วันนี้เราจะมาพูดถึงประเภทของเครื่องยนต์ที่แตกต่างจากเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้ทั่วไป ยานพาหนะโดยทั่วไปใช้เครื่องยนต์ที่ขับเคลื่อนโดย เชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งมักจะมีประสิทธิภาพไม่สูงมาก ในกรณีนี้เราขอเสนอให้คุณ เครื่องยนต์สเตอร์ลิง- เครื่องยนต์ประเภทนี้ให้ประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์เบนซินหรือดีเซลอย่างเห็นได้ชัด และยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย
ในบทความนี้ เราจะมาสำรวจคุณสมบัติหลักของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง วิธีการทำงาน และข้อดีและข้อเสียหลักๆ นอกจากนี้เรายังจะเจาะลึกการใช้งานเครื่องยนต์นี้ที่พบบ่อยที่สุด ซึ่งอาจมีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนแปลงพลังงาน
เครื่องยนต์สเตอร์ลิง
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายนอกประเภทหนึ่งที่ใช้แรงดันที่เกิดจากก๊าซที่ได้รับความร้อนและความเย็น แทนการเผาไหม้ภายในที่เชื้อเพลิงถูกเผา เป็นสิ่งประดิษฐ์ที่มีอายุย้อนไปถึงปี 1816 เมื่อได้รับการออกแบบและจดสิทธิบัตรโดยสาธุคุณชาวสก็อต โรเบิร์ต สเตอร์ลิง- มีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าเครื่องจักรไอน้ำที่ครองเวลา สเตอร์ลิงให้ประสิทธิภาพและความปลอดภัยที่มากขึ้นด้วยโครงสร้างที่เรียบง่าย
แม้ว่าจะมีความยากลำบากในการสร้างตัวเองในการใช้งานขนาดใหญ่เนื่องจากข้อจำกัดทางเทคนิคและเศรษฐกิจ แต่ก็ยังมีความเกี่ยวข้องมากในบางภาคส่วน เนื่องจากสาเหตุหลักมาจาก การทำงานเงียบ และความสามารถในการผลิตพลังงานจากแหล่งต่างๆ รวมถึงพลังงานหมุนเวียน
ปัจจุบันการใช้งานเน้นไปที่ เรือดำน้ำ และ การผลิตไฟฟ้าโดยเฉพาะในโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งเครื่องยนต์สเตอร์ลิงใช้ประโยชน์จากความร้อนจากดวงอาทิตย์เพื่อสร้างพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ ในส่วนถัดไป เราจะสำรวจรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับการทำงานและการใช้งาน
การทำงานของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงเป็นไปตามวัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์ที่เรียกว่า วงจรสเตอร์ลิงซึ่งประกอบด้วยสี่ขั้นตอนพื้นฐาน: การทำความร้อน การขยายตัว การทำความเย็น และการบีบอัด ต่างจากเครื่องยนต์สันดาปภายในในเครื่องยนต์สเตอร์ลิง ก๊าซยังคงถูกปิดผนึกอยู่ภายในระบบ ซึ่งหมายความว่าไม่มีการปล่อยมลพิษ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์หรือก๊าซพิษ ทำให้เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจจากมุมมองทางนิเวศวิทยา
หลักการทำงานที่สำคัญ: วัฏจักรสเตอร์ลิงมีพื้นฐานอยู่บนหลักการพื้นฐานสองประการ:
- ความดันภายในแก๊สจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นในปริมาตรปิด
- การบีบอัดของก๊าซด้วยปริมาตรคงที่จะทำให้อุณหภูมิของก๊าซเพิ่มขึ้น
หลักการเหล่านี้ถูกนำไปใช้ผ่านสองห้อง ห้องหนึ่งร้อนและห้องเย็น ซึ่งมีก๊าซที่ใช้งานอยู่ (ซึ่งอาจเป็นฮีเลียม ไฮโดรเจน ไนโตรเจน หรือแม้แต่อากาศ) ก๊าซเคลื่อนที่ระหว่างห้องทั้งสอง ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันที่ขับเคลื่อนลูกสูบ
กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการให้ความร้อนแก่แก๊สในกระบอกร้อน เมื่อถูกความร้อน ก๊าซจะขยายตัวและดันลูกสูบลง จากนั้นก๊าซร้อนจะถูกถ่ายโอนไปยังห้องเย็น ซึ่งจะเย็นตัวลงและความดันลดลงเพื่อให้สามารถบีบอัดได้อีกครั้ง สิ่งนี้จะสร้างการเคลื่อนที่แบบวนรอบของลูกสูบและแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกลที่มีประโยชน์สำหรับการผลิตไฟฟ้าหรือการเคลื่อนย้ายยานพาหนะ
ชิ้นส่วนเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงประกอบด้วยส่วนสำคัญหลายส่วนซึ่งทำงานร่วมกันเพื่อดำเนินการรอบการแปลงพลังงาน:
- กระบอกสูบดิสเพลสเซอร์: รับผิดชอบในการเคลื่อนย้ายก๊าซระหว่างโฟกัสร้อนและเย็น
- กำลังลูกสูบ: การแปลงพลังงานความร้อนของก๊าซให้เป็นงานกลที่สามารถใช้ในการเคลื่อนย้ายเครื่องจักรได้
- เครื่องกำเนิดใหม่: เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ดูดซับความร้อนจากก๊าซเมื่ออยู่ในขั้นตอนการทำความเย็นและส่งคืนเมื่อก๊าซได้รับความร้อนอีกครั้ง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจร
- หัวเผาหรือแหล่งความร้อน: ให้พลังงานความร้อนที่จำเป็นในการทำความร้อนให้กับแก๊ส
- มู่เล่: มันทำหน้าที่เป็นตัวกันโคลงที่รักษาการเคลื่อนที่แบบหมุนสม่ำเสมอ ซึ่งจำเป็นต่อการทำงานอย่างต่อเนื่องของเครื่องยนต์
- เพลาข้อเหวี่ยง: การแปลงการเคลื่อนที่เชิงเส้นของลูกสูบให้เป็นการเคลื่อนที่แบบหมุน
ในส่วนถัดไป เราจะให้รายละเอียดแต่ละขั้นตอนของวงจรการทำงานของเครื่องยนต์เพื่อทำความเข้าใจว่าชิ้นส่วนเหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อสร้างงานทางกลได้อย่างไร
ขั้นตอนของวงจรเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
วงจรการทำงานของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงประกอบด้วยสี่ขั้นตอนต่อไปนี้:
- การขยายตัวของก๊าซร้อน: ความร้อนถูกนำไปใช้กับส่วนหนึ่งของก๊าซในกระบอกร้อนทำให้เกิดการขยายตัว ก๊าซร้อนดันลูกสูบลงเพื่อทำงานทางกล
- ถ่ายโอนไปยังกระบอกสูบเย็น: ก๊าซร้อนจะถูกถ่ายโอนไปยังกระบอกสูบเย็น ซึ่งจะถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว
- การบีบอัดก๊าซเย็น: ก๊าซเย็นจะถูกบีบอัดเมื่อลูกสูบเพิ่มขึ้น เพื่อขจัดความร้อนบางส่วนที่ได้รับในระหว่างขั้นตอนการขยายตัว
- กลับไปที่กระบอกร้อน: ก๊าซอัดจะกลับสู่กระบอกร้อนที่ซึ่งกระบวนการนี้ถูกทำซ้ำ
ข้อดีของเครื่องยนต์ Stirling
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงมีข้อดีหลายประการเหนือเครื่องยนต์สันดาปภายใน:
- การทำงานที่เงียบ: เนื่องจากไม่มีการเผาไหม้ภายใน เครื่องยนต์สเตอร์ลิงจึงทำงานเงียบมาก ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ไวต่อเสียง เช่น เรือดำน้ำหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในเขตเมือง
- ประสิทธิภาพสูง: ความสามารถในการใช้ประโยชน์จากแหล่งความร้อนภายนอกหลายแหล่งและการออกแบบที่มีประสิทธิภาพทำให้สามารถบรรลุประสิทธิภาพที่ใกล้เคียงกับวัฏจักรการ์โนต์ ในการใช้งานเช่น โคเจนเนอเรชั่นประสิทธิภาพนี้มีค่ามาก
- ความยืดหยุ่นในแหล่งความร้อน: เครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถทำงานได้กับแหล่งความร้อนที่หลากหลาย ตั้งแต่เชื้อเพลิงฟอสซิลไปจนถึงพลังงานสะอาดอย่างสมบูรณ์ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์
- ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่ำ: ความจริงที่ว่าก๊าซถูกปิดผนึกหมายความว่ามันไม่ปล่อยก๊าซที่ก่อให้เกิดมลพิษ ทำให้เป็นทางเลือกที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมาก
- ลดการบำรุงรักษา: ด้วยการออกแบบที่เรียบง่ายและไม่มีการระเบิดภายใน เครื่องยนต์สเตอร์ลิงจึงต้องการการบำรุงรักษาค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการเผาไหม้ภายในแบบเดิม
- อายุการใช้งานยาวนาน: การออกแบบที่แข็งแกร่งและความเรียบง่ายของระบบทำให้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ทำให้เครื่องยนต์เหล่านี้มีความคุ้มค่าในการใช้งานในระยะยาว
- เก่งกาจ: ตั้งแต่เรือดำน้ำ เครื่องกำเนิดพลังงานแสงอาทิตย์ ไปจนถึงระบบโคเจนเนอเรชั่น เครื่องยนต์สเตอร์ลิงมีการใช้งานที่หลากหลาย ทำให้เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์สำหรับหลายอุตสาหกรรม
ข้อเสียของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
แม้จะมีข้อดีหลายประการ แต่เครื่องยนต์สเตอร์ลิงก็มีข้อเสียบางประการที่ทำให้การยอมรับในวงกว้างช้าลง:
- ต้นทุนเริ่มต้นสูง: การสร้างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงซึ่งมีตัวแลกเปลี่ยนความร้อนและวัสดุเฉพาะเพื่อให้ทนทานต่อแรงดันและอุณหภูมินั้นมีราคาแพง ซึ่งจำกัดความสามารถในการแข่งขันด้วยเทคโนโลยีอื่นๆ
- ขาดความนิยม: แม้ว่าคุณสมบัติจะน่าประทับใจ แต่การขาดความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับเครื่องยนต์สเตอร์ลิงก็เป็นอุปสรรคต่อการนำไปใช้ในวงกว้าง
- ปัญหาการปิดผนึก: การเก็บรักษาก๊าซที่ใช้งานอยู่อาจมีความซับซ้อน โดยเฉพาะในเครื่องยนต์ที่ทำงานที่แรงดันสูง ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพและความทนทาน
- ขนาดและน้ำหนัก: โดยทั่วไปเครื่องยนต์สเตอร์ลิงจะมีขนาดใหญ่กว่าเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์สันดาปภายในที่มีกำลังใกล้เคียงกัน เนื่องจากความต้องการเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ใหญ่กว่า
- เวลาตอบสนองจำกัด: แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานด้านพลังงานคงที่ แต่เครื่องยนต์สเตอร์ลิงไม่เหมาะสำหรับระบบที่ต้องการการเปลี่ยนแปลงพลังงานอย่างรวดเร็ว เช่น ยานพาหนะ
การใช้งานเครื่องยนต์สเตอร์ลิง
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงพบการใช้งานในหลายประเด็นสำคัญ สิ่งที่น่าสังเกตมากที่สุด ได้แก่:
- การผลิตพลังงานแสงอาทิตย์: ในพื้นที่ที่มีแสงแดดส่องถึง เครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถใช้พลังงานแสงอาทิตย์เข้มข้นเพื่อผลิตไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพในระดับสูง โรงงานทดลองได้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีนี้สามารถแข่งขันได้สูงเมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งพลังงานหมุนเวียนอื่นๆ
- แรงขับเรือดำน้ำ: เนื่องจากการทำงานที่เงียบและไม่มีอากาศสำหรับการเผาไหม้ เครื่องยนต์สเตอร์ลิงจึงถูกนำมาใช้ในเรือดำน้ำสำหรับภารกิจใต้น้ำที่ยาวนาน
- สูบน้ำ: ในพื้นที่ชนบท ซึ่งการขาดแคลนไฟฟ้าอาจเป็นปัญหาได้ เครื่องยนต์สเตอร์ลิงได้ถูกนำมาใช้เพื่อสูบน้ำ เนื่องจากสามารถใช้ชีวมวลหรือเศษพืชผลเป็นแหล่งความร้อน
- งานอุตสาหกรรม: เครื่องยนต์สเตอร์ลิงกำลังถูกทดลองในการใช้งานทางอุตสาหกรรมเพื่อใช้เป็นเครื่องกำเนิดพลังงานเสริมในโรงงานอุตสาหกรรม ซึ่งสามารถใช้ประโยชน์จากความร้อนเหลือทิ้งจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมได้
- เครื่องทำความเย็น: โดยการย้อนกลับวงจรทางอุณหพลศาสตร์ เครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถใช้ในการทำความเย็นด้วยความเย็นเยือกแข็ง โดยมีอุณหภูมิต่ำมาก
เครื่องยนต์สเตอร์ลิงมีความโดดเด่นในด้านความสามารถรอบด้านและประสิทธิภาพสูงในการใช้งานเฉพาะทางที่ต้องการการทำงานอย่างต่อเนื่องและการปล่อยมลพิษต่ำ แม้ว่าจะมีข้อจำกัด แต่ก็เป็นเทคโนโลยีที่มีศักยภาพสูงสำหรับอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และการบูรณาการกับแหล่งพลังงานหมุนเวียน