của động cơ Stirling sẽ tương đương với hiệu suất nhiệt của chu trìnhCarnot, tức là hiệu suất nhiệt sẽ cao hơn hiệu suất của bất kỳ động cơ nhiệt nào đãđược sáng chế. 2
16. Năm 1938 công ty N. V. Philips Glaxilampen Fabrieken của Hà Lan đã bắtđầu nghiên cứu chế tạo và sản xuất động cơ Stirling cung cấp cho thị trường. Vàcùng với công ty Philips, rất nhiều nhà khoa học đã trở lại nghiên cứu động cơStirling. Đối với động cơ Stirling, hiệu suất 40% và công suất 82 kW trên 1 lít thểtích quét là hoàn toàn có thể đạt được. Và với những công trình nghiên cứu đangđược tiến hành thì những con số ý nghĩa này còn có thể nâng cao hơn nữa. Những nghiên cứu phát triển ứng dụng động cơ Stirling trên phương diệnvận chuyển cũng đã được các nhà sản xuất ô tô quan tâm từ giữa thế kỷ XX. Mặtkhác, do có thể biến đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành cơ năng nên động cơStirling được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trên các con tàu không gian từ năm1995. Ngày nay, nghiên cứu động cơ Stirling để sử dụng các nguồn năng lượng táisinh cũng đang được đẩy mạnh. Những năm gần đây, ở các nước Mỹ, Nhật, châuÂu, động cơ Stirling đang được nghiên cứu để trang bị cho tàu vũ trụ, phi thuyền sửdụng năng lượng mặt trời, tàu ngầm, các thiết bị làm lạnh. Tại Việt Nam, Trường Đại học Bách khoa (Đại học Đà Nẵng) đã chếtạo thành công bơm nước sử dụng năng lượng mặt trời, hoạt động theo nguyên tắcđộng cơ Stirling với các thông số kỹ thuật [2]: - Công suất trung bình: 5m3/ngày. -Áp suất hút tối đa: 5m H2O. -Áp suất đẩy tối đa: 10m H2O. Hình 1.3 – Bơm nước dùng năng lượng mặt trời theo nguyên lý Stirling. 3
17. 1.1.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ Stirling Động cơ Stirling là một loại động cơ nhiệt thuộc nhóm động cơ đốt ngoài.Môi chất công tác của động cơStirling (thường là không khí, hydro hay heli) chỉ di chuyển trong một khônggian đã được làm kín và có thành phần không thay đổi trong tất cả những giai đoạnkhác nhau của chu trình công tác. Khi môi chất công tác được một nguồn nhiệt từbên ngoài (có thể là nhiên liệu bị đốt cháy, địa nhiệt, năng lượng mặt trời ) đốt nóngthì nó sẽ giãn nở và đẩy piston đi xuống để sinh công cơ học. Sau đó nó được làmmát và được một piston khác đẩy trở lại không gian nén để thực hiện chu trình làmviệc tiếp theo. Xét một xylanh được làm kín một đầu và đầu còn lại được bịt kín bằng mộtpiston và một ít không khí chứa bên trong. Piston chuyển động qua lạitự do nhưng hầu như kín để không khí bên trong không thoát được ra bên ngoài. Giảsử, lúc ban đầu toàn bộ thiết bị có nhiệt độ bằng nhiệt độmôi trường. Lúc này, không khí bên trong có áp suất bằng áp suất khí quyển. Vớiđiều kiện đó piston sẽ đứng yên ở vị trí ban đầu (hình 1.4). Hình 1.4 – Khi chưa cấp nhiệt. Nếu ta đốt nóng một đầu xylanh (đầu nóng), nguồn nhiệt được sử dụng cóthể là chùm tia bức xạ mặt trời hội tụ tại đầu xylanh hoặc một cách đơn giản là dùngmột ngọn nến. Khi đó áp suất và nhiệt độ của không khí bên trong sẽ tăng lên, không khí sẽ giãnnở đẩy piston chuyển động và sinh công hữu ích (hình 1.5). Bất kỳ nguồn nhiệt nàocũng có khả năng sinh công, nhưng nhiệt độ càng cao thì sinh ra công càng lớn. 4
18. To Hình 1.5 – Cấp nhiệt cho một đầu xylanh. Khi piston chuyển động đến đầu bên phải của xylanh ta ngừng quátrình cấp nhiệt và tăng quá trình thải nhiệt bằng cách tăng cường làm mát cho xylanh thì áp suất và nhiệt độ không khí bên trong xylanh giảm xuống. Đến một lúcnào đó ápsuất không khí bên trong thấp hơn áp suất khí quyển thì piston sẽ chuyểnđộng trở lại vị trí ban đầu (hình 1.6). To Hình 1.6 – Ngừng cấp nhiệt và tăng cường làm mát. 1.1.3 Các loại động cơ Stirling Động cơ Stirling có thể được phân loại theo những tiêu chí khác nhau: Tiêu chí phân loại Các loại động cơ Stirling - Động cơ Stirling với môi chất công tác là không khí. Môi chất công tác - Động cơ Stirling với môi chất công tác là hydro. - Động cơ Stirling với môi chất công tác là heli. - Động cơ Stirling sử dụng nhiên liệu làm nguồn nhiệt. Nguồn nhiệt - Động cơ Stirling sử dụng năng lượng mặt trời. - Động cơ Stirling sử dụng nguồn địa nhiệt. - Động cơ Stirling kiểu alpha. Đặc điểm cấu tạo - Động cơ Stirling kiểu beta. - Động cơ Stirling kiểu gamma. 5
19. - Động cơ Stirling một xylanh. - Động cơ Stirling nhiều xylanh. - Tổ hợp máy phát điện Stirling. Công dụng - Máy lạnh Stirling. 1.1.4 Cấu tạo của một số loại động cơ Stirling [6] Tuy có hình dáng bên ngoài, kích thước và cách bố trí rất khác nhau, nhưngtất cả các loại động cơ Stirling đều được cấu thành từ các bộ phận cơ bản với chức năng nhưsau: - Bộ cấp nhiệt: là bộ phận có chức năng cấp nhiệt cho môi chất công tác. Môi chất công tác thường dùng cho động cơ Stirling là không khí, hydro hoặc heli. Nguồn nhiệt cho động cơ Stirling có thể là từ xăng dầu, than củi, nănglượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt - Bộ hồi nhiệt: là bộ phận có chức năng thu nhận nhiệt của môi chất công tác khi nó đi từ không gian giãn nở có nhiệt độ cao sang không gian nén có nhiệt độ thấp hơn và truyền lại phần nhiệt đã thu nhận cho môi chất công tác khi môi chất côngtác đi ngược trở lại. Có thể xem bộ hồi nhiệt như một thiết bị tận dụng năng lượng. Động cơ Stirling vẫn có thể hoạt động khi không có bộ hồi nhiệt nhưng khi đó hiệusuất của động cơ sẽ giảm. - Bộ làm mát: là nơi môi chất công tác thải nhiệt ra môi trường bên ngoài. Đối với động cơ Stirling, môi chất công tác có thể được làm mát bằng không khíhoặc nước. - Piston giãn nở và piston nén: piston giãn nở là bộ phận tiếp nhận áp lực của môi chất công tác khi giãn nở để sinh công cơ học. Piston nén là bộ phận có chức năng nén và đẩy môi chất công tác từ không gian nén qua bộ trao đổi nhiệt về không gian giãn nở. Hai piston giãn nở và nén được đặt lệch pha nhau một góc nàođó thường là 90o. - Xylanh giãn nở: là bộ phận dẫn hướng piston giãn nở và cùng với piston giãn nở tạo thành không gian giãn nở.Tại không gian giãn nở, môi chất công tác có 6
20. nhiệt độ và áp suất cao sẽ giãnnở đồng thời đẩy piston giãn nở từ điểm chết trên đến điểm chết dưới để sinh công. - Xylanh nén: là bộ phận dẫn hướng piston nén và cùng với piston nén tạo thành không gian nén.Không gian nén là nơi môi chất công tác được làm mát sau khi được đẩy từkhông gian giãn nở qua, sau đó được nén và đẩy trở lại không gian giãn nở. - Cơ cấu truyền lực: bao gồm các bộ phận có chức năng tiếp nhận lực đẩy của môi chất công tác và truyền lực đó đến các bộ phận tiêu thụ đồng thời phối hợp chuyển động của các piston. Cơ cấu truyền lực của động cơ Stirling có thể cấu tạo kiểu thanh truyền trục khuỷu tương tự như ở động cơ đốt trong thông dụng hoặc cóthể có các cấu trúc đặc biệt khác. 1.1.4.1 Động cơ Stirling kiểu alpha Các động cơ Stirling kiểu alpha có hai piston đặt trong hai xylanh riêng biệtvà được nối kết với nhau bằng một chuỗi các bộ phận trao đổi nhiệt gồm bộ phậncấp nhiệt, bộ phận hồi nhiệt và bộ phận làm mát. Haipiston này được bố trí lệch nhau một góc 90 độ.Nhưvậy hai piston làm cho môi chất công tác di chuyển qua lại giữa hai không gian nàyvà cùng sinh công như nhau. Hình 1.7 – Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu alpha. Động cơ Stirling kiểu alpha được xem là cấu hình động cơ Stirling đơn giảnnhất, tuy nhiên nó mắc phải nhược điểm là vấn đề làm kín đối với piston giãn nở do tiếp xúc thường xuyên với nhiệt độ cao từ bộ cấp nhiệt. 1.1.4.2 Động cơ Stirling kiểu beta Không giống với động cơ kiểu alpha, động cơ Stirling kiểu beta có mộtpiston lực và một piston phụ (piston dịch chuyển) được đặt đồng tâm trong cùng một 7
21. xylanh. Piston dịch chuyển được lắp lỏng trong xylanh và nhiệm vụ của nó là đẩy môi chất công tác từ khônggiannén sang không gian giãn nở và ngược lại. Hình 1.8 – Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu beta. 1.1.4.3 Động cơ Stirling kiểu gamma Cũng giống như ở động cơ Stirling kiểu beta, các động cơ Stirling kiểugamma cũng có một piston lực và một piston phụ (piston dịch chuyển). Tuy nhiên, chúng được đặt trong haixylanh khác nhau. Hình 1.9 – Sơ đồ kết cấu động cơ Stirling kiểu gamma. 1.1.5 So sánh động cơ Stirling với động cơ đốt trong [6] So với động cơ đốt trong thông dụng dùng xăng và dầu diesel, động cơStirling có những ưu điểm sau đây: 8