Le moteur Stirling est un type de moteur thermique qui fonctionne par compression et expansion cycliques d'un gaz de travail, généralement de l'hélium, de l'hydrogène ou de l'air, à différentes températures.
Ce moteur est connu pour son rendement élevé, son fonctionnement silencieux et sa capacité à fonctionner avec diverses sources de chaleur, notamment l’énergie solaire, les combustibles fossiles et la biomasse.
Principes de fonctionnement : phases du cycle
Le moteur Stirling suit un cycle thermodynamique fermé, ce qui signifie que le gaz de travail ne quitte pas le système. Son fonctionnement est basé sur la conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique par la détente et la compression du gaz dans différentes chambres de température.
Contrairement aux moteurs à combustion interne, il ne nécessite pas d'explosions ni de combustion à l'intérieur du cylindre, ce qui le rend plus silencieux et plus durable.
Le cycle de Stirling comprend quatre phases principales :
- Compression isotherme : Dans cette phase, le gaz de travail dans la chambre froide est comprimé à une température constante. Lors de la compression, le gaz libère de la chaleur à travers l'échangeur de chaleur froid, ce qui réduit son volume et augmente la pression dans le système. Ce processus se produit généralement dans la partie la plus froide du moteur et est crucial pour l’efficacité du cycle.
- Chauffage isochore (à volume constant) : Une fois comprimé, le gaz est transféré vers la zone chaude du moteur, en passant par le régénérateur. Ce composant stocke une partie de la chaleur résiduelle du cycle précédent et la retransfère au gaz, contribuant ainsi à améliorer l'efficacité thermique du moteur. Au cours de ce processus, la pression du gaz augmente considérablement sans aucun changement dans son volume.
- Détente isotherme : Lorsque le gaz atteint la chambre chaude, il se dilate à température constante, effectuant un travail sur un piston ou un déplaceur. Cette phase convertit l’énergie thermique en énergie mécanique utilisable, car le gaz exerce une pression sur les composants mobiles du moteur. L’expansion isotherme est essentielle pour maximiser la puissance du système sans augmenter excessivement la consommation de chaleur.
- Refroidissement isochore : Finalement, le gaz retourne dans la chambre froide, où il perd de la chaleur et sa pression diminue. Le régénérateur permet de récupérer une partie de la chaleur avant que le gaz ne soit à nouveau comprimé dans la phase suivante du cycle. Ce processus complète le cycle Stirling, garantissant que le moteur fonctionne en continu sans perte de gaz de travail.
Composants d'un moteur Stirling
Les moteurs Stirling peuvent être conçus de diverses manières, mais se composent généralement des éléments clés suivants :
- Source de chaleur : C'est l'élément qui fournit l'énergie thermique nécessaire au démarrage et au maintien du cycle. Il peut s’agir d’une flamme nue, d’un concentrateur solaire, d’un radiateur électrique ou de toute autre source de chaleur externe.
- Échangeurs de chaleur : Ils servent à chauffer et à refroidir le gaz de travail à différents points du cycle. Les échangeurs de chaleur comprennent à la fois les côtés chaud et froid du moteur et jouent un rôle essentiel dans le transfert efficace de l'énergie thermique.
- Régénérateur : C'est un échangeur de chaleur interne qui améliore l'efficacité du moteur en stockant et en libérant la chaleur à des moments stratégiques du cycle. En agissant comme stockage thermique intermédiaire, il réduit la quantité de chaleur perdue à chaque cycle et augmente les performances globales du moteur.
- Pistons ou déplaceurs : Ce sont les éléments mécaniques qui permettent la détente et la compression du gaz au sein du système. Les pistons de puissance transforment l'énergie du gaz en mouvement mécanique, tandis que les déplaceurs contrôlent le flux de gaz entre les zones chaudes et froides.
- Chambre d'expansion et de compression : Ce sont les zones où le gaz change de température et de volume. La chambre chaude est l'endroit où le gaz se dilate et génère du travail, tandis que la chambre froide permet de comprimer le gaz pour redémarrer le cycle.
- Arbre de transmission : relie le mouvement des pistons à un mécanisme de sortie de puissance, permettant au moteur Stirling d'entraîner des générateurs électriques, des systèmes de refroidissement ou même des appareils mécaniques.
- Joints et roulements : Ces composants garantissent que le gaz de travail reste dans le système sans fuite, ce qui est crucial pour l'efficacité et la durabilité du moteur. De plus, ils minimisent les frottements et l’usure mécanique.
Performances du moteur Stirling
Les performances d’un moteur Stirling sont déterminées par l’efficacité thermique et la conversion de la chaleur en travail mécanique. Son rendement maximal théorique est limité par le cycle de Carnot, ce qui signifie qu'il peut être supérieur à celui des moteurs à combustion interne.
Facteurs qui influencent sa performance :
- Différence de température : Plus la différence entre la source chaude et la zone froide est grande, plus le rendement du moteur est élevé.
- Matériaux utilisés : Les composants à haute conductivité thermique améliorent le transfert de chaleur, réduisant ainsi les pertes d'énergie.
- Efficacité du régénérateur : Un régénérateur bien conçu peut augmenter considérablement l’efficacité en minimisant les pertes de chaleur.
- Frottement et fuites : Réduire le frottement interne et maintenir l’étanchéité du système permet de maximiser l’utilisation de l’énergie générée.
- Vitesse de fonctionnement : Bien que les moteurs Stirling puissent fonctionner à basse vitesse avec une efficacité élevée, une conception optimisée peut améliorer leurs performances à différents régimes de fonctionnement.