Les applications du moteur Stirling peuvent être divisées en trois catégories principales :
- entraînement mécanique
- chauffage et refroidissement
- Systèmes de génération électrique
Un moteur Stirling est un moteur thermique qui fonctionne par compression et détente cycliques d'air ou d'un autre gaz, le fluide de travail. Au cours du cycle de Stirling, il y a une conversion nette de la chaleur en travail mécanique. Le moteur thermique à cycle de Stirling fonctionnera également en sens inverse, en utilisant un apport d'énergie mécanique pour entraîner le transfert de chaleur dans le sens inverse (c'est-à-dire une pompe à chaleur ou un réfrigérateur).
Production d'électricité à l'aide d'un moteur Stirling
Énergie nucléaire
Il existe un potentiel pour les moteurs Stirling à propulsion nucléaire dans les centrales électriques. Le remplacement des turbines à vapeur des centrales nucléaires par des moteurs Stirling pourrait simplifier la centrale, produire un rendement plus élevé et réduire les sous-produits radioactifs.
Plusieurs conceptions de réacteurs surgénérateurs utilisent du sodium liquide comme caloporteur. Si la chaleur doit être utilisée dans une centrale à vapeur, un échangeur de chaleur eau/sodium est nécessaire, ce qui est préoccupant car le sodium réagit violemment avec l'eau. Un moteur Stirling élimine le besoin d'eau à n'importe quelle partie du cycle. Cela présenterait des avantages pour les installations nucléaires dans les régions sèches.
Énergie solaire
Le moteur Stirling se trouve au centre d'un miroir parabolique, un moteur Stirling peut convertir l'énergie solaire en électricité avec une meilleure efficacité que les cellules photovoltaïques non concentrées, et comparable au photovoltaïque concentré.
Chaleur et électricité combinées
Dans un système de production combinée de chaleur et d'électricité (CHP), l'énergie mécanique ou électrique est générée de manière normale, cependant, la chaleur résiduelle émise par le moteur est utilisée pour fournir une application de chauffage secondaire. Cela peut être pratiquement tout ce qui utilise de la chaleur à basse température. Il s'agit souvent d'une utilisation d'énergie préexistante, comme le chauffage de locaux commerciaux, le chauffage d'eau résidentiel ou un procédé industriel.
Les centrales thermiques du réseau électrique utilisent du combustible pour produire de l'électricité. Cependant, il existe de grandes quantités de chaleur résiduelle qui ne sont souvent pas utilisées. Dans d'autres situations, un carburant de haute qualité est brûlé à haute température pour une application à basse température. Selon la deuxième loi de la thermodynamique, un moteur thermique peut générer de l'énergie à partir de cette différence de température.
Dans un système CHP, la chaleur primaire à haute température pénètre dans le réchauffeur du moteur Stirling, puis une partie de l'énergie est convertie en énergie mécanique dans le moteur et le reste va au refroidisseur, où il sort à basse température. La chaleur "perdue" provient en fait du refroidisseur principal du moteur, et peut-être d'autres sources comme l'échappement du brûleur, s'il y en a un.
L'énergie produite par le moteur peut être utilisée pour faire fonctionner un processus industriel ou agricole, qui à son tour génère des déchets de biomasse qui peuvent être utilisés comme carburant gratuit pour le moteur, réduisant ainsi les coûts d'élimination des déchets. Le processus global peut être efficace et rentable.
Moteur Stirling pour la sortie mécanique et la propulsion
Nous analysons différents cas dans lesquels le moteur Stirling est utilisé pour obtenir un travail mécanique :
moteurs automobiles
On prétend souvent que le moteur Stirling a un rapport puissance / poids trop faible, un coût trop élevé et un temps de démarrage trop long pour les applications automobiles. Ils ont également des échangeurs de chaleur complexes et coûteux. Un refroidisseur Stirling doit rejeter deux fois plus de chaleur qu'un radiateur de moteur Otto ou de moteur diesel.
L'appareil de chauffage doit être en acier inoxydable, en alliage exotique ou en céramique pour résister aux températures de chauffage élevées nécessaires à une densité de puissance élevée et pour contenir du gaz hydrogène souvent utilisé dans les voitures Stirling afin de maximiser la puissance. Les principales difficultés liées à l'utilisation du moteur Stirling dans une application automobile sont le temps de démarrage, la réponse de l'accélérateur, le temps d'arrêt et le poids, qui n'ont pas tous des solutions toutes faites.
Moteurs d'avion
Les moteurs Stirling peuvent être théoriquement prometteurs en tant que moteurs d'avion, si une densité de puissance élevée et un faible coût peuvent être atteints. Ils sont plus silencieux, moins polluants, gagnent en efficacité avec l'altitude grâce à des températures ambiantes plus basses, sont plus fiables grâce au nombre réduit de pièces et à l'absence de système d'allumage, produisent beaucoup moins de vibrations (les cellules peuvent durer plus longtemps) et utilisent des carburants plus sûrs et moins explosifs.
Cependant, le moteur Stirling a souvent une faible densité de puissance par rapport au moteur Otto et à la turbine à gaz à cycle Brayton couramment utilisés. Ce problème a été une pomme de discorde dans les automobiles, et cette caractéristique de performance est encore plus critique dans les moteurs d'avion.
Véhicules électriques
Les moteurs Stirling dans le cadre d'un système d'entraînement électrique hybride peuvent éviter les défis de conception ou les inconvénients d'une voiture Stirling non hybride.
En novembre 2007, le projet Precer en Suède a annoncé un prototype de voiture hybride utilisant un biocarburant solide et un moteur Stirling.
moteurs marins
Le moteur Stirling peut convenir aux systèmes d'alimentation immergés où des travaux électriques ou mécaniques sont nécessaires à un niveau intermittent ou continu. General Motors a effectué une quantité considérable de travaux sur les moteurs à cycle de Stirling avancés qui incluent le stockage thermique pour les applications sous-marines. United Stirling, à Malmö, en Suède, développe un moteur expérimental à quatre cylindres qui utilise du peroxyde d'hydrogène comme oxydant dans les systèmes de ravitaillement sous-marins.
moteurs de pompe
Les moteurs Stirling peuvent entraîner des pompes pour déplacer des fluides tels que l'eau, l'air et les gaz. Par exemple, la puissance de sortie ST-5 de Stirling Technology Inc. de 5 chevaux (3,7 kW) qui peut faire fonctionner un générateur de 3 kW ou une pompe à eau centrifuge.
Utilisation du moteur Stirling pour le chauffage et le refroidissement
S'il est alimenté en énergie mécanique, un moteur Stirling peut fonctionner à l'envers comme une pompe à chaleur pour le chauffage ou le refroidissement. À la fin des années 1930, la Philips Corporation des Pays-Bas a utilisé avec succès le cycle de Stirling dans des applications cryogéniques. Des expériences ont été menées en utilisant l'énergie éolienne entraînant une pompe à chaleur à cycle de Stirling pour le chauffage et la climatisation domestiques.