Động cơ Stirling là một động cơ nhiệt khác rất nhiều so với động cơ đốt trong trên ô tô của bạn. Được phát minh bởi Robert Stirling vào năm 1816, động cơ Stirling có tiềm năng hoạt động hiệu quả hơn nhiều so với động cơ xăng hoặc diesel. Nhưng ngày nay, động cơ Stirling chỉ được sử dụng trong một số ứng dụng rất chuyên dụng, như trong tàu ngầm hoặc máy phát điện phụ trợ cho du thuyền, những nơi cần phải vận hành êm ái. Mặc dù động cơ Stirling chưa được ứng dụng thành công trên thị trường đại chúng nhưng một số nhà phát minh có năng lực rất cao đang nghiên cứu nó.
Động cơ Stirling là một động cơ nhiệt đốt ngoài sử dụng piston. Đây là loại động cơ nhiệt có hiệu suất cao, có thể đạt tới 50% đến 80% hiệu suất lý tưởng của chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch (như chu trình Carnot) trong việc chuyển hóa nhiệt năng thành công năng, chỉ bị mất mát do ma sát và giới hạn của vật liệu. Động cơ này cũng hoạt động được trên nhiều nguồn nhiệt, từ năng lượng Mặt Trời, phản ứng hóa học đến phản ứng hạt nhân.
Cấu tạo động cơ Stirling
Động cơ Stirling có nhiều kiểu thiết kế khác nhau, nhưng tất cả thường có một khối khí được bao bọc trong buồng kín, trong đó chất khí có thể là không khí, hydro hay heli. Có hai buồng chứa chất khí được kết nối với nhau, một buồng tiếp xúc với nguồn nhiệt có nhiệt độ cao (gia nhiệt), buồng còn lại tiếp xúc với nơi có nhiệt độ thấp (làm mát).
Trong quá trình hoạt động, khối khí trong buồng sẽ được đẩy qua đẩy lại từ phần nóng sang phần lạnh hoặc ngược lại, nhờ vào sự di chuyển của các piston hoặc các con chạy có chức năng hoán đổi thể tích chứa khí giữa hai phần. Khối khí khi dao động qua lại giữa buồng nóng và buồng lạnh sẽ thực hiện công lên một piston chịu lực. Piston chịu lực sẽ vận hành bánh đà và dẫn động ra máy móc bên ngoài, đồng thời có thể điều khiển sự di chuyển của các piston hoặc con chạy để di chuyển khối khí qua lại giữa hai phần nóng và lạnh.
Trong hầu hết các thiết kế, không cần thiết có van để đóng mở dòng lưu thông của khí, do đó hệ thống cơ học khá đơn giản và có độ tin cậy cao.
Một bộ phận quan trọng trong động cơ Stirling là phần giữ nhiệt, nằm trên đường di chuyển của khối khí từ buồng nóng sang buồng lạnh, thường làm bằng khối dây/lưới kim loại. Nó có tác dụng hấp thụ nhiệt của khối khí từ buồng nóng đi qua, lưu giữ nhiệt năng này, và hâm nóng khối khí đi từ buồng lạnh tới. Phần này có tác dụng làm tăng đáng kể hiệu suất của động cơ, và là một chi tiết quan trọng trong sáng chế của Robert Stirling năm 1816. Trong một số thiết kế, con chạy/piston vừa đóng vai trò đẩy khí qua lại giữa phần nóng và phần lạnh, vừa có vai trò giữ nhiệt.
Nguyên lý hoạt động – Chu trình Stirling
Nguyên lý cơ bản của động cơ Stirling là một lượng khí cố định được nén bên trong động cơ. Chu trình Stirling bao gồm một loạt các sự kiện làm thay đổi áp suất của khí bên trong động cơ, khiến nó sinh công.
Chu trình Stirling lý tưởng là một chu trình nhiệt động lực học thuận nghịch và do đó có cùng hiệu suất với chu trình Carnot (khi hoạt động giữa các nguồn nhiệt giống nhau). Bốn quá trình của chu trình Stirling lý tưởng là:
- làm lạnh đẳng tích
- nén đẳng nhiệt
- làm nóng đẳng tích
- giãn nở đẳng nhiệt
Động cơ Stirling hoạt động liên tục theo trình tự bốn bước. Mỗi bước trong chuỗi đều có thể đảo ngược và chúng cùng nhau tạo thành chu trình Stirling. Để giúp hiểu từng bước trong bốn bước của chu trình Stirling, hãy xem xét hai hệ thống piston-xi lanh có các buồng chứa đầy khí và được nối với nhau bằng một ống hẹp như trong Hình 1 bên trái. Piston bên trái có nhiệt độ TH và piston bên phải có nhiệt độ TC < TH. Ở giữa ống nối hai buồng là một lưới thép sẽ được sử dụng để lưu trữ nhiệt tạm thời như mô tả bên dưới. Đối với mỗi bước trong chu trình Stirling, sơ đồ của Hình 1 sẽ được ánh xạ tới các đường cong trên biểu đồ thể tích áp suất của chu trình Stirling như trong Hình 2. Bốn bước của chu trình Stirling lý tưởng hóa là:
(a) Kỳ 1→2: Khối khí trong động cơ giãn nở ở nhiệt độ không đổi TH (giãn nở đẳng nhiệt). Piston bên trái di chuyển xuống còn piston bên phải cố định. Để duy trì nhiệt độ không đổi, khối khí phải hấp thụ nhiệt QH từ bình chứa (Dãn nở đẳng nhiệt, đường 1→2 trong Hình 2).
(b) Kỳ 2→3: Ở thể tích không đổi V2, nhiệt độ của khí giảm từ TH xuống TC (làm lạnh đẳng tích). Khí ở piston bên trái bị nén và khí ở piston bên phải nở ra sao cho tổng thể tích không đổi. Khí nóng được đẩy từ buồng bên trái sang buồng bên phải. Khi khí đi qua ống hẹp, nó sẽ truyền nhiệt Q cho lưới thép. (Loại bỏ nhiệt theo thể tích không đổi, đường 2→3 trong Hình 2)
(c) Kỳ 3→4: Khí được nén ở nhiệt độ không đổi TC (nén đẳng nhiệt). Piston bên phải nén khí và piston bên trái cố định. Để duy trì nhiệt độ không đổi, khí giải phóng nhiệt QC vào bình chứa nhiệt ở TC. (Nén đẳng nhiệt, đường 3→4 trong Hình 2).
(d) Kỳ 4→1: Ở thể tích không đổi V1, nhiệt độ của khí tăng từ TC lên TH (làm nóng đẳng tích). Khí ở piston bên trái giãn ra và khí ở piston bên phải bị nén sao cho tổng thể tích không đổi. Khí lạnh được đẩy từ buồng phải sang buồng trái. Khi khí đi qua ống hẹp, nó sẽ thu hồi nhiệt Q được lưu trữ trong lưới thép nóng. (Gia nhiệt thể tích không đổi, đường 4→1 trong Hình 2).
Các loại động cơ Stirling
Động cơ Stirling loại alpha
Động cơ Stirling loại alpha có hai piston chịu lực nằm tại xy lanh nóng (tiếp xúc với nguồn nhiệt độ cao) và xy lanh lạnh (tiếp xúc với nơi làm mát). Loại thiết kế này cho ra công suất cao với một kích thước động cơ nhỏ gọn. Tuy nhiên, xy lanh và piston làm việc tại nhiệt độ cao sẽ chịu các hạn chế kỹ thuật, như tuổi thọ của chúng.
Động cơ Stirling loại beta
Động cơ Stirling loại beta có duy nhất một piston chịu lực nằm đồng trục với con chạy. Chỉ có piston chịu lực khớp khít với xy lanh, còn con chạy không khít với xy lanh và không thực hiện công cơ học lên khối khí mà chỉ có tác dụng di chuyển khối khí từ bên nóng sang bên lạnh và ngược lại. Khi khối khí bị đẩy sang bên phần nóng, nó sẽ giãn nở và thực hiện công lên piston chịu lực. Trong thiết kế này, piston chịu lực luôn nằm bên phần lạnh và do đó không chịu hạn chế kỹ thuật do nhiệt độ cao gây ra.
Động cơ Stirling loại gamma
Động cơ Stirling loại gamma thực chất là động cơ loại beta nhưng piston chịu lực nằm trong xy lanh riêng cạnh xy lanh chứa con chạy. Khối khí có thể di chuyển giữa hai xy lanh nhưng vẫn nằm trong một thể tích kín chung. Thiết kế này có tỷ số nén thấp nhưng đơn giản.
Động cơ Stirling loại Piston tự do
Có nhiều thiết kế trong đó piston (và con chạy) được tự do di chuyển không cần liên kết với nhau hay với các hệ thống cơ học bên ngoài. Sự dao động qua lại của piston chịu lực có thể vận hành máy phát điện tịnh tiến; đồng thời các máy phát điện tịnh tiến có thể hoạt động ở chế độ ngược, trong đó dòng điện được cung cấp để điều hòa sự di chuyển của piston và con chạy. Các piston có thể làm bằng chất lỏng hay bằng màng ngăn là chất dẻo đàn hồi để đơn giản hóa vấn đề bôi trơn.
Các loại khác
Một số nhà sáng chế cũng theo đuổi việc thiết kế động cơ Stirling quay, trong đó khối khí trực tiếp tạo ra mômen lực để quay máy móc. Cũng có thiết kế để động cơ Stirling hoạt động như máy bơm nước, trong đó nước đóng vai trò tản nhiệt luôn cho phần lạnh.
Ưu nhược điểm
Ưu điểm
- Buồng đốt đặt ngoài, việc đốt diễn ra liên tục, có thể kiểm soát không để dư thừa nhiên liệu, nên hạn chế phát thải độc hại so với việc đốt theo chu trình trong buồng bên trong.
- Tận dụng bất cứ nguồn nhiệt nào.
- Nhiều thiết kế có piston nằm bên phần lạnh nên giảm vấn đề bôi trơn, tăng tuổi thọ, độ tin cậy. Không cần van, hệ thống cơ học đơn giản, hệ thống cung cấp chất đốt đơn giản và tùy chọn cũng là những yếu tố tăng độ tin cậy cho động cơ.
- Hoạt động ở áp suất thấp, do đó an toàn và nhỏ gọn hơn động cơ hơi nước.
- Không cần nguồn cung cấp không khí (nếu nguồn nhiệt không lấy từ việc đốt nhiên liệu) nên có thể hoạt động dưới tàu ngầm hay trong vũ trụ.
- Có thể hoạt động dễ dàng hơn trong thời tiết giá lạnh so với các động cơ đốt trong.
Nhược điểm
- Cần có bộ phận trao đổi nhiệt ở phần nóng và phần lạnh có hiệu suất cao.
- Bộ phận làm mát (tản nhiệt) ở buồng lạnh có thể phức tạp và chiếm nhiều không gian.
- Công suất và tốc độ khó thay đổi nhanh.
- Động cơ Stirling chứa không khí không cho hiệu suất cao bằng các động cơ Stirling chứa hydro hay heli. Tuy nhiên, hydro gây ra nhiều khó khăn kỹ thuật như độ thất thoát cao.
Ứng dụng của động cơ Stirling
- Hệ thống cung cấp điện năng và nhiệt năng
- Máy lạnh Stirling
- Động cơ Stirling đã được lắp đặt trên tàu ngầm bởi Kockums
- Động cơ Stirling có tiềm năng ứng dụng trong nhà máy phát điện dùng năng lượng hạt nhân hoặc địa nhiệt.
- Động cơ Stirling cũng đã được nghiên cứu để ứng dụng trên máy bay.
- Những mô hình động cơ Stirling loại gamma nhỏ gọn và chỉ cần hơi ấm bàn tay để vận hành có thể được dùng để giảng dạy.
Động cơ Stirling có thể có giá thành cao hơn các động cơ đốt trong cùng công suất, nhưng có những đặc tính thích nghi cho nhiều ứng dụng. Nó có hiệu suất cao hơn, không gây nhiều tiếng ồn, hoạt động ổn định và bền, không cần bảo dưỡng nhiều, và có thể hoạt động với chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh trong dải rộng từ cỡ chục độ C đến hàng nghìn độ C.
Với giá thành năng lượng đang tăng những năm đầu thế kỷ 21, cùng với lo lắng về sự nóng lên của Trái Đất, các động cơ Stirling đang dần được quan tâm để đưa vào các nhà máy phát điện với năng lượng tái tạo và lĩnh vực hàng không vũ trụ.
