Le moteur stirling

Un moteur stirling est un moteur qui transforme la chaleur et/ou le froid en mouvement mécanique. Il ne produit pas d'énergie par lui-même, il n'a donc rien à voir avec l'énergie libre.
Son rendement est un peu moins élevé qu'une turbine par contre il nécessite des écarts de température beaucoup moins élevés pour fonctionner. Il est donc beaucoup mieux adapté pour une utilisation locale.
On arrive facilement à un rendement de 30% qui associé à un alternateur ayant un rendement de 90% donne une courant alternatif avec un rendement final de 27%, à comparer à un panneau solaire qui culmine à 15% et ne donne que du courant continu.
Les avantages sont :
- relativement facile à fabriquer et surtout à maintenir, car il n'est que de la mécanique,
- les gaz se dilatant de façon beaucoup plus progressive que dans le cas d'une explosion, les pièces souffrent et s'usent beaucoup moins
- accepte n'importe quelle source de chaleur et/ou de froid pour fonctionner
- tourne relativement lentement, donc usure mécanique très faible dans le temps
- fonctionne avec des températures bien plus basses qu'un moteur à explosion ou une turbine
- son faible coût de fabrication en utilisant les astuces ci-dessous.
- le moteur lui-même n'est absolument pas polluant. Seule peut être polluante la source de chaleur si elle résulte d'une combustion. Par contre avec la chaleur solaire, on a strictement aucune pollution.
- comme il n'y a pas de combustion interne, l'huile de graissage n'est pas polluée et dure à vie (pas de vidange).
Les inconvénients sont :
- nécessiter de diminuer au maximum les frottements pour augmenter le rendement
- nécessiter de limiter les fuites (meilleur étanchéité possible) pour augmenter le rendement
- fonctionne correctement qu'en mode continu
- grande inertie dans les variations de régime (donc impropre pour être un moteur de voiture)
- nécessite un gaz le plus léger possible sous pression pour augmenter le rendement (hydrogène explosif ou hélium très cher) mais fonctionne déjà très correctement simplement avec l'air.

Principe de base
Soit un cylindre contenant un piston et une masse de gaz prise dans un volume étanche entre le cylindre et le piston.
Si nous chauffons le cylindre (par l'extérieur, c'est le plus simple), le gaz se dilatant, va pousser le piston vers le bas.
A l'inverse, si nous refroidissons le cylindre, le gaz se contractant, va "aspirer" le piston vers le haut.
Et si les 2 vilebrequins sont reliés entre eux par un mécanisme maintenant de déphasage d'un quart de tour, alors, il va se former un mouvement en continu.
On comprend aisément que le moteur tournera d'autant plus vite que l'écart de température est grand entre le cylindre chaud et le cylindre froid.
De plus, on peut augmenter le rendement en insérant un récupérateur de calories entre les deux cylindres. Ce récupérateur est tout simplement un masse métallique (exemple cuivre) percée d'une multitude de trous. Le gaz, passant dans un sens y stockera ses calories qu'il récupérera lors de son passage en sens inverse.
On comprend aussi que plus le diamètre du piston est grand et sa course petite, moins le gaz a besoin de force pour "appuyer" sur le piston, et donc mieux le moteur fonctionne avec des petits écarts de température.

On comprend alors que pour que le rendement soit le meilleur possible, il faut :
- que le moteur soit super carré (pistons grands diamètres, course petite),
- que l'étanchéité entre les pistons et les cylindres soit la meilleure possible,
- que les frottements des pistons dans les cylindres soient les plus faible possibles (en contradiction avec la règle précédente),
- que le gaz puisse passer avec le maximum de facilité dans le récupérateur d'énergie (la sommes des surfaces des trous doit être largement supérieure à la section des canalisations, et pas de coudes abrupts)
- que le gaz soit le plus léger possible et à la plus grande pression possible.

Nous voyons ici le cycle de Stirling. L’abscisse est le volume et l'ordonnée est la pression. Dans une première phase, nous avons une diminution du volume à pression quasi constante (4-1), puis nous apportons la chaleur extérieure (1-2), ce qui augmente la pression qui repousse le piston dans la phase de détente (2-3) où le volume augmente, et enfin la phase de refroidissement provoquée par l'air provenant du cylindre froid (3-4). La surface jaune est le travail fourni par le moteur, plus elle est grande et meilleur est le rendement. Donc nous constatons facilement que plus l'écart de température est grand et plus l'écart entre les lignes 1-4 et 2-3 est grand. Et plus le volume du cylindre est grand et plus l'écart entre les lignes 1-2 et les lignes 3-4 est grand. D'où l'intérêt d'avoir une source de chaleur la plus forte possible et un moteur le plus gros possible.
 

Le moteur Stirling - pratique

Réalisation pratique.

Il est possible de prendre 2 moteurs diesels de voiture 4 cylindres en ligne type super carrés (1 consacré à la zone chaude et l'autre à la zone froide), de les monter cote à cote, et de relier les vilebrequins par une chaîne  ou la courroie de distribution avec un déphasage d'un quart de tour entre les 2 vilebrequins.
Ces deux moteurs permettent d'obtenir un moteur Stirling de minimum 60 kW (voire 100 kW !).
Il est nécessaire de relier chaque cylindre froid à son correspondant chaud par un récupérateur en se branchant sur les ouvertures d'échappement. Pour pouvoir travailler avec des hautes pressions, utiliser des tuyaux en cuivre de plomberie.
les soupapes et l'arbre à cames ne servent plus à rien et sont donc éliminés de même que la partie arrière comme la boîte à vitesses et l'arrivée d'huile de l'arbre à cames doit donc être obturé.
Les injecteurs servent à mettre les cylindres sous pression d'air. Les relier à un compresseur.
La liaison entre le vilebrequin et les bielles peut se faire avec des roulements à rouleaux. Il est même possible de récupérer les bagues en cuivre et de les usiner pour qu'elles deviennent les cages des roulements à rouleaux
Étant donné que l'on travaille en "température basse" Il est possible de changer les segments métalliques par des segments en polymère approprié pour diminuer les frottements.
Il suffit d'envoyer de l'eau ou mieux de l'huile chaude dans le circuit d'eau du bloc moteur chaud et de l'eau ou de l'huile froide dans le circuit d'eau du bloc moteur froid pour faire fonctionner le moteur Stirling. Dans ce cas, nous pouvons utiliser un radiateur de voiture avec la pompe à eau du moteur pour capter la chaleur de la source thermique (rayons solaire, combustion des déchets etc etc) ce qui permet de déporter la captation de la chaleur loin du moteur Stirling (prévoir tout de même l’isolation thermique des tuyaux).
Enfin, si nous intercalons un gros réservoir d'huile pour absorber le surplus de chaleur durant la journée, on peut accumuler suffisamment de calories pour faire tourner le moteur toute la nuit, et ainsi avoir de l'électricité 24/24.

L'isolation thermique
En fait, dans un moteur stirling, ce qui est important, ce n'est pas que le moteur chaud soit chaud, c'est que l'air à l'intérieur des cylindres soit chaud. L'idéal est donc de chauffer que l'air sans chauffer le moteur. En conséquence, toutes les calories captées par le métal du cylindre sont définitivement perdues et contribuent à la diminution du rendement.
Pour contrecarrer cet inconvénient, nous allons entourer le moteur chaud d'un excellent isolant thermique. Meilleure sera l'isolation, meilleur sera le rendement. Il sera donc normal, lors de la phase de démarrage, que le rendement du moteur soit médiocre jusqu'à ce que sa température de fonctionnement soit stabilisée.

Le récupérateur
Le récupérateur a pour rôle de capter les calories lors du passage de l'air du moteur chaud vers le moteur froitd, puis de restituer ces mêmes calories lors du passage de l'air du moteur froid vers le moteur chaud. Pour être performant, le récupérateur doit donc être capable de capter le maximum de calories (masse maximale) tout en captant et restituant le plus rapidement possible ces calories au flux (surface maximale). Le système capable de répondre à une telle exigence est la tôle, c'est le principe des radiateurs de voiture. Plus les tôles sont fines et nombreuses, mieux le récupérateur remplit son rôle et meilleur est le rendement. L'inconvénient du radiateur de voiture est son encombrement. On peut diminuer ce défaut en utilisant plusieurs radiateurs de moto montés en série. Toutefois subsiste  le problème de l'étanchéité entre la canalisation et les radiateurs euxx-même, ce qui empêche d'atteindre de hautes pressions. Le mieux est sans aucun doute de concevoir le récupérateur prévu à cet effet.

Démarrage du moteur
Le sens de fonctionnement est celui où la compression chaude précède la compression froide.
Ouvrir tout les injecteurs
Mettre en chauffe le capteur thermique (tourner la parabole vers le soleil).
Alimenter le démarreur pour faire tourner les moteurs. A cet instant, le démarreur va contribuer, par effet de réversibilité, à réchauffer rapidement le moteur chaud.
Mettre en route le compresseur.
Atteindre la pression de fonctionnement pendant que le moteur tourne.
Dès que la pression est atteinte, fermer tout les injecteurs.
Faire tourner le moteur suffisamment longtemps pour que le capteur thermique ait le temps de chauffer tout le bloc du moteur chaud.
Dès que la température du moteur chaud est atteinte, couper l'alimentation du démarreur, le moteur continue à fonctionner tout seul tant qu'il y a l'écart de température. Dès que la vitesse de fonctionnement a atteint son régime de croisière, activer l'embrayage pour faire fonctionner l'alternateur.

Entretien du moteur
Durant le fonctionnement, si on constate une chute de pression sur un couple de cylindre, ouvrir l'injecteur et remettre en pression le couple de cylindres. Cette chute est certainement dûe à une fuite, prévoir une révision du moteur.

Arrêt du moteur
A l'aide des vannes prévues à cet effet, inverser les fluides de façon à ce que le fluide froid aille dans le moteur chaud et le fluide chaud dans le moteur froid. Dès le moteur arrêté, fermer les vannes et relâcher la pression dans les cylindres. On peut aussi rajouter un freinage électrique en shuntant  la sortie de l'alternateur avec une charge.

Production de l'électricité
Nous n'avons pas besoin de la boite à vitesse, par contre nous avons besoin de l'embrayage qui nous permettra, une fois le moteur en régime de croisière (1500 tours/minute), d'activer les alternateurs pour produire l'électricité.
Nous avons le choix entre 2 solutions opposées au niveau de l'alternateur:
- utiliser des alternateurs de voiture ou de camion. ils sont peu coûteux mais de faible puissance. il est alors nécessaire de les monter en cascade et de les entraîner et synchroniser avec une chaîne. C'est une solution "bricolée" économique mais peu fiable.
- utiliser un alternateur de puissance prévu à cet effet (modèle pour éolienne). Il est beaucoup plus coûteux, mais très fiable et fournit un courant d'une parfaite qualité.

Régulation
Tout un système de régulation doit être élaboré pour faire fonctionner le moteur en régime continu et ainsi obtenir une production d'électricité fiable.

Toute la régulation est commandée par une vanne qui va doser entre le fluide chaud provenant du capteur thermique et le fluide moins chaud provenant du réservoir. Une clapet de surpression sert à envoyer le surplus de fluide chaud vers le réservoir et ainsi stocker les calories en vue de les utiliser durant la nuit.
L'ordinateur prend ses sources d'informations sur les capteurs de température, du réservoir, sur le tuyau entre le capteur et la vanne, sur le moteur lui même et enfin, capte la vitesse de rotation du moteur. A l'aide de ces informations, un logiciel contrôle la vitesse du moteur en commandant la vanne.
On peut gérer aussi par l'ordinateur le pointage de la parabole vers le soleil, et détourner celle-ci si la température maximale du réservoir a été atteinte.
lorsque le moteur est hors service, la vanne est totalement fermée et le réservoir se réchauffe au travers du clapet de surpression.
Le basculement vers le réservoir froid a pour fonction d'arrêter le moteur en cas d'urgence.

Défaut du moteur stirling
La défaut majeur de ce moteur est qu'il nécessite un gaz le plus léger possible, et l'écart de température doit être de minimum 400° et la pression de minimum 400 bars pour atteindre un bon rendement. Or il n'existe que 2 gaz légers pouvant intéressant :
l'hélium sans danger mais très cher à l'achat
l'hydrogène qui représente un immense danger dans de telles températures et de telles pressions.
C'est pour cette raison qu'il est préférable de mettre au point le moteur à changement d'état qui ne présente pas ces inconvénients majeurs.