سنتحدث اليوم عن نوع محرك يختلف عن محرك الاحتراق الداخلي المستخدم تقليديًا. تستخدم المركبات عمومًا محركات تعمل بالطاقة الوقود الأحفوري والتي عادة ما تكون كفاءتها ليست عالية جدًا. وفي هذه الحالة نقدم لك محرك ستيرلينغ. يوفر هذا النوع من المحركات كفاءة أكبر بكثير من محركات البنزين أو الديزل كما أنه صديق للبيئة.
في هذه المقالة سوف نستكشف السمات الرئيسية لمحرك ستيرلنغ وكيفية عمله وما هي مزاياه وعيوبه الرئيسية. وسوف نتعمق أيضًا في بعض الاستخدامات الأكثر شيوعًا لهذا المحرك، والتي يمكن أن تلعب دورًا حاسمًا في تحول الطاقة.
محرك ستيرلينغ
محرك ستيرلنغ هو نوع من محركات الاحتراق الخارجي يستخدم الضغط الناتج عن الغاز الذي يتم تسخينه وتبريده، بدلاً من الاحتراق الداخلي حيث يتم حرق الوقود. وهو اختراع يعود تاريخه إلى عام 1816، عندما صممه وحصل على براءة اختراعه القس الاسكتلندي روبرت ستيرلينغ. كان المقصود من محرك Stirling أن يكون بديلاً أكثر أمانًا للمحرك البخاري الذي سيطر على ذلك الوقت، وقد قدم قدرًا أكبر من الكفاءة والأمان بفضل بنائه البسيط.
على الرغم من أنها واجهت صعوبة في ترسيخ نفسها في التطبيقات واسعة النطاق بسبب القيود التقنية والاقتصادية، إلا أنها تظل ذات أهمية كبيرة في بعض القطاعات، ويرجع ذلك أساسًا إلى عملية هادئة وقدرتها على توليد الطاقة من مصادر مختلفة بما فيها الطاقة المتجددة.
حاليا، يركز استخدامه على غواصات و توليد الكهرباءوخاصة في محطات الطاقة الشمسية، حيث تستفيد محركات ستيرلينغ من حرارة الشمس لتوليد الطاقة بكفاءة. وفي الأقسام التالية، سنستكشف المزيد من التفاصيل حول تشغيله وتطبيقاته.
تشغيل محرك "ستيرلينغ"
يتبع محرك ستيرلينغ دورة ديناميكية حرارية تعرف باسم دورة ستيرلينغوالتي تتكون من أربع مراحل أساسية: التسخين والتمدد والتبريد والضغط. وعلى عكس محركات الاحتراق الداخلي، في محرك ستيرلينغ، يظل الغاز مغلقًا داخل النظام، مما يعني عدم إطلاق أي انبعاثات ملوثة، مثل ثاني أكسيد الكربون أو الغازات السامة. وهذا يجعله خيارًا جذابًا من وجهة نظر بيئية.
مبادئ التشغيل الرئيسية: تعتمد دورة ستيرلينغ على مبدأين أساسيين:
- يزداد الضغط داخل الغاز عندما ترتفع درجة حرارته في حجم مغلق.
- كما أن ضغط الغاز بحجم ثابت يؤدي أيضًا إلى رفع درجة حرارته.
يتم تطبيق هذه المبادئ من خلال حجرتين، واحدة ساخنة والأخرى باردة، تحتويان على الغاز العامل (الذي يمكن أن يكون الهيليوم أو الهيدروجين أو النيتروجين أو حتى الهواء). يتحرك الغاز بين الغرفتين، مما يسبب اختلافات في الضغط الذي يحرك المكابس.
تبدأ العملية بتسخين الغاز في أسطوانة ساخنة. عند تسخينه، يتوسع الغاز ويدفع المكبس إلى الأسفل. يتم بعد ذلك نقل الغاز الساخن إلى غرفة باردة، حيث يبرد ويقل ضغطه مما يسمح بضغطه مرة أخرى. يؤدي ذلك إلى توليد حركة دورية للمكابس وتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية مفيدة لتوليد الكهرباء أو تحريك السيارة.
أجزاء محرك ستيرلينغ
يتكون محرك ستيرلينغ من عدة أجزاء رئيسية تعمل معًا لأداء دورة تحويل الطاقة:
- اسطوانة النزوح: مسؤول عن نقل الغاز بين البؤرة الساخنة والباردة.
- قوة المكبس: تحويل الطاقة الحرارية للغاز إلى عمل ميكانيكي يمكن استخدامه لتحريك الآلة.
- المجدد : مبادل حراري يمتص الحرارة من الغاز عندما يكون في مرحلة التبريد ويعيدها عندما يسخن الغاز مرة أخرى. وهذا يساعد على تحسين كفاءة الدورة.
- الموقد أو مصدر الحرارة: يوفر الطاقة الحرارية اللازمة لتسخين الغاز.
- دولاب الموازنة: إنه بمثابة عامل استقرار يحافظ على حركة دورانية موحدة، وهو أمر ضروري للتشغيل المستمر للمحرك.
- العمود المرفقي: تحويل الحركة الخطية للمكبس إلى حركة دورانية.
في القسم التالي، سنقوم بتفصيل كل مرحلة من مراحل دورة تشغيل المحرك لفهم كيفية تعاون هذه الأجزاء لتوليد العمل الميكانيكي.
مراحل دورة محرك ستيرلينغ
تتكون دورة تشغيل محرك ستيرلينغ من المراحل الأربع التالية:
- توسيع الغاز الساخن: يتم تطبيق الحرارة على جزء من الغاز الموجود في الأسطوانة الساخنة، مما يؤدي إلى التمدد. يقوم الغاز الساخن بدفع المكبس إلى الأسفل، مما يؤدي إلى أداء العمل الميكانيكي.
- نقل إلى الاسطوانة الباردة: يتم نقل الغاز الساخن إلى الاسطوانة الباردة، حيث يتم تبريده بسرعة.
- ضغط الغاز البارد: يتم ضغط الغاز البارد عندما يرتفع المكبس، مما يزيل بعض الحرارة التي اكتسبها خلال مرحلة التمدد.
- العودة إلى الاسطوانة الساخنة: يعود الغاز المضغوط إلى الاسطوانة الساخنة حيث تتكرر العملية.
مزايا محرك "ستيرلنغ"
يتمتع محرك ستيرلينغ بالعديد من المزايا مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلي:
- عملية صامتة: نظرًا لعدم وجود احتراق داخلي، يعمل محرك Stirling بهدوء شديد، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات الحساسة للضوضاء مثل الغواصات أو المولدات الكهربائية في المناطق الحضرية.
- كفاءة عالية: إن قدرته على الاستفادة من مصادر الحرارة الخارجية المتعددة وتصميمه الفعال يسمح له بتحقيق أداء قريب من دورة كارنو. في تطبيقات مثل التوليد المشترك للطاقةهذه الكفاءة قيمة للغاية.
- المرونة في مصادر الحرارة: يمكن لمحرك ستيرلنغ أن يعمل على مجموعة متنوعة من مصادر الحرارة، من الوقود الأحفوري إلى الطاقة النظيفة تمامًا مثل الطاقة الشمسية.
- تأثير بيئي منخفض: وحقيقة أن الغاز مغلق يعني أنه لا ينبعث منه غازات ملوثة، مما يجعله خيارًا بيئيًا للغاية.
- انخفاض الصيانة: بفضل تصميمه البسيط وعدم وجود انفجارات داخلية، يتطلب محرك ستيرلينغ صيانة قليلة نسبيًا مقارنة بتقنيات الاحتراق الداخلي التقليدية.
- حياة طويلة مفيدة: يتيح التصميم القوي وبساطة النظام لمحركات Stirling أن تتمتع بعمر أطول، مما يمنحها قيمة كبيرة في التطبيقات طويلة المدى.
- التنوع: من الغواصات، إلى مولدات الطاقة الشمسية، إلى أنظمة التوليد المشترك للطاقة، يتمتع محرك ستيرلينغ بمجموعة واسعة من التطبيقات، مما يجعله أداة مفيدة للعديد من الصناعات.
عيوب محرك ستيرلينغ
على الرغم من مزاياه العديدة، فإن محرك ستيرلينغ لديه أيضًا بعض العيوب التي أدت إلى إبطاء اعتماده على نطاق واسع:
- ارتفاع التكلفة الأولية: إن بناء محرك ستيرلينغ، بمبادلاته الحرارية والمواد المحددة لتحمل الضغط ودرجة الحرارة، أمر مكلف، مما يحد من قدرته التنافسية فيما يتعلق بالتقنيات الأخرى.
- قلة الشعبية: على الرغم من أن ميزاته مثيرة للإعجاب، إلا أن الافتقار إلى المعرفة العامة حول محرك ستيرلينغ كان عائقًا أمام اعتماده على نطاق واسع.
- مشاكل الختم: يمكن أن يكون الحفاظ على الغاز العامل أمرًا معقدًا، خاصة في المحركات التي تعمل بضغوط عالية، مما يؤثر على أدائها ومتانتها.
- حجم والوزن: عادةً ما تكون محركات ستيرلينغ أكبر حجمًا مقارنة بمحركات الاحتراق الداخلي ذات القدرة المماثلة بسبب الحاجة إلى مبادلات حرارية أكبر.
- وقت الاستجابة محدود: على الرغم من فعاليته في تطبيقات الطاقة الثابتة، فإن محرك ستيرلنغ غير مناسب للأنظمة التي تتطلب تغيرات سريعة في الطاقة، مثل المركبات.
تطبيقات محرك ستيرلينغ
لقد وجد محرك ستيرلينغ تطبيقات في العديد من المجالات الرئيسية. ومن أبرزها:
- توليد الطاقة الشمسية: وفي المناطق المشمسة، يمكن لمحرك ستيرلينغ استخدام الطاقة الشمسية المركزة لتوليد الكهرباء بمستويات عالية من الكفاءة. وقد أظهرت المحطات التجريبية أن هذه التكنولوجيا يمكن أن تكون ذات قدرة تنافسية عالية مقارنة بمصادر الطاقة المتجددة الأخرى.
- الدفع الغواصة: نظرًا لعمله الصامت وغياب الهواء للاحتراق، فقد تم استخدام محرك ستيرلينغ في الغواصات للقيام بمهام طويلة تحت الماء.
- ضخ المياه: في المناطق الريفية، حيث يمكن أن يمثل نقص الكهرباء مشكلة، تم استخدام محرك ستيرلينغ لضخ المياه بفضل قدرته على العمل على الكتلة الحيوية أو بقايا المحاصيل كمصدر للحرارة.
- تطبيقات صناعية: يتم أيضًا تجربة محرك ستيرلنغ في التطبيقات الصناعية كمولدات طاقة مساعدة في المنشآت الصناعية التي يمكنها الاستفادة من الحرارة المهدرة الناتجة عن العمليات الصناعية.
- تبريد: من خلال عكس الدورة الديناميكية الحرارية، يمكن استخدام محركات ستيرلينغ للتبريد المبرد، حيث تصل إلى درجات حرارة منخفضة جدًا.
يتميز محرك Stirling بتعدد استخداماته وكفاءته العالية في التطبيقات المتخصصة التي تتطلب تشغيلًا مستمرًا وانبعاثات منخفضة. وعلى الرغم من محدودياتها، فهي تقنية ذات إمكانات كبيرة للمستقبل، خاصة فيما يتعلق بتقليل البصمة الكربونية والتكامل مع مصادر الطاقة المتجددة.