Aplicações

   Colector solar  e o motor de Stirling
     

    Dr. Robert Stirling e os seus sistemas solares em desenvolvimento. O sistema consiste de um espelho parabólico que rastreia e captura a luz solar e reflecte-a para dentro de um motor Stirling colocado no ponto focal do espelho. Desta forma, o motor Stirling move um alternador para gerar energia eléctrica. Este encaminha a electricidade para áreas que possuem grande intensidade de iluminação solar mas não possuem linhas de transmissão eléctrica. Assim, pode ser aplicado para bombeamento de água ou até dessalinizar água.

    O prato concentrador de energia solar rastreia o sol através do céu e usa 16 painéis circulares cobertos com uma membrana metálica de baixo custo e espelhos para focalizar o calor para dentro do sistema do dispositivo Stirling. O motor converte o calor em electricidade fazendo girar um eixo associado a um gerador. O sistema também pode ser usado com combustíveis alternativos líquidos ou gasosos como o diesel, biogás, propano, gás natural e álcool para suplemento ou subjugar o calor solar necessário à noite ou em dias nublados.

    Este colector solar está em desenvolvimento acerca de trinta anos. O que torna esta tecnologia interessante, é a eficiência de conversão em torno de 25 a 30%, alcançada em algumas demonstrações deste tipo de sistema. Muito provavelmente esta técnica é bastante mais significativa em relação aos painéis fotovoltaicos.

    Companhias como a SES (Stirling Energy Systems), têm investido no rápido desenvolvimento dos sistemas solares.

    Alguns projectos do Departamento de Energia do Estados Unidos estão voltados para o desenvolvimento de motores Stirling de pequena escala utilizando biomassa como combustível, para uso residencial. Também existem pesquisas no Japão e na Europa para aplicação do motor Stirling utilizando gás natural como combustível.

    Numa área de 19 km2,estes sistemas usam espelhos para dirigir e concentrar  a luz solar para os motores. A construção deste solar está prevista para o presente ano, 2010. Embora existam algumas controvérsias sobre o projecto, uma vez que é preocupante o impacto ambiental sobre o local, sobretudo devido aos animais.

   

        Figura 1 - Painéis Solares Concentrados.  


Stirling para uso espacial

    No motor de Stirling, quando um movimento é aplicado ao eixo, surge uma diferença de temperatura entre os reservatórios. A nível do motor e da bomba de calor, os fluxos de calor são transportados a partir do espaço de expansão para o espaço de compressão. No entanto, o trabalho de entrada é necessário para que o calor a fluir contra um gradiente térmico, especialmente quando o espaço de compressão é mais quente do que o espaço de expansão. O lado externo da expansão do trocador de calor espaço pode ser colocado dentro de um compartimento isolado termicamente, como um balão de vácuo. O calor é com efeito bombeado para fora do compartimento, através do gás de trabalho de Cryocooler e no espaço de compressão. O espaço de compressão será acima da temperatura ambiente, e assim o calor irá fluir para o ambiente.

 

Figura 2 - Cryocooler. 

    Em 1950, o Cryocooler, o primeiro ciclo Stirling foi desenvolvido na Philips e comercializado para as fábricas de produção de líquidos do ar. A Philips Business Criogenia teve uma evolução económica mas, mais tarde, em 1990, foi desmembrada para formar o Stirling Cryogenics, na Holanda. Esta empresa ainda está activa no desenvolvimento e fabricação de Stirling para uso espacial e sistemas de resfriamento criogénico.
    O uso espacial Stirling de pequenas dimensões está comercialmente disponível para tarefas como o  resfriamento de  sensores electrónicos e, por vezes microprocessadores. Estes são
silenciosos, sem vibrações, têm alta confiança e baixa manutenção.

    A partir de 2009, para uso espacial são considerados os únicos dispositivos comercialmente bem  sucedidos.

                  
Motores AIP (Air Independent Propulsion)


    
No chamado “Ciclo Stirling”, o calor de uma fonte exterior é transferido para um fluido (geralmente um gás inerte) e submetido a uma série de transformações
termodinâmicas. A expansão do gás daqui resultante empurra um pistão e este reenvia-o para uma nova compressão, a qual, finalmente, pode gerar electricidade. Esta abordagem é tão radical já que como ela separa os processos de combustão daqueles que convertem o calor em trabalho mecânico e este, por sua vez, em electricidade. A pressão da combustão é maior do que a da água e isto permite que os produtos se dissolvam na água sem uso de um compressor. Isto permite um grau diferente de controlo dos produtos de exaustão e logo, do ruído gerado pelo sistema AIP o que pode ter um reflexo notável da capacidade do inimigo para detectar o navio enquanto submerso. O sistema AIP é um sistema propulsor que não necessita de ar.
      
  Figura 3 - Submarino.


 
 

Um dos sistemas AIP mais usados actualmente são os que usam células de combustível, que consistem em conversores de energia electroquímica que transformam energia química de um determinado combustível armazenado no submarino gerando assim electricidade.

Uma célula de combustível é um equipamento de conversão electroquímica que combina hidrogénio e oxigénio de forma a produzir água, electricidade e calor. Esta célula é usada frequentemente como uma das soluções para o problema de transporte automóvel sem queima de combustíveis fósseis e é usado em todos os veículos que estão a ser testados e utilizam o hidrogénio como combustível. Uma aplicação possível desta tecnologia é o AIP dos submarinos.

O sueco Kockums construiu com sucesso oito motores de Stirling's submarinos desde a década de 1980. Estes carregam o oxigénio comprimido para permitir que, enquanto o combustível de combustão submersa fornece calor para o motor de Stirling. Internacionalmente, ambos são submarinos usados pela primeira vez, no entanto, possuem ar do motor Stirling-propulsão independente, ou seja, do sistema AIP, que estende a sua resistência subaquática a partir de alguns dias a duas semanas. Um sistema semelhante também é a do submarino classe japonês Soryu.
    

Por esta razão, este país opera actualmente quatro navios deste tipo. O sistema tem a flexibilidade de poder ser instalado num submarino convencional a diesel. A instalação implicou a separação dos submarinos em duas metades e a instalação de uma nova secção central, aumentando o comprimento do submarino em 8 metros, um processo complexo e caro.

O sistema AIP é utilizado para equipar os submarinos do Exército.

 
 
 
Figura 4 - Exemplo de um submarino com a utilização do motor de Stirling.
 

A energia nuclear 
 
     É certo que existe um potencial para os motores de propulsão nuclear (motores de Stirling), em turbinas que gerem energia eléctrica. Se substituíssemos as turbinas a vapor por motores de Stirling, o seu rendimento iria reduzir os subprodutos radioactivos.
Existem experiências com o reactor em que este utiliza apenas a força de reacção propulsiva, que usa o sódio líquido como refrigerante. Se o calor está a ser empregado numa turbina a vapor , água ou trocador de calor de sódio, este poderá reagir violentamente com a água. Assim, um motor Stirling elimina a necessidade de água em qualquer parte do ciclo.
      Laboratórios do governo dos Estados Unidos desenvolveram um design moderno motor Stirling conhecido como Stirling Gerador de Radioisótopos para uso na exploração do espaço.


Este é projectado para gerar electricidade para sondas espaciais em missões que podem durar algumas décadas.

O motor utiliza uma única displacer para reduzir as partes móveis e usa acústica de alta energia para a transferência de energia.
    Pelo menos dois automóveis movidos exclusivamente por motores de Stirling foram desenvolvidos pela NASA, bem como os projectos anteriores pela Ford Motor 
Company e a American Motors Corporation. Os veículos da NASA foram desenhados por empreiteiros e designados MOD MOD I e II. 

 

                                                               Figura 5 - Sonda Espacial.

 

Veículos eléctricos

     Os motores Stirling são sistemas de accionamento eléctrico híbrido.
     Em Novembro de 2007, um carro protótipo híbrido usando biocombustível sólido e um motor de Stirling foi anunciado pelo projecto Precer, na Suécia.
     Dean Kamen desenvolveu uma série de plug-in do carro híbrido com um Ford Pense. DEKA, empresa de tecnologia Kamen localizada no Millyard Manchester, demonstrou recentemente um carro eléctrico, a Revolta DEKA, q
ue pode ir aproximadamente 60 milhas, isto é, 97 km numa única carga da bateria de lítio.

        
Figura 6 - Exemplo de um carro híbrido.

 
 
 
 
 
Motores para aviões
 
       Nos motores de avião, a densidade de alta potência e baixo custo podem ser alcançadas. Estes são mais silenciosos e menos poluentes. A eficiência de ganho com a altitude deve-se à baixa temperatura ambiente, sendo que o menor número de peças e a ausência de um sistema de ignição, produz uma vibração menor (fuselagens durar mais tempo) e mais seguro. Pode ser também utilizada com combustíveis. No entanto, o motor de Stirling tem uma densidade de potência baixa em comparação com o motor Otto.


 



                                        
Figura 7 - Avião da TAP PORTUGAL.


                                          
 
 
   Diferença de motores de baixa temperatura 
  

     A diferença de temperatura baixa do motor Stirling pela American Stirling Company demonstrado como calor de uma diferença de temperatura quente é baixa (Low Delta T, ou LTD). O motor Stirling será realizado em qualquer diferencial de baixa temperatura. Temos como exemplo, a diferença entre a palma de uma mão e a temperatura ambiente ou, por outro lado, a temperatura ambiente e um cubo de gelo. Em 1990, foi alcançado
um recorde de apenas 0,5 K. Normalmente, os motores são projectados como configuração de gama pela sua simplicidade. Estes são particularmente sem pressão, funcionando assim com uma pressão de cerca de 1 atmosfera. A energia produzida é inferior a 1 W, e são destinados apenas para demonstração. Podem ser vendidos como brinquedos e modelos educacionais.
     Os motores de baixa temperatura, foram construídos para o bombeamento de água utilizando a luz solar directa.


 

Figura 8 - Exemplo de um motor de Stirling com a diferença de temperatura através da palma de uma mão.


               Acoustic Stirling Heat Engine

Los Alamos National Laboratory desenvolveu um "Acoustic Stirling Heat Engine", sem partes móveis. Este converte calor em potência acústica intensa que vinda de determinada fonte pode ser usada directamente nos frigoríficos acústicos ou pulso-frigoríficos tubo para fornecer calor. Também pode ser orientada para refrigeração sem partes móveis ou, até mesmo, para gerar electricidade através de um alternador.         

               
Arrefecimento Chip

MSI (Taiwan) dsenvolveu recentemente uma máquina de Striling em miniatura de sistema de resfriamento de chips de computador pessoal que usa o calor do chip para dar impulso a um ventilador.


 





Figura 9 - Arrefecimento chip ilustrado.

 

 
Texto adaptado e editado por Miriam Antão
Comments