Upload
mario-vargas-santos
View
538
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
motor Stirling en aplicaciones de energía solar.
Una eficiente forma de transformación de la energía térmica solar en energía eléctrica.
En esta nueva carrera que comienza
la humanidad en la búsqueda de fuentes de energía alternativa y renovable existen
numerosos inventos y hallazgos que han venido permaneciendo dormidos en el recuerdo
de los anales de la ciencia y que ahora ha llegado la hora de sacarlos del baúl y ponerlos
en práctica. Este es el caso del motor Stirling.
Sistema DISTAL I en operación en la Plataforma Solar de Almería incorporando un motor Stirling
El Motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling, reverendo escocés.
Su principio de funcionamiento esta basado en el trabajo hecho por la
expansión y contracción de un gas (normalmente helio o hidrógeno) al ser
obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae,
y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es
necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se
trata de un motor térmico.
Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocóricas
(calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas
(compresión y expansión a temperatura constante).
El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al
rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que,
en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción.
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Conviene advertir que no serviría como motor de coche, porque aunque su
rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el
rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas.
La gran diversidad de fuentes de calor con las que contamos en nuestro catalogo
energético actual permite que este motor pueda funcionar con muy diversos
combustibles, dado que de lo que se trata es de aportarle calor externo cuya
procedencia en ningún caso afectará su funcionamiento. Así pues el motor
puede funcionar en muy diversos escenarios energéticos. En la actualidad, los
científicos y técnicos están realizando la adaptación de este motor térmico entro
de una estructura de aprovechamiento de la energía solar térmica.
El argumento más sencillo de entender en relación con el alto rendimiento del
motor es porque el calor directamente es el responsable de su ciclo de trabajo, es
decir no tiene que producirse una reacción de combustión que implicaría
lógicamente unas pérdidas añadidas.
Este motor tiene la gran ventaja de que puede representar una fuente de
energía, una vez que le conectemos una maquina eléctrica –alternador dinamo-,
totalmente autónoma cuyo rendimiento es muy elevado. Si disponemos de una
superficie colectora de los rayos solares en forma de espejo orientable o
parábola, será muy fácil hacer llegar el calor a la cámara caliente del motor y
este se pondrá a funcionar. Teniendo en cuenta que al no haber combustión de
ningún tipo el efecto contaminante de la instalación es prácticamente cero.
La mayor complejidad de este sistema de aprovechamiento de la energía solar
térmica es la de motorizar la parábola colectora de energía que evidentemente
deberá seguir la trayectoria del astro solar en la bóveda celeste, en sus dos
ángulos fundamentales: acimut y altura sobre la línea de horizonte.
En el centro del panel colector –foco de la parábola- se situaría el llamado punto
caliente del motor, de tal forma que será en ese punto donde se recoja de forma
concentrada la energía térmica que se encargará de poner en movimiento el
motor. En otros modelos se utilizan lentes de Fresnel que realizan igualmente la
concentración de los rayos solares.
Al motor Stirling se le acopla un alternador de manera que dentro de un mismo bloque
situado en el foco del disco concentrador se realiza la transformación de energía térmica
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
en eléctrica que se puede inyectar a la red eléctrica, de la misma manera que lo hacen
los areogeneradores, o directamente ser utilizada alimentando las cargas de una
instalación
El rango óptimo de potencias para ser competitivo en el mercado energético estaría en el
orden de unas decenas de kilowatios donde aspiraría a competir con sistemas ya
comerciales como los fotovoltaicos o los generadores diesel.
La propia NASA esta muy interesada en este tipo de convertidores de energía y viene
dedicando importantes esfuerzos económicos en el desarrollo de aplicaciones que
incorporan distintos modelos de motor. En la dirección de Internet
http://www.grc.nasa.gov/WWW/tmsb/stirling/doc/stirling_animation.html se pueden
ver animaciones muy interesantes de distintos modelos de motor.
La Plataforma Solar de Almería (PSA), perteneciente al Centro de Investigaciones
Energética, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), es el mayor centro de
investigación, desarrollo y ensayos de Europa dedicado a las tecnologías solares de
concentración. En esta instalación se prueban y perfeccionan los distintos diseños y
sistemas de captación y transformación de energía solar. Su en lace Web es el siguiente
http://www.psa.es/webesp/gen/generalesp.html .
Finalmente, si quiere comprase un pequeño motor Stirling al que le hará
funcionar simplemente poniéndolo sobre su taza de café le recomiendo que
visite esta otra dirección de Internet http://www.stirlingengine.com allí tiene un
amplio catálogo sobre el que poder comprar su primer motor. Quién sabe si
después, una vez que lo ha probado, no se decide por adquirir uno mayor con el
que poder abastecerse de electricidad
Aplicaciones del Motor Stirling
Es eficaz, puede llegar a no emitir ningún tipo de contaminación y apenas produce ruido
o vibraciones. Puede parecer que sería ideal para aplicar en la industria del automóvil, y
de hecho, durante los años 70 del siglo XX, en plena crisis del petróleo, se realizaron
investigaciones intensivas sobre su aplicación en turismos, pero se abandonó el proyecto
al bajar los precios de nuevo debido al inconveniente que presenta en cuanto al tiempo
de encendido: demasiado lento para nuestras expectativas en la vida urbanita. Uno de
los prototipos fue llamado AMC Spirit y funcionaba con gasolina, diesel o gasohol.
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Algunas de las aplicaciones reales que se le dan hoy día son:
Submarinos: el Stirling es la base de la propulsión de algunos submarinos pues
permiten recargar las baterías a altas profundidades, al contrario que el
tradicional motor diésel, que exige subir a altura de periscopio para realizar esaoperación.
Yates: existe un tipo específico de motor Stirling que es especialmente diseñado
para yates.
Enfriadoras: una de las características del motor Stirling es que es un ingenio
reversible, es decir, puede ser usado como motor aplicándole calor de forma que
genera movimiento, o puede ser usado como máquina, consiguiendo producir
frío y calor cuando se le aplica movimiento mecánico mediante un motor
exterior. Diseñando el artefacto Stirling de la manera correcta, se pueden llegar a
alcanzar los 10º K. - es decir, -263º C - y se usan en aparatos de alta tecnología.
Cómo funciona el motor Stirling
La principal característica de este motor es que es alimentado por una fuente de calor
externa, por lo que puede usar desde un proceso de combustión convencional usando
combustibles fósiles, hasta pérdidas de calor excedentes de un proceso industrial,
pasando por la energía solar. Es silencioso y no produce más sustancias contaminantes
que las de la fuente de alimentación original. Dentro del motor se halla un
compartimento estanco lleno de un gas -que puede ser aire, helio o hidrógeno- dividido
en dos zonas: una caliente y otra fría, que se corresponden con los dos ciclos de cadarevolución. El calor hace expandirse al gas que se encuentra en la zona caliente, que
presiona de esa forma un pistón que a su vez mueve una manivela a la cual se encuentra
enganchada una rueda. Al aumentar de volumen, el aire accede a la cámara fría, donde
se contrae debido a la disminución de temperatura. Este hecho acciona el segundo
pistón.
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
EL MOTOR STIRLING
(Actualizado al 31 de Mayo de 1998)
1. INTRODUCCION:
El motor Stirling fue originalmente inventado por Sir Robert Stirling, fraile escocés, hacia 1816.
En sus inicios compitió efectivamente con el motor a vapor. Perdió interés después del
desarrollo del motor de combustión interna y ha retomado interés en los últimos años por
varias características muy favorables que tiene. En particular:
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Rendimiento: como veremos, el motor Stirling tiene el potencial de alcanzar el rendimiento de
Carnot, lo cual le permite, teóricamente, alcanzar el límite máximo de rendimiento.
Fuente de Calor Externa: este motor intercambia el calor con el exterior , por lo tanto es
adaptable a una gran gama de fuentes de calor para su operación. Se han construído motores
Stirling que usan como fuente de calor la energía nuclear, energía solar, combustibles fósiles,
calor de desecho de procesos, etc. Al ser de combustión externa, el proceso de combustión se
puede controlar muy bien, por lo cual se reducen las emisiones. Ciclo cerrado: el fluido de trabajo opera en un ciclo cerrado y la fuente de calor es externa. Esto
hace que este motor sea, potencialmente, de muy bajo nivel de emisiones.
Como contrapartida a estas características favorables, está el hecho de que el fluido de trabajo
es gaseoso, lo cual acarrea dificultades operativas. En la práctica, se ha visto que los fluidos de
trabajo viables son el hidrógeno y el helio, ambos por buenas propiedades termodinámicas.
En los próximos párrafos veremos el ciclo Stirling Teórico , funcionamiento del
regenerador y aplicaciones del Motor Stirling.
2. CICLO STIRLING TEORICO:
2.1 Descripción del Ciclo:
El ciclo Stirling Teórico está compuesto
por dos evoluciones a Volumen
constante y dos evoluciones isotérmicas,
una a Tc y la segunda a Tf . Este queda
ilustrado en la figura 1. El fluido de
trabajo se supone es un gas perfecto. En
el ciclo teórico hay un aspectoimportante que es la existencia de un
regenerador. Este tiene la propiedad de
poder absorber y ceder calor en las
evoluciones a volumen constante del
ciclo.
Si no existe regenerador, el motor
también funciona, pero su
rendimiento es inferior. Hay algunos
aspectos básicos a entender en laoperación de un motor Stirling:
El motor tiene dos pistones y el regenerador. El regenerador divide al motor en dos zonas, una
zona caliente y una zona fría.
El regenerador es un medio poroso, capaz de absorber o ceder calor y con conductividad
térmica despreciable.
El fluido de trabajo está encerrado en el motor y los pistones lo desplazan de la zona caliente a
la fría o vice versa en ciertas etapas del ciclo. Por lo tanto se trata de un ciclo cerrado.
Cuando se desplaza el fluido desde la zona caliente a la fría (o al revés), este atraviesa el
regenerador . El movimiento de los pistones es sincronizado para que se obtenga trabajo útil.
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Se supone que el volumen muerto es cero y el volumen de gas dentro del regenerador es
despreciable en el caso del ciclo teórico. Como en el ciclo real esto no ocurre, el rendimiento es
algo inferior.
En el ciclo teórico se supone que la eficiencia del regenerador es de un 100%. Es decir devuelve
todo el calor almacenado y además con recuperación total de temperaturas.
La descripción del ciclo es como sigue:
En 1 el cilindro frío está a máximo volumen
y el cilindro caliente está a volumen
mínimo, pegado al regenerador . El
regenerador se supone está "cargado" de
calor (una discusión más extensa sobre
este punto se ve en el párrafo sobre el
regenerador ). El fluido de trabajo está a Tf
a volumen máximo, Vmax y a p1.
Entre 1 y 2 se extrae la cantidad Q f de calor
del cilindro (por el lado frío). El proceso se
realiza a Tf constante. Por lo tanto al final
(en 2) se estará a volumen mínimo, Vmin, Tf y
p2. El pistón de la zona caliente no se ha
desplazado. En esta evolución es sistema
absorbe trabajo.
Entre 2 y 3 los dos pistones se desplazan en
forma paralela. Esto hace que todo el fluidoatraviese el regenerador. Al ocurrir esto, el
fluido absorbe la cantidad Q' de calor y
eleva su temperatura de Tf a Tc. Por lo tanto
al final (en 3) se estará a Tc, Vmin y p3. El
regenerador queda "descargado" . En esta
evolución el trabajo neto absorbido es cero
(salvo por pérdidas por roce al atravesar el
fluido el regenerador).
Entre 3 y 4 el pistón frío queda junto al lado
frío del regenerador y el caliente sigue
desplazándoses hacia un mayor volumen. Se
absorbe la cantidad de calor Q c y el proceso
es (idealmente) isotérmico. Al final el fluido
de trabajo está a Tc, el volumen es Vmax y la
presión es p4.
Finalmente los dos pistones se desplazan en
forma paralela de 4 a 1, haciendo atravesar
el fluido de trabajo al regenerador. Al
ocurrir esto el fluido cede calor al
regenerador, este se carga de calor , la
temperatura del fluido baja de Tc a Tf y la
presión baja de p4 a p1. Al final de la
evolución el fluido está a Vmax, p1 y Tf . El
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
regenerador sigue "cargado" de calor.
2.2 Rendimiento del Ciclo:
Supongamos que el fluido de trabajo es un gas perfecto.De acuerdo al Segundo Principio, el
rendimiento del ciclo será:
n = 1 - qced/Q abs
Lo cual se puede escribir como:
n = (Q c + Q' - Q f + Q'')/(Q c + Q')
Ahora bien, es facil demostrar que Q' = -Q'' en magnitud (solo de signos opuestos) en el caso
de un gas perfecto, pues se trata de calentamientos o enfriamientos a volumen constante
entre las mismas dos temperaturas, es decir:
Q' = Cv(Tc - Tf ) = - Q'' = - Cv(Tf - Tc)
Por lo tanto en el numerador Q' y Q'' se anulan, así que el rendimiento queda como:
n = (Q c - Q f )/(Q c + Q')
Ahora bien, vemos que si el regenerador funciona, se logra recuperar el calor Q'' para que sirva
como Q'. Además, solo en el primer ciclo será necesario aportar el calor externo Q'. De allí en
adelante se recupera en forma interna, por lo tanto el rendimiento queda como:
n = (Q c
- Q f )/(Q
c)
Como la evolución 1-2 es isotérmica a Tf , se tiene que:
Q f = R'Tf ln(p2/p1) ==> -Q f = R'Tf ln(p1/p2)
y
Q c = R'Tc ln(p4/p3)
de donde: n = [R'Tc ln(p4/p3) - Q f = R'Tf ln(p1/p2)]/[R'Tc ln(p4/p3)]
Es facil demostrar que: (p4 / p3) = (p1 / p2)
En efecto: pV = R'T ==> (p4 / p3) = (p1 / p2) = Vmin / Vmax (Esto toma en cuenta las
isotérmicas)
Por lo tanto: n = 1 - Tf / Tc que es el rendimiento de Carnot.
Por consiguiente, si el regenerador es 100% eficiente, el motor Stirling tiene el
potencial de alcanzar el rendimiento de Carnot.
3. REGENERADOR:
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Algo medio "mágico" en toda esta discusión ha sido el papel del regenerador. Que un
elemento sea capaz de absorber o ceder calor no tiene nada de extraño. El problema "raro" es
como uno logra primero enfriar el fluido de Tc a Tf y luego usar este mismo calor almacenado
para calentar desde Tf a Tc. Esto tiene que ver con la posibilidad de lograr un calentamiento
reversible, tema que trataremos de explicar a continuación.
La explicación se basa en el hecho de que al interior del regenerador se establece ungradiente de temperaturas. Así, la zona en contacto con el lado caliente está a Tc y la
zona en contacto con el lado frío estará a Tf . Entre ambas existirá una distribución de
temperaturas análoga a la mostrada en la figura 6a (esta ilustra la situación de
regenerador descargado). Cuando fluye fluido desde el lado caliente hacia el lado frío,
primero el fluido se encuentra en contacto con material poroso a temperatura Tc, por lo
que nada pasa, luego (al seguir penetrando a través del regenerador) se encuentra con
material a Tc - dt, por lo cual cede una cantidad de calor dQ al regenerador y se enfría
en dt. Así sigue penetrando hasta que el fluido alcanza la temperatura Tf . Cuando esto
ocurre, no cede más calor y simplemente sigue atravesando el regenerador. Estasituación intermedia se ilustra en la figura 6b. En ella vemos que el frente de
distribución de temperaturas ha penetrado más dentro del regenerador.
A medida que sigue el proceso, el frente se desplaza hacia la zona de menor
temperatura. Cuando la parte fría del frente justo llega al borde frío se dice que el
regenerador está cargado. (figura 6c). Si al llegar a esta situación invertimos el
proceso: es decir se toma fluido frío a Tf y se hace pasar a través del regenerador desde
el lado frío hacia el lado caliente, ocurrirá lo siguiente: primero es fluido se encuentra
con material a Tf , por lo que nada pasa, luego encuentra material del regenerador a Tf +
dt, con lo cual gana dQ de calor calentándose en dt, y así sucesivamente hasta que el
fluido alcanza Tc. Cuando esto ocurre, ya no se calienta más. A medida que sigueatravesando fluido el regenerador el fluido se calienta de Tf a Tc y el frente térmico al
interior del regenerador se desplaza hacia la zona más caliente. El regenerador está
siendo descargado. Esto lo vemos ilustrado en la figura 6d. Cuando el frente en su
extremo a Tc llega justo al borde caliente, el regenerador se encuentra descargado.
Una vez que ocurre esto, podemos invertir el proceso y repetirlo ad infinitum.
Lo mismo que ocurre en un regenerador de un motor Stirling ocurre en un
almacenamiento de calor en lecho de rocas en el caso de colectores solares de aire.
También algo análogo (aunque no exactamente igual) ocurre en un termo eléctrico de
agua.
El primer motor Stirling incorporaba regenerador y tenía una fuerte ventaja en
rendimiento con respecto a motores a vapor contemporáneos. Versiones posteriores lo
abandonaron, lo cual fue una lástima. Además del motor Stirling se fabricaron otros
motores con conceptos similares hacia fines del siglo XIX. Sobre ellos leeremos algo en
un próximo párrafo. (Sigue en construcción....)
4. APLICACIONES DEL MOTOR STIRLING:
En este párrafo solo nos referiremos a ejemplos de uso y diseño del Motor Stirling. Lasaplicaciones las podemos dividir en al menos cuatro etapas:
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Aplicaciones Antiguas: comprenden desde la invención del motor Stirling hasta inicios
de este siglo, en que fue una cierta competencia a la máquina a vapor.
Epoca de IIª Guerra Mundial: aquí fueron los Laboratorios Philips de Holanda los
que hicieron importantes avances en el estudio y desarrollo de este motor.
Los años 60-70: aquí se estudió el motor Stirling como una alternativa para proveer
energía eléctrica en naves espaciales y tambien se comenzó a tener prototipos para uso
en vehículos.
Epocas Recientes: actualmente se sigue investigando como método de proveer energía
para lugares aiislados y usando fuentes como la energía solar como fuente de calor.
Uso en refrigeración: el ciclo Stirling inverso es excelente para aplicaciones de
refrigeración, de hecho es una de la máquinas que permite alcanzar temperaturas
criogénicas.
MOTORES STIRLING PARA VEHICULOS.
Teóricamente, el ciclo Stirling se compone de dos evoluciones a volumenconstante y dos a temperatura constante. El fluido de trabajo se supone
un gas perfecto y además se incluye la existencia de un dispositivollamado regenerador, cuya función es absorver y ceder calor en lasevoluciones a volumen constante del ciclo.
Con todos estos supuestos es posible demostrar que se obtiene laeficiencia de Carnot para este ciclo. Los motores Stirling reales, contandotodas las pérdidas que se producen, son capaces de alcanzar un 50% deese rendimiento teórico lo que es muy bueno. Asimismo, éstos motorespueden ser utilizado tanto como motor o como bomba de calor (orefrigerador).
Si lo representamos en un diagrama p-v, tenemos lo siguiente
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Ciclo Stirling. Teóricamente, el ciclo Stirling se compone de dos evoluciones a volumen
constante y dos a temperatura constante. El fluido de trabajo se supone
un gas perfecto y además se incluye la existencia de un dispositivo
llamado regenerador, cuya función es absorver y ceder calor en las
evoluciones a volumen constante del ciclo.
Con todos estos supuestos es posible demostrar que se obtiene laeficiencia de Carnot para este ciclo. Los motores Stirling reales, contandotodas las pérdidas que se producen, son capaces de alcanzar un 50% deese rendimiento teórico lo que es muy bueno. Asimismo, éstos motorespueden ser utilizado tanto como motor o como bomba de calor (orefrigerador).
Si lo representamos en un diagrama p-v, tenemos lo siguiente:
Para comprender mejor el funcionamiento de un motor Stirling,observemos la figura debajo de estas líneas:
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Supongamos que la parte fría del motor es la derecha y la caliente laizquierda, en la figura H1 y H2 son intercambiadores de calor y R es el
regenerador.
1-2: El fluido comienza a expandirse en la parte caliente demanera isotérmica (por lo que H1 debe inyectar calor), con lo queel pistón se desplaza hacia la izquierda. De esta forma se generatrabajo.
2-3: Se hace nuevamente atravesar el fluido hacia la parte fríaquedando 'cargado' el regenerador con lo que se vuelve a la
posición inicial y se cierra el ciclo. 3-4: Estando cargado el regenerador, se comprime (absorviendo
trabajo) en la parte fría hasta el volumen mínimo. Para mantenerla temperatura constante H2 extrae calor.
4-1: Se hace atravesar el fluido a través del regenerador hacia laparte caliente, quedando en ésta a volumen mínimo. Comoatravesó el regenerador, éste quedó descargado y el fluido obtuvoel calor almacenado en él.
Un esquema del funcionamiento en los puntos clave del motor:
Una animación de este proceso se puede ver a continuación:
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Galería de Motores Stirling.
Aquí van una serie de fotos de motores Stirling, desde los mas antiguoshasta los mas nuevos.
Ahora, para que queden mas claras las partes de las que se componeneste tipo de motores, veamos un motor construido con fines educativosdesde diferentes acercamientos:
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Vehículos Híbridos (HEV).
Los vehículos híbridos son señalados por muchas voces hoy en día comolos medios de transporte que ocuparemos a mediano plazo en especial enlas grandes ciudades. Esto principalmente debido a las bajas emisionesde contaminantes y a la elevada economía de combustible que se obtienecon esta tecnología.
Los HEV (hybrid electric vehicle) son autos provistos de un motor decombustión y otro eléctrico, y se pueden clasificar en dos categorías: enserie y en paralelo.
HEV en serie: El motor de combustión es ocupado como un
generador de electricidad para mover el motor eléctrico, que es elque finalmente provee la potencia para propulsar el vehículo.
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Este sistema se utiliza intercalando una batería entre los dosmotores, de manera de ocupar el motor de combustión enrecargarla cuando sea necesario, existiendo también laposibilidad de hacer esto último enchufándola a alguna fuente(como la casa del propietario del vehículo).
La energía proveniente del combustible mueve el motor de explosión.Este entrega energía para almacenarla en la batería. Desde ésta, laenergía viaja a un motor eléctrico encargado de mover las ruedas.
HEV en paralelo: Tanto el motor de combustión como el eléctricoproveen la potencia para la propulsión del vehículo. Así, si el vehículo se encuentra en ciudad, puede funcionar accionadosolamente por el motor eléctrico (sin emitir contaminantes), y utilizar como apoyo el motor de combustión cuando se requierauna potencia elevada, como al realizar un adelantamiento o
hacer un viaje cargado.
La energía del combustible mueve el motor de combustión. La potenciapara mover las ruedas viene de dos fuentes: el motor de combustión através de la transmisión y/o el motor eléctrico (con su dispositivo para
almacenar energía)
En cualquiera de los dos casos, el motor de combustión debe serpequeño, reduciendo el consumo de combustible y los niveles deemisiones.
Ciertamente, la tecnología que se utiliza en los HEV los hace mascomplejos que nuestros actuales vehículos. Sin embargo, en éstos sólo el
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
15% de la energía almacenada en el combustible es utilizada para moverel vehículo (el 85% restante se pierde), cuando algunos vehículos HEV yahan alcanzado valores significativamente mayores.
Ya existen a la venta en el mercado asiático dos automóviles híbridos, el HondaInsight y el Toyota Prius, ambos combinan la bencina con la energía eléctrica.
El último se comenzó a vender en Japón en Diciembre de 1997.
Ventajas y Desventajas.
En esta sección enumeraremos ventajas y desventajas de los motoresStirling frente a sus competidores en el campo de los vehículos híbridos,que son principalmente los motores de combustión interna (Otto y Diesel) y, en menor medida, las turbinas a gas.
Sus principales ventajas son:
Su elevado rendimiento, ya que el motor Stirling puedepotencialmente alcanzar el rendimiento ideal de Carnot.
Posee una baja cantidad de elementos móviles, sobre todo encomparación con los motores de combustión interna, lo quepermite pérdidas de rendimiento por fricción muy bajas.
El hecho que el ciclo en la realidad sea cerrado hace quepotencialmente se puedan obtener niveles muy bajos deemisiones.
Dado que es un motor de combustión externa el proceso decombustión se puede controlar muy bien, con lo que se reducenlas emisiones.
Como intercambia calor con el exterior, se pueden utilizar unagran cantidad de fuentes de calor, como por ejemplo energíanuclear, energía solar y combustibles fósiles, entre otras.
El bajo nivel de ruido y la ausencia de vibraciones con que opera.
Sus principales desventajas son:
Baja densidad de potencia debido a la combustión externa, lo quecondiciona su tamaño.
Dificultad en la construcción del motor para sellar el fluido detrabajo durante toda la vida útil, lo que eleva su costo
Falta de experiencia en la construcción de este tipo de motores
en el rubro automotriz. Como el fluido de trabajo es gaseoso, esto acarrea dificultades
operativas, con lo que los fluidos realmente viables debido a sus buenas propiedades termodinámicas son el helio y el hidrógeno.
Lento tiempo de respuesta.
Se requiren grandes superficies de intercambios de calor, lo quehace aumentar desmesuradamente su tamaño en comparacióncon los motores de combustión interna.
Largo tiempo de encendido y apagado del motor.
Ejemplos de Aplicación.
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Veremos aquí un par de ejemplos del uso del motor Stirling en el campoautomotriz:
Una de las mayores dificultades para utilizar motores Stirling en vehículos no híbridos es que resulta muy difícil construir uno deestos motores logre partir instantáneamente. Cuando uno sesube a su auto, le gusta que parta a la primera y pueda salirinmediatamente, cosa que los motores Stirling no pueden hacer. A pesar de estas limitaciones, Ford, GM, y American MotorsCorp. (AMC) gastaron millones de dólares desarrollando motoresStirling para autos antes de los años 70. Ford también construyóun Stirling que puede salir andando (con una potenciarelativamente baja) 20 segundos después de que le des lapartida. Muchos prototipos fueron construídos y probados.Luego el precio del petróleo se vino abajo en los años 80 y lagente comenzó a comprar grandes autos, sin preocuparse porcierto de su rendimiento. A pesar de ello no hay aparentementeuna buena razón para construir un motor que seasustancialmente más eficiente que el motor de combustióninterna, pero que no parta instantáneamente.
Aquí se muestra la foto de un automóvil AMC Spirit del año 1979 el cualestaba equipado con un motor Stirling experimental de planta llamado el"P-40". Este auto era capaz de quemar bencina, petróleo o un tipo de gas
(gashol). Este motor Stirling P-40 prometía una baja polución, unamejoría del 30% en rendimiento (Kms/lt), y un igual desempeño que el
motor estánadar de combustión interna.
Dadas las características del motor Stirling, se está desarrollandomucha investigación en el mundo para analizar la convenienciade utilizarlo como fuente motriz en vehículos híbridos. Dentro deesta área, se piensa mas apropiado para HEV en serie, ya quepara un HEV en paralelo se necesitaría una mejor respuesta a lassolicitudes del conductor asi como mayor facilidad paraarrancarlo.
El gigante estadounidense GM (General Motors Company), estáactualmente construyendo y desarrollando motores Stirling como partede un contrato con el Departamento de Energía de Estados Unidos paradesarrollar un sistema de propulsión híbrido para sus vehículos en elfuturo. El equipo de la GM desarrolló en 1998 un prototipo de automóvilllamado Gen2 Stirling HEV, cuya foto mostramos a continuación:
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
El motor Stirling desarrollado por GM usa hidrógeno como fluido detrabajo y tiene varias particularidades. La principal es un disco rotatoriomontado en ángulo y unido al pistón (swash plate)que reemplaza a latradicional biela. Una foto de este motor se puede ver debajo de estaslíneas:
Dejemos que el Director del Programa de Desarrollo Híbrido de la GM,Jerry Skellenger, nos hable acerca de este motor:
"Los motores Stirling son silenciosos, suaves y, como las turbinas, son
motores de combustión contínua por lo que deberían producir muy bajasemisiones".
"El 'swash plate' fue desarrollado para controlar mejor la salida depotencia y así darle al motor una respuesta mas rápida".
"La real interrogante sobre el uso de éstos motores es el costo, ya que notenemos datos sobre lo que costaría prducir altas cantidades de ellos".
Sin embargo, en la siguiente fase del desarrollo de este pryecto ya no serecurrió a un motor Stiling, sino a uno de gasolina dotado de avanzadatecnología anticontaminante.
Conclusiones.
Las conclusiones mas interesantes acerca de esta página serán las quesacará el navegante de acuerdo a lo útil que pueda serle según susnecesidades.
Nos sentimos satisfechos con el trabajo realizado de acuerdo a los objetivos que
señalamos al inicio, ya que creemos que esta página cumple su misión de ser
una buena introducción al tema de la aplicación de la tecnología de los motores
Stirling en el campo de los vehículos. Y no sólo eso, sino que además con loslinks incorporados permite al navegante interesado continuar informándose en
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
mayor profundidad sobre los temas tocados.
Un breve resumen sobre el tema:
Alrededor de los años 70 grandes compañías norteamericanas se dedicaron a
tratar de desarrollar motores stirling para autos llegando a construir algunos
prototipos, pero al parecer todo eso queda congelado tanto por las desventajas
aparentes que presentan dichos motores, como por el abaratamiento relativo del
petróleo con respecto a otros tipos de combustibles. Entonces las compañías ya
no se preocupan de invertir en nuevas tecnologías sino en desarrollar más el ya
tradicional motor de combustión interna. Actualmente ya se están desarrollando
varios estudios con el fin de desplazar al motor de combustión interna por otras
tecnologías. Esto se debe principalmente por la conciencia que se está formandocon respecto al tema de la contaminación atmosférica y por el tema del
encarecimiento del petróleo. En este contexto entran en juego prototipos de
autos llamados híbridos, los cuales preocupados tanto de la eficiencia como del
nivel de emisiones, mezclan en su funcionamiento motores eléctricos y otro tipo
de motor, ya sea Otto, Stirling u otro. El Departamento de Energía de los EEUU(DOE) a través de la Ofina de Tecnologías del Transporte (OTT) junto con las
compañías de automóviles Ford, GM y Daimler-Chrysler, están desarrollando
tecnologías para la creación de Vehículos Eléctricos Híbridos (HEV). En el
marco de estos diseños se están desarrollando automóviles que poseen un motor
Stirling junto con otro tipo de motor.
Y a continuación nuestra opinión:
El tema de la contaminación es un tema que nos afecta diariamente, en especial
si vivimos en una ciudad como Santiago. Un porcentaje no despreciable de ellase debe a la circulación de vehículos, por lo que cualquier intento para reducirla
siempre será bienvenido. Sin embargo, la pregunta de fondo es: ¿por qué no se
redujo antes de llegar a la crítica situación en que ahora estamos, no sólo aquí
sino en muchas partes del mundo? La respuesta tiene que ver con quiénes sonlos que toman las medidas anticontaminación, o sea las autoridades. Si estamos
de acuerdo en que para reducir la contaminación vehicular se requiere uncambio de tecnología, como los vehículos híbridos y mas a largo plazo los de
cero emisiones (ya que un motor convencional es difícil que contamine menos),
debemos pensar en cómo gatillar ese cambio. Nosotros estamos convencidos
que ese cambio tendría que ser generado por medidas de la autoridad, ya que las
empresas de automóviles no invertirán en investigación de nuevas tecnologías
porque tengan intereses ecológicos, pero si lo harían si supieran que en un futuro
cercano sólo podrán vender automóviles híbridos, por ejemplo. Tomemos como
ilustración el caso de los EEUU, donde los tres gigantes automotrices están
enfrascados con un organismo del gobierno buscando la manera de construir
automóviles híbridos viables. Esto es posible porque hay detrás una política de
estado. Nos gustaría que no fuera una ironía preguntarse por una política deestado frente a la contaminación vehicular en Chile (ni menos imaginar que la
respuesta es ¿vías exclusivas?). En cuanto al uso del motor Stirling en
automóviles, actualmente, y dadas las características del motor, lo mas sensato
parece ser ocuparlo en HEV en serie, seducidos por las grandes ventajas que
tiene en esta aplicación. Sin embargo, para paliar sus desventajas se necesitan
grandes cantidades de tecnología e investigación, lo que a su vez requiere en lapráctica por lo menos una gran empresa mundial abocada a invertir e investigar
en él. Y terminamos con otra pregunta: ¿se tentará, en estas condiciones, alguna
de estas empresas?
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
En 1816 el reverendo Escocés Robert Stirling patentó
un motor que funcionaba con aire caliente.
La patente de este motor era el glamuroso final de una
serie de intentos de simplificar las máquinas a vapor.
Stirling consideraba demasiado complicado calentar
agua en una caldera, producir vapor, expansionarlo
en un motor, condensarlo y mediante una bomba
introducir de nuevo el agua en la caldera. Otro
impulso para desarollar un nuevo sistema fueron los
accidentes fatales causados frecuentemente por las
máquinas a vapor, ya que aún no se había inventado
el acero y las calderas explotaban con facilidad.
El motor de Stirling realizaba los mismos procesos de
calentamiento y enfriamiento de un gas, pero todo
dentro del motor y el gas era aire en vez de vapor de
agua, por lo que el motor no necesitaba caldera. Un
tipo de motor bastante común en su época, sobre todo
para pequeñas maquinas de uso domestico tales como
ventiladores, bombas de agua etc.., su potencia
especifica no era muy elevada pero su sencillez y
silencio eran magníficos.
La teoría física, el proceso Carnot, fue definido 40
años mas
tarde!
El principio
del
funcionamien
to es tan solo
el calentar y
enfriar un
medio de
trabajo, sea aire, helio, hidrógeno o incluso un líquido.
Calentando ese medio provoca una expansión del
mismo dentro del motor. El medio de desplaza a otraparte del motor dónde es enfriado.
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Al enfriar el medio, el volumen se reduce de nuevo.
Ese cambio de volúmenes activa un pistón de trabajo
el cual ejerce el trabajo del motor.
El motor es hermético por lo que siempre se utiliza elmismo medio en un circuito cerrado (no hay escape
del medio de trabajo)
Inicialmente muy común, esatecnología murió con elinvento de los motores Otto y
Diesel, hasta renacer al iniciodel ciclo 20 impulsado por lacompañía Philips en Holanda.La segunda guerra mundialpuso fin a una serie denuevos desarollos y solo hace25 años volvieron a iniciarnuevas iniciativas ydesarollos. Hoy en día seutiliza motores Stirling paragenerar calor, para impulsarsubmarinos y proximamentecomo motores en automóbiles
híbridos.
Las grandes ventajas del motor Stirling son:
Combustión externa (se puede quemar cualquier combustible paracalentar el motor)No hay explosión por lo que el motor es extremamente silencioso y librede vibracionesSe genera a la vez energía eléctrica, mecánica y térmica(cogeneración)
Existen diseños de motores LTD (de baja temperatura) los cuales no
requieren un concentrador solar pero con mucho menor rendimiento.Los motores potentes trabajan con temperaturas de 600ºC a 900ºC.
Hoy en día el motor está ya muy maduro en su diseño (tiempo de vidaaprox. 100.000 horas) existen aún pocas aplicaciones comerciales ymuchos proyectos de investigación.
Aquí unas fotos de aplicaciones solares actuales:
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Agregado SOLO(Alemania), aprox. 10kWel (Stirling comercial, aplicaciónsolar experimental)
Agregado Sunmachine, Alemania,2.5kWel (nivel preserie)
Bomba de agua, aprox.50W, Stirling de baja temperatura (LTD), comercial
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
Agregado EPAS,400Wel, para mayor información buscar en la sección"EPAS S400C"
Aplicaciones de los Motores Stirling: Aviación.
Con este post empiezo lo que espero que sea una serie con los
distintos ambitos donde el Motor Stirling tiene la posibilidad dedesarrollarse en el futuro.Para el que quiera una información más
completa puede consultar la siguiente pagina en
Ingles http://www.airsport-corp.com/fourpartstirling.html , de
donde he sacado los graficos que ilustran este post.Uno de los usos
que pueden sorprender más del motor Stirling (MS) es en la
propulsión de aeronaves, y es que el MS tiene unas cualidades que
lo hacen idoneo para algunas aplicaciones en aviación.
Es silencioso. Todos sabemos lo ruidosos que pueden ser los
aviones, desde los reactores hasta las pequeñas avionetas
equipadas con motores de explosión. El MS puede traer mejorastanto para el confort de los viajeros como de los residentes en
las cercanias de los aeropuertos.
Menos vibraciones. Los MS se caracterizan por su bajo nivel de
vibraciones debido a que no se produce la explosión en los
cilindros (esta ventaja no es relevante en los motores a
reacción). La reducción de las vibraciones tiene su importancia
porque disminuye la fatiga de los materiales prolongando la
vida util y la seguridad de la aeronave.
Mejora su potencia en altitud. La aviación siempre ha querido ir
más alto y más rapido. Esto tiene su logica, cuanta mayor altitud
menor es la densidad del aire, y por tanto menor el rozamientoque sufre la nave, por lo que puede ir más rápido con menor
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar
gasto de combustible. Sin embargo la menor densidad del aire
hace que los motores convencionales pierdan potencia debido a
que no consiguen el suficiente aire para mantener la
combustion, limitando la altitud a la que pueden viajar. Esto se
mejora con motores de explosión turbocargados o con motores
a reacción.
En las siguientes graficas se puede ver una comparativa de (Las
pongo como enlaces porque me desordenan todo el post):
Potencia en funcion de la altura (en %) de un MS, una banda
elastica y motor de combustion.
Velocidad de Crucero al 75% de potencia, de los anteriores mas
un motor de combustión turbocargado.
Bien os preguntareis como puede pasar esto, pues es debido a dos
razones:
Por una parte a mayor altitud menor es la temperatura del
ambiente, con lo cual mejoramos el rendimiento del motor de
un modo más eficiente que elevando la temperatura de
combustión.
Por otro lado, el MS no tiene que realizar un trabajo de
compresión del aire externo para aplicarlo al motor. El
rendimiento de esta compresión disminuye drásticamente con
la baja densidad del aire a esas alturas. Mientras en el MS la
compresión se realiza en las condiciones constantes de sus
cilindros.
5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/motor-stirling-en-aplicaciones-de-energia-solar