เครื่องยนต์สเตอร์ลิง

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

โรเบิร์ต สเตอร์ลิง
เกิด	25 ตุลาคม ค.ศ. 1790 Methven, Perthshire
เสียชีวิต	06 มิถุนายน ค.ศ. 1878 (87 ปี) Galston, East Ayrshire
สัญชาติ	ชาวสก๊อตแลนด์
ชาติพันธุ์	ชาวอังกฤษ

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

• http://powerelement4.blogspot.com/ Appendix B Solar Stirling Engine
• http://www.rmutphysics.com/charud/naturemystery/stiring%20engine/index.htm
• http://design.ipst.ac.th/docu/photo/D005.pdf
• http://www.cssckmutt.in.th/cssc/cssc_classroom/Solarenergy/Assignment/SolEn54/SolEn54_Doc/19_StirlingEngine.docx
• http://www.energy.ca.gov/sitingcases/solartwo/documents/applicant/afc/volume_02+03/MASTER_Appendix%20B.pdf
• http://e-org.e-tech.ac.th/e-org/depart/pakindustry/attachments/category/2012/%E0%B9%80%E0%B8%84%E0%B8%A3%E0%B8%B7%E0%B9%88%E0%B8%AD%E0%B8%87%E0%B8%A2%E0%B8%99%E0%B8%95%E0%B9%8C%E0%B8%AA%E0%B9%80%E0%B8%95%E0%B8%AD%E0%B8%A3%E0%B9%8C%E0%B8%A5%E0%B8%B4%E0%B8%87.pdf