A importância do aprendizado sobre motor Stirling para a geração de distribuição

A importância do aprendizado sobre motor Stirling para a geração de distribuição

Salles, Charlles Luiz; Littig, Higor Simões.

Universidade de Vila velha, Avenida Comissário José Dantas de Melo, 21, Boa Vista,
Vila Velha, ES, Brasil.

        

O motor Stirling é um motor térmico muito diferente do motor de combustão interna do seu carro. Inventado por Robert Stirling em 1816, o motor Stirling é mais eficiente do que um motor diesel ou a gasolina. Mas hoje, os motores Stirling são usados somente em alguns casos específicos, como em submarinos ou geradores de energia auxiliares para iates, onde o funcionamento silencioso é importante. Seu ciclo é bem diferente dos ciclos usados nos motores de combustão interna. Os gases usados no interior de um motor Stirling nunca saem de seu interior. Não existem válvulas de escape que liberem gases a alta pressão, como em um motor a gasolina ou diesel e não ocorrem explosões em seu interior. Devido a isso, os motores Stirling são muito silenciosos. O ciclo Stirling usa uma fonte de calor, que pode ser gasolina, energia solar ou até o calor produzido por plantas em decomposição. Não ocorre nenhuma combustão no interior dos cilindros do motor (Nice, K, 2010).

Um motor Stirling simplificado usa dois cilindros (Figura 1). Um cilindro é aquecido por uma fonte de calor externa e o outro é resfriado por uma fonte externa de resfriamento. As câmaras de gás dos dois cilindros são conectadas e os pistões são conectados um ao outro mecanicamente por uma articulação que determina como eles se movimentarão entre si. Calor é adicionado ao gás no interior do cilindro aquecido (à esquerda), causando a elevação da pressão. Isso força o pistão a se mover para baixo (essa é a parte do ciclo Stirling que realiza trabalho). O pistão esquerdo se move para cima enquanto o pistão direito se move para baixo. Isso empurra o gás aquecido para o cilindro resfriado, o que resfria rapidamente o gás para a temperatura igual a da fonte de resfriamento, baixando  também sua pressão. Isso facilita comprimir o gás na próxima parte do ciclo. O pistão no cilindro resfriado (direito) começa a comprimir o gás. O calor gerado por essa compressão é removido pela fonte de resfriamento. O pistão direito se move para cima enquanto o pistão esquerdo se move para baixo. Isso força o gás para o interior do cilindro aquecido, onde se aquece rapidamente, aumentando a pressão, ponto no qual o ciclo se repete (Nice, K, 2010).

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Figura 1 – Esquema de um motor Stirling Simplificado.

O conceito teórico e prático do motor Stirling é utilizado em vários departamentos industriais e educacionais. Neste trabalho daremos ênfase na importância do uso do motor Stirling para o ensino da termodinâmica e para a Geração de Energia Distribuída (GD), dando foco aos aspectos socioambientais relacionados a utilização do motor Stirling. De maneira geral a GD pode ser definida como sendo qualquer unidade de geração de eletricidade a pequena ou média escala localizada perto dos consumidores, podendo estar conectada à rede de distribuição ou diretamente ao consumidor.

Sabe-se que a demanda mundial pela energia vem crescendo continuamente. No Brasil estima-se que a demanda por energia elétrica possa duplicar nos próximos 25 anos, exigindo uma expansão da potência instalada a curto e médio prazo. E um dos modelos que vem ganhando destaque é o modelo de geração de energia solar térmica.

A Dish-Stirling technology development começou no final década de 1970 como um Departamento de Energia dos Estados Unidos patrocinando a Solar Dish Electric Program com o Jet Propulsion Laboratory. Atualmente, a tecnologia está sendo desenvolvida em vários locais no mundo todo. A característica mais original desta tecnologia é o motor primário, conhecido como um motor Stirling. A altas temperaturas alcançáveis ​​com energia solar concentrada o motor Stirling é um candidato principal para energia solar térmica por conversão de energia, devido à sua elevada eficiência operacional e emissão de uma operação livre. A tecnologia demonstrou sucesso em sua operação, alcançando o recorde mundial para a energia solar-grid a eficiência de conversão de energia. As plantas são megawatt classificado agora on-line, com plantas classificados para várias centenas de megawatts se aproximando de construção. (Howard, Dustin,2009)

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Figura 2 –Modelo Dish-Stirling.

Como a tecnologia prato-Stirling se tornando mais proeminente como um fonte de energia renovável e distribuída, a modelagem e simulação dos sistemas tornam-se cada vez mais importante, prevendo o comportamento do sistema sob várias condições de funcionamento. A literatura atual sobre a modelagem da tecnologia prato-Stirling é limitada e dispersa. A literatura técnica que existe, geralmente incide sobre o funcionamento dos componentes individuais dentro do sistema de antena-Stirling. Este trabalho reúne os modelos térmicos, elétricos, e do sistema de controle dos diferentes componentes do sistema prato-Stirling. Um fundo dos vários componentes é fornecido, juntamente com uma detalhada descrição do modelo de componentes. Além disso, uma estratégia para a integração dos vários componentes do sistema em um modelo completo é dado, juntamente com simulação típica resultados. (Howard, Dustin,2009)

Um exemplo de uma unidade de prato de Stirling é mostrado na figura 2. Os principais componentes de interesses são o concentrador, receptor, Motor Stirling, e um gerador, em que a conversão de energia unidade (PCU) contém o motor Stirling, gerador, receptor, e vários sistemas de controle. O concentrador consiste espelhos dispostos na forma de um parabolóide, com o focal apontado para a abertura do receptor. O receptor funciona como uma interface térmica entre a luz solar concentrada e o PCU. Os condutores do gerador de PCU estão ligados através de cabos subterrâneos. Classificado potência de saída sistemas para intervalo de datas de 8 kW a 25 kW, com uma irradiação nível de 1000 W / m2. As unidades usam o acompanhamento de dois eixos do sol durante todo o dia, retornando a uma posição especifica à noite, quando os níveis de irradiação tornar-se demasiadamente baixo para produzir energia. Dois métodos para controlar a temperatura do receptor são atualmente implementados, ou seja, variável de golpe e o controlo de pressão variável. Controlo de pressão variável é mais comum e, portanto, é usado nesta análise. Detalhando especificações técnicas de componentes e dimensões características de funcionamento podem ser encontradas em vários diferentes sistemas de prato-Stirling. (Howard, Dustin,2009)