Jest rok 1816, pewien szkocki duchowny zgłasza się do urzędu patentowego. Owym Szkotem jest Robert Stirling. Wynalazek, indeksowany jako patent angielski numer 4081, to „hot-air engine”.

Trwająca już kilkadziesiąt lat rewolucja przemysłowa wywiera coraz większy wpływ na codzienne życie mieszkańców wysp brytyjskich.
Minęło 13 lat od kiedy zwodowano pionierski statek parowy, George Stephenson pracuje nad parowozem, a silniki spalinowe znane dziś z motoryzacji dopiero powstają. W takich okolicznościach, silnik zewnętrznego spalania, nazwany silnikiem Stirlinga zaczyna tworzyć swą historię. Technologia, mająca potencjalnie być alternatywą dla namiętnie wybuchających wówczas kotłów parowych, została oparta na gradiencie temperaturowym (energii termicznej przetwarzanej na pracę mechaniczną). Cykl Stirlinga bądź jemu pokrewny pracuje z wydajnością nie większą niż dla danych warunków przewiduje cykl Carnota. Do zrozumienia istoty pomysłu wystarczy znajomość podstawowych zasad termodynamiki. Niezależnie od możliwej konfiguracji silnika tłok (lub tłoki) poruszany jest na skutek zmiany objętości oziębianego lub ogrzewanego gazu. Pracująca objętość powietrza jest zamknięta w silniku.
 

1403 stirling wynNastaje rok 1937. Laboratorium Badawcze Philipsa w Eindhoven postanawia przypomnieć światu o wynalazku sprzed ponad stu lat. Mając do dyspozycji nowoczesne, jak na owe czasy, materiały i rozwiązania techniczne, firma próbuje wdrożyć silnik Stirlinga do zasilania małych odbiorników w miejscach, gdzie nie sięgnęła sieć elektryczna. Epizod ten ostatecznie zapisuje się pozytywnie jedynie kwestiami użycia m.in. stali nierdzewnej czy wykorzystaniu, poszerzonej w stosunku do początku XIX w., wiedzy z termodynamiki oraz mechaniki płynów. (…)
 
Uwagę przykuwa jednak konstrukcja firmy Sunpower Inc. dająca nadzieję na powszechne zastosowanie Stirlinga. Innowacyjne podejście do zagadnienia daje w efekcie maszynę o sprawności 42%! Tajemnica tak wysokiej sprawności tkwiła w konstrukcji tej maszyny cieplnej. Zastosowano rozwiązanie z „wolnym tłokiem” – tłok porusza się swobodnie wewnątrz pojedynczego cylindra, który z jednej strony jest chłodzony, a z drugiej – ogrzewany. Tarcie w takim układzie jest znacząco zredukowane ze względu na brak połączeń z cięgnami – silnik nie wykonuje de facto pracy mechanicznej „na zewnątrz”, dzięki magnesom zamieszczonym na obrębie tłoka oraz cewkom wzdłuż cylindra (generator liniowy, ang. linear alternator) od razu wytwarzana jest energia elektryczna. Jak się okazuje, rozwiązanie to jest dziś jednym z dominujących na rynku, cenione ze względu na prostotę i niezawodność. Wzmiankowana cena za kilowatogodzinę energii elektrycznej wytworzonej przez generator oparty na takim silniku Stirlinga – 5 centów USD. (…)
 
Silnik Stirlinga posiada jeszcze jedną zaletę, o której zapominamy w warunkach powierzchniowych, a jest ona niezwykle ważna dla podwodniaków – silnik sam w sobie jest bezemisyjny (źródło ciepła może powodować emisję, ale to odrębny problem). Zauważając to, w połowie lat 80., szwedzka firma Kockums prowadzi testy zespołu, w skład którego wchodzi silnik Stirlinga. Nowym obszarem, gdzie zastosowanie ma znaleźć szwedzka konstrukcja, jest rynek jednostek podwodnych. Po uzyskaniu obiecujących wyników oraz otrzymaniu aprobaty szwedzkiej Marynarki Wojennej, statki podwodne klasy Gotland zostały wyposażone w system AIP (Air-independent propulsion, napęd niezależny od powietrza). Pozwala on na ładowanie akumulatorów statku podwodnego w stanie pełnego zanurzenia w sposób cichy, co jest nieocenione w przypadku okrętów wojskowych. Zasilanie w ciepło jest realizowane przez oddzielny mechanizm spalający paliwo w ciekłym tlenie, a następnie przechładzający i roztwarzający spaliny. Pomysł znalazł niemałe uznanie w branży niewielkich statków podwodnych – firma Kockums udzieliła licencji na system AIP dla Kawasaki Heavy Industry, która montowała je w statkach podwodnych klasy Oyashio w pierwszej dekadzie XXI wieku. (…)
 
Pomijając różnice w konstrukcjach silnika, jakie możemy znaleźć między poszczególnymi projektami, wszystkie opierają się o czaszę skupiającą promieniowanie słoneczne na niewielkiej powierzchni – jest tam umieszczona nagrzewnica silnika Stirlinga. Powierzchnia czaszy jest zróżnicowana w zależności od mocy, jaką deklaruje producent w danych warunkach oświetlenia (uwaga: różni producenci podają moce przy odmiennych warunkach oświetlenia np. 1 000 czy 2 000 W/m 2 ). Niezwykle istotne jest, aby procentowy udział powierzchni czaszy odbijający światło był jak największy oraz aby stosunek światła odbitego do światła padającego dążył do 1. Takie parametry zapewniają wysoką skuteczność czaszy. (…)

1403 stirling tab

Producenci prześcigają się w różnorodnych ulepszeniach konstrukcji opartych o silnik Stirlinga, wciąż wiele jest dziedzin, w których zastosowanie tej wiekowej konstrukcji jest tylko kwestią czasu. Cieniem na, można odnieść wrażenie, świetlanej przyszłości czaszowych generatorów elektryczności opartych o silniki cieplne, kładą się niedawne bankructwa firm tej branży w Stanach Zjednoczonych. Problemem jest również momentami słabnący entuzjazm rządów dla wspierania nowych form odnawialnych źródeł energii. Nic jednak nie powstrzyma marszu ekologicznej energetyki ku zwiększaniu swojego znaczenia w światowym bilansie produkcji energii, w którym pewny udział ma również błyskotliwy pomysł szkockiego duchownego z XIX wieku. Otwarte pozostaje pytanie, czy czeka nas trzecia era silnika Stirlinga.
 
Literatura:
•     Bancha Kontragool, Somai Wongwiwes, A review of solar-powered Stirling engines and low temperature differential Stirling engines, 2002
•     Jordan RC, Ibele WE. Mechanical energy from solar energy w: Proceedings of the World Symposium on Applied Solar Energy, Phoenix, 1955. s. 81–101
•     Wood JG, Chagnot BJ, Penswick LB, Design of a low pressure air engine for third world use, Sunpower Inc, Athens, Ohio, 1982
•     William R. Martini, Stirling Engine Design Manual
•     www.grc.nasa.gov
•     www.kockums.se
•     www.sunpowerinc.com
•     europa.eu
•     www.csp-world.com
•     www.ner300.com
Bartłomiej Ciapała, Patryk Szymkiewicz AGH KN OZE „Grzała”
 

Cały artykuł w numerze 3/2014
2014 03 GLOBEnergia