RESUMEN

El proyecto energía termo solar con motor Stirling trata básicamente sobre la construcción de un prototipo experimental el cual consta de un plato parabólico que reflejara la luz solar en el receptor de energía del motor Stirling. El recurso principal será la energía térmica brindada por los rayos solares, la cuales finalmente serán convertidas en energía mecánica en un ciclo Stirling tipo Beta y un alternador transformara el movimiento de los pistones en electricidad, llevando a este proyecto a su finalidad, la cual es generar electricidad que permita mantener encendido un bombillo LED por 15 minutos.

INTRODUCCION

La energía termo solar consiste básicamente en la utilización de la luz solar como recurso para generar calor. Dicha energía se  almacena en paneles solares y posteriormente la energía acumulada puede usarse con fines domésticos. Se describe como una fuente de energía amigable con el medio ambiente, auto sostenible y de la que se puede disponer a diario.

En la actualidad se ha despertado un interés en la generación de energía por fuentes alternativas, las cuales siempre han estado disponibles en la naturaleza y que han sido subvaloradas por el auge que tuvieron en su momento las fuentes de energía de tipo no renovable.

La energía proveniente de los combustibles fósiles está inmersa en una serie de problemas sociales, económicos y ambientales que afectan cada día mas la vida en la tierra, lo que ha llevado a la humanidad a pensar en las futuras generaciones.

En el presente proyecto la luz solar será usada como fuente de calor para generar un ciclo Stirling tipo beta. La función del motor Stirling será aprovechar el calor generado por la luz solar y así convertirlo en energía mecánica, que esta a su vez será la fuente principal para la obtención de la energía eléctrica. Gracias a que este funciona con una fuente de calor a alta temperatura y otra a baja temperatura, se usara el sol como caliente y el medio ambiente como sumidero.

 

MOTOR STIRLING

El motor Stirling fue inventado en 1886 por el reverendo Robert Stirling, con el principal fin de generar una maquina más segura que el motor a vapor de esa época. Este  es conocido por ser el motor con la mayor eficiencia teórica en el mundo de las maquinas térmicas. Posee una eficiencia del orden del ciclo de Carnot.

El motor de Stirling también es conocido por poder usar cualquier fuente de energía térmica, el poco ruido que genera en su funcionamiento, su confiabilidad y no genera polución, lo que lo sitúa como una maquina térmica casi perfecta y de uso muy versátil. No obstante, genera mucho menos trabajo útil que otros tipos de motores.

Puede utilizar diversas fuentes de energía como combustibles fósiles, combustión de todo tipo de materiales, energía solar térmica, biomasa, etc. Teniendo la capacidad de convertir el trabajo mecánico en calor o viceversa a través de un ciclo termodinámico regenerativo, con compresión y expansión cíclicas del fluido de trabajo, el cual se encuentra en el compartimiento interior del motor y que en la mayoría de los casos puede ser helio, hidrógeno, nitrógeno o aire, el cual opera entre dos focos, uno frio y otro caliente, necesariamente teniendo que existir una diferencia en las temperaturas de ambos.

Como cualquier otro tipo de motor, el motor Stirling trabaja a través de los cuatro procesos básicos de compresión, calentamiento, expansión y enfriamiento. En este motor los procesos ocurren secuencialmente pero superponiéndose en tiempo.  También ocurren en diferentes partes del motor pero los límites son poco visibles. Uno de los principales problemas que ha retrasado el desarrollo potencial de este tipo de motores térmicos es la dificultad de calcular con cualquier grado de confianza el proceso complejo que se lleva a cabo dentro de los motores de tipo Stirling.

Un motor de calor es Stirling cuando:

•        El fluido que genera el trabajo es contenido en un cuerpo casi a presión constante en cada instante que dure el ciclo.
•           El fluido que genera trabajo es manipulado para que este comprimido generalmente en la porción más fría y que se expanda en la parte más caliente.
•             La transferencia del fluido comprimido de la porción fría hacia la caliente es hecha manipulando los límites del fluido sin válvulas o bombas reales. La transferencia  del fluido caliente en expansión  devuelta a la porción fría del motor es hecha de la misma manera que en compresión.
•   Un generador de fluido para marcha hacia atrás (Intercambiador de calor regenerativo) debe ser empleado para aumentar la eficiencia del ciclo.

MOTOR STIRLING TIPO BETA:

Este tipo de motor fue el originalmente creado por Robert Stirling y tiene como característica un cilindro con dos compartimientos, caliente y frio. En el interior del cilindro se encuentra en desplazador, el cual tiene como función mover el aire, y concéntrico a este, se encuentra el pistón de potencia, cuyo movimiento se encuentra desfasado 90 grados respecto al desplazador. Este motor trabaja en un ciclo cerrado (El fluido de trabajo vuelve a su estado inicial al final del ciclo) lo cual le permite ser más eficiente que cualquier otro tipo de motor. Todo lo que entra al sistema es de alta temperatura, temperatura constante, y todo lo que sale del sistema es de baja temperatura (residuos de calor). Este tipo de motor necesita un regenerador para aumentar su eficiencia, sin el anterior cumple la misma función, pero sin igual eficiencia.

ECUACIÓN DE BEALE PARA MOTORES STRILING:

El funcionamiento del motor Stirling se fundamenta en el principio de Beale, el cual se presenta a continuación:

Pw=Bn*P*Vmax*N

Dónde:

Bn= Numero de Beale. Este va desde 0.11 para motores pequeños hasta 0.15 para motores de alto desempeño y que trabajan a altas temperaturas.

P=Presión media

Vmax=Volumen máximo en centímetros cúbicos.

N=Velocidad del motor en Hertz.

La ecuación anterior permite hallar la potencia máxima que podría desarrollar el motor Stirling con las especificaciones previamente establecidas.

VENTAJAS DEL MOTOR STIRLING:

• ·        Puede llegar a alcanzar una eficiencia tan alta del orden del ciclo Carnot.
• ·        En comparación con otros motores no posee gran cantidad de elementos móviles, lo que disminuye la perdida de energía por fricción, que a su vez desenlaza en disminución del rendimiento.
• ·     Como se dijo anteriormente, el motor Stirling trabaja en un ciclo cerrado reversible, lo que implica unos niveles muy bajos de emisiones.
• ·      Como intercambia calor con el exterior, esto hace posible la utilización de diversas fuentes de energía.
• ·        Es un motor confiable, seguro y que produce muy poco ruido en su operación.

DESVENTAJAS DEL MOTOR STIRLING:

•    Baja densidad de potencia a razón de la combustión externa, lo que limita su tamaño.
•      Dificultad en la construcción del motor para sellar el fluido de trabajo durante toda la vida útil, lo que eleva su costo.
•     Es una máquina que pasa de frió a caliente, por lo que al prenderse necesita un impulso.
•         Largo tiempo de encendido y apagado del motor.
•         Poca experiencia con este tipo de motores.

GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA:

La energía eléctrica será desarrollada por medio de un generador eléctrico de tipo Dinamo para corriente continua. Se aclara que un dinamo es un generador eléctrico destinado a la transformación de flujo mecanico-magnetico en electricidad mediante el fenómeno de inducción electromecánica, generando una corriente continua.

 

BIBLIOGRAFIAS

Stirling motor design. Second edition. MARTINI, William.

Diseño de un sistema prototipo de conversión de energía solar en potencia mecánica compuesto por un concentrador solar y un motor Stirling. José Luis García. Santiago París.Universidad EAFIT.

Modelamiento energético y  matemático de un motor Stirling tipo Beta par la generación de 70 We. Fabián Chávez Acurio. David Orquera Revelo.