motor Stirling en aplicaciones de energía solar

5/12/2018 motor Stirling en aplicaciones de energ a solar - slidepdf.com

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motor Stirling en aplicaciones de energía solar.

Una eficiente forma de transformación de la energía térmica solar en energía eléctrica.

En esta nueva carrera que comienza

la humanidad en la búsqueda de fuentes de energía alternativa y renovable existen

numerosos inventos y hallazgos que han venido permaneciendo dormidos en el recuerdo

de los anales de la ciencia y que ahora ha llegado la hora de sacarlos del baúl y ponerlos

en práctica. Este es el caso del motor Stirling.

Sistema DISTAL I en operación en la Plataforma Solar de Almería incorporando un motor Stirling

El Motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling, reverendo escocés.

Su principio de funcionamiento esta basado en el trabajo hecho por la

expansión y contracción de un gas (normalmente helio o hidrógeno) al ser

obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se contrae,

y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir, es

necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se

trata de un motor térmico.

Su ciclo de trabajo se conforma mediante 2 transformaciones isocóricas

(calentamiento y enfriamiento a volumen constante) y dos isotermas

(compresión y expansión a temperatura constante).

El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza) al

rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que,

en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción.

http://1.bp.blogspot.com/_WnR6XqCf4UQ/R3kkvMDt7fI/AAAAAAAAAAM/ubnwXw4D4BE/s1600-h/coletor+stirling.bmp



Conviene advertir que no serviría como motor de coche, porque aunque su

rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el

rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas.

La gran diversidad de fuentes de calor con las que contamos en nuestro catalogo

energético actual permite que este motor pueda funcionar con muy diversos

combustibles, dado que de lo que se trata es de aportarle calor externo cuya

procedencia en ningún caso afectará su funcionamiento. Así pues el motor

puede funcionar en muy diversos escenarios energéticos. En la actualidad, los

científicos y técnicos están realizando la adaptación de este motor térmico entro

de una estructura de aprovechamiento de la energía solar térmica.

El argumento más sencillo de entender en relación con el alto rendimiento del

motor es porque el calor directamente es el responsable de su ciclo de trabajo, es

decir no tiene que producirse una reacción de combustión que implicaría

lógicamente unas pérdidas añadidas.

Este motor tiene la gran ventaja de que puede representar una fuente de

energía, una vez que le conectemos una maquina eléctrica –alternador dinamo-,

totalmente autónoma cuyo rendimiento es muy elevado. Si disponemos de una

superficie colectora de los rayos solares en forma de espejo orientable o

parábola, será muy fácil hacer llegar el calor a la cámara caliente del motor y

este se pondrá a funcionar. Teniendo en cuenta que al no haber combustión de

ningún tipo el efecto contaminante de la instalación es prácticamente cero.

La mayor complejidad de este sistema de aprovechamiento de la energía solar

térmica es la de motorizar la parábola colectora de energía que evidentemente

deberá seguir la trayectoria del astro solar en la bóveda celeste, en sus dos

ángulos fundamentales: acimut y altura sobre la línea de horizonte.

En el centro del panel colector –foco de la parábola- se situaría el llamado punto

caliente del motor, de tal forma que será en ese punto donde se recoja de forma

concentrada la energía térmica que se encargará de poner en movimiento el

motor. En otros modelos se utilizan lentes de Fresnel que realizan igualmente la

concentración de los rayos solares.

Al motor Stirling se le acopla un alternador de manera que dentro de un mismo bloque

situado en el foco del disco concentrador se realiza la transformación de energía térmica



en eléctrica que se puede inyectar a la red eléctrica, de la misma manera que lo hacen

los areogeneradores, o directamente ser utilizada alimentando las cargas de una

instalación

El rango óptimo de potencias para ser competitivo en el mercado energético estaría en el

orden de unas decenas de kilowatios donde aspiraría a competir con sistemas ya

comerciales como los fotovoltaicos o los generadores diesel.

La propia NASA esta muy interesada en este tipo de convertidores de energía y viene

dedicando importantes esfuerzos económicos en el desarrollo de aplicaciones que

incorporan distintos modelos de motor. En la dirección de Internet

http://www.grc.nasa.gov/WWW/tmsb/stirling/doc/stirling_animation.html se pueden

ver animaciones muy interesantes de distintos modelos de motor.

La Plataforma Solar de Almería (PSA), perteneciente al Centro de Investigaciones

Energética, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), es el mayor centro de

investigación, desarrollo y ensayos de Europa dedicado a las tecnologías solares de

concentración. En esta instalación se prueban y perfeccionan los distintos diseños y

sistemas de captación y transformación de energía solar. Su en lace Web es el siguiente

http://www.psa.es/webesp/gen/generalesp.html .

Finalmente, si quiere comprase un pequeño motor Stirling al que le hará

funcionar simplemente poniéndolo sobre su taza de café le recomiendo que

visite esta otra dirección de Internet http://www.stirlingengine.com allí tiene un

amplio catálogo sobre el que poder comprar su primer motor. Quién sabe si

después, una vez que lo ha probado, no se decide por adquirir uno mayor con el

que poder abastecerse de electricidad

Aplicaciones del Motor Stirling

Es eficaz, puede llegar a no emitir ningún tipo de contaminación y apenas produce ruido

o vibraciones. Puede parecer que sería ideal para aplicar en la industria del automóvil, y

de hecho, durante los años 70 del siglo XX, en plena crisis del petróleo, se realizaron

investigaciones intensivas sobre su aplicación en turismos, pero se abandonó el proyecto

al bajar los precios de nuevo debido al inconveniente que presenta en cuanto al tiempo

de encendido: demasiado lento para nuestras expectativas en la vida urbanita. Uno de

los prototipos fue llamado AMC Spirit y funcionaba con gasolina, diesel o gasohol.

http://www.grc.nasa.gov/WWW/tmsb/stirling/doc/stirling_animation.html


http://www.psa.es/webesp/gen/generalesp.html


http://www.stirlingengine.com/








Algunas de las aplicaciones reales que se le dan hoy día son:

Submarinos: el Stirling es la base de la propulsión de algunos submarinos pues

permiten recargar las baterías a altas profundidades, al contrario que el

tradicional motor diésel, que exige subir a altura de periscopio para realizar esaoperación.

Yates: existe un tipo específico de motor Stirling que es especialmente diseñado

para yates.

Enfriadoras: una de las características del motor Stirling es que es un ingenio

reversible, es decir, puede ser usado como motor aplicándole calor de forma que

genera movimiento, o puede ser usado como máquina, consiguiendo producir

frío y calor cuando se le aplica movimiento mecánico mediante un motor

exterior. Diseñando el artefacto Stirling de la manera correcta, se pueden llegar a

alcanzar los 10º K. - es decir, -263º C - y se usan en aparatos de alta tecnología.

Cómo funciona el motor Stirling

La principal característica de este motor es que es alimentado por una fuente de calor

externa, por lo que puede usar desde un proceso de combustión convencional usando

combustibles fósiles, hasta pérdidas de calor excedentes de un proceso industrial,

pasando por la energía solar. Es silencioso y no produce más sustancias contaminantes

que las de la fuente de alimentación original. Dentro del motor se halla un

compartimento estanco lleno de un gas -que puede ser aire, helio o hidrógeno- dividido

en dos zonas: una caliente y otra fría, que se corresponden con los dos ciclos de cadarevolución. El calor hace expandirse al gas que se encuentra en la zona caliente, que

presiona de esa forma un pistón que a su vez mueve una manivela a la cual se encuentra

enganchada una rueda. Al aumentar de volumen, el aire accede a la cámara fría, donde

se contrae debido a la disminución de temperatura. Este hecho acciona el segundo

pistón.



EL MOTOR STIRLING

(Actualizado al 31 de Mayo de 1998)

1. INTRODUCCION:

El motor Stirling fue originalmente inventado por Sir Robert Stirling, fraile escocés, hacia 1816.

En sus inicios compitió efectivamente con el motor a vapor. Perdió interés después del

desarrollo del motor de combustión interna y ha retomado interés en los últimos años por

varias características muy favorables que tiene. En particular:



Rendimiento: como veremos, el motor Stirling tiene el potencial de alcanzar el rendimiento de

Carnot, lo cual le permite, teóricamente, alcanzar el límite máximo de rendimiento.

Fuente de Calor Externa: este motor intercambia el calor con el exterior , por lo tanto es

adaptable a una gran gama de fuentes de calor para su operación. Se han construído motores

Stirling que usan como fuente de calor la energía nuclear, energía solar, combustibles fósiles,

calor de desecho de procesos, etc. Al ser de combustión externa, el proceso de combustión se

puede controlar muy bien, por lo cual se reducen las emisiones. Ciclo cerrado: el fluido de trabajo opera en un ciclo cerrado y la fuente de calor es externa. Esto

hace que este motor sea, potencialmente, de muy bajo nivel de emisiones.

Como contrapartida a estas características favorables, está el hecho de que el fluido de trabajo

es gaseoso, lo cual acarrea dificultades operativas. En la práctica, se ha visto que los fluidos de

trabajo viables son el hidrógeno y el helio, ambos por buenas propiedades termodinámicas.

En los próximos párrafos veremos el ciclo Stirling Teórico , funcionamiento del

regenerador y aplicaciones del Motor Stirling.

2. CICLO STIRLING TEORICO:

2.1 Descripción del Ciclo:

El ciclo Stirling Teórico está compuesto

por dos evoluciones a Volumen

constante y dos evoluciones isotérmicas,

una a Tc y la segunda a Tf . Este queda

ilustrado en la figura 1. El fluido de

trabajo se supone es un gas perfecto. En

el ciclo teórico hay un aspectoimportante que es la existencia de un

regenerador. Este tiene la propiedad de

poder absorber y ceder calor en las

evoluciones a volumen constante del

ciclo.

Si no existe regenerador, el motor

también funciona, pero su

rendimiento es inferior. Hay algunos

aspectos básicos a entender en laoperación de un motor Stirling:

El motor tiene dos pistones y el regenerador. El regenerador divide al motor en dos zonas, una

zona caliente y una zona fría.

El regenerador es un medio poroso, capaz de absorber o ceder calor y con conductividad

térmica despreciable.

El fluido de trabajo está encerrado en el motor y los pistones lo desplazan de la zona caliente a

la fría o vice versa en ciertas etapas del ciclo. Por lo tanto se trata de un ciclo cerrado.

Cuando se desplaza el fluido desde la zona caliente a la fría (o al revés), este atraviesa el

regenerador . El movimiento de los pistones es sincronizado para que se obtenga trabajo útil.

http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_10/strlng1.htm#ciclo



http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_10/strlng1.htm#regenerador


http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_10/strlng1.htm#ejemplos









Se supone que el volumen muerto es cero y el volumen de gas dentro del regenerador es

despreciable en el caso del ciclo teórico. Como en el ciclo real esto no ocurre, el rendimiento es

algo inferior.

En el ciclo teórico se supone que la eficiencia del regenerador es de un 100%. Es decir devuelve

todo el calor almacenado y además con recuperación total de temperaturas.

La descripción del ciclo es como sigue:

En 1 el cilindro frío está a máximo volumen

y el cilindro caliente está a volumen

mínimo, pegado al regenerador . El

regenerador se supone está "cargado" de

calor (una discusión más extensa sobre

este punto se ve en el párrafo sobre el

regenerador ). El fluido de trabajo está a Tf

a volumen máximo, Vmax y a p1.

Entre 1 y 2 se extrae la cantidad Q f de calor

del cilindro (por el lado frío). El proceso se

realiza a Tf constante. Por lo tanto al final

(en 2) se estará a volumen mínimo, Vmin, Tf y

p2. El pistón de la zona caliente no se ha

desplazado. En esta evolución es sistema

absorbe trabajo.

Entre 2 y 3 los dos pistones se desplazan en

forma paralela. Esto hace que todo el fluidoatraviese el regenerador. Al ocurrir esto, el

fluido absorbe la cantidad Q' de calor y

eleva su temperatura de Tf a Tc. Por lo tanto

al final (en 3) se estará a Tc, Vmin y p3. El

regenerador queda "descargado" . En esta

evolución el trabajo neto absorbido es cero

(salvo por pérdidas por roce al atravesar el

fluido el regenerador).

Entre 3 y 4 el pistón frío queda junto al lado

frío del regenerador y el caliente sigue

desplazándoses hacia un mayor volumen. Se

absorbe la cantidad de calor Q c y el proceso

es (idealmente) isotérmico. Al final el fluido

de trabajo está a Tc, el volumen es Vmax y la

presión es p4.

Finalmente los dos pistones se desplazan en

forma paralela de 4 a 1, haciendo atravesar

el fluido de trabajo al regenerador. Al

ocurrir esto el fluido cede calor al

regenerador, este se carga de calor , la

temperatura del fluido baja de Tc a Tf y la

presión baja de p4 a p1. Al final de la

evolución el fluido está a Vmax, p1 y Tf . El









regenerador sigue "cargado" de calor.

2.2 Rendimiento del Ciclo:

Supongamos que el fluido de trabajo es un gas perfecto.De acuerdo al Segundo Principio, el

rendimiento del ciclo será:

n = 1 - qced/Q abs

Lo cual se puede escribir como:

n = (Q c + Q' - Q f + Q'')/(Q c + Q')

Ahora bien, es facil demostrar que Q' = -Q'' en magnitud (solo de signos opuestos) en el caso

de un gas perfecto, pues se trata de calentamientos o enfriamientos a volumen constante

entre las mismas dos temperaturas, es decir:

Q' = Cv(Tc - Tf ) = - Q'' = - Cv(Tf - Tc)

Por lo tanto en el numerador Q' y Q'' se anulan, así que el rendimiento queda como:

n = (Q c - Q f )/(Q c + Q')

Ahora bien, vemos que si el regenerador funciona, se logra recuperar el calor Q'' para que sirva

como Q'. Además, solo en el primer ciclo será necesario aportar el calor externo Q'. De allí en

adelante se recupera en forma interna, por lo tanto el rendimiento queda como:

n = (Q c

- Q f )/(Q

c)

Como la evolución 1-2 es isotérmica a Tf , se tiene que:

Q f = R'Tf ln(p2/p1) ==> -Q f = R'Tf ln(p1/p2)

y

Q c = R'Tc ln(p4/p3)

de donde: n = [R'Tc ln(p4/p3) - Q f = R'Tf ln(p1/p2)]/[R'Tc ln(p4/p3)]

Es facil demostrar que: (p4 / p3) = (p1 / p2)

En efecto: pV = R'T ==> (p4 / p3) = (p1 / p2) = Vmin / Vmax (Esto toma en cuenta las

isotérmicas)

Por lo tanto: n = 1 - Tf / Tc que es el rendimiento de Carnot.

Por consiguiente, si el regenerador es 100% eficiente, el motor Stirling tiene el

potencial de alcanzar el rendimiento de Carnot.

3. REGENERADOR:



Algo medio "mágico" en toda esta discusión ha sido el papel del regenerador. Que un

elemento sea capaz de absorber o ceder calor no tiene nada de extraño. El problema "raro" es

como uno logra primero enfriar el fluido de Tc a Tf y luego usar este mismo calor almacenado

para calentar desde Tf a Tc. Esto tiene que ver con la posibilidad de lograr un calentamiento

reversible, tema que trataremos de explicar a continuación.

La explicación se basa en el hecho de que al interior del regenerador se establece ungradiente de temperaturas. Así, la zona en contacto con el lado caliente está a Tc y la

zona en contacto con el lado frío estará a Tf . Entre ambas existirá una distribución de

temperaturas análoga a la mostrada en la figura 6a (esta ilustra la situación de

regenerador descargado). Cuando fluye fluido desde el lado caliente hacia el lado frío,

primero el fluido se encuentra en contacto con material poroso a temperatura Tc, por lo

que nada pasa, luego (al seguir penetrando a través del regenerador) se encuentra con

material a Tc - dt, por lo cual cede una cantidad de calor dQ al regenerador y se enfría

en dt. Así sigue penetrando hasta que el fluido alcanza la temperatura Tf . Cuando esto

ocurre, no cede más calor y simplemente sigue atravesando el regenerador. Estasituación intermedia se ilustra en la figura 6b. En ella vemos que el frente de

distribución de temperaturas ha penetrado más dentro del regenerador.

A medida que sigue el proceso, el frente se desplaza hacia la zona de menor

temperatura. Cuando la parte fría del frente justo llega al borde frío se dice que el

regenerador está cargado. (figura 6c). Si al llegar a esta situación invertimos el

proceso: es decir se toma fluido frío a Tf y se hace pasar a través del regenerador desde

el lado frío hacia el lado caliente, ocurrirá lo siguiente: primero es fluido se encuentra

con material a Tf , por lo que nada pasa, luego encuentra material del regenerador a Tf +

dt, con lo cual gana dQ de calor calentándose en dt, y así sucesivamente hasta que el

fluido alcanza Tc. Cuando esto ocurre, ya no se calienta más. A medida que sigueatravesando fluido el regenerador el fluido se calienta de Tf a Tc y el frente térmico al

interior del regenerador se desplaza hacia la zona más caliente. El regenerador está

siendo descargado. Esto lo vemos ilustrado en la figura 6d. Cuando el frente en su

extremo a Tc llega justo al borde caliente, el regenerador se encuentra descargado.

Una vez que ocurre esto, podemos invertir el proceso y repetirlo ad infinitum.

Lo mismo que ocurre en un regenerador de un motor Stirling ocurre en un

almacenamiento de calor en lecho de rocas en el caso de colectores solares de aire.

También algo análogo (aunque no exactamente igual) ocurre en un termo eléctrico de

agua.

El primer motor Stirling incorporaba regenerador y tenía una fuerte ventaja en

rendimiento con respecto a motores a vapor contemporáneos. Versiones posteriores lo

abandonaron, lo cual fue una lástima. Además del motor Stirling se fabricaron otros

motores con conceptos similares hacia fines del siglo XIX. Sobre ellos leeremos algo en

un próximo párrafo. (Sigue en construcción....)

4. APLICACIONES DEL MOTOR STIRLING:

En este párrafo solo nos referiremos a ejemplos de uso y diseño del Motor Stirling. Lasaplicaciones las podemos dividir en al menos cuatro etapas:



Aplicaciones Antiguas: comprenden desde la invención del motor Stirling hasta inicios

de este siglo, en que fue una cierta competencia a la máquina a vapor.

Epoca de IIª Guerra Mundial: aquí fueron los Laboratorios Philips de Holanda los

que hicieron importantes avances en el estudio y desarrollo de este motor.

Los años 60-70: aquí se estudió el motor Stirling como una alternativa para proveer

energía eléctrica en naves espaciales y tambien se comenzó a tener prototipos para uso

en vehículos.

Epocas Recientes: actualmente se sigue investigando como método de proveer energía

para lugares aiislados y usando fuentes como la energía solar como fuente de calor.

Uso en refrigeración: el ciclo Stirling inverso es excelente para aplicaciones de

refrigeración, de hecho es una de la máquinas que permite alcanzar temperaturas

criogénicas.

MOTORES STIRLING PARA VEHICULOS.

Teóricamente, el ciclo Stirling se compone de dos evoluciones a volumenconstante y dos a temperatura constante. El fluido de trabajo se supone

un gas perfecto y además se incluye la existencia de un dispositivollamado regenerador, cuya función es absorver y ceder calor en lasevoluciones a volumen constante del ciclo.

Con todos estos supuestos es posible demostrar que se obtiene laeficiencia de Carnot para este ciclo. Los motores Stirling reales, contandotodas las pérdidas que se producen, son capaces de alcanzar un 50% deese rendimiento teórico lo que es muy bueno. Asimismo, éstos motorespueden ser utilizado tanto como motor o como bomba de calor (orefrigerador).

Si lo representamos en un diagrama p-v, tenemos lo siguiente

http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_10/STRLNG2.HTM

















Ciclo Stirling. Teóricamente, el ciclo Stirling se compone de dos evoluciones a volumen

constante y dos a temperatura constante. El fluido de trabajo se supone

un gas perfecto y además se incluye la existencia de un dispositivo

llamado regenerador, cuya función es absorver y ceder calor en las

evoluciones a volumen constante del ciclo.

Con todos estos supuestos es posible demostrar que se obtiene laeficiencia de Carnot para este ciclo. Los motores Stirling reales, contandotodas las pérdidas que se producen, son capaces de alcanzar un 50% deese rendimiento teórico lo que es muy bueno. Asimismo, éstos motorespueden ser utilizado tanto como motor o como bomba de calor (orefrigerador).

Si lo representamos en un diagrama p-v, tenemos lo siguiente:

Para comprender mejor el funcionamiento de un motor Stirling,observemos la figura debajo de estas líneas:



Supongamos que la parte fría del motor es la derecha y la caliente laizquierda, en la figura H1 y H2 son intercambiadores de calor y R es el

regenerador.

1-2: El fluido comienza a expandirse en la parte caliente demanera isotérmica (por lo que H1 debe inyectar calor), con lo queel pistón se desplaza hacia la izquierda. De esta forma se generatrabajo.

2-3: Se hace nuevamente atravesar el fluido hacia la parte fríaquedando 'cargado' el regenerador con lo que se vuelve a la

posición inicial y se cierra el ciclo. 3-4: Estando cargado el regenerador, se comprime (absorviendo

trabajo) en la parte fría hasta el volumen mínimo. Para mantenerla temperatura constante H2 extrae calor.

4-1: Se hace atravesar el fluido a través del regenerador hacia laparte caliente, quedando en ésta a volumen mínimo. Comoatravesó el regenerador, éste quedó descargado y el fluido obtuvoel calor almacenado en él.

Un esquema del funcionamiento en los puntos clave del motor:

Una animación de este proceso se puede ver a continuación:



Galería de Motores Stirling.

Aquí van una serie de fotos de motores Stirling, desde los mas antiguoshasta los mas nuevos.

Ahora, para que queden mas claras las partes de las que se componeneste tipo de motores, veamos un motor construido con fines educativosdesde diferentes acercamientos:



Vehículos Híbridos (HEV).

Los vehículos híbridos son señalados por muchas voces hoy en día comolos medios de transporte que ocuparemos a mediano plazo en especial enlas grandes ciudades. Esto principalmente debido a las bajas emisionesde contaminantes y a la elevada economía de combustible que se obtienecon esta tecnología.

Los HEV (hybrid electric vehicle) son autos provistos de un motor decombustión y otro eléctrico, y se pueden clasificar en dos categorías: enserie y en paralelo.

HEV en serie: El motor de combustión es ocupado como un

generador de electricidad para mover el motor eléctrico, que es elque finalmente provee la potencia para propulsar el vehículo.



Este sistema se utiliza intercalando una batería entre los dosmotores, de manera de ocupar el motor de combustión enrecargarla cuando sea necesario, existiendo también laposibilidad de hacer esto último enchufándola a alguna fuente(como la casa del propietario del vehículo).

La energía proveniente del combustible mueve el motor de explosión.Este entrega energía para almacenarla en la batería. Desde ésta, laenergía viaja a un motor eléctrico encargado de mover las ruedas.

HEV en paralelo: Tanto el motor de combustión como el eléctricoproveen la potencia para la propulsión del vehículo. Así, si el vehículo se encuentra en ciudad, puede funcionar accionadosolamente por el motor eléctrico (sin emitir contaminantes), y utilizar como apoyo el motor de combustión cuando se requierauna potencia elevada, como al realizar un adelantamiento o

hacer un viaje cargado.

La energía del combustible mueve el motor de combustión. La potenciapara mover las ruedas viene de dos fuentes: el motor de combustión através de la transmisión y/o el motor eléctrico (con su dispositivo para

almacenar energía)

En cualquiera de los dos casos, el motor de combustión debe serpequeño, reduciendo el consumo de combustible y los niveles deemisiones.

Ciertamente, la tecnología que se utiliza en los HEV los hace mascomplejos que nuestros actuales vehículos. Sin embargo, en éstos sólo el



15% de la energía almacenada en el combustible es utilizada para moverel vehículo (el 85% restante se pierde), cuando algunos vehículos HEV yahan alcanzado valores significativamente mayores.

Ya existen a la venta en el mercado asiático dos automóviles híbridos, el HondaInsight y el Toyota Prius, ambos combinan la bencina con la energía eléctrica.

El último se comenzó a vender en Japón en Diciembre de 1997.

Ventajas y Desventajas.

En esta sección enumeraremos ventajas y desventajas de los motoresStirling frente a sus competidores en el campo de los vehículos híbridos,que son principalmente los motores de combustión interna (Otto y Diesel) y, en menor medida, las turbinas a gas.

Sus principales ventajas son:

Su elevado rendimiento, ya que el motor Stirling puedepotencialmente alcanzar el rendimiento ideal de Carnot.

Posee una baja cantidad de elementos móviles, sobre todo encomparación con los motores de combustión interna, lo quepermite pérdidas de rendimiento por fricción muy bajas.

El hecho que el ciclo en la realidad sea cerrado hace quepotencialmente se puedan obtener niveles muy bajos deemisiones.

Dado que es un motor de combustión externa el proceso decombustión se puede controlar muy bien, con lo que se reducenlas emisiones.

Como intercambia calor con el exterior, se pueden utilizar unagran cantidad de fuentes de calor, como por ejemplo energíanuclear, energía solar y combustibles fósiles, entre otras.

El bajo nivel de ruido y la ausencia de vibraciones con que opera.

Sus principales desventajas son:

Baja densidad de potencia debido a la combustión externa, lo quecondiciona su tamaño.

Dificultad en la construcción del motor para sellar el fluido detrabajo durante toda la vida útil, lo que eleva su costo

Falta de experiencia en la construcción de este tipo de motores

en el rubro automotriz. Como el fluido de trabajo es gaseoso, esto acarrea dificultades

operativas, con lo que los fluidos realmente viables debido a sus buenas propiedades termodinámicas son el helio y el hidrógeno.

Lento tiempo de respuesta.

Se requiren grandes superficies de intercambios de calor, lo quehace aumentar desmesuradamente su tamaño en comparacióncon los motores de combustión interna.

Largo tiempo de encendido y apagado del motor.

Ejemplos de Aplicación.



Veremos aquí un par de ejemplos del uso del motor Stirling en el campoautomotriz:

Una de las mayores dificultades para utilizar motores Stirling en vehículos no híbridos es que resulta muy difícil construir uno deestos motores logre partir instantáneamente. Cuando uno sesube a su auto, le gusta que parta a la primera y pueda salirinmediatamente, cosa que los motores Stirling no pueden hacer. A pesar de estas limitaciones, Ford, GM, y American MotorsCorp. (AMC) gastaron millones de dólares desarrollando motoresStirling para autos antes de los años 70. Ford también construyóun Stirling que puede salir andando (con una potenciarelativamente baja) 20 segundos después de que le des lapartida. Muchos prototipos fueron construídos y probados.Luego el precio del petróleo se vino abajo en los años 80 y lagente comenzó a comprar grandes autos, sin preocuparse porcierto de su rendimiento. A pesar de ello no hay aparentementeuna buena razón para construir un motor que seasustancialmente más eficiente que el motor de combustióninterna, pero que no parta instantáneamente.

Aquí se muestra la foto de un automóvil AMC Spirit del año 1979 el cualestaba equipado con un motor Stirling experimental de planta llamado el"P-40". Este auto era capaz de quemar bencina, petróleo o un tipo de gas

(gashol). Este motor Stirling P-40 prometía una baja polución, unamejoría del 30% en rendimiento (Kms/lt), y un igual desempeño que el

motor estánadar de combustión interna.

Dadas las características del motor Stirling, se está desarrollandomucha investigación en el mundo para analizar la convenienciade utilizarlo como fuente motriz en vehículos híbridos. Dentro deesta área, se piensa mas apropiado para HEV en serie, ya quepara un HEV en paralelo se necesitaría una mejor respuesta a lassolicitudes del conductor asi como mayor facilidad paraarrancarlo.

El gigante estadounidense GM (General Motors Company), estáactualmente construyendo y desarrollando motores Stirling como partede un contrato con el Departamento de Energía de Estados Unidos paradesarrollar un sistema de propulsión híbrido para sus vehículos en elfuturo. El equipo de la GM desarrolló en 1998 un prototipo de automóvilllamado Gen2 Stirling HEV, cuya foto mostramos a continuación:



El motor Stirling desarrollado por GM usa hidrógeno como fluido detrabajo y tiene varias particularidades. La principal es un disco rotatoriomontado en ángulo y unido al pistón (swash plate)que reemplaza a latradicional biela. Una foto de este motor se puede ver debajo de estaslíneas:

Dejemos que el Director del Programa de Desarrollo Híbrido de la GM,Jerry Skellenger, nos hable acerca de este motor:

"Los motores Stirling son silenciosos, suaves y, como las turbinas, son

motores de combustión contínua por lo que deberían producir muy bajasemisiones".

"El 'swash plate' fue desarrollado para controlar mejor la salida depotencia y así darle al motor una respuesta mas rápida".

"La real interrogante sobre el uso de éstos motores es el costo, ya que notenemos datos sobre lo que costaría prducir altas cantidades de ellos".

Sin embargo, en la siguiente fase del desarrollo de este pryecto ya no serecurrió a un motor Stiling, sino a uno de gasolina dotado de avanzadatecnología anticontaminante.

Conclusiones.

Las conclusiones mas interesantes acerca de esta página serán las quesacará el navegante de acuerdo a lo útil que pueda serle según susnecesidades.

Nos sentimos satisfechos con el trabajo realizado de acuerdo a los objetivos que

señalamos al inicio, ya que creemos que esta página cumple su misión de ser

una buena introducción al tema de la aplicación de la tecnología de los motores

Stirling en el campo de los vehículos. Y no sólo eso, sino que además con loslinks incorporados permite al navegante interesado continuar informándose en



mayor profundidad sobre los temas tocados.

Un breve resumen sobre el tema:

Alrededor de los años 70 grandes compañías norteamericanas se dedicaron a

tratar de desarrollar motores stirling para autos llegando a construir algunos

prototipos, pero al parecer todo eso queda congelado tanto por las desventajas

aparentes que presentan dichos motores, como por el abaratamiento relativo del

petróleo con respecto a otros tipos de combustibles. Entonces las compañías ya

no se preocupan de invertir en nuevas tecnologías sino en desarrollar más el ya

tradicional motor de combustión interna. Actualmente ya se están desarrollando

varios estudios con el fin de desplazar al motor de combustión interna por otras

tecnologías. Esto se debe principalmente por la conciencia que se está formandocon respecto al tema de la contaminación atmosférica y por el tema del

encarecimiento del petróleo. En este contexto entran en juego prototipos de

autos llamados híbridos, los cuales preocupados tanto de la eficiencia como del

nivel de emisiones, mezclan en su funcionamiento motores eléctricos y otro tipo

de motor, ya sea Otto, Stirling u otro. El Departamento de Energía de los EEUU(DOE) a través de la Ofina de Tecnologías del Transporte (OTT) junto con las

compañías de automóviles Ford, GM y Daimler-Chrysler, están desarrollando

tecnologías para la creación de Vehículos Eléctricos Híbridos (HEV). En el

marco de estos diseños se están desarrollando automóviles que poseen un motor

Stirling junto con otro tipo de motor.

Y a continuación nuestra opinión:

El tema de la contaminación es un tema que nos afecta diariamente, en especial

si vivimos en una ciudad como Santiago. Un porcentaje no despreciable de ellase debe a la circulación de vehículos, por lo que cualquier intento para reducirla

siempre será bienvenido. Sin embargo, la pregunta de fondo es: ¿por qué no se

redujo antes de llegar a la crítica situación en que ahora estamos, no sólo aquí

sino en muchas partes del mundo? La respuesta tiene que ver con quiénes sonlos que toman las medidas anticontaminación, o sea las autoridades. Si estamos

de acuerdo en que para reducir la contaminación vehicular se requiere uncambio de tecnología, como los vehículos híbridos y mas a largo plazo los de

cero emisiones (ya que un motor convencional es difícil que contamine menos),

debemos pensar en cómo gatillar ese cambio. Nosotros estamos convencidos

que ese cambio tendría que ser generado por medidas de la autoridad, ya que las

empresas de automóviles no invertirán en investigación de nuevas tecnologías

porque tengan intereses ecológicos, pero si lo harían si supieran que en un futuro

cercano sólo podrán vender automóviles híbridos, por ejemplo. Tomemos como

ilustración el caso de los EEUU, donde los tres gigantes automotrices están

enfrascados con un organismo del gobierno buscando la manera de construir

automóviles híbridos viables. Esto es posible porque hay detrás una política de

estado. Nos gustaría que no fuera una ironía preguntarse por una política deestado frente a la contaminación vehicular en Chile (ni menos imaginar que la

respuesta es ¿vías exclusivas?). En cuanto al uso del motor Stirling en

automóviles, actualmente, y dadas las características del motor, lo mas sensato

parece ser ocuparlo en HEV en serie, seducidos por las grandes ventajas que

tiene en esta aplicación. Sin embargo, para paliar sus desventajas se necesitan

grandes cantidades de tecnología e investigación, lo que a su vez requiere en lapráctica por lo menos una gran empresa mundial abocada a invertir e investigar

en él. Y terminamos con otra pregunta: ¿se tentará, en estas condiciones, alguna

de estas empresas?



En 1816 el reverendo Escocés Robert Stirling patentó

un motor que funcionaba con aire caliente.

La patente de este motor era el glamuroso final de una

serie de intentos de simplificar las máquinas a vapor.

Stirling consideraba demasiado complicado calentar

agua en una caldera, producir vapor, expansionarlo

en un motor, condensarlo y mediante una bomba

introducir de nuevo el agua en la caldera. Otro

impulso para desarollar un nuevo sistema fueron los

accidentes fatales causados frecuentemente por las

máquinas a vapor, ya que aún no se había inventado

el acero y las calderas explotaban con facilidad.

El motor de Stirling realizaba los mismos procesos de

calentamiento y enfriamiento de un gas, pero todo

dentro del motor y el gas era aire en vez de vapor de

agua, por lo que el motor no necesitaba caldera. Un

tipo de motor bastante común en su época, sobre todo

para pequeñas maquinas de uso domestico tales como

ventiladores, bombas de agua etc.., su potencia

especifica no era muy elevada pero su sencillez y

silencio eran magníficos.

La teoría física, el proceso Carnot, fue definido 40

años mas

tarde!

El principio

del

funcionamien

to es tan solo

el calentar y

enfriar un

medio de

trabajo, sea aire, helio, hidrógeno o incluso un líquido.

Calentando ese medio provoca una expansión del

mismo dentro del motor. El medio de desplaza a otraparte del motor dónde es enfriado.



Al enfriar el medio, el volumen se reduce de nuevo.

Ese cambio de volúmenes activa un pistón de trabajo

el cual ejerce el trabajo del motor.

El motor es hermético por lo que siempre se utiliza elmismo medio en un circuito cerrado (no hay escape

del medio de trabajo)

Inicialmente muy común, esatecnología murió con elinvento de los motores Otto y

Diesel, hasta renacer al iniciodel ciclo 20 impulsado por lacompañía Philips en Holanda.La segunda guerra mundialpuso fin a una serie denuevos desarollos y solo hace25 años volvieron a iniciarnuevas iniciativas ydesarollos. Hoy en día seutiliza motores Stirling paragenerar calor, para impulsarsubmarinos y proximamentecomo motores en automóbiles

híbridos.

Las grandes ventajas del motor Stirling son:

Combustión externa (se puede quemar cualquier combustible paracalentar el motor)No hay explosión por lo que el motor es extremamente silencioso y librede vibracionesSe genera a la vez energía eléctrica, mecánica y térmica(cogeneración)

Existen diseños de motores LTD (de baja temperatura) los cuales no

requieren un concentrador solar pero con mucho menor rendimiento.Los motores potentes trabajan con temperaturas de 600ºC a 900ºC.

Hoy en día el motor está ya muy maduro en su diseño (tiempo de vidaaprox. 100.000 horas) existen aún pocas aplicaciones comerciales ymuchos proyectos de investigación.

Aquí unas fotos de aplicaciones solares actuales:



Agregado SOLO(Alemania), aprox. 10kWel (Stirling comercial, aplicaciónsolar experimental)

Agregado Sunmachine, Alemania,2.5kWel (nivel preserie)

Bomba de agua, aprox.50W, Stirling de baja temperatura (LTD), comercial



Agregado EPAS,400Wel, para mayor información buscar en la sección"EPAS S400C"

Aplicaciones de los Motores Stirling: Aviación.

Con este post empiezo lo que espero que sea una serie con los

distintos ambitos donde el Motor Stirling tiene la posibilidad dedesarrollarse en el futuro.Para el que quiera una información más

completa puede consultar la siguiente pagina en

Ingles http://www.airsport-corp.com/fourpartstirling.html , de

donde he sacado los graficos que ilustran este post.Uno de los usos

que pueden sorprender más del motor Stirling (MS) es en la

propulsión de aeronaves, y es que el MS tiene unas cualidades que

lo hacen idoneo para algunas aplicaciones en aviación.

Es silencioso. Todos sabemos lo ruidosos que pueden ser los

aviones, desde los reactores hasta las pequeñas avionetas

equipadas con motores de explosión. El MS puede traer mejorastanto para el confort de los viajeros como de los residentes en

las cercanias de los aeropuertos.

Menos vibraciones. Los MS se caracterizan por su bajo nivel de

vibraciones debido a que no se produce la explosión en los

cilindros (esta ventaja no es relevante en los motores a

reacción). La reducción de las vibraciones tiene su importancia

porque disminuye la fatiga de los materiales prolongando la

vida util y la seguridad de la aeronave.

Mejora su potencia en altitud. La aviación siempre ha querido ir

más alto y más rapido. Esto tiene su logica, cuanta mayor altitud

menor es la densidad del aire, y por tanto menor el rozamientoque sufre la nave, por lo que puede ir más rápido con menor

http://www.ecotec2000.de/espanol/epas.htm


http://www.airsport-corp.com/fourpartstirling.html



http://www.ecotec2000.de/espanol/stir2.htm

http://www.ecotec2000.de/espanol/stir2.htm


http://www.ecotec2000.de/espanol/stir2.htm#top




gasto de combustible. Sin embargo la menor densidad del aire

hace que los motores convencionales pierdan potencia debido a

que no consiguen el suficiente aire para mantener la

combustion, limitando la altitud a la que pueden viajar. Esto se

mejora con motores de explosión turbocargados o con motores

a reacción.

En las siguientes graficas se puede ver una comparativa de (Las

pongo como enlaces porque me desordenan todo el post):

Potencia en funcion de la altura (en %) de un MS, una banda

elastica y motor de combustion.

Velocidad de Crucero al 75% de potencia, de los anteriores mas

un motor de combustión turbocargado.

Bien os preguntareis como puede pasar esto, pues es debido a dos

razones:

Por una parte a mayor altitud menor es la temperatura del

ambiente, con lo cual mejoramos el rendimiento del motor de

un modo más eficiente que elevando la temperatura de

combustión.

Por otro lado, el MS no tiene que realizar un trabajo de

compresión del aire externo para aplicarlo al motor. El

rendimiento de esta compresión disminuye drásticamente con

la baja densidad del aire a esas alturas. Mientras en el MS la

compresión se realiza en las condiciones constantes de sus

cilindros.

http://www.airsport-corp.com/fpsfig2.html













motor Stirling en aplicaciones de energía solar

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