Stirlingov motor je piestový tepelný stroj, ktorý využíva teplo z vonkajšieho zdroja na vytvorenie energie pre pracovný cyklus. Toto teplo sa najčastejšie získava vonkajším spaľovaním, jedná sa teda o motor s vonkajším spaľovaním.

Takýto typ motora využíva chemickú energiu získanú spálením paliva na ohrev pracovnej látky, ktorá následne v motore vykonáva prácu. Spaľovanie prebieha vždy mimo motora a pracovnou látkou býva najčastejšie plyn.

História Stirlingovho motora v skratke

Vývoj Stirlingovho motora začal už na začiatku 19. storočia, kedy sa škótsky inžinier a kňaz Robert Stirling snažil vytvoriť bezpečnejšiu alternatívu k parným strojom, ktoré boli povestné tým, že vybuchovali. Stirlingov motor bol patentovaný v roku 1816. V nasledujúcich rokoch prešiel niekoľkými vylepšeniami na zvýšenie účinnosti. Bratia Stirlingovci si tiež v roku 1827 patentovali teplovzdušný motor.

Počas 19. a 20. storočia zažívali Stirlingove motory obdobia zvýšeného záujmu a inovácií, najmä počas nedostatku paliva alebo v obdobiach rapídneho technologického pokroku. Stirlingove motory sa v dnešnej dobe opäť dostávajú do popredia ako ekologická alternatíva k tradičným spaľovacím motorom.

Konštrukcia Stirlingovho motora

Po konštrukčnej stránke má Stirlingov motor oproti iným spaľovacím motorom mnohé výhody. Motor je robustný a má veľmi jednoduchú konštrukciu, vďaka čomu je veľmi spoľahlivý.

Tento motor je zapuzdrený a tesný, čo umožňuje jeho použitie napríklad pod vodou, či vo vákuu. Keďže k spaľovaniu paliva nedochádza vo vnútri motora, nevzniká žiaden zbytočný hluk ani vibrácie.

Motor je teda tichší, kultivovanejší a má vyššiu životnosť ako klasické motory s vnútorným spaľovaním, pretože jeho súčiastky sú menej namáhané. Účinnosť Stirlingovnho motora je rovnaká, niekedy aj vyššia ako pri najlepších vznetových motoroch. Jeho najväčšou prednosťou je však to, že na pohon motora je možné použiť rôzne typy palív.

Ako funguje jednovalcový Stirlingov motor?

Spočiatku sa plyn pri nízkej teplote a teda aj tlaku nachádza medzi spodným (netesným) a horným pracovným (tesným) piestom, ktoré sú spolu prepojené. Spodný piest sa posunie do hornej časti valca a vytlačí plyn, ktorý obtečie okolo piesta do dolnej časti valca, ktorá je ohrievaná vonkajším zdrojom tepla.

Vďaka ohrevu sa teplota plynu vo vnútri valca zvýši, plyn tak zväčší svoj objem a tlak a následne expanduje smerom hore, pričom opäť obteká netesný piest.

Súvisiaci článok - 

Piesty motora: Čo všetko musia vydržať a aká je ich funkcia?

V hornej časti valca je plyn schladený, čím zmenší svoj objem a tlak, čo spôsobí, že pracovný piest putuje smerom dole a dvíha tak netesný piest smerom hore, vďaka čomu sa plyn opäť dostane do spodnej časti valca, ktorá je ohrievaná. Tento cyklus sa neustále opakuje.

Ako funguje dvoj a viac valcový Stirlingov motor?

Červený valec je ohrievaný vonkajším zdrojom tepla. Plyn vo valci zväčšuje svoj objem a tlak, čím zatláča piest (červeného) valca do hornej časti. Po tom ako piest dosiahne hornú hranicu valca, prúdi plyn cez trubicu do druhého (modrého) valca.

Tam je schladený, vďaka čomu zmenší svoj objem aj tlak, čím spôsobí klesanie piesta, ktorý tak vytláča schladený plyn opäť do ohrievaného valca.

Výhody Stirlingovho motora

Stirlingov motor má všestranné využitie a porovnateľnú účinnosť so zážihovými či vznetovými motormi. Ako už bolo spomenuté, jedná sa o motor s vonkajším spaľovaním, ktoré je dokonalejšie a vytvára sa pri ňom menšie množstvo škodlivých látok.

Súvisiaci článok - 

Zážihový a vznetový motor: Aký je medzi nimi rozdiel a aké sú ich výhody, nevýhody?

Keďže do motora nevstupuje, no ani z neho nevystupuje žiadna látka, je možné použiť vo valcoch tú najvhodnejšiu pracovnú náplň. Medzi hlavné výhody Stirlingovho motora patria nasledovné:

1. Všestrannosť paliva: Stirlingove motory môžu bežať prakticky na akomkoľvek zdroji tepla, vďaka čomu sú prispôsobiteľné širokej škále palív vrátane obnoviteľných zdrojov energie, ako je solárna energia.

2. Vysoká účinnosť: Vďaka regenerátoru a izotermickým procesom môžu Stirlingove motory dosiahnuť vyššiu tepelnú účinnosť v porovnaní so spaľovacími motormi.

3. Nízke emisie: Proces externého spaľovania vedie k nižším emisiám a nižšiemu znečisteniu, vďaka čomu sú Stirlingove motory ekologickým riešením. Stirlingov motor nepotrebuje olej, ktorý sa primiešava do paliva napríklad pri dvojtaktných spaľovacích motoroch. Vďaka absencii oleja v palive sa do ovzdušia dostáva menej škodlivých látok.

4. Tichá prevádzka: Stirlingove motory pracujú s minimálnym hlukom a vibráciami, pretože nedochádza k vnútornému spaľovaniu a tak ani k rýchlemu odvádzaniu výfukových plynov.

Palivá pre Stirlingov motor

Ako už bolo spomenuté, obrovskou výhodou Stirlingovho motora oproti iným spaľovacím motorom je to, že na pohon motora je možné použiť širokú paletu rôznych palív ako napríklad:

• Zemný plyn (dosahujú sa s ním najlepšie výsledky po ekonomickej ale aj ekologickej stránke)

• Tekuté a plynné palivá

• Tuhé palivo

• Biomasa (drevené štiepky, rastlinné zvyšky, slama a ďalšie...)

• Bioplyn (plyn zo skládok,čistiarní, koksový plyn)

• Solárna energia

• mnohé ďalšie...

Okrem Stirlingovho motora neexistuje žiaden iný motor, ktorý je schopný využiť na svoj pohon tak širokú skupinu rôznych zdrojov.

Nevýhody Stirlingovho motora

Stirlingov motor má ako každé iné zariadenie svoje pozitíva a negatíva. Medzi negatíva tohoto motora môžeme zaradiť nasledovné:

• Nižší pomer výkonu a hmotnosti: V porovnaní so spaľovacími motormi majú Stirlingove motory nižší pomer výkonu a hmotnosti.

• Komplexná konštrukcia: Stirlingove motory majú zložitejšiu konštrukciu, čo vedie k vyšším výrobným nákladom a problémovejšej údržbe.

• Náročnosť materiálov: Efektívny prenos tepla medzi horúcou a studenou komorou je nevyhnutný pre optimálny výkon. Nároky na materiály na tesnenie sú preto vysoké a tým aj výrobné náklady.

Využitie Stirlingovho motora

Stirlingov motor sa vďaka svojej všestrannosti a jedinečným vlastnostiam používa v širokej škále aplikácií:

• Výroba energie: Stirlingov motor možno použiť na výrobu elektriny v odľahlých oblastiach s využitím odpadového tepla alebo obnoviteľných zdrojov energie, ako je solárna energia.

• Kogenerácia: V systémoch kombinovanej výroby tepla a elektriny (CHP) môže Stirlingov motor získavať odpadové teplo z priemyselných procesov alebo budov, čím sa zvyšuje celková energetická účinnosť.

• Námorný pohon: Stirlingov motor sa používa v ponorkách a iných námorných plavidlách pre ich tichú prevádzku a úsporu paliva.

• Energia kozmickej lode: Rádioizotopové Stirlingove generátory sa používajú ako zdroj energie pre misie vo vesmíre, ako je napríklad pokročilý Stirlingov generátor rádioizotopov NASA (ASRG).

Budúce inovácie

Stirlingove motory sú pripravené zohrať významnú úlohu pri prechode na čistejšie a efektívnejšie energetické riešenia. Potenciálne oblasti pre budúce inovácie zahŕňajú:

• Solárna energia: Systémy koncentrovanej solárnej energie môžu využívať Stirlingove motory na premenu slnečného svetla na elektrinu, čím ponúkajú obnoviteľný zdroj.

• Rekuperácia odpadového tepla: Vývoj pokročilých materiálov a konštrukcií môže ďalej zlepšiť účinnosť Stirlingových motorov, čo z nich robí atraktívnu možnosť na rekuperáciu odpadového tepla a úsporu energie.

• Využitie v automobile: Hoci ešte nie sú rozšírené, integrácia Stirlingových motorov do systémov hybridných vozidiel by mohla pomôcť znížiť spotrebu paliva a emisie.

Zaujímavé fakty o Stirlingovom motore

• Prvý patentovaný motor: Stirlingov motor bol prvým patentovaným motorom, ktorý získal svoj patent v roku 1816, teda ešte pred spaľovacím motorom.

• Bezpečnostná inovácia: Stirlingov motor bol pôvodne vyvinutý ako bezpečnejšia alternatíva k parným strojom, ktoré boli náchylné na výbuchy v dôsledku vysokotlakovej pary.

• Švédske ponorky: Švédske námorníctvo používa Stirlingove motory vo svojich ponorkách triedy Gotland od roku 1996, pričom využíva výhody tichej prevádzky a účinnosti motorov.

• Philips Electronics: V 50. rokoch 20. storočia spoločnosť Philips Electronics vyvinula rad Stirlingových motorov na použitie v rádiách a iných malých spotrebičoch, čím pomohla túto technológiu spopularizovať.

• Najdlhšie bežiaci Stirlingov motor: Najdlhšie nepretržite bežiaci Stirlingov motor sa nachádza na University of Canterbury na Novom Zélande. Tento motor, známy ako Canterbury Ringbom, je v prevádzke od roku 1986.

Často kladené otázky o Stirlingovom motore

Otázka: Môže byť Stirlingov motor použitý v aute?

Odpoveď: Stirlingov motor zatiaľ nie je rozšírený v prípade použitia v automobile kvôli jeho nižšiemu pomeru výkonu k hmotnosti a zložitosti. Môže však byť integrovaný do hybridných systémov vozidiel na zlepšenie palivovej účinnosti a zníženie emisií.

Otázka: Aká je účinnosť Stirlingovho motora v porovnaní s účinnosťou spaľovacieho motora?

Odpoveď: Stirlingov motor môže dosiahnuť vyššiu tepelnú účinnosť v porovnaní so spaľovacími motormi, pričom často dosahuje účinnosť 30-40% alebo viac, zatiaľ čo spaľovacie motory majú zvyčajne účinnosť okolo 20-25%.

Otázka: Aké sú hlavné faktory ovplyvňujúce účinnosť Stirlingovho motora?

Odpoveď: Účinnosť Stirlingovho motora závisí od viacerých faktorov, vrátane teplotného rozdielu medzi horúcou a studenou komorou, konštrukcie regenerátora, pracovného plynu a mechanických strát v motore.

Otázka: Ako štartuje Stirlingov motor?

Odpoveď: Stirlingov motor vyžaduje na spustenie prevádzky externý zdroj tepla. Akonáhle sa pracovný plyn zahreje a začne expandovať, motor sa naštartuje a bude pokračovať v prevádzke dovtedy, kým je zdroj tepla zachovaný.

Otázka: Aký pracovný plyn sa používa v Stirlingovom motore?

Odpoveď: Pracovný plyn v Stirlingovom motore sa môže líšiť v závislosti od konkrétnej konštrukcie a aplikácie. Bežne používané plyny zahŕňajú vzduch, vodík, hélium a dusík.

Záver

Stirlingov motor ponúka jedinečnú kombináciu všestrannosti paliva, vysokej účinnosti a nízkych emisií, vďaka čomu má možnosť širokého využitia. S pokrokom v technológiách bude potenciál Stirlingovho motora narastať, rovnako ako aj jeho využitie v rôznych oblastiach.

Pozri sa na fungujúci Stirlingov motor v zmenšenej verzii: