Stirlingmotor: wat zijn de voordelen ervan?
Een Stirlingmotor is een heen en weer gaande warmtemotor die warmte van een externe bron gebruikt om energie voor de werkcyclus te creëren. Deze warmte wordt vaak verkregen door externe verbranding, het is dus een externe verbrandingsmotor.
Dit type motor gebruikt chemische energie die wordt verkregen door het verbranden van brandstof om de werkstof te verwarmen, die vervolgens werk in de motor verricht. De verbranding vindt altijd buiten de motor plaats en de werkstof is meestal gas.
Inhoud
- De geschiedenis van de Stirlingmotor in een notendop
- De constructie van de Stirlingmotor
- Hoe werkt een eencilinder Stirlingmotor?
- Hoe werkt een twee- of meercilinder Stirlingmotor?
- Voordelen van de Stirlingmotor
- Nadelen van de Stirlingmotor
- Gebruik van de Stirlingmotor
- Toekomstige innovaties
- Interessante feiten over de Stirlingmotor
- Veelgestelde vragen over de Stirlingmotor
- Conclusie
De geschiedenis van de Stirlingmotor in een notendop
De ontwikkeling van de Stirlingmotor begon aan het begin van de 19e eeuw toen de Schotse ingenieur en predikant Robert Stirling probeerde een veiliger alternatief te creëren voor stoommachines, die berucht waren vanwege hun explosies. De Stirlingmotor werd in 1816 gepatenteerd. In de daaropvolgende jaren onderging hij verschillende verbeteringen om de efficiëntie te verhogen. De gebroeders Stirling patenteerden in 1827 ook een heteluchtmotor.
Tijdens de 19e en 20e eeuw kenden Stirling-motoren een toenemende belangstelling en innovatie, vooral tijdens brandstoftekorten of perioden van snelle technologische vooruitgang. Tegenwoordig komen Stirlingmotoren opnieuw op de voorgrond als ecologisch alternatief voor traditionele verbrandingsmotoren.
De constructie van de Stirlingmotor
Qua ontwerp heeft de Stirlingmotor veel voordelen ten opzichte van andere verbrandingsmotoren. De motor is robuust en heeft een eenvoudige constructie, waardoor hij zeer betrouwbaar is.
Deze motor is ingekapseld en strak, waardoor hij bijvoorbeeld onder water of in een vacuüm kan worden gebruikt. Omdat de brandstof niet in de motor verbrandt, zijn er geen onnodige geluiden of trillingen.
De motor is daarom stiller, verfijnder en heeft een langere levensduur dan klassieke verbrandingsmotoren omdat de onderdelen minder belast worden. Het rendement van de Stirlingmotor is hetzelfde, soms zelfs hoger, dan dat van de beste dieselmotoren. Het grootste voordeel is echter dat er verschillende soorten brandstof kunnen worden gebruikt om de motor aan te drijven.
Hoe werkt een eencilinder Stirlingmotor?
Aanvankelijk heeft het gas een lage temperatuur en bevindt de druk zich dus tussen de onderste (lek) en bovenste werkende (dichte) zuigers, die met elkaar verbonden zijn. De onderste zuiger beweegt naar het bovenste deel van de cilinder en stoot het gas uit, dat rond de zuiger stroomt, naar het onderste deel van de cilinder, dat wordt verwarmd door een externe warmtebron.
Dankzij de verwarming neemt de temperatuur van het gas in de cilinder toe. Het gas vergroot daardoor zijn volume en druk en zet uit naar boven terwijl het weer rond de lekkende zuiger stroomt.
Motorzuigers: hoe werken ze?
Aan de bovenkant van de cilinder wordt het gas gekoeld, waardoor het volume en de druk afnemen, waardoor de werkende zuiger naar beneden beweegt, de lekkende zuiger omhoog wordt getild en het gas kan terugkeren naar de bodem van de cilinder, die wordt verwarmd. Deze cyclus blijft zich herhalen.
Hoe werkt een twee- of meercilinder Stirlingmotor?
Een externe warmtebron verwarmt de rode cilinder. Het gas in de cilinder verhoogt het volume en de druk, waardoor de (rode) cilinderzuiger naar boven wordt gedrukt. Nadat de zuiger de bovengrens van de cilinder heeft bereikt, stroomt het gas door de buis in de tweede (blauwe) cilinder.
Daar wordt het gekoeld, waardoor het volume en de druk afnemen, waardoor de zuiger valt, waardoor het gekoelde gas terug in de verwarmde cilinder wordt gedrukt.
Voordelen van de Stirlingmotor
De Stirlingmotor heeft een veelzijdig gebruik en een vergelijkbaar rendement als vonk- of dieselmotoren. Zoals gezegd is het een motor met externe verbranding, waardoor er minder schadelijke stoffen ontstaan.
Benzine- en dieselmotor: hoe verschillen ze?
Omdat er geen substantie de motor binnenkomt of verlaat, is het mogelijk om de meest geschikte vulling in de cilinders te gebruiken. De belangrijkste voordelen van de Stirling-motor zijn onder meer:
- Veelzijdigheid van brandstoffen: Stirlingmotoren kunnen op vrijwel elke warmtebron draaien, waardoor ze aanpasbaar zijn aan een breed scala aan brandstoffen, waaronder hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-energie.
- Hoge efficiëntie: Dankzij de regenerator- en isothermische processen kunnen Stirling-motoren een hoger thermisch rendement bereiken in vergelijking met verbrandingsmotoren.
- Lage emissies: het externe verbrandingsproces resulteert in lagere emissies en minder vervuiling, waardoor Stirling-motoren een milieuvriendelijke oplossing zijn. Door de afwezigheid van olie in de brandstof komen er minder schadelijke stoffen in de lucht.
- Stille werking: Stirlingmotoren werken met minimaal geluid en trillingen omdat er geen interne verbranding is en geen snelle afvoer van uitlaatgassen.
Brandstoffen voor de Stirlingmotor
Zoals reeds vermeld is een groot voordeel van de Stirlingmotor ten opzichte van andere verbrandingsmotoren dat er een breed scala aan verschillende brandstoffen gebruikt kan worden om de motor aan te drijven, zoals:
- Aardgas (behaalt de beste resultaten vanuit economisch maar ook ecologisch oogpunt)
- Vloeibare en gasvormige brandstoffen
- Vaste brandstof
- Biomassa (houtsnippers, plantenresten en andere...) Biogas (gas uit stortplaatsen, rioolwaterzuiveringsinstallaties, cokesgas)
- Zonne-energie
- nog veel meer...
Afgezien van de Stirlingmotor kan geen enkele andere motor voor zijn voortstuwing gebruik maken van zo’n grote groep verschillende bronnen.
Nadelen van de Stirlingmotor
Net als elk ander apparaat heeft de Stirlingmotor voor- en nadelen. We kunnen het volgende onder de nadelen van deze motor opnemen:
- Lagere vermogen-gewichtsverhouding: Vergeleken met verbrandingsmotoren hebben Stirling-motoren een lagere vermogen-gewichtsverhouding.
- Complex ontwerp: Stirlingmotoren hebben een complexer ontwerp, wat leidt tot hogere productiekosten en lastiger onderhoud.
- De complexiteit van materialen: Efficiënte warmteoverdracht tussen de warme en koude kamer is essentieel voor optimale prestaties. Daarom zijn de eisen aan afdichtingsmaterialen hoog, en daarmee ook de productiekosten.
Gebruik van de Stirlingmotor
De Stirlingmotor wordt in een breed scala aan toepassingen gebruikt vanwege zijn veelzijdigheid en unieke eigenschappen:
- Elektriciteitsopwekking: de Stirlingmotor kan elektriciteit opwekken in afgelegen gebieden met behulp van restwarmte of hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-energie.
- Warmtekrachtkoppeling: In gecombineerde warmte- en krachtsystemen (WKK) kan een Stirling-motor restwarmte van industriële processen of gebouwen terugwinnen, waardoor de energie-efficiëntie toeneemt.
- Zeevoortstuwing: De Stirling-motor wordt gebruikt in onderzeeërs en andere marineschepen vanwege de stille werking en het brandstofverbruik.
- Energie van ruimtevaartuigen: Radio-isotoop Stirling-generatoren worden gebruikt als energiebron voor missies in de ruimte, zoals de NASA Advanced Radioisotope Stirling Generator (ASRG).
Toekomstige innovaties
Stirlingmotoren staan klaar om een belangrijke rol te spelen in de transitie naar schonere en efficiëntere energieoplossingen. Potentiële gebieden voor toekomstige innovatie zijn onder meer:
- Zonne-energie: geconcentreerde zonne-energiesystemen kunnen Stirling-motoren gebruiken om zonlicht om te zetten in elektriciteit, waardoor een hernieuwbare hulpbron ontstaat.
- Terugwinning van restwarmte: De ontwikkeling van geavanceerde materialen en ontwerpen kan de efficiëntie van Stirling-motoren verder verbeteren, waardoor ze een aantrekkelijke optie worden voor de terugwinning van restwarmte en energiebesparingen.
- Gebruik in de automobielsector: Hoewel nog niet wijdverspreid, zou de integratie van Stirling-motoren in hybride voertuigsystemen het brandstofverbruik en de uitstoot kunnen helpen verminderen.
Interessante feiten over de Stirlingmotor
- Eerste gepatenteerde motor: De Stirlingmotor was de eerste gepatenteerde motor, waarvoor patent werd verkregen in 1816, nog vóór de verbrandingsmotor.
- Veiligheidsinnovatie: De Stirlingmotor werd oorspronkelijk ontwikkeld als een veiliger alternatief voor stoommachines die gevoelig zijn voor explosies als gevolg van stoom onder hoge druk.
- Zweedse onderzeeërs: De Zweedse marine gebruikt sinds 1996 Stirling-motoren in haar onderzeeërs van de Gotland-klasse, waarbij ze profiteert van de stille werking en efficiëntie van de motoren.
- Philips Electronics: In de jaren vijftig ontwikkelde Philips Electronics een reeks Stirling-motoren voor gebruik in radio's en andere kleine apparaten, waardoor de technologie populairder werd.
- Langstlopende Stirlingmotor: De langst continu draaiende Stirlingmotor bevindt zich aan de Universiteit van Canterbury in Nieuw-Zeeland. Deze motor, bekend als de Canterbury Ringbom, is in gebruik sinds 1986.
Veelgestelde vragen over de Stirlingmotor
Vraag: Kan een Stirling-motor in een auto worden gebruikt?
Antwoord: De Stirling-motor is nog niet wijdverspreid voor gebruik in de auto vanwege de lagere vermogen-gewichtsverhouding en complexiteit. Het kan echter worden geïntegreerd in hybride voertuigsystemen om de brandstofefficiëntie te verbeteren en de uitstoot te verminderen.
Vraag: Hoe verhoudt de efficiëntie van een Stirling-motor zich tot die van een verbrandingsmotor{{REF_LINK}}?
Antwoord: De Stirlingmotor kan een hoger thermisch rendement behalen in vergelijking met verbrandingsmotoren, waarbij vaak een rendement van 30-40% of meer wordt bereikt, terwijl verbrandingsmotoren doorgaans zo'n 20-25% efficiënt zijn.
Vraag: Wat zijn de belangrijkste factoren die de efficiëntie van een Stirling-motor beïnvloeden?
Antwoord: De efficiëntie van een Stirling-motor hangt af van verschillende factoren, waaronder het temperatuurverschil tussen de warme en koude kamers, het ontwerp van de regenerator, het werkgas en mechanische verliezen in de motor.
Vraag: Hoe start een Stirling-motor?
Antwoord: Een Stirling-motor heeft een externe warmtebron nodig om te kunnen werken. Zodra het werkgas opwarmt en begint uit te zetten, zal de motor starten en blijven draaien zolang de warmtebron behouden blijft.
Vraag: Welk werkgas wordt er gebruikt in een Stirling-motor?
Antwoord: Het werkgas in een Stirling-motor kan variëren, afhankelijk van het specifieke ontwerp en de specifieke toepassing. Veelgebruikte gassen zijn lucht, waterstof, helium en stikstof.
Conclusie
De Stirlingmotor biedt een unieke combinatie van brandstofveelzijdigheid, hoog rendement en lage emissies, waardoor hij geschikt is voor een breed scala aan toepassingen. Naarmate de technologie vordert, zal het potentieel van de Stirlingmotor toenemen, evenals het gebruik ervan op verschillende gebieden.