Stirling Engine Study

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Stirling Engine Study

  1. 1. Universidade de Évora Energia Solar Térmica 2012/2013 Discentes: Docente: Paulo Canhoto Davide Pereira nº29233 ERR Ricardo Andrade nº29592 EER Sistemas de Concentração com Motor de Stirling
  2. 2. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 1 Energia Solar Térmica 2012/2013 Índice Índice……………………………...…………………………………………………...1 Introdução ............................................................................................................2 História ...................................................................................................................3 Esquema do Motor de Stirling............................................................................4 Ciclo Termodinâmico do Motor de Stirling......................................................5 Tipos de Motor de Stirling....................................................................................7 Motor de Stirling Ideal e seu Funcionamento .................................................9 Possíveis Aplicações do Motor de Stirling……………………….....………….13 Prós e Contras do Motor de Stirling em Geral……………..…........…………15 Vantagens e Desvantagens dos diversos Motores de Striling…...……......17 Atividade Laboratorial……………………………………………….......……….18 Objetivos………….....……………………………………………………….18 Material utilizado……………………………………………...…………….18 Calibrações………………………………...………………………………..19 Equações usadas……………………………………......………………....20 Conversão da área dos gráficos obtidos para Energia………...….21 Tabelas dos Resultados……………………………………………………24 Comparação entre gráficos……………………………………………..25 Fotos do esquema de montagem……………………………..……….25 Dificuldades na Atividade Laboratorial………………………………..27 Conclusões da Atividade Laboratorial……………………………...…28 Considerações Finais…………………………………….………………………..30 Bibliografia……………………….…………………………………………...……..32
  3. 3. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 2 Energia Solar Térmica 2012/2013 Introdução Este trabalho tem como tema “Sistema de concentração com Motor de Stirling” e consiste no estudo de um Motor de Stirling, abordando tópicos como a sua história/origem, o seu funcionamento, as suas vantagens e desvantagens, as suas aplicações; sendo também nos proposto um ensaio (medições) de um Motor de Stirling no laboratório, obtendo conclusões face a várias condições de funcionamento do mesmo. Escolhemos este tema, devido ao facto de o Motor de Stirling nos ter parecido um mecanismo bastante interessante, que na nossa opinião, poderá vir a ter várias aplicações futuras, nomeadamente no aumento do rendimento de um motor de combustão externa, combatendo deste modo a nossa dependência face aos combustíveis fósseis, diminuindo também a emissão de GEE. Por fim, mas de forma não menos importante, podemos felizmente afirmar que este sistema está diretamente relacionado com a energia renovável Solar Térmica, devido ao facto de aproveitar o potencial energético do Sol como chave para o funcionamento do Motor de Stirling.
  4. 4. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 3 Energia Solar Térmica 2012/2013 História Este mecanismo foi inventado por Robert Stirling em 1816, com auxílio do seu irmão, também engenheiro, de modo a substituir os motores a vapor da época, que explodiam com muita frequência, provocando imensas mortes em acidentes devido ao rompimento das caldeiras que eram sujeitas a condições de pressões muito elevadas. A sua primeira aplicação foi em 1818, tendo sido construído um Motor de Stirling para bombear água numa pedreira. Ao longo do tempo, este motor foi aperfeiçoado, pelo que em 1843 foi utilizado para mover máquinas numa fundição. Para além desta invenção ter apresentado condições mais seguras de funcionamento, ostentava uma maior eficácia relativamente aos outros motores, devido ao facto de conter um regenerador (economizador), permitindo obter uma maior eficiência relativamente aos motores de gasolina, diesel e máquinas a vapor e ainda a capacidade de economizar energia. Figura 1 - Robert Stirling Figura 3 - Máquina a Vapor Figura 2 - Motor de Stirling
  5. 5. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 4 Energia Solar Térmica 2012/2013 Esquema do Motor de Stirling Principais componentes: Figura 4 - Motor de Stirling utilizado na Actividade Laboratorial Fonte Quente (Resistência) Cilindro de trabalho Pistão desfasado para passagem de gás Lã de cobre (Regenerador) Pistão de trabalho Fonte Fria (mangueira de água de refrigeração) Câmara onde a água fria flui) Rolamentos do pistão excentricamente desfasados em sentido inverso aprox.90°
  6. 6. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 5 Energia Solar Térmica 2012/2013 Ciclo Termodinâmico do Motor de Stirling Este tipo de motor funciona através de um Ciclo Termodinâmico, constituído por 4 fases, sendo executado em dois tempos do pistão. As fases que compõem o ciclo são: 1. Expansão isotérmica: O gás é aquecido por uma fonte de calor externa até que a temperatura fique constante, enquanto se dá o processo de expansão; 2. Resfriamento isocórico: Nesta fase o calor é retirado do gás; 3. Compressão isotérmica: Dá-se um resfriamento do gás enquanto o volume diminui, de modo a que a temperatura não aumente; 4. Aquecimento isocórico: Dá-se um aquecimento do gás até à sua temperatura inicial, recomeçando o ciclo. Figura 5 - Ciclo de Stirling/ Funcionamento do Motor de Stirling
  7. 7. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 6 Energia Solar Térmica 2012/2013 Posto isto, existem dois pressupostos que são essenciais para a compreensão do Motor de Stirling, sendo estes:  Se tivermos uma quantidade fixa de gás num volume também fixo e a temperatura desse mesmo gás aumentar, irá haver conjuntamente um aumento de pressão;  Se tivermos uma quantidade fixa de gás e se nós o comprimir-mos (diminuição de volume) a temperatura do gás irá aumentar. Deste modo, podemos comparar e afirmar que o Ciclo de Stirling se assemelha bastante com o Ciclo de Carnot, que estabelece o limite teórico máximo de rendimento das máquinas térmicas. Resumidamente, podemos dizer que o funcionamento do Motor de Stirling consiste basicamente na expansão e contração do gás dentro dos cilindros. Isto ocorre, devido a diferenças de temperatura, produzindo deste modo um movimento alternado dos pistões ligados a um eixo comum, gerando posteriormente a rotação do disco incorporado no eixo. Figura 6 - Ciclo de Stirling Figura 7 - Ciclo de Carnot
  8. 8. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 7 Energia Solar Térmica 2012/2013 Este tipo de motor é considerado uma máquina de ciclo fechado, isto é, um ciclo em que o fluído de trabalho nunca abandona o interior do motor, ao contrário dos motores de combustão interna. Relativamente ao gás utilizado, este é principalmente o ar, hélio ou hidrogénio pressurizado, pelo facto de estes serem gases com elevada condutividade térmica e baixa viscosidade, ou seja, têm a capacidade de transportar energia térmica mais rapidamente e de ter uma menor resistência ao escoamento, permitindo diminuir as perdas de atrito. Existem diversos tipos de Motor de Stirling, porém todos funcionam no princípio anteriormente referido, diferindo fatores como a disposição dos cilindros e pistões. Os três grandes tipos de Motor de Stirling são:  Alpha  é constituído por dois pistões em cilindros separados, sendo estes últimos ligados exteriormente pelo regenerador; Figura 6 - Modelo "Alpha"
  9. 9. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 8 Energia Solar Térmica 2012/2013  Beta  é constituído apenas por um cilindro, pelo que os dois pistões funcionam dentre dele. O pistão que atua na zona da fonte quente encontra-se solto relativamente às paredes do cilindro, permitindo deste modo as permutas de ar entre a zona quente e fria;  Gamma  é constituído por um mecanismo semelhante ao “Alpha”, apenas diferindo no facto de o regenerador neste caso estar incluído no corpo do motor, ao invés de estar separado como no anterior. Figura 7 - Modelo “Beta” Figura 8 - Modelo "Gama"
  10. 10. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 9 Energia Solar Térmica 2012/2013 Motor de Stirling Ideal e o seu Funcionamento Vamos agora descrever o processo de funcionamento de um Motor de Stirling Simplificado de dois cilindros, sendo este último o motor ideal. Primeiramente este tem um esquema em que consiste num motor com dois cilindros, em que um é aquecido por uma fonte externa e outro é resfriado também por uma fonte externa. As câmaras de gás dos dois cilindros são conectadas e os pistões são também conectados um ao outro por uma articulação mecânica que determina o modo de movimentação entre eles. Neste tipo de Motor de Stirling existem quatro partes (ideais), sendo estas as apresentadas abaixo (começando por uma posição inicial não incluída nas quatro): Parte Inicial – Esta é a posição inicial dos pistões antes de ser adicionado qualquer calor ao sistema. Figura 9 - Posição inicial do Ciclo de Stirling
  11. 11. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 10 Energia Solar Térmica 2012/2013 1. O calor é adicionado ao gás no interior do cilindro no lado da fonte quente, causando o aumento da pressão, fazendo com que o pistão se mova para baixo. Esta é a parte do ciclo Stirling que realiza trabalho; 2. De seguida o pistão esquerdo move-se para cima enquanto o pistão direito se move para baixo. Isto vai empurrar o gás aquecido para o cilindro resfriado, o que arrefece rapidamente o gás para a temperatura igual à da fonte fria, baixando também desta maneira a sua pressão. Isto facilita comprimir o gás na próxima parte do ciclo; Figura 10 - Expansão isotérmica Figura 11 - Resfriamento Isocórico
  12. 12. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 11 Energia Solar Térmica 2012/2013 3. O pistão no cilindro resfriado (direito) começa a comprimir o gás. O calor gerado por essa compressão é removido pela fonte de resfriamento; 4. O pistão direito move-se para cima enquanto o pistão esquerdo se move para baixo. Isto força o gás a ir para o interior do cilindro da fonte quente, onde vai ser aquecido rapidamente, aumentando a assim a sua pressão, ponto no qual o ciclo se repete. Figura 12 - Compressão Isotérmica Figura 13 - Aquecimento Isocórico
  13. 13. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 12 Energia Solar Térmica 2012/2013 O Motor de Stirling somente gera potência durante a primeira parte do ciclo, pelo que existem duas maneiras principais de aumentar a sua produção:  Aumentar a potência na parte 1 – nesta parte do ciclo, a pressão do gás aquecido empurra o pistão, realizando deste modo trabalho. Se aumentarmos a temperatura da fonte quente, irá haver uma maior pressão, fazendo com que o pistão se movimente mais rápido. Uma forma de aumentarmos a tal temperatura é de implantarmos no motor um regenerador, que é um dispositivo que tem a capacidade de armazenar calor temporariamente. Quando o gás é “empurrado” pelo pistão esquerdo para a fonte fria, parte do calor fica retido no regenerador, fazendo com que diminua a quantidade de calor a ser retida pelas aletas de resfriamento. De seguida, quando o pistão direito volta a impulsionar o gás para a fonte quente, este absorve o calor que estava retido no permutador, aumentando deste modo a temperatura do gás da fonte quente.  Diminuir o consumo de potência no estágio 3 - na parte 3 do ciclo, os pistões realizam trabalho sobre o gás, consumindo uma parte da potência produzida na parte 1. Se houver uma diminuição na temperatura da fonte fria, irá fazer com que haja uma menor pressão, logo o pistão direito se consegue mover para cima com uma maior facilidade. Estes dois ajustes no processo irão aumentar a produção de potência na primeira parte e reduzir a potência consumida durante a
  14. 14. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 13 Energia Solar Térmica 2012/2013 terceira parte do ciclo, aumentando efetivamente a potência final produzida pelo motor e consequentemente a sua eficiência. Possíveis aplicações do Motor de Stirling Produção de energia: Esta é a sua aplicação mais comum e prática, pois pode utilizar diversas fontes de energia, como combustíveis fósseis, assim como energias renováveis, como o sol. Este sistema pode ter a funcionalidade de funcionar como geradores de eletricidade, em lugares onde não seja possível chegar a mesma por via da rede elétrica, tendo como exemplo as aldeias isoladas, submarinos, iates, …. Os sistemas Concentrador/Stirling baseiam-se num refletor parabólico isolado que concentra luz num recetor posicionado para absorver a radiação direta do sol, devido à sua capacidade de seguir o movimento solar através de dois eixos. O fluido de trabalho localizado no recetor é aquecido a 250-700ºC e depois é incorporado num Motor de Stirling para gerar energia, pelo que resto funciona de acordo com o Ciclo de Stirling. Entre as diversas tecnologias CSP, o seu carácter modular facilita a construção em grande escala. Este tipo de utilização representa a mais eficiente de todos os sistemas de concentração solar, tendo rendimentos por volta dos 30%. Locomoção: Este tipo de motor já foi aplicado em meios de transporte, aumentando
  15. 15. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 14 Energia Solar Térmica 2012/2013 um pouco o rendimento, porém, devido ao baixo torque que este produzia relativamente ao dos motores de veículos, e ao facto de demorar bastante a arrancar, esta aplicação foi abandonada. Por outro lado são bastante usados em submarinos, principalmente devido ao facto de serem bastante silenciosos e não emitirem vibração durante o seu funcionamento e também porque permitem que os mesmos possam passar debaixo de água até várias semanas. Refrigeradores: Ao invés de utilizar energia calorifica para criar uma diferença de temperatura e gerar energia mecânica, os motores de stirling também podem funcionar do modo contrário. Isto é, existe um fornecimento de energia mecânica ao motor e este gera uma diferença de temperatura, trabalhando deste modo como um refrigerador, como por exemplo, num ar acondicionado. Atualmente, este tipo de motores já conseguem atingir temperaturas menores que 60K.
  16. 16. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 15 Energia Solar Térmica 2012/2013 Prós e Contas do Motor de Stirling em Geral O Motor de Stirling, como todos os motores, apresenta diversas vantagens e desvantagens que devem ser analisadas. Vantagens:  É pouco poluente, pois a combustão é contínua, e não intermitente, o que permite uma queima mais completa e eficiente do combustível e ainda pelo facto de haver emissão de gases quase nula;  Baixo desgaste interno e consumo de lubrificante;  É muito silencioso e apresenta baixa vibração;  Pode utilizar praticamente qualquer fonte energética como combustível: gasolina, etanol, metanol, gás natural, óleo diesel, biogás, GLP, energia solar, calor geotérmico e outros;  Apresenta uma eficiência global superior a qualquer motor térmico;  Mais amigo do ambiente Figura 14 - Sistema de Concentração Solar com Motor de Stirling
  17. 17. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 16 Energia Solar Térmica 2012/2013 Desvantagens:  Apresenta algumas dificuldades em iniciar, assim como variar a sua rotação rapidamente, o que torna difícil o seu uso em automóveis;  Podem surgir problemas técnicos relacionados com o sistema de vedação do fluido de trabalho, pois se forem utilizados gases inertes e leves como o hidrogénio e o hélio, caso estes sejam expostos a elevadas pressões, poderão escapar para o exterior.  Os Motores de Stirling são mais caros que um Motor a Diesel da mesma potência, quer na adquirição, quer na manutenção.
  18. 18. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 17 Energia Solar Térmica 2012/2013 Vantagens e Desvantagens dos diversos tipos de motores de Stirling: Alpha Vantagens: Possui um arranjo simples; O facto de possuir um regenerador aumenta o seu rendimento, pois deste modo é possível reaproveitar algum calor que seria dissipado ou “empurrado” para a fonte fria; Podem ser construídos com elevadas potências de saída. Desvantagens: Ambos os pistões necessitam de vedação por conter gás de trabalho. Beta Vantagens: Permite obter eficiências superiores ao motor de modelo Gamma. Desvantagens: O facto de as hastes do pistão de deslocamento e o de trabalho estarem alinhadas torna o mecanismo complicado. Gamma Vantagens: Possui regenerador, que aumenta a eficiência térmica do motor; Relativamente a este motor, a parte quente é separada do permutador de calor pelo que o gás é possibilitado de fluir livremente entre os dois cilindros; Permite funcionar com pequenas diferenças de temperatura. Desvantagens: Não permite gerar uma grande quantidade de potência.
  19. 19. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 18 Energia Solar Térmica 2012/2013 Atividade Laboratorial Objetivos: Esta parte experimental do trabalho teve como objetivos a visualização do funcionamento de um Motor de Stirling, seguida por uma recolha de dados para diferentes condições, para posteriores conclusões/discussões sobre os resultados obtidos, como por exemplo a energia produzida pelo motor. Material utilizado:  Motor de Stirling (Leybold, 388 18/20);  Osciloscópio;  Duas Fontes de Tensão;  Aparelho de conversão de pressão para tensão (caixa azul);  Dois multímetros;  Fonte de alimentação da resistência do motor;  Fios de condução;  Crocodilos. Parâmetros a ter em conta para o Sensor de Volume: 1. Resistência máxima = 10KΩ; 2. Intensidade de corrente = 0,001101 A; 3. Diferença de Potencial = 11,01 V. De modo a podermos extrair dados para posterior tratamento dos mesmos, tivemos de fazer algumas conversões no caso do osciloscópio. Estas últimas consistiram no facto de a escala do visor do osciloscópio ter sido representada por quadrados, cada um dividido em 5 partes.
  20. 20. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 19 Energia Solar Térmica 2012/2013 Falando da escala imposta nos canais 1 e 2, podemos dizer que no eixo xx cada quadrado representava 0,05V e no eixo yy 0,1V, havendo deste modo a necessidade de converter a tensão obtida relativa ao número de quadrados a partir dos valores acima mencionados (representados nas tabelas abaixo, nas colunas “Eixo xx e Eixo yy”). Calibrações  Do Sensor de Pressão: A Curva de Calibração do Sensor de Pressão era linear, logo a conversão de volts para Pascal foi realizada através da curva do mesmo, cuja equação era linear, em que 1 volt correspondia a 2,0×105 Pa.  Do Sensor de Volume: Esta calibração necessitou de ter em conta a Tensão fornecida ao Sensor de Volume e a sua Resistência máxima. Deste modo, obtemos um valor de corrente fixo que passava no Sensor de Volume (0,001101 A), sendo este valor utilizado para calcular a variação da resistência (∆R) de acordo com a tensão obtida no osciloscópio (∆V). Foi-nos indicado que a Resistência máxima do sensor de pressão (10KΩ) corresponde ao deslocamento máximo do fio (1,5m). O deslocamento do fio (X) é o que determina a variação do volume no cilindro do motor (∆𝑉𝑐𝑖𝑙), pelo que obtivemos uma fórmula que relaciona diretamente a tensão no osciloscópio (∆V) com o volume no cilindro (∆𝑉𝑐𝑖𝑙).
  21. 21. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 20 Energia Solar Térmica 2012/2013 Equações usadas de modo a obter os valores pretendidos: 10KΩ ------------ 1,50 m ∆𝑹 ------------------- X 𝐕𝐜𝐢𝐥 = 𝐀𝐛𝐚𝐬𝐞 × 𝐗  𝐕𝐜𝐢𝐥 = 𝛑 𝐫 𝟐 𝐗  𝐕𝐜𝐢𝐥 = 𝛑 𝟎, 𝟎𝟑 𝟐 𝐗 𝐗 = ∆𝐑 × 𝟏, 𝟓𝟎 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐕 = 𝐑 × 𝐈  𝐈 = 𝐕 𝐑 ∆𝐑 = ∆ 𝐕 𝐈 𝐗 = ∆𝐕 × 𝟏, 𝟓𝟎 𝐈 × 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐕𝐜𝐢𝐥 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟏𝟑𝟓 𝝅 ∆𝐕 𝟏𝟏, 𝟎𝟏
  22. 22. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 21 Energia Solar Térmica 2012/2013 Conversão da área (cm2) dos gráficos obtidos para Energia (J) Após calcularmos a área, dos vários gráficos obtidos para cada experiência, tivemos que a converter para o seu valor de energia respetiva. Para tal, tivemos que fazer alguns cálculos de modo a calcular esta energia. A primeira etapa consistiu em calcular quantos joules (energia) correspondiam a uma quadrícula no osciloscópio. Para isto, tivemos que calcular qual o valor da pressão (Pa) e de volume (m3) por divisão no eixo yy e xx no osciloscópio, respetivamente. Sabendo que a saída do sensor de pressão é de 1 volt/2000 hPa e que cada divisão no osciloscópio no eixo yy representa 0,1 Volt, com isto concluímos que cada divisão neste eixo vale 200 hPa (20000Pa). 1 Volt---------------------------200000 (Pa) 0,1 Volt (1 divisão) -----------x (Pa) x=20000 Pa/div. Relativamente ao eixo do x, sabemos que a escala da divisão é 0,05 Volts, isto é, cada divisão corresponde a este valor. Sabendo isto, fomos calcular qual o volume que corresponde a 0,05 Volts na equação obtida anteriormente, que relaciona o Volume com a variação da Tensão no osciloscópio. 𝐕𝐜𝐢𝐥 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟏𝟑𝟓 𝝅 ∆𝐕 𝟏𝟏, 𝟎𝟏
  23. 23. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 22 Energia Solar Térmica 2012/2013 Pelo que obtivemos o valor que corresponde ao volume por cada divisão no eixo xx do osciloscópio: 𝐕 = 𝟏, 𝟗𝟐𝟔𝐱𝟏𝟎−𝟓 𝒎 𝟑 /𝐝𝐢𝐯 Tendo o valor da pressão (Pa) e do volume de cada divisão (m3), podemos calcular a energia que corresponde ao volume de uma quadrícula no osciloscópio através da sua multiplicação. Equadrícula=20000 x 1,926x10-5 = 0,386 J Logo, obtemos 0,386 Joules de energia por centímetro quadrado de área do gráfico (0,386J/cm2), visto que cada quadrícula no osciloscópio tem 1 centímetro quadrado de área. De modo a obter o valor da energia correspondente à área (A) de cada gráfico que calculámos, bastou multiplicar esta área pelo valor da energia por unidade de área, obtido anteriormente 0,386J/cm2). Esta fórmula permite-nos converter diretamente o valor da área do gráfico (cm2) em energia produzida pelo Motor de Stirling. Este valor varia à medida que alteramos as suas condições de funcionamento, como a temperatura da fonte quente e o caudal de água fornecida à fonte fria. 𝐄 𝐪𝐮𝐚𝐝𝐫𝐢𝐜𝐮𝐥𝐚 = 𝐏 × 𝐕 [J/cm2 ] 𝐄 𝐠𝐫á𝐟𝐢𝐜𝐨 = 𝐀 𝐱 𝐏 × 𝐕 = 0,386 × A [J]
  24. 24. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 23 Energia Solar Térmica 2012/2013 Abaixo estão as tabelas dos dados que recolhemos no decorrer da experiência, bem como os resultados obtidos face às calibrações e equações apresentadas de seguida: Tabela 1 - Valores para o primeiro caudal médio (5,1×10-6 m3/s) Tabela 2 - Valores para o segundo caudal (16×10-6 m3/s) Caudal médio = 5,1×10-6 m3/s Tensão fornecida à fonte quente (V) Volume Eixo xx (V) Pressão Eixo yy (V) Eixo xx (m3) (×10-6) Eixo yy (KPa) Área do gráfico (cm2) Energia obtida (J) 8 0,255 0,400 98,228 80 3,315 1,280 10 0,265 0,480 102,080 96 4,77 1,841 12 0,290 0,520 111,711 104 4,72 1,822 14 0,320 0,600 123,266 120 5,655 2,183 Caudal médio = 16×10-6 m3/s Tensão fornecida à fonte quente (V) Volume Eixo xx (V) Pressão Eixo yy (V) Eixo xx (m3) (×10-6) Eixo yy (Kpa) Área do gráfico (cm2) Energia obtida (J) 8 0,270 0,500 104,006 100 3,32 1,282 10 0,290 0,520 111,711 104 3,84 1,482 12 0,310 0,560 119,415 112 3,9 1,505 14 0,310 0,580 119,415 116 3,69 1,424
  25. 25. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 24 Energia Solar Térmica 2012/2013 Comparação entre gráfico teórico do Ciclo e o obtido no osciloscópio Com este gráfico obtido, podemos afirmar que conseguimos notar algumas semelhanças face ao Ciclo teórico, no entanto existem algumas discrepâncias que se deveram possivelmente a erros de medições e incertezas dos instrumentos. Podemos concluir que é impossível se obter um rendimento igual ao do Ciclo de Stirling Ideal. Figura 15 - Ciclo de Stirling Teórico Figura 16 - Ciclo de Stirling obtido
  26. 26. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 25 Energia Solar Térmica 2012/2013 Fotos do Esquema de Montagem Figura 17 - Esquema de montagem 1/2 Figura 18 - Esquema de Montagem 2/2 Figura 16 - Osciloscópio Figura 15 - Sensor de Volume Figura 19 - Sensor de Pressão Figura 21 - Multímetro
  27. 27. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 26 Energia Solar Térmica 2012/2013 Figura 17 - Fonte de Tensão Figura 23 - Fonte de Alimentação Figura 24 - Conversor para Tensão
  28. 28. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 27 Energia Solar Térmica 2012/2013 Dificuldades no Atividade Laboratorial Durante a execução deste trabalho passámos por algumas dificuldades inesperadas. O principal obstáculo que encontrámos foi o facto de a resistência do Motor de Stirling se ter partido, pelo que tivemos que adiar a experiência para dias mais tarde do que estava planeado. Felizmente, conseguimos realizar a atividade usando a mesma resistência. Outro aspeto que nos dificultou o trabalho foi o facto de termos tido pouco tempo para a realização de mais atividades laboratoriais que gostaríamos de ter tido feito, entre elas, o uso do Motor de Stirling de concentração solar, cuja fonte quente era os raios solares que eram captados e refletidos através de uma parabólica solar para a câmara quente do mesmo. Também gostaríamos de ter construído um pequeno Motor de Stirling, porém, a falta de tempo também nos prejudicou neste sentido.
  29. 29. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 28 Energia Solar Térmica 2012/2013 Conclusões da Atividade Laboratorial A parte laboratorial consistiu basicamente em analisar os valores de potência obtidos para diversos caudais de água e tensão fornecidos à fonte quente (resistência). Os resultados foram obtidos a partir da ligação do sensor de pressão e do sensor de volume ao osciloscópio, pelo que os valores observados, em xx (Volt) e yy (Volt) tiveram de ser convertidos nas suas respetivas unidades, xx (m3) yy( Pa), através de vários cálculos de calibração dos dois sensores. Variámos os valores da tensão fornecida à fonte quente, que consistia numa resistência, de modo a aumentar a sua temperatura. O aumento desta temperatura permitiu obter mais energia, como explicado na parte teórica. A variação do caudal de água influencia diretamente a temperatura da fonte fria e consequentemente a energia produzida, pelo que com o aumento do caudal de água deveria aumentar a energia produzida pelo motor, visto que havia uma maior diferença de temperatura entre as fontes fria e quente. Face aos resultados alcançados, concluímos que algo não correu como esperado, devido ao facto de a energia produzida pelo Motor de Stirling ter aumentado com a diminuição do caudal de água. O seguinte gráfico mostra os resultados obtidos da energia (J) em função da tensão fornecida à fonte quente (resistência) para diferentes caudais impostos à fonte fria. Como se pode analisar, a energia aumenta com a diminuição do caudal, o que achamos que não está correto.
  30. 30. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 29 Energia Solar Térmica 2012/2013 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 EnergiaProduzida(J) Tensão Fornecida (V) Caudal médio = 16×10-6 m^3/s Caudal médio = 5,110-6 m^3/s Gráfico 1 – Energia em função da Tensão para diferentes caudais
  31. 31. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 30 Energia Solar Térmica 2012/2013 Considerações finais A realização deste trabalho permitiu-nos conhecer e perceber o funcionamento do Motor e respetivo Ciclo de Stirling, um ciclo termodinâmico de grande importância e com várias aplicações. Apesar de os resultados não coincidirem com o que era teoricamente esperado, concluímos a partir do desenvolvimento do trabalho teórico que para uma maior diferença de temperatura entre a fonte quente e a fonte fria, existe uma maior potência extraída, isto é, a velocidade do ciclo aumenta quanto maior for a variação da temperatura nas duas câmaras. Este motor tem diversas aplicações como já referimos, mas, a sua principal utilização que nos interessa, é no setor das energias renováveis, isto é, utilizando o sol como fonte quente. Esta aplicação é bastante eficiente, visto que os raios solares, quando concentrados num ponto, conseguem transmitir uma quantidade elevada de radiação o que permite absorver grandes quantidades de energia e posteriormente gerar potência. Falando nos sistemas de Concentração/Stirling em particular, podemos dizer que este se trata de uma aplicação que produz energia limpa, sem emissão de poluentes e que causa pouquíssimo impacto ambiental. Além disso, é uma forma de descentralizar a geração elétrica e aliviar o sistema atualmente sobrecarregado, garantindo uma maior segurança e estabilidade. No entanto, ainda deve haver uma evolução tecnológica que permita diminuir o preço dos componentes do conjunto Concentrador/Stirling para que a sua instalação possa ser tornada mais viável nas regiões do país que o mais necessitam, isto é, nas zonas
  32. 32. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 31 Energia Solar Térmica 2012/2013 isoladas dos grandes centros urbanos. Enquanto se consegue adquirir um gerador a diesel de 7,5 kW por cerca de 1500€, um equipamento concentrador/Stirling da mesma potência não custa menos que 50000€. Contudo, as perspetivas são otimistas, enquanto que, hoje um protótipo custa em média 4500€/kW, estima-se que em 2030 este custará 300€/kW. As expectativas para o futuro deste tipo de sistema (Concentração/Stirling) passam também por investimentos de grande escala, que consiste em construir grandes instalações de produção de energia através de milhares de dispositivos Concentrador/Stirling. De modo a combater os problemas associados ao aquecimento global devido às elevadas emissões de carbono para atmosfera, é muito importante apostar em sistemas de produção de energia a partir de fontes renováveis, como o vento, os oceanos, a biomassa e o sol, cujas emissões de carbono são praticamente nulas, pelo que o motor de Stirling representa um ótimo exemplo para esta luta. Portugal apresenta excelentes condições de aproveitamento da energia solar, pelo que seria bastante vantajoso a vários níveis (económicos, ambientais, etc.) a implementação de mais sistemas solares para a produção de energia elétrica. Consideramos este trabalho bastante importante na nossa aprendizagem, pois sentimos que é de grande importância relacionar conhecimentos teóricos, aprendidos nas aulas, com conhecimentos práticos, como o manuseamento de diversos materiais, de forma adquirir experiências que nos podem ser úteis num futuro próximo.
  33. 33. Sistemas de Concentração com Motor de Stirling 32 Energia Solar Térmica 2012/2013 Bibliografia http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling; http://ciencia.hsw.uol.com.br/motores-stirling.htm; http://wikienergia.com/~edp/index.php?title=Concentra%C3%A7%C3% A3o_de_energia_solar; http://auto.howstuffworks.com/stirling-engine1.htm; http://sites.poli.usp.br/d/pme2600/2007/Artigos/Art_TCC_031_2007.pdf; http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAQD8AC/ciclo-stirling; http://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/ciclo_stirling.htm; http://motorstirling.wordpress.com/fundamentacao-teorica-2/; http://motor-stirling-solar.blogspot.pt/p/historia.html; http://motor-stirling-solar.blogspot.pt/p/vantagens-e-desvantagens.html.

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