Motor Stirling

Belmer Ávalo BedoyaAlejandro Arbeláez LondoñoDaniel Hincapié LópezUniversidad Nacional de

Colombia – Sede Manizales

Generación de Energía Eléctrica

Belizza Janet Ruiz Mendoza

Contenido

Introducción Historia Funcionamiento Tipos de motores Rendimiento Aplicaciones Ventajas y desventajas Conclusiones

Introducción

El fenómeno físico de la expansión del aire caliente fue ya utilizado en tiempos de los egipcios para desarrollar trabajo mecánico, accionando de esta manera trampillas, puertas y pesadas cargas, pero fue en la revolución industrial cuando las máquinas llamadas “térmicas” se estudiaron, desarrollaron y aplicaron de manera general. El uso del motor Stirling abre una ventana a nuevas posibilidades de generar energía eléctrica a base de recursos renovables como la luz irradiada por el sol.

Historia Robert Stirling fue un clérigo Escocés que,

heredando el interés de su padre por la ingeniería, diseñó en 1816 un motor térmico que funcionaba sin peligro de las explosiones y quemaduras que tenía la máquina de vapor. Posteriormente sería el francés Sadi Carnot el que hiciera una interpretación teórica de su funcionamiento para comprender el fenómeno de producir fuerza motriz partiendo del calor que fluye entre dos focos a distinta temperatura.

Funcionamiento

El principio básico del funcionamiento del motor ideado por Stirling es calentar y enfriar un medio de trabajo, ya sea aire, helio, hidrógeno o incluso alguna clase de líquido. Al calentar el medio de trabajo, conseguiremos que incremente su volumen, y se aprovechará ese movimiento para desplazar una parte del motor. Posteriormente, enfriaremos de nuevo el medio de trabajo, reduciendo su volumen, y consiguiendo que el motor vuelva a la posición inicial. El motor trabajará siempre con el mismo medio de trabajo, por lo que el motor debe ser hermético.

Funcionamiento

Tipos de Motores

Todos los motores Stirling tienen características y funcionalidad similares, aunque se puede clasificar dependiendo de la posición del pistón de potencia y el desplazador. A continuación se mencionan cada uno de ellos

Tipos de Motores

Motores tipo beta: Fue el diseño original que hizo Robert Stirling. Consta de un cilindro con dos zonas, una caliente y otra fría. En el interior del cilindro también se encuentra un desplazador que posibilita el movimiento de aire, y concéntrico con este, se encuentra el pistón de potencia, que está desfasado a 90º respecto al desplazador. Este tipo de motor es el más eficaz, pero también el más complejo y voluminoso.

Tipos de Motores Motores tipo alfa: Este motor fue diseñado por

Rider. Este tipo, a diferencia del tipo beta, tiene dos cilindros, uno donde se sitúa la zona fría, y otro donde se sitúa la caliente. En cada cilindro, hay un pistón que está desfasado a 90º del pistón del otro cilindro. Los cilindros están conectados entre sí por un cigüeñal, que hace que la relación potencia/volumen sea bastante alta. El mecanismo de este tipo de motor es bastante sencillo, pero es complicado que no se escape el aire, sobretodo en el cilindro caliente, ya que las altas temperaturas deterioran los materiales.

Tipos de Motores Motores tipo gamma: Este motor es muy parecido

al de tipo beta, pero es más sencillo de construir. Lo que diferencia al beta y al gamma es que el gamma tiene el pistón de potencia y el desplazador en diferentes cilindros, que están desfasados a 90º. Los dos cilindros están unidos por un cigüeñal. Este motor es más sencillo, pero su potencia es menor que la de tipo beta.

Tipos de Motores Motores tipo ringbom: En 1905 Ossian Ringbom

inventó un motor derivado del de tipo gamma, con una simplicidad mayor, pues el pistón desplazador no está conectado con el de potencia, sino que oscila libre movido por la diferencia de presiones y la gravedad. Posteriormente se fueron descubriendo pequeñas modificaciones en el motor Ringbom original, que posibilitaba un motor muy simple y tan rápido como cualquiera de los motores clásicos (alfa, beta, gamma).

Tipos de Motores Motores de pistón líquido: En este tipo de motor se

sustituye el pistón y el desplazador por un líquido. Está formado por dos tubos rellenos de unos líquidos; uno de los tubos actúa de desplazador y otro actúa de pistón. Requiere unos cálculos complicados, y en algunos casos es necesario un tercer tubo llamado sintonizador.

Tipos de Motores Motor Stirling termoacústico: probablemente es la

evolución última de este motor en el que se simplifica al máximo la mecánica del mismo. No existe el pistón desplazador y por lo tanto carece del sistema de acoplamiento entre los dos pistones del motor original. Funciona gracias a ondas de presión que se generan en el cilindro de gas, de ahí el nombre de “acústico”, a merced del calor suministrado en el foco caliente.

Rendimiento Es la porción de energía calorífica que es

transformada en energía mecánica. Entendiendo que el calor es la energía que fluye entre dos focos a distinta temperatura podemos decir que:

donde W es el trabajo obtenido y Qc el calor que fluye del foco caliente al frío.

Aplicaciones

Aplicaciones energéticas:

Aplicaciones

Sin duda alguna, la mayor de las aplicaciones del motor Stirling, es la generación de energía eléctrica a base de la utilización del sistema denominado: “Concentrador de disco parabólico” que consiste de un disco parabólico el cual contiene espejos que reflejan la luz del sol ubicados estratégicamente; tomando como foco un extremo del motor Stirling. Además de que un dinamo o alternador conectado a éste, permite la generación de la energía eléctrica.

Aplicaciones

En España, en la Plataforma Solar de Almería, se han construido equipos (conocidos como Distal y EuroDISH) formados por grandes discos parabólicos que reflejan y concentran la luz solar hacia un motor Stirling, el cual produce energía mecánica que mediante un alternador es transformada en energía eléctrica. Son modelos experimentales y demostrativos de gran rendimiento.

Esta tecnología se considera que será de gran aplicación para regiones donde hay gran número de pobladores dispersos, a los cuales sería muy costoso llegar con red eléctrica.

Es de esperar que los fabricantes de motores Stirling construyan en gran escala unidades pequeñas de ese mismo tipo, (con disco solar) como por ejemplo con capacidad de producir unos 200 a 400 kW/h al mes (equipos de 1 a 2 kW de potencia aproximadamente); especialmente para los países situados entre los trópicos, pues en estas zonas la cantidad de radiación solar es grande a lo largo de todo el año y a su vez es la región donde hay mas población dispersa.

Aplicaciones

Aplicaciones

Funciona con cualquier fuente de calor, no solo por combustión, por lo que se puede utilizar fuentes de calor como solar, geotérmica, nucleares, biológicas, etc.

Los prototipos de Stirling Solar alcanzan el 30% de conversión en energía eléctrica, con lo cual pueden convertirse en una alternativa para la producción de electricidad con menor ocupación del territorio.

Se pueden construir para un funcionamiento silencioso y sin consumo de aire para propulsión de submarinos o en el espacio.

Ventajas

La implementación de un sistema concentrador de disco parabólico, resulta demasiado costoso, debido a que sus espejos tienen características y materiales que requieren procesos que aseguren su alta calidad aumentando así su valor comercial.

Al ser la radiación solar una variable critica en este sistema, presenta limitaciones tanto en su uso en horario, como en días donde se presenta precipitaciones y densidad de nubes.

Desventajas

Conclusiones La aplicación de los motores Stirling a la generación

de energía eléctrica, permiten ver nuevas formas de producción a base de recursos renovables y completamente amigables con los biomas del planeta.

A pesar de su pequeño tamaño y sencillo sistema, estos pueden alcanzar una eficiencia optima si se controla su movimiento en función del sol y se hacen los estudios respectivos

Las nuevas investigaciones y procesos que se están llevando a cabo en la plataforma solar de Almería, permite pensar en un planeta con generación de energía en un futuro no lejano, completamente a base de desarrollos de radiación solar.

Bibliografía http://

www.concursoespacial.com/trabajos2009/proyecto-stirling-2010-ies-leonardo-da-vinci.pdf

http://josemanuelruiz.wordpress.com/2007/12/25/el-motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar/

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling

http://www.youtube.com/watch?v=rzhzeA4VRSc

http://www.todomotores.cl/motores-stirling.htm