Deze post is het tweede deel in een reeks van twee artikelen over de Stirling motor en over de toekomst en nieuwe ontwikkelingen omtrent dit type motoren. Aangezien dit artikel het tweede is van de 'reeks', bouwt het dus verder op het eerste artikel. Het is dus aangeraden eerst het voorgaande artikel te lezen.
Een andere, zeer interessante uitvoering van de Stirling motor is "Free Piston" Stirling motor, waarbij er geen mechanische connectie is die de opgewekte arbeid overbrengt naar een krukas of iets dergelijk. In plaats daarvan, drijft deze uitvoering een lineaire wisselstroomgenerator of een pomp of een ander coaxiaal mechanisme. En doordat deze uitvoering geen mechanisme bevat die de heen en weer gaande beweging moet omzetten in een cirkelvormige, wordt de daarmee gepaard gaande wrijving nagenoeg volledig geëlimineerd. Het principe van de werking van de motor is analoog aan het reeds aangehaalde principe van een Stirling motor.
Bij de "Free Piston" Stirling motor is de opstelling ietwat verschillend als bij de voorgaande. Namelijk bevinden de warme en de koude ruimte zich nu in één cilinder. En deze twee ruimtes zijn van elkaar gescheiden door een 'displacer'. Dit een soort zuiger maar er is geen goede afsluiting tussen de rand van deze zuiger en de cilinder. En dit zorgt ervoor dat er zich lucht van de warme naar de koude of omgekeerd kan verplaatsen. De warme ruimte bevindt zich boven de displacer en de koude ruimte bevindt zich onder de displacer. Aan de andere zijde van de koude ruimte bevindt zich de 'power piston'. Deze cilinder is, via een staaf, verbonden met de lineaire wisselstroomgenerator en is dus degene die ervoor zorgt dat de opgewekte arbeid omgezet wordt in elektrische energie.
In eerste stap beweegt de displacer naar beneden en wordt er koude lucht isotherm gecomprimeerd tot een hogere druk. Dan verplaatst deze lucht zich langs de displacer naar de warme ruimte. Daarbij verandert er niets aan de fysische toestand van de lucht. Eenmaal in de warme ruimte warmt de lucht isochoor op. Daarbij neemt de druk en de temperatuur in de lucht toe. Daarna zal de lucht expanderen, eerst in de warme ruimte maar al snel kan de lucht daar niet meer verder gaan expanderen. En dus verplaatst de lucht zich nu terug naar de koude ruimte en expandeert daar verder. Hierbij wordt de power piston naar beneden gedrukt en wordt er dus arbeid geleverd. Door deze expansie, neemt de druk van de lucht in de warme ruimte boven de displacer terug af. Uiteindelijk zal deze daling van de druk ervoor zorgen dat de displacer terug naar boven zal bewegen. De expansie van de warme lucht in de koude ruimte zal gevolgd worden door het afkoelen van de warme lucht. En uiteindelijk komt men zo terug is de eerste toestand en kan de volgende cyclus beginnen.
Etalim, een nieuw bedrijf uit Vancouver, Canada heeft een nieuw soort motor ontwikkeld gebaseerd op het principe van een Free Piston Stirling motor. Hun prototype is ongeveer zo groot als een basketbal en zou een goedkopere manier op warmte en elektriciteit op te wekken in huizen en andere gebouwen. Bij de Stirling motor is er steeds een warmtebron nodig, en bij hun ontwerp zou men de technologie van 'concentrated solar power' gebruiken als warmtebron. Bij 'concentrated solar power' worden, zoals de naam doet vermoeden, de stralen van de zon geconcentreerd op een bepaald punt. Dit zodat de temperatuur erg hoog oploopt in dat punt en van daaruit kan men dan de warmte gaan benutten voor welbepaalde toepassingen. Het prototype dat ze bij het bedrijf nu ontwikkeld hebben had enkel als doelstelling om de werking van hun ontwerp aan te tonen. En daarom heeft het nog niet zo'n hoog rendement als dat de computermodellen aangeven.
Zoals reeds gezegd, heeft de werking van de motor van Etalim veel overeenkomsten met die van de Stirling motor. Er wordt helium gebruikt als 'werkgas' in plaats van lucht. Tot nu toe waren de hoge temperaturen en drukken steeds een probleem voor de 'Free Piston' Stirling motor. Dit maakte het moeilijk om de ruimtes mooi af te dichten want de 'gewone' materialen en technieken voor afdichtingen werken niet bij dergelijke hoge temperaturen en drukken. Daarom moet men andere technieken gebruiken en deze hebben een aanzienlijk grotere kostprijs dan de conventionele afdichtingstechnieken.
Bij het ontwerp van Etalim werden alle afdichtingen uit het ontwerp van de 'Free Piston' Stirling motor verwijdert en in de plaats maakt men gebruik van thermo-akoestiek. In het algemeen is 'thermo-akoestiek' de studie die zich bekommerd over de relatie tussen geluid en warmte. Namelijk kan een temperatuurverschil een geluidsgolf opwekken, maar ook omgekeerd een geluidsgolf kan ook een temperatuurverschil creëren. Hier bij dit ontwerp wordt er warmte gebruikt of de intensiteit van geluidsgolven in een gesloten ruimte te controleren. Bij hun ontwerp is de displacer vervangen door een metalen plaat. En boven deze metalen plaat, in de warme ruimte, bevindt er zich helium. Doordat het helium opgewarmd wordt, versterkt het de geluidsgolven die zich door de metalen plaat verplaatsen. En het versterken van deze geluidsgolven zorgen ervoor dat de metalen plaat sterk gaat trillen. De power piston in de 'Free Piston' Stirling motor is hier vervangen door een speciaal metalen diagram. Tussen de metalen plaat van de displacer en het metalen diagram van de power piston bevindt zich de koude ruimte met ook daarin helium. Wanneer de metalen plaat gaat trillen dan worden deze trillingen, via het helium doorgegeven aan het metalen diagram en gaat dit ook trillen. Aan dit metalen diagram is er een staaf verbonden en deze geeft deze mechanische arbeid door aan een lineaire wisselstroomgenerator. En daar wordt deze mechanische arbeid omgezet in elektrische energie.
De geluidsgolven in de metalen plaat zijn, relatief gezien, maar een kleine beweging en dus de hoeveelheid gas dat er daardoor verplaatst wordt is eigenlijk maar relatief klein. En dus is de beweging van het metalen diagram en de daaraan verbonden staaf ook niet zo groot. Maar toch is mogelijk een relatief groot vermogen op te wekken met deze motor, namelijk door de motor 500 cyclussen per seconde te laten afleggen. En hoe groter de frequentie van de cyclussen in deze motor, hoe groter het opgewekt vermogen. Het bedrijf, Etalim, heeft erg ambitieuze doelstellingen. Vorig jaar hadden ze hun eerste prototype gebouwd van hun ontwerp, dit was enkel om de werking ervan aan te tonen. Het werkte met een relatief lage warmte in de warme ruimte. Dit zorgde voor een laag rendement, namelijk rond de 10%. Momenteel is het tweede prototype bijna af en de bedoeling ervan is om een hoger rendement te behalen. Men verwacht dat het rendement zo'n 20% à 30% zal bedragen en het zal werken met een temperatuur van 500°C in de warme ruimte. Als alles volgens gepland verloopt dan zal dit prototype af zijn deze lente.
Tegen 2012 wil Etalim hun eerste commercieel product van het ontwerp op de markt gaan brengen. Dit zou een rendement moeten behalen van zo'n 40% en werken bij een temperatuur van ongeveer 700°C in de warme ruimte. Het product zou dienen voor in woningen elektriciteit (en warmte) op te wekken. Bij Etalim zijn ze er van overtuigd dat ze een motor kunnen maken, gebaseerd op hun ontwerp, met een kostprijs van minder dan $1 per watt aan vermogen. En op lange termijn, zou men na een aantal jaren in productie te zijn, motoren moeten kunnen gaan produceren waarvan de kostprijs rond de 15 cent per watt bedraagt. Vele deskundigen vertellen dat deze doelstellingen niet onmogelijk zijn en dat ze waarschijnlijk wel haalbaar zijn. Maar momenteel heel men enkel nog maar het concept en een eerste ontwerp. Er moet nog veel 'engineering' gebeuren om tot een echt volwassen technologie en product te komen dat klaar is voor concurrentie op de markt.
Geschreven door Emile Glorieux, bron [technologyreview]
Goede informatie hoor! Bedankt en zal er zeker gebruik van maken.
BeantwoordenVerwijderen