فناوری

”موتور استرلینگ”؛ از تاریخچه ای پر نوسان تا آینده ای درخشان (۲)

موتور استرلینگ
نوشته شده توسط محمدهادی تقی نتاج

همان طور که در قسمت نخست این مطلب اشاره شد موتورهای ‌استرلینگ، ‌موتورهای گرما کاری هستند که براساس سیکل ترمودینامیکی ‌استرلینگ که از لحاظ راندمان منطبق بر سیکل ایده‌آل کارنو می‌باشد، عمل می‌نمایند و حرارتی که حاصل از ‌احتراق خارجی می‌باشد را تبدیل به انرژی جنبشی می‌کنند. گازهای عامل در درون ‌موتور ‌استرلینگ هرگز از ‌موتور خارج نمی‌شوند و در چنین ‌موتورهایی هیچ احتراقی صورت نمی‌پذیرد، اگزوزی وجود ندارد و صدای بسیار کمی در قیاس با موتورهای احتراق داخلی، شنیده می‌شود. هم‌چنین چون ‌احتراق در خارج از سیلندر صورت می‌گیرد هیچ‌گونه جرقه و انفجار ناگهانی که به محفظه سیلندر آسیب بزند وجود ندارد و اصطکاک قطعات متحرک در حداقل‌ترین حالت ممکن است.
‌موتور ‌استرلینگ دارای خصوصیات و ویژگی‌های منحصر به فردی است که استفاده از آن را متمایز کرده و کاربردهای خاصی به آن داده است که در ادامه به آن می پردازیم. اولین ویژگی مهم این ‌موتور ‌احتراق خارجی بودن آن می‌باشد. همین خصوصیت باعث می‌شود طیف وسیعی از سوخت‌ها و منابع انرژی را بتوان برای منبع گرمایی آن استفاده نمود. از سوخت‌های فسیلی نظیر بنزین، گازوئیل و گاز شهری گرفته تا سوخت هسته‌ای و حتی زیست سوخت ها.

۲۵۰

نمونه ای از موتور استرلینگ که با زیست توده یا Bio Mass کار میکند

امروزه با پیشرفت فناوری‌های جدید و توجه به سوخت‌های پاک، نمونه‌های زیادی از ‌موتور ‌استرلینگ که با انرژی خورشیدی و یا روغن‌های اشتعال‌پذیر گیاهی و یا انرژی حاصل از زباله‌های انسانی عمل می‌نمایند، تهیه و تولید شده‌اند. همین مزیت و تنوع در منابع انرژی باعث شده تا بازه عملکردی این ‌موتور افزایش یابد و در شرایط و محیط‌های متفاوتی که حتی هوا نیز وجود ندارد به راحتی عمل نماید.
دومین ویژگی خاص این نوع ‌موتور این است که به علت حرکت بسیار روان و پیوسته سیال عامل بین دو فضای تراکم و انبساط و حرکت یکنواخت پیستون‌ها و عدم وجود جرقه و انفجار در درون ‌موتور، عملکرد آن بسیار کم صدا، ساکت و بدون نوسان و ارتعاش می‌باشد.
مشخصه سوم این است که گرمایی که باید از سیال عامل خارج شود مانند ‌موتورهای ‌احتراق داخلی به وسیله اگزوز به هدر نمی‌رود بلکه می‌تواند به وسیله‌ی بازیاب دوباره به سیستم بازگردد و یا توسط سیستم دیگری در بخش دیگر مورد استفاده مجدد قرار گیرد. همین مزیت راندمان کلی را بسیار افزایش داده و جلوی اتلاف انرژی را می‌گیرد.
ویژگی چهارم در واقع همان سیکل ‌استرلینگ است. بهره‌گیری ‌موتور ‌استرلینگ و مبانی عملکردی آن از سیکل ‌استرلینگ که راندمان بسیار نزدیکی به سیکل کارنو دارد باعث می‌شود تا به صورت طبیعی راندمان این نوع ‌موتور تا حد زیادی بیشتر از انواع دیگر موتورها باشد.
البته ‌موتور استرلینگ محدودیت‌ها و معایبی نیز دارد که باعث عدم متداول شدن آن در سطح ‌موتورهای ‌احتراق داخلی شده است. اولین محدودیت موتور استرلینگ این است که در قسمت گرم‌کننده آن همواره باید فشار و دمای بالا برقرار باشد و مانند ‌موتورهای ‌احتراق داخلی این امر حالت متناوب ندارد. همین موضوع باعث می‌شود از لحاظ جنس مواد به کار گرفته شده برای ساخت اجزای موتور، محدودیت‌ها و مشکلاتی ایجاد گردد.
دومین محدودیت این است که برای ‌موتورهای با توان تولیدی بالا باید فشار بسیار زیادی درون سیلندرها ایجاد شود که گاهی به بیش از Mpa 20 نیز می‌رسد. اولاً طراحی چنین ساختاری که توان تحمل این مقدار از فشار را داشته باشد بسیار سخت است و ثانیاً آب‌بندی کردن در این شرایط نیز بسیار دشوار است. ضمن این که باید به این نکته اشاره نمود که استفاده از روان‌کارها نیز در این شرایط برای موتور استرلینگ دچار محدودیت می‌گردد. به طور مثال روان‌کارها و روغن‌های معمول مصرفی در سایر ‌موتورها، در موتورهای استرلینگ می‌توانند با سیال عامل مورد استفاده در ‌موتور نظیر هیدروژن و یا هلیوم واکنش نشان دهند و در دراز مدت آسیب جدی به عملکرد ‌موتور وارد نمایند.
سومین مشخصه که کار با این نوع ‌موتور را دشوار می‌نماید فرآیند خنک‌کاری سیال عامل می‌باشد که نیاز به تجهیزاتی پیشرفته و دقیق دارد تا بتوان به طور مداوم فرآیند انتقال گرما از سیال به بازیاب و یا محیط بیرون را انجام داد. در ‌موتورهای ‌احتراق داخلی و به طور مثال خودروها چندین فرآیند به این عمل کمک می‌نمایند. رادیاتور، حرکت خودرو و برخورد هوا با ‌موتور، روغن‌کاری و انتقال بخشی از گرما توسط روغن و در نهایت خروج خود گاز مصرفی از اگزوز همگی باعث کاهش دمای ‌موتور می‌گردند که در ‌موتور ‌استرلینگ از هیچ‌کدام از این موارد نمی‌توان بهره برد.
مورد چهارم، بحث راه‌اندازی سریع ‌موتور ‌استرلینگ می‌باشد. با توجه به توضیحاتی که داده شد و این‌که این ‌موتور از نوع ‌احتراق خارجی می‌باشد، مسلم است که شروع به کار آن بسیار کندتر از ‌موتورهای دیزلی و بنزینی موجود می‌باشد. چون ابتدا باید سیال عامل به فشار و دمای مورد نیاز برسد تا موتور بتواند عملکردی یکنواخت و متناوب داشته باشد و به دور نامی پیش‌بینی شده برسد. به همین علت و صرف زمان اولیه برای رسیدن به شرایط ایده‌آل عملکردی، نمی‌توان از این ‌موتور در موقعیت‌هایی که نیاز به شروع سریع و آنی می‌باشد استفاده نمود. هم‌چنین دشوار بودن ایجاد تغییرات آنی و سریع در عملکرد موتور، طراحی سامانه‌های کنترلی برای تنظیم دور و توان موتور را بسیار پیچیده و دشوار کرده است.
جدول
با توجه به مزایا و معایب ذکر شده برای موتور استرلینگ اکنون کاربردهای این موتور را از گذشته تا به حال مورد اشاره قرار می دهیم. اولین نمونه های موتور استرلینگ بر روی چرخ چاه ها مورد استفاده قرار می گرفتند و اندک اندک توانستند در مواردی که از موتور بخار استفاده میشده است، مانند کشتی ها و عرابه ها، جایگزین شوند. این روند جا به جایی در اکثر موارد به علت ایمنی بالاتر این موتور صورت میگرفته است. تا اینکه با تولید فولاد بسمر و به کارگیری آن در در موتورهای بخار و افزایش ایمنی روند توسعه موتور استرلینگ در قرن نوزدهم کند و با اختراع موتورهای احتراق داخلی این روند تقریبا متوقف شد.
کاربرد موتور استرلینگ تا اواسط قرن بیستم به دلایلی که پیشتر ذکر شده بود، متوقف باقی ماند تا اینکه در آن سال ها رویکرد دنیای علم و صنایع مختلف تغییر کرد و ژنراتورهایی برای تولید برق با استفاده از موتور استرلینگ ساخته شد. حتی شرکت آمریکن استرلینگ و بعضی شرکت های ژاپنی با استفاده از این فناوری و برای جذب مشتری، اسباب بازی هایی با موتور استرلینگ روانه بازار نمودند.

۲۵۱

۲۵۲

اسباب بازی ساخت شرکت امریکن استرلینگ دارای موتور استرلینگی است که با حرارت کف دست شروع به کار می کند
اما در قرن بیست و یکم و با پیشرفت تکنولوژی های ساخت و فرآیندهای مربوط، استفاده های متنوع‌تری از این ‌نوع موتور در سطح جهان می‌گردد. به طور مثال، شرکت مک‌دانل ـ داگلاس با همکاری دانشگاه واشنگتن موفق به طراحی و ساخت قلب مصنوعی با ‌موتور ‌استرلینگ شده است.

قلبی با موتور استرلینگ

نمونه ای از یک قلب مصنوعی مجهز به موتور استرلینگ

هم‌چنین شرکت های زیادی از کشورهای صنعتی جهان از موتور استرلینگ، به دلیل مزایای ذکر شده نظیر کم صدا بودن و توانایی تولید انرژی مداوم و یکنواخت، برای تولید انرژی در زیردریایی‌ها استفاده می کنند . یکی از پرکابردترین و موفق‌ترین گونه‌های استفاده ‌موتور ‌استرلینگ در سفینه‌های فضایی و تأمین انرژی لازم آن‌ها در مدت حضور در جو بیرون از زمین می‌باشد. ناسا از سال‌ها قبل سرمایه‌گذاری‌های زیادی بر روی تحقیق، تولید و توسعه ‌موتور ‌استرلینگ انجام داده و به نتایج ارزشمند و ساخت ‌موتورهای قدرتمند ‌استرلینگ دست یافته است که قدرت برخی از آن‌ها به بیش از KW 100 نیز می رسد. در سال‌های اخیر ارتش آمریکا مدل‌های کوچک ولی نسبتاً قدرتمندی از این ‌موتور را طراحی کرده که در نیروی زمینی این کشور و در خودروهای زرهی و یا حتی برای تجهیزات نظامی سربازان تولید الکتریسیته نموده و امکان راه‌اندازی آن‌ها را در تمام مناطق عملیاتی فراهم می‌نماید.

۲۵۳

ژنراتور تولید برق سبک و قابل حمل با موتور استرلینگ ارتش آمریکا

با پیشرفت فناوری سلول‌های خورشیدی نمونه‌هایی از این ‌موتور در بعضی نقاط جهان برای تولید برق خانگی خصوصاً در مناطق آفتاب‌گیری هم‌چون بیابان‌ها استفاده می‌شود. در این موتورها از انرژی پاک و رایگان خورشید برای گرم کردن سیال عامل در سیلندر گرم استفاده می شود.

۲۵۳

موتور استرلینگ با منبع انرژی خورشیدی

برخی از شرکت‌های تولید لوازم گرمایشی خانگی نیز، با به کارگیری سیستم‌های تولید برق و گرما هم‌زمان (CHP) توانسته‌اند ‌موتورهای ‌استرلینگ را در ابعاد پکیج‌های خانگی طراحی و روانه بازار کنند. استفاده از سیکل معکوس این ‌موتور به عنوان مبرد و کولر نیز امروزه رواج بسیاری یافته است.

۲۵۳
یک مولد برق و گرمای خانگی مدل V161 با استفاده از سوخت پاک

۲۵۳

CHP خانگی شرکت میکروژن (MicroGen)

پژوهش ها در زمینه ‌موتور ‌استرلینگ و کاربردهای آن با توجه به نیاز بی‌پایان بشر به انرژی، نامحدود به نظر می‌رسد و در حال حاضر تحقیقات بر روی موارد استفاده از این نوع ‌موتور از جمله تأمین برق ماهواره‌ها، تأمین برق صنایع و کارخانجات، استفاده بیشتر در لوازم خانگی و غیره و همچنین افزایش راندمان آن و روش های مختلف آب بندی و ساخت هم‌چنان ادامه دارد.

درباره نویسنده

محمدهادی تقی نتاج

دیدگاه شما چیست