Obsah práce:1. Úvod2. Biomasa a. Definícia

b. Transformácia na bioplyn3. Vlastný výskum4. Stirlingov motor5. Vlastná konštrukcia Stirlingovho motora

1.ÚvodZmena globálnej klímy, ktorú spôsobuje neustále zvyšovanie koncentrácie skleníkových plynov v atmosfére v dôsledku ľudskej činnosti, je jedným z najvýznamnejších environmentálnych problémov v súčasnom svete. Narastajúca teplota vedie k zmenám v rôznych ekosystémoch, vrátane negatívnych vplyvov na život človeka.

Členské krajiny EÚ sa zaviazali, že do roku 2020 znížia emisie skleníkových plynov o 20 percent, obnoviteľné zdroje energie budú predstavovať 20 percent z konečnej spotreby energií a 10 percent spotreby v doprave a energetická spotreba sa takisto zníži o 20 percent v porovnaní s jej prognózovanou hodnotou v roku 2007.

Pre dosiahnutie uvedených cieľov je potrebné obmedziť spaľovanie fosílnych palív, zabrániť narastajúcemu odlesňovaniu, rozumne obrábať pôdu, hospodáriť s odpadom, šetriť s energiou, súhrnne povedané - správať sa zodpovedne tak na strane výroby, ako aj na strane spotreby. Musíme investovať do nových technológií, využívať obnoviteľné zdroje energie, stavať úsporné obydlia, preferovať moderný čistý priemysel, využívať ekologické dopravné prostriedky. Prechod k nízkouhlíkovej ekonomike je nielen veľkou príležitosťou, ale aj výzvou k zvyšovaniu energetickej nezávislosti, vzniku nových pracovných miest, ako aj rozvoju vedy a výskumu.

Zvyšovanie podielu obnoviteľných zdrojov energie na výrobe elektriny a tepla s cieľom vytvoriť primerané doplnkové zdroje potrebné na krytie domáceho dopytu je jednou zo základných priorít Energetickej politiky SR. Obnoviteľné zdroje energie prispievajú k posilneniu a diverzifikácii štruktúry priemyslu a poľnohospodárstva, podporujú inováciu a rozvoj informačných technológií, otvárajú priestor pre nové smerovania a sú jedným z pilierov budovania znalostnej ekonomiky. Racionálny manažment domácich obnoviteľných zdrojov energie je v súlade s princípmi trvalo udržateľného rozvoja, čím sa stáva jedným z pilierov zdravého ekonomického vývoja spoločnosti (Národný akčný plán pre obnoviteľné zdroje energie, 2010).

Na rozdiel od spaľovania fosílnych palív spaľovanie biomasy je CO2 neutrálne, čo znamená, že pri spálení sa uvoľní rovnaké množstvo CO2 aké píjme rastlina z ovzdušia pri raste. Preto som sa rozhodol venovať výskumu energetického potenciálu biomasy, návrhu zariadenia na výrobu bioplynu a návrhu zariadenia na premenu energie

bioplynu na mechanickú energiu.

2. Biomasaa. Definícia

Podľa WikipédieBiomasa je množstvo všetkej (nefosílnej) organickej hmoty na určitej ploche alebo v určitom objeme. Existujú rôzne varianty tejto definície, a to najmä takéto:

Niekedy definícia zahŕňa nielen samotnú živú hmotu (t.j. bunky), ale aj jej výlučky, odpady a podobné produkty.

Niekedy je definícia obmedzená len na suchú biomasu (sušinu) Niekedy je definícia obmedzená len na živú organickú hmotu (nazahŕňa teda mŕtvu organickú

hmotu) Niekedy je definícia obmedzená len na rastliny a živočíchy a nezahŕňa mikroorganizmy Niekedy je definícia obmedzená len na hmotu jedinca alebo len na hmotu populácie, teda

jedincov jedného druhu.

Energia biomasy má svoj prapôvod v slnečnom žiarení a fotosyntéze, preto ide o obnoviteľný zdroj energie.

Celková hmotnosť biomasy je zvyčajne stanovená vážením, prípadne aj odhadom z objemu alebo dĺžky tela. U čerstvo ulovených organizmov je stanovená živá alebo čerstvá biomasa. Presnejšie je stanovenie biomasy suchej (sušiny) a sušiny bez popola. Energetická hodnota biomasy je stanovená buď spálením v kalorimetri, alebo na základe podielu proteínov, cukrov a tukov.

b. Transformácia biomasy na bioplyn

Princíp výroby bioplynu

Anaeróbna fermentácia (anaeróbne vyhnívanie alebo metánové kvasenie) je biochemická premena

biomasy, pri ktorej sa uvoľňuje bioplyn.

Fermentácia sa uskutočňuje vo vzduchotesnej nádrži bioplynovej stanice (fermentore), kde sa

biomasa zahrieva na prevádzkovú teplotu počas presne stanovenej doby zdržania (obyčajne

experimentálne overenej). Tu sa biomasa bez prístupu vzduchu za pôsobenia metanogénnych

baktérií pri teplote 5 až 60 °C rozkladá, pričom vzniká bioplyn a kvapalný alebo kašovitý digestát,

ktorý sa používa ako hodnotné poľnohospodárske hnojivo.

Baktérie Teplota fermentovanej biomasy [°C]

Psychrofilné 5 - 30

Mezofilné 30 – 40

Termofilné 45 – 60

Optimálné teplotné pásma anaeróbných baktérií

Bioplyn je zmes plynov s obsahom metánu a oxidu uhličitého. Jeho hlavnou výhrevnou zložkou je metán (CH4), ktorý tvorí asi 55 - 70 % objemových percent bioplynu. Výhrevnosť bioplynu je 19,6 - 25,1 MJ/m3.

Schéma poľnohospodárskej bioplynovej stanice

1. Násypka2. Homogenizačná nádrž3. Vrtuľové miešadlo4. Kalové čerpadlo5. Fermentor6. Miešanie fermentora7. Plynový dóm8. Plynové potrubie9. Prepadové potrubie10. Konečná skladovacia nádrž11. Membrána plynojemu12. Výpustné potrubie digestátu13. Vrtuľové miešadlo14. a 15. Kogeneračná jednotka16. Výmenník tepla

Bioplyn z poľnohospodárskej produkcie

Výroba bioplynu v poľnohospodárskom sektore využíva ako primárnu surovinu hnoj z fariem. Najvhodnejšou surovinou pre výrobu bioplynu sú tekuté a polotekuté výkaly – tie predstavujú najvýznamnejší zdroj bioplynu na Slovensku.

SurovinaVýťažok

(l/kg org. mat.)Surovina

Výťažok(l/kg org. mat.)

Rastlinné osivo 620 Listy slnečnice 300

Kal z odkaliska 525 Ovosná slama 300

Vysoké trávy 495 Jačmenná slama 275

Vtáčí trus 465 Konský trus 250

Ďatelina 460 Pšeničná slama 250

Listy cukrovej repy 450 Slama zo žita 250

Prasací exkrement 445 Listy zo stromov 250

Kukuričný odpad 420 Stajňový hnoj 225

Tráva 415 Odpad z ryže 225

Poľnohospodársky odpad 385 Hovädzí exkrement 200

Zemiaková vňať 370 Odpad repky olejnej 200

Konope 360 Rákosie 170

Zeleninové zbytky 345 Ryžová lúštenina 155

Priemerné výťažky v l/kg bioplynu z 1 kg suchého materiálu. Zdroj: http://www.tzb-info.cz/t.py?i=1540&t=2

Nasledujúca tabuľka znázorňuje výnosnosť rôznych odpadových surovín, z ktorej jasne vyplýva ekonomická efektívnosť ich využitia.

Výnosnosť bioplynu z rôznych substrátov. Zdroj: http://www.tzb-info.cz/t.py?i=1540&t=2

KategóriaSušina

exkrementovkg/deň

Exkrementycelkom, priemer

kg/deň

Množstvobioplynum3/deň

ElektrickáenergiakW/rok

Hovädzí dobytok (priemerné hodnoty)

Dojnica (550 kg) 6,00 60 1,7 3 666

Hovädzí odpad 3,00 30 1,2 -

Chov jalovíc (330 kg) 3,50 35 0,9 2 444

Teľatá (100 kg) 1,25 12 - 15 0,3 -

Ošípané (priemerné hodnoty)

Výkrm (70 kg) 0,50 8,5 0,20 427

Prasnice (170 kg) 1,00 14,0 0,30 468

Prasnice s prasiatkami (90 kg) 0,55 9,0 0,20 -

Prasiatka (23 kg) 0,25 4,0 0,15 -

Kanci (250 kg) 1,30 18,5 0,30 -

Hydina (priemerné hodnoty)

Nosnice (2,2 kg) 0,036 0,16 - 0,30 0,016 35,5

Brojler (0,8 kg) 0,020 0,009 - 18,3

Kurčatá (1,1 kg) 0,020 0,009 - -

Množstvo exkrementov a množstvo bioplynu resp. elektrickej energie, ktorú možno získať z exkrementov poľnohospodárskych zvierat. Je treba počítať s výťažkom o 10 – 30 % nižším v prípade nepodstielaného ustajnenia, resp. s produkciou bioplynu o 0,15 - 0,35 m3 na 1 kg slamy vyššou v prípade ustajnenia na slame alebo na pilinách, s ich následnou hydrolýzou vo fermentore. Zdroj: http://www.tzb-info.cz/t.py?i=1540&t=2

Plyn z čistiarní odpadových vôd - kalový plyn

Po poľnohospodárstve je druhý najvýznamnejší zdroj plynu na Slovensku je sektor čistiarní odpadových vôd (ČOV). Odhaduje sa, že ročná využiteľná kapacita kalového plynu z ČOV na Slovensku je 31 mil. m3, z ktorých by sa dalo vyrobiť 59,58 GWh elektrickej energie a 386,2 TJ tepla ročne.

Problém spracovávania kalov z ČOV vo fermentore je výskyt tzv. siloxánov, organických zlúčenín kremíka v kalovom plyne, ktoré poškodzujú spaľovacie motory kogeneračných jednotiek. Preto sa tento druh bioplynu musí pred kogeneráciou čistiť, čo čiastočne zvyšuje náklady spracovania bioplynu.

Čistenie bioplynu

Bioplyn je v podstate zmesou metánu a CO2 s prímesami vodnej pary, dusíka, kyslíka, sírovodíka a amoniaku.

Plynná zložka bioplynu Chemický vzorec Percentuálny obsah

Metán CH4 40 - 75 %

Oxid uhličitý CO2 25 - 55 %

Vodná para H2O 0 - 10 %

Dusík N2 0 - 5 %

Kyslík O2 0 - 2 %

Vodík H2 0 - 1 %

Amoniak NH3 0 - 1 %

Sírovodík H2S 0 - 1 %

Z prímesí je najproblémovejší sírovodík (H2S), pretože ak sa nachádza v bioplyne v množstve nad 0,1 %, pôsobí korozívne na motory a technologické zariadenia. Amoniak (NH3) je zdrojom zápachu.

Prítomnosť CO2 v bioplyne je prospešná, ak sa bioplyn spaľuje, pretože CO2 pôsobí ako antidetonátor v spaľovacích motoroch. Bioplyn sa od prímesí čistí niekoľkými spôsobmi:

Biologické čistenie: Pri spaľovaní bioplynu s vyšším obsahom sírovodíka vzniká korozívna kyselina sírová, ktorá poškodzuje spaľovacie motory. Na zníženie obsahu alebo odstránenie sírovodíka z bioplynu sa používajú špeciálne kmene baktérií.

Chemické čistenie: Do vyrobeného bioplynu sa pridáva vzduch (max. 2 %), ktorý umožňuje vzdušnému kyslíku reagovať so sírovodíkom. Vzduch sa ale nesmie dostať do fermentora, pretože by zabrzdil proces kvasenia.

Adsorpčné čistenie: Používa sa na zachytávanie nežiaducich prímesí v bioplyne na aktívnom uhlí.

Využitie bioplynu

Bioplyn sa najčastejšie využíva na výrobu elektrickej energie a tepla v kogeneračných jednotkách s účinnosťou pri výrobe elektrickej energie 32 až 40 %. Využitím odpadového tepla motora sa dá dosiahnuť celková účinnosť 80 – 85 %.

Spálením 1 000 m3 bioplynu sa získa 2 178 kWh elektrickej energie a 11,4 GJ tepla. Časť vyrobenej elektrickej energie a tepla využívajú bioplynové stanice pre svoju spotrebu, najmä na pohon čerpadiel, osvetlenie areálu a vyhrievanie fermentorov.

Stlačený bioplyn sa využíva aj na pohon dopravných prostriedkov. Z bioplynu je technologicky možné získať takmer čistý metán a CO2 a ďalej tieto plyny využívať. Metán je energeticky plnohodnotná náhrada zemného plynu a môže sa dodávať do siete ako zemný plyn. Čistý CO2 sa využíva v potravinárstve alebo ako technický plyn.

Vyčistený bioplyn sa môže využívať ako palivo v palivových článkoch. Palivový článok je elektrochemické zariadenie na výrobu elektriny. Je to galvanický článok, ku ktorého elektródam sa privádza palivo (k anóde) a okysličovadlo (ku katóde). Medzi oboma hermeticky oddelenými elektródovými priestormi sa nachádza elektrolyt. Palivové články môžu byť v prevádzke nepretržite, kým sa nepreruší prívod paliva a okysličovadla k elektródam.

Na rozdiel od obvyklých monočlánkov (batérií), v ktorých sa elektródy pri odberu prúdu spotrebovávajú, ostávajú elektródy v palivovom článku relatívne stabilné, ale spotrebováva sa palivo (bioplyn) a okysličovadlo (vzduch), ktoré obmývajú elektródy.

Premena chemickej energie na elektrickú sa obyčajne uskutočňuje v generátoroch prostredníctvom kinetickej energie, ktorá vzniká pri spaľovaní daného paliva. Palivové články vyrábajú elektrinu priamo a preto by mali byť účinnejšie, jednoduchšie a spoľahlivejšie. Zatiaľ však Ich využitiu čiastočne bránia technické prekážky.

3. Vlastný výskum zdôvodnenie- cieľom je zrealizovať zariadenie umožňujúce využívať dostupnú biomasu

v reálnych podmienkach môjho bydliska. (pokosená tráva, lístie, konáriky, odpad z domácnosti, exkrementy chovných zvierat)

Voľba metódy Cieľom je zistiť energetický potenciál (výdatnosť) rôznych kombinácií dostupnej biomasy. Rozhodol som sa testovať energetický potenciál pomocou kalorimetra vlastnej konštrukcie. Testované vzorky boli čo najpresnejšie odvážené, vložené do PET fliaš o objeme 1,5l. ako zdroj baktérií slúžilo organické bahno z jazera pri dedine Melek (500g) a suchá zem (500g) zo záhrady. Do každej fľaše bolo pridané 0,5l vody, tiež z jazera. Fľaše boli počas šiestich týždňov zohriate na teplotu 33,5 °C. Každá vzorka napĺňala bioplynom svoj vlastný balón. Každý týždeň v rovnakom čase boli prevedené merania objemu a energie jednotlivých vzoriek. Ostatné údaje boli dopočítané v Excely.

Návrh zariadeniaFľaše boli umiestnené do jednoduchého inkubátora zloženého z klasického polystyrénu hrúbky 50mm (nehorľavý polystyrén nebolo možné zohnať v malom množstve), zlepeného silikónovým tmelom ako zdroj tepla slúžila 40W (len 40w preto aby nebol namáhaný termostat častejším spínaním a väčším prúdom ako pri 100w) klasická žiarovka, stabilitu teploty zaisťovali dva termostaty z bojlerov zapojené do série (ten nižšie bol len pre istotu), teplo zo žiarovky bolo rozložené dvoma ventilátormi (bežali neustále aby zaisťovali rovnomernú teplotu v celom inkubátore).Problém tesnosti spoja fľaša- hadička a hadička- balón bol riešený nasledovne: Spoj fľaša- hadička bol riešený vyvŕtaním otvoru Φ2,5mm do vrchnáku, do ktorého bolo

treba dostať hadičku s vonkajším Φ3mm; toto bolo docielené lokálnym nahriatím hadičky a potiahnutím, V nahriatom mieste sa hadička zúžila a po vychladnutí si zachovala tvar. V zúženom mieste bola odstrihnutá, prevlečená cez dieru vo vrchnáku a silou potiahnutá až po miesto, kde nebola zúžená. Takýto spoj už spoľahlivo tesnil, ale bol ešte poistený nasledovne: vrchnák bol nahriaty sušičom na vlasy a z oboch strán bolo aplikované tavné lepidlo. Spoj hadička- balón: Na malú CO2 bombičku bola zváračkou MIG-MAG privarená železná trubka Φ5,5mm, súčiastka bola dôkladne očistená a odmastená, následne zvonka nalakovaná nitrocelulózovým lakom (lakovanie kvôli zlepšeniu tesnosti aj chemickej odolnosti).Na trubku bola natlačená hadička s vnútorným Φ4mm a zaistená elektrikárskou páskou. Bolo to ešte poistené predhriatím a nanesením tavného lepidla.Rozobrateľnosť spoja zaisťovala hadičková spojka, na jednej strane bola hadička navlečená na doraz, na druhej do 2/3.Prechod z 3mm hadičky na 6mm bol tvorený: z tavného lepidla bolo vytiahnuté tenké vlákno, ktoré sa omotalo okolo tenkej hadičky, hrubá hadička sa roztiahla špicatými kombinačkami a rýchlo sa do nej vložila omotaná hadička. Tento spoj sa zahrial, lepidlo sa roztopilo a zalialo medzeru.

Plnenie:všetko bolo natlačené do fliaš cez lievik pomocou novodurovej tyčky, zvyšky bahna spláchnuté časťou vody.Pred pripojením na hadičky s balónmi bol z fliaš vytlačený vzduch, ktorý by mohol nepriaznivo vplývať na priebeh fermentácie. Fľaše sa pomaly nafukovali bioplynom, preto bolo prvé meranie mierne skreslené.

Váženie:Starou kuchynskou váhou.

Postup pre meranie: Odmerať priemer balóna (balón nemá presne tvar gule, ale to zanedbáme)Zapísať si teplotu kalorimetraBalón pripojiť na horák cez ventil, tryskovým zapaľovačom zo strany zapaľovaťPustiť bioplyn, nastaviť veľkosť plameňa tak, aby sa nedotýkal kalorimetra.Po dohorení plynu odpojiť prázdny balón a pripojiť balón s nereaktívnym plynom (argónom).Znova zapáliť plyn, ktorý ostal v hadičke a vo ventile.Počkať, pokiaľ sa teplota neustáli, zapísať nameranú teplotu.Meranie je hotové, namerané hodnoty prepísať do tabuľky v Exceli, kde sa pomocou

naprogramovaných vzorcov vypočítajú nasledovné hodnoty:1. Oteplenie= T2- T12. Objem bioplynu = (((priemer/2)3*PI)/3)*43. Energia= merná tepelná kapacita medi *oteplenie=383*oteplenie4.Výhrevnosť= energia/ objem

Voľba biomasy Z množstva predchádzajúcich pokusov boli vybrané zložky, pri ktorých sa predpokladala tvorba bioplynu a to:

1. Bahno2. Bahno + čerstvá tráva 20g3. Bahno+ čerstvá tráva 60g4. Bahno + suché listy z kukurice 10g5. Bahno + suché listy z kukurice 30g6. Bahno + tenké suché konáriky z orecha + 1 rok staré stopky z orechových listov 30g7. Bahno + tenké suché konáriky z orecha + 1 rok staré stopky z orechových listov 90g8. Zem zo záhrady + čerstvá tráva 20g9. Zem zo záhrady + čerstvá tráva 60g10. Zemiakové šupy 150g

Meranie energetického potenciálu Kalorimeter

Jedná sa o kalorimeter na určenie výhrevnosti látok.Bežné kalorimetre sú tvorené kovovou nádobou malej tepelnej kapacity naplnenej vodou, pričom sa voda počas merania mieša.Nechcelo sa mi vyrábať miešadlo, zvolil som teda kovový masív. Kovy majú všeobecne malú tepelnú kapacitu, čo je nevhodné pre meranie väčších vzoriek, ale ja som plánoval malé množstvá bioplynu, tak mi to stačilo. Z nasledujúcich dôvodov som zvolil meď:

1. Má vysokú tepelnú vodivosť, čo zníži teplotu plochy, okolo ktorej bude prúdiť teplo z plameňa, tak sa zníži teplota spalín a meranie bude presnejšie; ďalej to zníži časovú odozvu teplomera umiestneného v bloku medi. 2. Netreba ju miešať 3. Starkému sa v garáži povaľoval medený valec s priemerom 45mm :)Vypočítal som si dĺžku valca tak aby mal 1kg a niečo viac pre diery, odrezal som ho veľkou starkým doma vyrobenou brúskou,prevŕtal dieru krížom cez valec slúžiacu na uchytenie a dieru pre teplomer.Izolácia:Z polystyrénu hrúbky 50mm som vyrezal hranoly a všetky spoje lepil dvoma tenkými prúžkami silikónu, aby bol medzi prúžkami vzduch pre nižšiu tepelnú vodivosť.Z tenkej železnej guľatiny som vyrobil stojan, spoje sú spájkované.V medenom valci je integrovaný obvod LM35CZ určený na snímanie teploty od 0 do 100 °C.Výstup tohto snímača je napätie, ktorého hodnota je 10 mV/°C; napájanie je 4 – 20 V.Meranie prebieha nasledovne:1. Zapíšeme si teplotu pred spálením2. Zvážime vzorku alebo určíme jej objem3. Zapálime vzorku čo najbližšie k valcu, ale tak aby ho plameň neoblizoval. Najlepšie je zapaľovanie tryskovým zapaľovačom zo strany, týmto spôsobom neohrievame valec a tým neovplyvňujeme presnosť merania.4. Zapíšeme si najvyššiu teplotu, ktorú ukáže teplomer po spaľovaní.5. Vypočítame si požadované údaje.

Tabuľky

Ostatné tabuľky a grafy sú v prílohe Bioplyn - Excel

4. Stirlingov motorMotor vyvinuli bratia Róbert a James Stirling v r. 1816 a Róbert si ho dal 27.septembra toho istého roku aj patentovať. Pôvodne bol používaný na odčerpávanie vody z baní. Jeho účinnosť bola porovnateľná s parným strojom. Neskôr na prelome 19. a 20.st. Bol vyradený konkurenciou spaľovacích motorov, s lepším výkonom, regulovateľnosťou a rýchlejším nábehom. Dnes už však, aj vďaka novým materiálom a lepšiemu poznaniu prebiehajúcich dejov, na ne doťahuje. Pri správnom skonštruovaní dnes dosahuje teoretickú účinnosť porovnateľnú s Ottovým či Dieselovým spaľovacím motorom.

Princíp

Tento motor sa radí medzi motory s vonkajším spaľovaním, medzi ktoré patria aj napr. parný stroj a parná či plynová turbína. Ako pohon môže slúžiť široká škála palív, zároveň aj menej hodnotné palivá napr. odpadné teplo z rôznych prevádzok, pohony z radov obnoviteľných zdrojov energií napr. slnečná, geotermálna, biomasa, bioplyn, alebo aj zemný plyn. Toto palivo ohreje pracovnú látku (väčšinou vodík, alebo hélium), ktorá následne vykonáva prácu. Konkrétne stirlingov motor funguje nasledovne : v uzavretom okruhu sa nachádza plyn, ktorý je podľa potreby (prakticky neustále) chladený a ohrievaný (pohonnou látkou). Vplyvom teploty rozpínajúci sa a zmršťujući plyn hýbe piestami.Popis:1 studený valec2 teplý valec3 regenerátor4 zotrvačník

V motore teda prebiehajú 4 cyklicky sa opakujúce termodynamické deje :

1. Plyn sa ohrieva od neustále ohrievaných stien teplej komory motora. Tento dej je takmer izotermický, pretože zohriaty plyn sa ihneď rozpína a teda reálny rozdiel teplôt je prakticky nulový. Rozpínajúci sa plyn tlačí na piest, ktorý vykonáva užitočnú prácu. Má teplotu T1.

2. Plyn odovzdáva teplo regenerátoru, čím sa ochladzuje, dej je izochorický. Plyn sa ochladí z teploty T1 na T2 kde T2 je nižšia.

3. Nasleduje izotermická kompresia pri ktorej sa pracovný plynu naďalej ochladzuje prostredníctvom chladiča, zároveň je však stláčaný piestom, takže teplota sa opäť takmer nemení, zatiaľ čo tlak stúpa.

4. Cyklus ukončuje izochorická regenerácia, pri ktorej sa pracovný plyn ohrieva teplom z regenerátora, z T2 na T1.

Vzhľadom na jednoduchú konštrukciu a malé množstvo pohyblivých častí a tiež na uzatvorenosť systému, je chod stroja tichý, na údržbu nenáročný a opotrebovanosť jednotlivých častí, po dlhodobom používaní, je minimálna. Motor sa teda vyznačuje dlhodobou pracovnou spoľahlivosťou. Tepelná účinnosť pri motoroch s výkonom 1 až 25kW dosahuje niečo okolo 25 až 33%, energetická 18 až 22% (Výkon a účinnosť stirlingovho motora závisí od pomeru veľkosti zdvihového objemu oboch piestov, expanzného a kompresného počas jedného cyklu.). Špičkové motory sú však schopné dosiahnuť účinnosť nad 40%. Keďže proces práce prebieha v uzavretom priestore, motor je možné využiť aj pod vodou, vo vákuu, či výbušnom prostredí. Nevýhody tohto motora sú väčšia hmotnosť, rozmery, dlhšia štartovacia doba, dosahujúca rádovo niekoľko minút a zlá regulovateľnosť výkonu. Využíva sa teda najmä ako stacionárny motor umiestnený a pracujúci na jednom mieste.

Využitie

Sandia National Laboratories – spoločnosť špecializujúca sa na energetiku a Stirling Energy Systems (SES), rozbiehajú nový projekt na báze strirlingovho motora. Vytvárajú tzv. slnečné farmy, kde sa slnečná energia využíva ako pohonná energia stirlingovho motora. Zatiaľ šiestimi už existujúcimi generátormi zásobujú elektrickou energiou viac ako 40 domov. Celodenný výkon generátorov je 150kW, stroje sú automatické a teda nevyžadujú ľudskú obsluhu. V tomto prípade, piesty stirlingovho motora točia hriadeľom spojeným s generátorom. Celková účinnosť premeny slnečného žiarenia až po elektrický prúd je cca 30%, čiže 2 až 3 krát vyššia ako u fotovoltických článkov. Navyše je výroba súčiastok na stirlingov motor a ich likvidáciu oveľa ekologickejšia ako v prípade fotovoltických článkov. Návrhári projektu vypočítali, že takáto farma, o rozlohe 160*160km, by mohla zásobovať el. energiou celé USA. Švédky lodiari už úspešne postavili 8 ponoriek na báze stirlingovho motora. Ponorky využívajú spaľovanie stlčeného kyslíka na dodávanie tepla motoru. Využitie tohto motora umožňuje predĺženie doby zotrvania ponorky pod vodou z pár dní na 2 týždne, čo zatiaľ dokázali iba jadrové ponorky. Boli vyvinuté aj prototypy hybridných elektrických vozidiel na báze stirlingovho motora. V

bežných vozidlách sa odpadové teplo spaľovacích motorov dá využiť na pohon stirlingovho motora, ktorý by následne dodával energiu pomocným zariadeniam (napr. alternátoru). Stirling je tiež pohonný motor na základe nízkych rozdielov teplôt. Rekordné minimum bolo 0.5 K, dosiahnuté v roku 1990. Tieto motorčeky sú väčšinou bez regenerátora a plyn v nich je pod tlakom blízkym 1 atmosfére. Nedajú sa použiť na reálny pohon čohokoľvek(ich výkon je menej ako 1W), slúžia len ako demonštrácia. V neposlednej rade sa mikroverzia tohto motora používa na chladenie čipov. Ako pohonná energia sa využíva odpadové teplo produkované čipom.

ZáverVďaka novým technológiám a lepšej práci s rôznymi materiálmi je teraz Stirlingov motor oveľa účinnejší ako vo svojich začiatkoch. Vďaka mnohým svojim výhodám má širokú škálu uplatnení, ponúka tiež ďalšiu alternatívu na lepšie využitie alternatívnych zdrojov, ktoré by bolo prakticky bez emisií. Na dostatočnú efektivitu jeho práce, sú potrebné vysoké teploty a tlaky, ktoré ho spolu s jeho ďalšími nevýhodami posunuli za zážihové motory. S tempom akým sa míňajú palivá pre tieto motory a akým sa vyvíja Stirlingov motor je nepochybné že čas keď ich predstihne je už blízko.

5. Vlastná konštrukcia Stirlingovho motoraStirlingov motor využíva vonkajšie spaľovanie, teda spaľovaná látka a spaliny neprichádzajú do kontaktu s pohyblivými časťami a takže je možné zužitkovať akékoľvek materiály, aj chemicky agresívne.

Rozhodol som sa vyrobiť Stirlingov motor pracujúci z nízkeho rozdielu teplôt studenej a teplej časti, tzv. LTD z anglického low temperature difference.Skladá sa z veľkého valca, v ktorom je veľký piest slúžiaci na presúvanie vzduchu vo valci. Presúvanie vzduchu zo studenej strany na teplú spôsobí zvýšenie tlaku vo valci, čo využíva malý pracovný piest. Tak isto využíva aj zníženie tlaku pri presune vzduchu z teplej strany na chladnú.

Prvá verzia bola z plechovky od cukríkov, konštrukcia z polystyrénu, hriadeľ z nerezového drôtu ohýbaného kombinačkami, ložisko z tuhy z pera, tiahla z medeného drôtu, membrána z gumenej rukavice, zotrvačník z vrchnáku asi zo zmrzliny, pomocný piest z polystyrénu, nádoba bola utesnená izolačnou páskou. Po cca 20 minútach prevádzky sa pomocný piest celkom spiekol, čo môžete vidieť na fotke v prílohe. Bol som rád že mi to fungovalo, a tak som sa pustil do stavby druhého motora.

Druhá verzia bola vyrobená z PET fľaše, spodná aj vrchná platňa je zo zaváraninového víčka, všetko ostatné bolo podobné ako vo v1. do valca som skúsil pridať vodu, motor potom fungoval aj pri nižšej teplote, ale bol trochu problém s prilínaním piestu k vode. Po tomto prototype som sa rozhodol vyrobiť oveľa lepší, väčší a krajší Stirlingov motor.

Tretia verziaTento projekt sponzorovala súťaž 4E-ON, ktorá nám dala rozpočet 250€, avšak sa doňho ešte hravo zmestil elektromagnetický levitátor s ktorým mi pomohli traja spolužiaci a triedny pán profesor a ešte jedna kópia motoru; oba projekty sme prezentovali spolu. Pomocný valec je konštruovaný z dvoch hliníkových kruhov hrúbky 3mm priemeru 250mm vypálených plazmou, stena je z plexiskla hrúbky myslím 3mm ohnutého a zvareného pomocou liehového kahana (nikdy neodmastňujte aj keď len trochu napružené plexisklo, rozláme sa na kúsky). Valec je utesnený silikónom, pomocný piest je vytvorený z dvoch dosiek balzového dreva zlepených bokmi, vyrezaný do kruhu priemeru 200mm. V jednom motore boli v pomocnom pieste vyrezané diery a v nich vlepené molitany, čo slúžilo na odľahčenie a na zníženie odporu vzduchu cyklicky prestupujúceho zhora nadol a zdola nahor, ale toto riešenie sa ukázalo ako nevhodné, pretože bol piest hrubý 10mm, vznikal v dierach pomerne veľký jalový priestor a motor bol pomalý, potreboval rozdiel teplôt cca 10- 15 °C. Druhý motor mal pomocný piest vybavený drážkami ktoré riešili problém odtoku vzduchu zo stredu na kraj a z kraju do stredu keď bol piest v úvratiach, čo sa dá predstaviť ako dve platne skla položené na seba, keď vrchnú platňu zdvihneme, spodná je k nej akoby prilepená, lebo vzduch má veľmi malú medzeru aby sa dostal medzi ne a na oddelenie je treba trocha času alebo väčšia sila, drážky riešili veľkosť tejto medzery. Takto dosiahol druhý motor vyššiu účinnosť a bežal od rozdielu teplôt 4,7°C. Konštrukcia bola vyrobená z 2mm hrubých medených plechov zohnutých do tvaru L. Ako hriadele boli použité závitové tyče M3, všetky pohyblivé spoje obsahujú guličkové ložiská s vnútorným pr. 3mm vonkajším pr. 6mm a šírkou 2,5mm, na hriadeliach držali pritlačené maticami zo strán, v medených plechoch boli uložené v presnej diere, do ktorej bolo pred tým nanesené lepidlo proti povolovaniu skrutiek. a v silonových blokoch boli natlačené do dier 5,9mm. Tiahla sú z nerezového drôtu 1,6mm, v silonových blokoch sú upevnené pomocou stavacích imbusových skrutiek. Priechodka je vysústružená zo silonu, s presnou dierou pre tiahlo. Tiahlo je v pomocnom pieste vlepené lepidlom na drevo, rovnakým akým je prilepená priechodka k plechu a dosky balzy k sebe. Nájsť vhodný materiál pre hlavný valec bolo trochu problematické, keďže je vhodné aby bol priesvitný; je naň použitá čať trubky na zdobenie zákuskov :) . Membrána bola zvolená pre tri dôvody: 1. jednoduchosť, 2. straty trením klasického piestu, 3. netesnosti klasického piestu; je zhotovená z tenkej gumenej rukavice prilepenej k valcu a na ňu prilepená podložka pod stôl- stoličku, do podložky vlepené tiahlo. Zotrvačník je z plexiskla hr. 3mm, priemeru 250mm, bol na hriadeľ pritlačený dvoma maticami zo strán cez podložky, vyrovnanie "osmičky" bolo náročné. Zotrvačník bol tak ťažký, že hmotnosť pomocného piestu nemala veľký význam, preto nebolo pridané protizávažie. Bol nastavený odstup 90° otáčania hriadele medzi úvraťami hlavného a pomocného piestu. Pri celej výrobe bol kladený hlavný dôraz na ľahkú pohyblivosť všetkých častí, čo je kľúčové pre funkciu Stirlingovho typu LTD.

Zdrojehttp://www.1sg.sk/www/data/01/projekty/2009_2010/masters/priemyselna_revolucia/stirlingov.xhtml