เครื่องยนต์สเตอร์ลิง

เครื่องยนต์สเตอร์ลิง
เครื่องยนต์สเตอร์ลิง
เกิด	25 ตุลาคม ค.ศ. 1790 ; Methven, Perthshire
เสียชีวิต	6 มิถุนายน ค.ศ. 1878 (87 ปี); Galston, East Ayrshire
สัญชาติ	ชาวสก๊อตแลนด์

เครื่องยนต์สเตอร์ลิง (Stirling Engine) เครื่องยนต์สเตอร์ลิงหรือเครื่องจักรสเตอร์ลิง (Stirling Engine) คือเครื่องยนต์สันดาปภายนอกที่สามารถใช้เชื้อเพลิงได้หลากหลาย ขอให้มีแหล่งพลังงานความร้อน เครื่องยนต์ก็สามารถทำงานได้ ถูกสร้างขึ้นโดย Robert Stirling เมื่อปี ค.ศ. 1816 เป็นที่รู้จักกันในชื่อเครื่องยนต์อากาศร้อน (Hot air engine) โดยจะมีก๊าซบรรจุอยู่ภายในกระบอกสูบ ทำงานโดยอาศัยหลักการที่ว่า เมื่อความร้อนในกระบอกสูบเพิ่มขึ้นจะทำให้อากาศในกระบอกสูบขยายตัว และเมื่อเพิ่มความเย็นให้กับกระบอกสูบด้านตรงข้ามก็จะทำให้อากาศหดตัว ทำให้เกิดแรงดันให้ลูกสูบเคลื่อนที่สลับไปมาที่อยู่ภายในกระบอกสูบ เกิดเป็นพลังงานกลหรืองานอย่างต่อเนื่อง โดยความร้อนจะถูกป้อนให้กับเครื่องยนต์ทางด้านใดด้านหนึ่งแล้วผลิตงานออกมาตราบเท่าที่ยังคงมีความร้อนป้อนอยู่

ความเป็นมาของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง

Robert Stirling เป็นคนประเทศอังกฤษที่มีเชื้อสายสก๊อตแลนด์ โดยมีอาชีพเป็นนักบวชแต่มีงานอดิเรกเป็นนักประดิษฐ์ ซึ่งแรงบัลดาลใจในการผลิตเครื่องยนต์สเตอร์ลิงคือ เขาต้องการผลิตเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพและมีความปลอดภัยมากกว่าเครื่องจักรไอน้ำในสมัยนั้น ที่มักจะมีการระเบิดทำให้มีผู้เสียชีวิต และเขาได้สร้างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงได้สำเร็จในปี ค.ศ. 1816 หลังจากนั้น 55 ปี ทฤษฎีทั่วไปสำหรับการวิเคราะห์เครื่องยนต์สเตอร์ลิงได้พัฒนาขึ้นโดย Gustav Schmidt ในปี 1871 โดยสมการหลักที่ใช้คือ สมการอนุรักษ์มวล สมการสภาวะ , สมการการเคลื่อนที่แบบรูปคลื่นซายน์ (Sinusoidal) และได้พัฒนาต่อมาเรื่อยๆ จนกระทั่งในปี 1958 ห้องปฏิบัติการค้นคว้าฟิลลิปส์ โดย Meijer ได้สร้างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงแบบเบต้าใช้กลไกแบบรอมห์บิค มีการรีเจนเนอร์เรเตอร์ ใช้ไฮโดรเจนเป็นสารทำงานแทนอากาศ ทำให้มีประสิทธิภาพดีขึ้น

ส่วนประกอบของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง

เครื่องยนต์สเตอร์ลิงจะประกอบไปด้วยลูกสูบ 2 กระบอก ซึ่งแต่ละกระบอกจะมีอากาศหรือก๊าซอยู่ภายในและไม่สามารถออกมาภายนอกกระบอกสูบได้ โดยกระบอกที่หนึ่งจะมีอุณหภูมิที่ร้อน ภายในจะมีลูกสูบไล่หรือ ดิสเพลสเซอร์ (Displacer piston) ซึ่งลูกสูบจะมีขนาดเล็กกว่าตัวกระบอกสูบเล็กน้อยเพื่อให้ลูกสูบสามารถไล่อากาศในกระบอกสูบให้เคลื่อนที่อยู่ระหว่างด้านร้อนกับด้านเย็น แต่ลูกสูบไล่ ไม่ใช่ส่วนสำคัญในการสร้างกำลังให้กับเครื่องยนต์ ส่วนกระบอกที่สองเป็นส่วนที่ไม่ได้รับความร้อน โดยภายในจะมีลูกสูบขนาดเล็กที่เรียกว่าลูกสูบกำลัง (Power piston) เป็นส่วนที่สำคัญที่นำกำลังออกจากเครื่องยนต์ทั้งหมด โดยพลังงานที่ได้จากเครื่องยนต์สเตอร์ลิงจะดันให้ล้อตุนกำลังหมุน และส่วนต่าง 90 องศาของหน้าเฟสจะทำให้เครื่องยนต์เคลื่อนที่สลับไปมาเป็นวัฏจักร

วัฏจักรสเตอร์ลิง

วัฏจักรสเตอร์ลิงแบ่งการทำงานออกเป็น 4 ขั้นตอนดังต่อไปนี้

ขั้นตอนที่ 1 เมื่อเพิ่มความร้อนให้กับกระบอกสูบทางด้านซ้าย ก็จะทำให้มีความดันของก๊าซมากขึ้น จึงดันให้ลูกสูบทางด้านขวาเคลื่อนที่ลง

ขั้นตอนที่ 2 เมื่อกระบอกทางด้านขวาเคลื่อนตัวลง ทำให้ก๊าซที่มีความร้อนเคลื่อนที่ไปยังกระบอกสูบทางด้านขวา และถูกทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วด้วยน้ำแข็งเพื่อให้ความดันลดลง

ขั้นตอนที่ 3 เมื่อแรงดันก๊าซลดลง ลูกสูบเย็นก็จะเริ่มเคลื่อนที่ขึ้นมาอัดก๊าซ ความร้อนที่เกิดจากการอัดตัวก็จะระบายออกสู่นอกกระบอกสูบ

ขั้นตอนที่ 4 เมื่อลูกสูบขวาเลื่อนขึ้น ลูกสูบทางซ้ายก็จะเลื่อนลง ทำให้ก๊าซที่อยู่ภายในเกิดการเคลื่อนตัวไปสู่กระบอกสูบทางซ้ายอีกครั้งทำให้วัฏจักรเข้าสู่ ขั้นตอนที่ 1

หลักการทางานของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง

ขั้นตอนที่ 1 ให้ความร้อนกับอากาศภายในกระบอก จึงทำให้มีความดันก๊าซเพิ่มขึ้นดันให้ลูกสูบไล่เคลื่อนที่มาทางด้านขวา ในขณะที่ลูกสูบกำลังยังคงหยุดนิ่ง

ขั้นตอนที่ 2 เมื่อลูกสูบทางด้านร้อนมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น จึงทำให้เกิดแรงดันลูกสูบกำลังเคลื่อนตัวไปทางขวา และเมื่อรับความร้อนจนกระทั่งอุณหภูมิคงตัว ความดันก็จะลดลง

ขั้นตอนที่ 3 เมื่อลูกสูบกำลังเลื่อนมาทางขวาทำให้ล้อตุนกำลังจะหมุนไปพร้อมกับดันลูกสูบไล่เคลื่อนที่ไปทางซ้าย เพื่อไล่ความร้อนออกมาทางด้านเย็นและระบายออกสู่ภายนอกเครื่องยนต์สเตอร์ลิง

ขั้นตอนที่ 4 เมื่อลูกสูบกำลังเคลื่อนกลับมาทางขวา ล้อตุนกำลังก็หมุนไปพร้อมกับดึงลูกสูบไล่กลับมาทางซ้าย ซึ่งทั้งหมดได้กลับมาอยู่ตำแหน่งเดียวกับขั้นตอนที่ 1 และวนเช่นนี้ไปเป็นวัฏจักร

เทคโนโลยีของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงพลังงานแสงอาทิตย์

ระบบจานพาราโบลาร่วมกับเครื่องยนต์สเตอร์ลิง เป็นการผลิตโดยใช้ใช้หลักการแปลงพลังงานจากรังสีดวงอาทิตย์ให้เป็นความร้อน แล้วแปลงพลังงานความร้อนให้เป็นพลังงานกลเพื่อนำไปผลิตไฟฟ้าตามลำดับ โดยระบบจะประกอบไปด้วยจานรวมแสงแบบพาราโบลา เครื่องยนต์สเตอร์ลิง และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ทำงานโดยอาศัยรังสีจากดวงอาทิตย์ที่ตกลงมากระทบกับตัวรวมแสงแบบจานพาราโบลา ซึ่งมีแผ่นสะท้อนแสงหลายชิ้นประกอบรวมกัน และมีเครื่องยนต์สเตอร์ลิงกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าวางอยู่ที่จุดโฟกัสของจานพาราโบลา เมื่อเกิดความร้อนขึ้นที่บริเวณกระบอกสูบทำให้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงทำงาน จึงทำให้มีแรงไปกระทำกับเครื่องกำเนิดไปฟ้าซึ่ง เครื่องยนต์สเตอร์ลิง 1 ชุด จะมีกำลังการผลิตไฟฟ้าอยู่ที่ 25-40 kW แต่ละชุดสามารถทำงานโดยอิสระ และถ้าต้องการกำลังไฟฟ้ามากขึ้น ก็สามารถทำการติดตั่งหลาย ๆ ชุดได้ ซึ่งคล้ายกับระบบการผลิตไฟฟ้าด้วยโซลาร์เซลล์นั่นเอง

อ้างอิง