Le générateur à moteur Stirling
Le générateur à moteur Stirling est un “moteur thermique” scellé à haute efficacité qui fonctionne grâce à l’énergie radiante fournie par le soleil ou toute autre source de chaleur externe. Inventé par Robert Stirling, d’où son nom, il y a près de deux cents ans, le moteur à cycle Stirling est un type de moteur solaire qui fonctionne selon les principes de la thermodynamique en alternant entre des cycles de températures chaudes et froides d’un gaz de travail.
Le “moteur Stirling” se compose essentiellement d’un moteur à air chaud chauffé en externe, généralement par le soleil, contrôlé par ce que Robert Stirling a appelé un “économiseur”, qui absorbe et libère de la chaleur dans un espace intérieur fermé. Lorsque l’air (ou toute autre forme de gaz de travail) à l’intérieur de cet espace fermé est chauffé, il se dilate, et lorsqu’il est refroidi, il se contracte. Un piston est entraîné par la compression ou l’expansion du gaz de travail, généralement de l’hélium ou de l’hydrogène, qui ne quitte jamais le moteur.
Ainsi, le moteur Stirling fonctionne par le chauffage et le refroidissement alternés du gaz par une source de chaleur externe, extrayant de l’énergie de l’expansion et de la contraction du gaz. Cela entraîne un changement de pression qui est utilisé pour faire fonctionner un piston à l’intérieur du cylindre du moteur de manière similaire au fonctionnement d’une machine à vapeur de type Rankine.
La différence cette fois-ci est qu’il utilise un gaz plutôt que de la vapeur pour entraîner un piston. Cette machine thermique solaire hautement efficace convertit la différence de température (énergie thermique) en énergie mécanique (énergie cinétique).
On peut constater qu’un moteur Stirling est un moteur à piston alternatif utilisant l’énergie solaire thermique qui utilise le rayonnement solaire pour produire de la chaleur à la place des combustibles fossiles traditionnels. Le moteur Stirling à piston libre utilise le comportement oscillatoire de deux pistons de masses différentes, le piston lourd étant décalé de la moitié d’une période oscillatoire par rapport au piston léger.
Un générateur électrique est directement couplé à l’arbre du moteur Stirling, ce qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique alternative (AC) désirée et constitue un système dans lequel les différences de température jouent un rôle significatif. La puissance de sortie du moteur Stirling est principalement contrôlée en faisant varier la pression du gaz de travail à l’intérieur du cylindre du piston.
La lumière du soleil contient des milliers de fois plus d’énergie que ce que nous, les humains, pouvons utiliser, mais exploiter cette énergie gratuite peut être coûteux. La méthode la plus courante consiste à utiliser des cellules photovoltaïques, qui convertissent directement la lumière du soleil en électricité. Cependant, nous pouvons également utiliser l’immense pouvoir du soleil pour chauffer de l’eau et des fluides soit directement, soit en utilisant une tour solaire et des miroirs héliostats pour refléter la chaleur sur les moteurs Stirling, qui, à leur tour, déplacent des pistons pour générer de l’énergie.
Cependant, pour porter la chaleur du soleil à une température suffisamment élevée pour faire fonctionner un générateur à moteur Stirling, il est nécessaire de concentrer le rayonnement solaire. Les systèmes de concentration solaire (CSP) utilisent des dish paraboliques, des canaux paraboliques et des tours solaires pour concentrer la puissance du soleil sur un récepteur central. L’énergie solaire concentrée transforme l’énergie du soleil en chaleur à haute température qui peut être utilisée pour générer de l’électricité.
En général, les concentrateurs paraboliques en forme de canal et les tours de puissance nécessitent de l’eau pour produire de la vapeur qui fait tourner une turbine à vapeur pour produire de l’électricité, mais aucun besoin d’eau n’est requis pour un système d’énergie à dish solaire/moteur.
L’énergie solaire à dish utilise un dish parabolique à deux axes pour concentrer l’énergie solaire dans un récepteur. Le récepteur absorbe le rayonnement solaire réfléchi par le concentrateur et le transforme en chaleur utile en la transférant au moteur/générateur à chaleur.
Les réflecteurs paraboliques concentrent l’énergie solaire du soleil sur un récepteur à un rapport de concentration de plus de 2000 soleils pour chauffer un fluide caloporteur à l’intérieur du moteur solaire à plus de 1000oF. Ainsi, les températures les plus élevées du système se produisent au niveau du récepteur et les générateurs à moteur Stirling ont donc un rapport de conversion de chaleur en énergie électrique relativement élevé.
Les systèmes de dish à suivi à deux axes suivent le mouvement du soleil dans le ciel tout au long de la journée et font converger l’intensité solaire. Le soleil transfère sa chaleur à l’air enfermé, ou généralement à un gaz tel que l’hydrogène ou l’hélium, pour alimenter le moteur Stirling positionné au point focal du collecteur. La conception du moteur Stirling produit un mouvement de rotation, qui entraîne un générateur électrique créant de l’électricité.
Les moteurs Stirling sont particulièrement adaptés à la puissance thermique solaire, car ce type de conception de générateur solaire nécessite que le moteur Stirling fasse partie de l’assemblage du collecteur. Ces systèmes à dish parabolique sont généralement plus petits que les systèmes à canal parabolique et peuvent rivaliser avec des panneaux photovoltaïques moins efficaces pour des applications de génération d’énergie à petite échelle, à distance ou portables.
La puissance de sortie typique des moteurs thermiques à dish paraboliques actuels est relativement modeste, ses puissances de sortie variant généralement de quelques kilowatts jusqu’à 20 kW, pour un diamètre de dish d’environ 10 mètres. Cependant, ces systèmes dish/moteur Stirling sont modulaires dans leur conception, chaque système étant un générateur d’énergie autonome, ce qui signifie qu’ils peuvent être connectés ensemble pour produire des matrices solaires allant de quelques kilowatts à plusieurs dizaines de kilowatts.
Le concentrateur solaire (dish) est un élément clé de tout système de dish solaire et Stirling. La forme idéale du concentrateur est un paraboloïde concave, recouvert de petits miroirs en verre sphériques, recouverts d’aluminium ou de réflecteurs en argent ou de membranes réfléchissantes, atteignant des rapports de concentration largement supérieurs à 1000 soleils. Le suivi solaire du concentrateur se fait généralement par suivi polaire, le concentrateur tournant autour d’un axe parallèle à l’axe de rotation de la Terre.
Le type de moteur à cycle fermé le plus courant utilisé dans les systèmes dish-moteur est le “moteur Stirling”. Mais un inconvénient des systèmes dish-Stirling est qu’ils ne peuvent pas générer d’électricité instantanément car ils manquent de stockage thermique, se refroidissant rapidement lorsqu’ils ne sont pas chauffés par le soleil. Ils ne fonctionnent que lorsque le soleil brille, donc ils ne peuvent pas produire d’électricité la nuit ou par mauvais temps.
De plus, la plupart des moteurs thermiques Stirling nécessitent un certain temps pour se réchauffer avant de pouvoir commencer à produire une puissance utile. Cependant, toute énergie électrique produite par un générateur solaire Stirling peut être stockée dans des batteries pour une utilisation future.
Ces moteurs à piston libre et conceptions de moteurs thermiques solaires n’ont historiquement pas réussi à atteindre une utilisation généralisée, mais le moteur Stirling est à nouveau à la mode, car un intérêt récent a émergé pour cette technologie grâce aux avancées technologiques et aux matériaux. Également, grâce à la flexibilité de la source de chaleur, il peut également être utilisé avec un récepteur thermique hybride solaire/gaz naturel ou solaire/biomasse si une quantité suffisante de lumière solaire n’est pas disponible.
En conséquence, la chaleur de combustion provenant de l’utilisation soit du soleil, soit de combustibles fossiles ou de biocarburants peut être utilisée pour faire fonctionner ces moteurs thermiques et générer de l’électricité. Il est donc prévu que d’ici quelques années, ce type de technologie soit installé dans chaque maison, remplaçant ainsi des panneaux photovoltaïques plus grands dans le cadre d’un système d’énergie domestique, contribuant à la réduction de la consommation d’énergie.
Un des principaux avantages de la conception du générateur à moteur Stirling est son fonctionnement silencieux, puisque, étant un moteur à combustion externe, il n’a pas de vannes de contrôle ou de bougies d’allumage, nécessite peu d’entretien et, surtout, étant un système fermé, les gaz de travail ne produisent aucune émission environnementale. En plus de la génération d’électricité, le moteur Stirling peut également être utilisé comme moteur principal (moteur Stirling) pour des systèmes de pompage d’eau, ce qui peut entraîner une fiabilité extrêmement élevée, car il y a moins de pièces susceptibles de tomber en panne.
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