MOTORE STIRLING DIDATTICA 16

MOTORE STIRLING

Il motore Stirling è un motore a combustione esterna, inventato da Robert Stirling nel 1816. Il motore funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas come fluido termodinamico (solitamente aria, azoto oppure elio o idrogeno nelle versioni ad alto rendimento).
Il motore entra in funzione quando si raggiunge una opportuna differenza di temperatura tra il suo punto caldo ed il punto freddo.

Una particolarità di questo motore è quella di funzionare senza fare ricorso a valvole. Le sole parti in movimento sono il pistone ed il dislocatore che agiscono collegati su una camma a 90 gradi.

È probabilmente uno dei più interessanti motori a combustione esterna per la sua bassa manutenzione, la sua silenziosità e la possibilità teorica di raggiungere rendimenti vicini a quello teorico per cicli termodinamici.

È possibile utilizzare la luce solare concentrata, ad esempio tramite un cilindro parabolico, per produrre la differenza di temperatura necessaria.

La scoperta di nuovi materiali tecnologici costruttivi in grado di aumentare la differenza di temperatura necessaria al funzionamento, nuovi fluidi termodinamici e le problematiche ambientali degli ultimi anni hanno dato nuovi impulsi alla realizzazione di motori Stirling di largo impiego. Ad esempio la realizzazione di centrali elettriche che impiegano sali fusi e motori Stirling per la produzione di grandi quantità di energia elettrica è tutt'ora in fase di studio e realizzazione.

Gli esemplari più piccoli sono spesso oggetto di curiosità più che utilità pratica. Queste realizzazioni in materiali particolarmente hi-tech sono capaci di sfruttare una differenza termica esigua e quindi in grado di funzionare col calore di una mano, di una tazza di caffè o con la luce normale del sole anche in inverno. Addirittura appoggiati su un pezzo di ghiaccio.

La Macchina di Stirling a Ciclo Diretto

Alla categoria di macchine a ciclo chiuso a gas caldo appartiene l’ingegnosa invenzione del ministro della chiesa del rito scozzese, Robert Stirling, il quale in collaborazione con il fratello James, ingegnere meccanico, e dopo una prima elaborazione completata nel 1815, perfezionò la sua proposta di macchina funzionante in ciclo chiuso rigenerativo nel 1816; il brevetto fu poi depositato nel 1817.

Un lungo cilindro A, disposto verticalmente, è riscaldato nella parte superiore dai gas combusti provenienti dal focolare B. La parte inferiore del cilindro è raffreddata con acqua o aria. Il cilindro A contiene uno “stantuffo-separatore” C, detto displacer: si tratta di un elemento che sposta ciclicamente il fluido di lavoro senza variarne il volume totale a disposizione. Lo stantuffo separatore C è di diametro sensibilmente minore rispetto al diametro interno di A e centrato a questo mediante rulli.

Lo stantuffo di potenza D permette la variazione totale dei volumi di lavoro. Al moto alterno del displacer corrisponde il flusso dell’aria che attraversa alternativamente nei due sensi di marcia, un rigeneratore termico, passando così dallo spazio freddo inferiore E, posto tra il fondo di C e la testa di D, e lo spazio caldo superiore F e viceversa. Il rigeneratore (non visibile in figura) è posto nello spazio anulare compreso tra il displacer e la parete interna del cilindro A, e svolge il ruolo di spugna termica, accumulando il calore cedutogli dal fluido di lavoro in un passaggio e restituendolo nel passaggio inverso. Passando dallo spazio caldo a quello freddo, tale fluido viene alternativamente riscaldato e refrigerato, subendo variazioni di temperatura e di pressione che danno luogo alla produzione di lavoro meccanico raccolto dallo stantuffo D.

La macchina di Stirling nasce dall’esigenza di poter disporre di un motore che potesse eludere il problema principale di tutti i primi impianti con macchine a vapore: il pericolo di scoppio della caldaia. Fu proprio Robert Stirling il primo ad utilizzare il suo motore per un sistema idraulico di pompaggio dell’acqua; la sua proposta presentava degli accorgimenti del tutto nuovi ed innovativi, tra questi la presenza del displacer e del rigeneratore. Le dimensioni delle parti principali del motore erano ragguardevoli: il cilindro aveva uno sviluppo in altezza di 3.048 mm ed il diametro di 609 mm. L’impianto rimase in funzione per circa due anni, fornendo circa 2 CV (1,5 kW), prima che la testa calda del motore cedesse per surriscaldamento.

A parte la ridotta potenza specifica, il maggiore inconveniente riscontrato nell’uso pratico fu appunto rappresentato dallo stress termico sulla testa calda del motore, sottoposta con continuità ad elevate temperature. Questo inconveniente non poteva essere risolto se non con acciai a bassissimo tenore di carbonio che all’epoca non erano reperibili, mentre fin al 1824, per aumentare la bassa potenza specifica si poté fare ricorso alla pressurizzazione del fluido di lavoro, introdotta su proposta del fratello James. Lo studio proseguì fino al 1843 in cui i fratelli Stirling convertirono un motore a vapore in uno ad aria calda a doppio effetto; il consumo specifico era decisamente minore di quello dell’analogo motore a vapore originario.

Purtroppo, dopo sette mesi di servizio, la testa calda cedette di nuovo per l’incapacità di sopportare il surriscaldamento e l’ossidazione. Alla terza sostituzione di questo componente, l’impianto fu convertito di nuovo a vapore. L’abbassamento delle temperature medie di lavoro risolse così il problema anche se a migliori prestazioni termodinamiche della macchina di Stirling corrispondevano maggiore affidabilità e durata di quelle a vapore.

Verso il 1850 la rivalità tra il motore Stirling e quello a vapore si era di fatto risolta a favore di quest’ultimo lasciando al motore Stirling solo una contenuta nicchia di mercato.

Fu alla fine del XIX secolo che il motore elettrico e quello a combustione interna si affermarono in maniera completa per la loro alta potenza specifica e per la semplicità costruttiva, di impiego e manutenzione, prendendo il posto dei motori a vapore e Stirling. Tuttavia, il motore ad aria calda continuò ad essere commercializzato fino al 1920, data che segnò il suo declino. Per ironia della sorte, di lì a poco iniziò lo sviluppo degli acciai inossidabili, quei materiali che avrebbero potuto costituire la chiave del successo per le macchine ad aria calda. La ripresa della ricerca, nel 1937, nel campo delle macchine ad aria calda, si deve alla Philips olandese, che avviò un progetto di sviluppo di un motore che avesse queste proprietà:

1. assenza di accessori o componenti elettrici che provocassero radiodisturbi;
2. minima emissione acustica;
3. policombustibilità.

Ci si rese presto conto che la macchina di Stirling avrebbe potuto facilmente soddisfare queste richieste con l’aggiunta di un buon rendimento. Il gruppo di ricerca della Philips si orientò verso la realizzazione di un gruppo trasportabile elettrogeno funzionante secondo il ciclo Stirling, attratti dalle enormi possibilità di sviluppo che le nuove tecnologie consentivano se applicate ai vecchi motori ad aria calda. La seconda guerra mondiale, però, ostacolò le ricerche che non poterono che rimanere prevalentemente teoriche, con qualche piccola realizzazione (tenuta in questo modo meglio nascosta ai tedeschi che stavano occupando l’Olanda). Alla fine del 1947, alcuni famosi articoli pubblicati dai tecnici della Philips sancivano definitivamente la rinascita della macchina di Stirling.

Nei nuovi motori realizzati la potenza specifica per l’unità di peso era stata aumentata di un fattore 50, mentre l’aumento per l’unità di volume era pari addirittura ad un fattore 125. La velocità di rotazione, infine aveva raggiunto i 3000 giri al minuto. La progettazione e la costruzione di un refrigeratore da parte della Philips destò la comunità scientifica del tempo; esso consisteva in una macchina di Stirling accoppiata ad un motore elettrico il cui funzionamento poteva essere riportato a quello di una pompa di calore. Altro progetto importante della Philips fu il “Philips 102C Bungalow Set”, un gruppo elettrogeno portatile con una potenza di 250 W idonea all’alimentazione delle radio.

Intorno al 1954 ancora una volta lo sviluppo della macchina di Stirling veniva stroncato dagli eventi; infatti la nascita del transistor, che di fatto riduceva drasticamente le richieste di potenza elettrica (in termini di corrente e tensione) per l’alimentazione delle apparecchiature radio, e la grandissima disponibilità di petrolio, non consentirono la valorizzazione di un motore policombustibile e ad alto rispetto ambientale.

Tuttavia ci fu una leggera ripresa della ricerca da parte della Philips, anche se a ritmo ridotto e alterno, che ha portato nel 1953 all’introduzione della guida rombica. Dal 1957 cominciarono ad interessarsi al successivo sviluppo del progetto anche General Motors , che focalizzò il suo interesse sulla propulsione ferroviaria, navale sottomarina e sull’autotrazione (Stir-Lec-1, Stir-Lec-2, Calvari) e successivamente la Ford, finanziando nel 1972 la produzione di un motore Stirling da impiegare per il modello di media cilindrata “Torino”. All’inizio del 1976 due Ford Torino Stirling Special, perfettamente funzionanti, stavano per dare il via alla produzione di serie; eventi come la guerra dello Yom Kippurn e la crisi petrolifera conseguente mutarono nuovamente ed improvvisamente lo scenario tecnicocommerciale decretando per la macchina di Stirling un nuovo declino.

Attualmente diverse aziende nel mondo commercializzano motori basati sul ciclo di Stirling sia a scopo didattico che per usi in gruppi cogenerativi. Tra le tante ricordiamo la SunPower specializzata in modelli didattici o la WhisperGen con il loro modello WhisperGen Personal Power Station un piccolo gruppo cogenerativo della potenza di 750 W. Negli anni ’70 venne realizzato ad opera della Forenade Fabriksverken (Svezia) un motore in configurazione alfa, bicilindrico di 90° che successivamente la Stirling Power Systems USA denominò V160. Da quella realizzazione attualmente la Solo Kleinmotoren gmbh commercializza il modello V161 sia in versione solare che a gas naturale.

Stirling Criogenico a Ciclo Inverso

Attualmente desta elevato interesse l’impiego dello Stirling a ciclo inverso (refrigeratore Stirling). Il sistema è in grado di fornire temperature pari a 77 K, necessarie al funzionamento di sistemi che impieghino HTS (High Temperature Superconductor), raggiungendo valori inferiori ai 4K con apparecchiature più complesse costituite da più stadi.

Costituito essenzialmente da uno scambiatore caldo, un rigeneratore ed uno scambiatore freddo in corrispondenza del quale sono raggiunte le temperature criogeniche, presenta due pistoni in moto relativo disposti reciprocamente a monte e a valle del sistema. Adeguatamente sfasati i pistoni vanno a caratterizzare il moto oscillatorio dell’onda di pressione indotta nel fluido evolvente (generalmente elio). Di norma in pistone adiacente alla testa fredda è costituito da un displacer che scorre all’interno di un proprio cilindro.

Nel caso dei dispositivi miniaturizzati impiegati per sensori criogenici e per l’elettronica fredda, il rigeneratore ed il displacer sono congiuntamente abbinati a formare un displacer rigenerativo. Si tratta di un criorefrigeratore miniaturizzato Stirling integrale a modulo comune con capacità refrigerante di 0.25 ed 1 watt ad 80 K. La macchina è prodotta da alcuni costruttori sia in Germania che negli Stati Uniti al ritmo di 20 mila unità all’anno. Altro esempio relativo di produzione in larga scala è la macchina Stirling-split: la parte fredda contenente il displacer rigenerativo, è separata dal compressore e dal motore di trascinamento per ridurre le vibrazioni meccaniche e le emissioni elettromeccaniche e il collegamento è assicurato da un tubo flessibile di trasferimento di piccolo diametro.

La macchina è utilizzata per applicazioni come i supporti a cardani girevoli per sensori ad infrarossi dove la prerogativa è la massa ridotta della parte fredda per ridurre al minimo l’inerzia e le forze necessarie a muovere il sistema cardanico. I criorefrigeratori Stirling sono impiegati laddove si richieda un criorefrigeratore miniaturizzato, veloce, compatto, efficiente e a basso costo e dove è tollerata una vita operativa limitata. Forniscono efficienze maggiori degli altri sistemi criogenici attualmente in uso (Gifford- McMahon, Turbo-Brayton, Mixed-gas JT) per un ampio range di valore della potenza in ingresso al compressore.

Il Motore Stirling per la produzione di energia elettrica Pulita

Le tecnologie dei motori Stirling

I sistemi dish – Stirling sono generatori solari termoelettrici di piccole dimensioni. In questi sistemi un paraboloide di alcuni metri di diametro concentra la radiazione sul ricevitore di un motore Stirling di alcuni kW, in grado di azionare un alternatore collegato direttamente alla rete elettrica.

Sono in grado di funzionare in modo completamente automatico: si accendono al mattino, inseguono il Sole nel suo modo diurno e ritornano in posizione di alba a fine giornata, restando in condizioni di attesa durante la notte.

Hanno rendimenti di conversione energia solare -elettrica dell’ordine del 20% medio giornaliero con punte del 25% e oltre.

I sistemi dish - Stirling sono destinati a funzionare o isolati, senza sorveglianza continua, oppure in cluster o solar farm da centinaia o migliaia di esemplari

L’elevata efficienza di conversione, la facilità di installazione e la possibilità di riduzione dei costi con la produzione in grande serie, rendono questi sistemi applicabili alla generazione distribuita ed in prospettiva competitivi anche con i grandi impianti solari termodinamici.

ADVANCOs Vanguard 1

Il sistema dish - Stirling ADVANCO Vanguard realizzato nel 1984 ha raggiunto il rendimento record di conversione tra energia solare e energia elettrica del 29 % . Montava il motore Stirling USAB 4-95, Mark II Kinematic (fonte SunLab database).

L’evoluzione dei sistemi dish - Stirling

I primi esemplari sono stati realizzati verso la metà degli anni '80 con risultati molto promettenti soprattutto per quanto riguarda il rendimento di conversione. Nel corso degli anni sono stati sperimentati sistemi molto diversi per tipologia di struttura, taglie e motori, soprattutto negli Stati Uniti. In generale si è registrato un progressivo miglioramento della affidabilità dei sistemi con la riduzione degli interventi di controllo e manutenzione.

In particolare si è assistito alla moltiplicazione della costruzione dei concentratori, che oggi sono realizzabili con una certa facilità, mentre per quanto riguarda i motori non si sono avute novità equivalenti, eccettuato il motore prodotto dalla Infinia Cor p e quello prodotto dalla Microgen, quest'ultimo realizzato per il settore della cogenerazione domestica e in sperimentazione anche con i sistemi dish.

Va anche notato tuttavia che il sistema dish - Stirling non ha ricevuto lo stesso sostegno pubblico di cui hanno beneficiato gli altri sistemi; il finanziamento a spot di diversi progetti ha favorito una competizione tra modelli alternativi per tempi successivi, piuttosto che l’affinazione di esperienze su un unico sistema di riferimento. Ciò ha determinato una progressione non costante delle esperienze e una certa dispersione degli sforzi.

Questo approccio è risultato particolarmente penalizzante per l’UE, dove sono state sviluppate tre diverse generazioni di dish – Stirling basate tutte sullo stesso motore, senza che fosse tuttavia garantita quella continuità delle esperienze, che è invece necessaria per l’affinamento di sistemi che devono operare per molte migliaia di ore. La conseguenza di questa discontinuità è l’attuale vuoto di iniziative in ambito europeo a cui fa da sponda la mancanza di incentivazioni specifiche per questo concept, nelle legislazioni in vigore nei paesi mediterranei.

Attualmente gli unici due attori attivi nel settore sono statunitensi; a riprova delle potenzialità della tecnologia, hanno avviato la costruzione di due impianti sperimentali con potenza dell’ordine del MW, fatto che costituisce una novità assoluta per questo settore.

La tecnologia dei dish - Stirling prevede diverse varianti nella realizzazione dei concentratori, dei sostegni e dei motori Stirling. In particolare sono stati sperimentati concentratori di diversa forma e con varie superfici riflettenti: a settori circolari, a tales, a facettes, a superficie continua, a membrana deformata.

Per quanto riguarda la struttura di sostegno, la tipologia più sperimentata è quella detta a pilone centrale che presenta notevoli vantaggi in fase di installazione; altre tipologie prevedono il cosiddetto montaggio equatoriale e quello altazimutale che prevede una struttura a giostra, tipica dei telescopi.

Le potenze dei motori sperimentati variano da 1 a 25 kWe mentre il fluido di lavoro impiegato nei motori Stirling è generalmente idrogeno anche se fino a pochi anni fa era molto usato anche l’elio.

McDon_Douglass

Il sistema McDouglass con motore Stirling USAB da 25 kWe è stato sperimentato dal 1987 a Daggett in California. Nel corso degli anni questo sistema ha subito diverse modifiche ed è stato acquisito dalla SES – Stirling Energy System. Costituisce tuttora il sistema di riferimento per il concept dish – Stirling. (fonte SunLab database)

Sandia National Laboratories SOLO WG 1999

Il sistema WG - SOLO sperimentato ad Albuquerque nel 1999 da 10 kWe. Il concentratore è realizzato mediante una serie di segmenti identici montati a raggiera. Rispetto al sistema SES a tales, limita a 2 il numero dei diversi tipi di specchi necessari a formare il paraboloide. Il motore SOLO V161 è stato modificato per utilizzare idrogeno come gas di lavoro. (fonte SunLab database)

Il sistema Cummins - SOLO realizzato in Arizona nel 1999 da 10 kWe. Il concentratore è realizzato mediante una serie di dischi a membrana a focale variabile detti stretch facettes. Il montaggio del disco e la sua movimentazione è di tipo polare. Il motore SOLO V161 utilizzato per questa sperimentazione era prodotto dalla Solo Kleinmotoren nei pressi di STOCCARDA ed è uno dei motori Stirling più sperimentati al mondo. (fonte SunLab database)

Il sistema Distal I sperimentato alla PSA di Almeria dal 1992 era costituito da un concentratore a stretched membrane unico del diametro di 7,5m. La membrana costituita da una lamiera sottile preformata era mantenuta in posizione da una leggera depressione creata nella struttura a tamburo. Montaggio e movimentazione del disco erano di tipo polari. Il sistema montava il motore V160 da 9 kWe a elio. - (fonte CIEMAT - PSA)

EuroDishPSAF37A~1

Due esemplari del generatore solare EuroDish costruiti alla PSA di Almeria nel 1999 da 10 kWe ciascuno. Il concentratore è realizzato mediante una serie di settori in fibra di vetro sui quali sono incollate tales di specchio sottile. La particolarità di questo sistema consiste nella struttura di sostegno di tipo “a giostra” tipica dei telescopi. Anche questi sistemi montano il motore SOLO 161 a elio. Il generatore EuroDish installato presso RSE a Milano è il quarto di questa serie. (fonte CIEMAT PSA)

SES Sandia 25 kW Aug 05 e

I nuovi 6 dischi SES installati al Sandia Lab di Albuquerque dal 2005. Montano il motore SES derivato dal USAB revisionato. Nel 2008, con uno di questi generatori è stato raggiunto il nuovo record di conversione energia solare – energia elettrica del 31%. Nello stesso anno la NTR di Dublino ha acquistato da SES i diritti di questo generatore rinominandolo Suncatcher. ( fonte SANDIA Lab.)

Nel 2007 Abengoa Solar ha posto in servizio 7 nuovi generatori da 10 kWe presso il sito di Sanlucar La Mayor a ridosso dell’impianto PS10. I dischi presentano un concentratore nuovo, a pilone centrale, simile a quello dei dischi SES ma adatto al motore SOLO V161. (fonte Abengoa Solar)

Il sistema Distal II sperimentato alla PSA di Almeria dal 1996 era costituito da un concentratore a stretched membrane unico del diametro di 8,5m. Con questo sistema venne introdotta per la prima la movimentazione altazimutale su giostra. Il sistema montava il motore V161 da 10 kWe a elio, versione migliorata del motore V160, sviluppato anche nella versione per cogenerazione a gas naturale. - (fonte CIEMAT - PSA)

Installazione nel 2000 di due dischi SES in collaborazione con la Boeing ad Huntington Beach California dotati dei motori da 25 KW. La SES ha realizzato altre installazioni di questo tipo tra cui quella nell’università di Las Vegas.

Il generatore EnviroDish realizzato nel 2006 presso la sede della fornace Solare di Odeillo. Questo generatore costituisce la versione migliorata del sistema EuroDish. Realizzato con il contributo del BMU tedesco, è stato costruito in tre esemplari. Il motore SOLO V161 utilizza idrogeno invece di elio. Il rendimento massimo di questi generatori è risultato del 24%. ( fonte CNRS)

Il sistema Infinia, commercializzato dal 2008, costituisce una novità assoluta nel concept dish – Stirling. Utilizza un motore di concezione originale a pistone libero della potenza nominale di 3 kWe che dovrebbe superare il problema della perdita del gas e funzionare per migliaia di ore senza manutenzione. La connessione alla rete elettrica avviene tramite inverter per cui è facilmente adattabile sia al mercato americano che al resto del mondo. L’efficienza massima dichiarata è del 24%. A fine 2010 risultavano installati nel mondo un centinaio di questo tipo di sistemi. (fonte Infinia)

Alcune installazioni

Maricopa Solar Plant

A gennaio 2010 Tessera ha inaugurato l’impianto Maricopa Solar Plant nei pressi di Peoria in Arizona, da 1,5 MWe, costituito da 60 dischi SES tipo Suncatcher dalla potenza individuale di 25 kWe. Si tratta della più grande installazione di dish – Stirling mai realizzata e si configura come una vera a propria solar farm. I dischi impiegati presentano alcune differenze rispetto ai sistemi SES: il concentratore è realizzato per settori a simmetria circolare e il motore presenta una nuova copertura finalizzata a ridurre il rumore. Secondo Tessera l’impianto dovrebbe essere il primo di una serie di 4 da realizzarsi sia in Arizona che in Texas ciascuno con potenza superiore a 10 MWe.

Renovalia – Villarobledo

Nel corso del 2009 Renovalia ha avviato l’installazione di un impianto della potenza dichiarata da 1 MWe con generatore dish – Stirling Infinia da 3 kWe. L’impianto è localizzato nei pressi di Villarobledo in Spagna a 700 m s.l.m. e 39 ° lat. N nella regione della Mancia.

Ha inoltre presentato domanda di installazione in Spagna di 7 impianti per un totale di 70 MWe tutti collocati nella area di Ciudad Real e che dovrebbero progressivamente entrare in funzione tra il 2012 e il 2013. Ogni impianto da 10 MWe dovrebbe includerebbe oltre 3300 dish.

PowerPlay Solar – GH Dairy

Nel corso del 2010 PowerPlay Solar ha installato a Yuma in Arizona un cluster di 30 dish – Stirling Infinia Powerdish da 3,2 kWe. L’impianto è realizzato a servizio delle strutture di produzione della GH Dairy, una della principali aziende USA di produzione di latte. Secondo i proponenti i motori, realizzati con il concorso della Tier 1, nota azienda americana fornitrice di componentistica per motori auto, dovrebbero avere un vita operativa di 25 anni.

L’impianto di Tessera Solar a Peoria in Ariziona – (fonte Tessera)

L’impianto da 1 MWe realizzato nei pressi di Villarobledo vicino ad Albacete (E) a gennaio 2010, in esercizio dopo una nevicata. – (foto Powerplay solar www.flickr.com)

L’impianto da 1 MWe realizzato nei pressi della GH Dairy a Yuma in Arizona nel corso del 2010, in esercizio. – (foto www.powerplaysolar.com/sarah-farms.html )

Fonte http://www.solarthermalpower.it

Costruire un motore Stirling a uso didattico

Testi tratti da Wikipedia, Universita' di Roma, http://www.solarthermalpower.it