As aplicações do motor Stirling podem ser divididas em três categorias principais:
- acionamento mecânico
- aquecimento e resfriamento
- Sistemas de geração elétrica
Um motor Stirling é um motor térmico que funciona por compressão cíclica e expansão de ar ou outro gás, o fluido de trabalho. Durante o ciclo Stirling há uma conversão líquida de calor em trabalho mecânico. O motor térmico do ciclo Stirling também funcionará em sentido inverso, usando uma entrada de energia mecânica para conduzir a transferência de calor na direção inversa (ou seja, uma bomba de calor ou refrigerador).
Geração de eletricidade usando um motor Stirling
Energia nuclear
Há potencial para motores Stirling movidos a energia nuclear em usinas de geração de energia elétrica. A substituição das turbinas a vapor de usinas nucleares por motores Stirling poderia simplificar a usina, produzir maior eficiência e reduzir subprodutos radioativos.
Vários projetos de reatores reprodutores usam sódio líquido como refrigerante. Se o calor for usado em uma usina de vapor, é necessário um trocador de calor água/sódio, o que é preocupante, pois o sódio reage violentamente com a água. Um motor Stirling elimina a necessidade de água em qualquer parte do ciclo. Isso teria vantagens para as instalações nucleares em regiões secas.
Energia solar
O motor Stirling fica no foco de um espelho parabólico, um motor Stirling pode converter energia solar em eletricidade com melhor eficiência do que as células fotovoltaicas não concentradas e comparável à fotovoltaica concentrada.
Calor e energia combinados
Em um sistema combinado de calor e energia (CHP), a energia mecânica ou elétrica é gerada da maneira normal, no entanto, o calor residual emitido pelo motor é usado para fornecer uma aplicação de aquecimento secundário. Isso pode ser praticamente qualquer coisa que use calor de baixa temperatura. Muitas vezes, é um uso de energia pré-existente, como aquecimento de ambientes comerciais, aquecimento de água residencial ou um processo industrial.
As usinas termelétricas na rede elétrica usam combustível para produzir eletricidade. No entanto, existem grandes quantidades de calor residual que muitas vezes não são utilizados. Em outras situações, o combustível de alta qualidade é queimado em alta temperatura para uma aplicação de baixa temperatura. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, uma máquina térmica pode gerar energia a partir dessa diferença de temperatura.
Em um sistema CHP, o calor primário de alta temperatura entra no aquecedor do motor Stirling, então parte da energia é convertida em energia mecânica no motor e o restante vai para o resfriador, onde sai em baixa temperatura. O calor "desperdício" na verdade vem do resfriador principal do motor e possivelmente de outras fontes, como exaustão do queimador, se houver.
A energia produzida pelo motor pode ser usada para executar um processo industrial ou agrícola, que por sua vez gera resíduos de biomassa que podem ser usados como combustível livre para o motor, reduzindo os custos de descarte de resíduos. O processo geral pode ser eficiente e lucrativo.
Motor Strirling para saída mecânica e propulsão
Analisamos diferentes casos em que o motor Stirling é usado para obter trabalho mecânico:
Motores automotivos
Afirma-se frequentemente que o motor Stirling tem uma relação potência-peso muito baixa, um custo muito alto e um tempo de partida muito longo para aplicações automotivas. Eles também possuem trocadores de calor complexos e caros. Um resfriador Stirling deve rejeitar duas vezes mais calor que um motor Otto ou radiador de motor diesel.
O aquecedor deve ser feito de aço inoxidável, liga exótica ou cerâmica para suportar as altas temperaturas de aquecimento necessárias para alta densidade de potência e conter gás hidrogênio frequentemente usado em carros Stirling para maximizar a potência. As principais dificuldades envolvidas no uso do motor Stirling em uma aplicação automotiva são tempo de partida, resposta do acelerador, tempo de desligamento e peso, nem todos com soluções prontas.
Motores de aeronaves
Motores Stirling podem ser uma promessa teórica como motores de aeronaves, se alta densidade de potência e baixo custo puderem ser alcançados. São mais silenciosos, menos poluentes, ganham eficiência com a altitude devido às temperaturas ambientes mais baixas, são mais confiáveis devido ao menor número de peças e à ausência de sistema de ignição, produzem muito menos vibração (as fuselagens podem durar mais) e utilizam combustíveis mais seguros e menos explosivos.
No entanto, o motor Stirling geralmente tem baixa densidade de potência em comparação com o motor Otto comumente usado e a turbina a gás de ciclo Brayton. Este problema tem sido um ponto de discórdia em automóveis, e esta característica de desempenho é ainda mais crítica em motores de aeronaves.
Veículos elétricos
Os motores Stirling como parte de um sistema de acionamento elétrico híbrido podem evitar os desafios de design ou desvantagens de um carro Stirling não híbrido.
Em novembro de 2007, o projeto Precer na Suécia anunciou um protótipo de carro híbrido usando biocombustível sólido e um motor Stirling.
Motores marítimos
O motor Stirling pode ser adequado para sistemas de energia submersos onde o trabalho elétrico ou mecânico é necessário em um nível intermitente ou contínuo. A General Motors fez um trabalho considerável em motores de ciclo Stirling avançados que incluem armazenamento térmico para aplicações submarinas. A United Stirling, em Malmo, na Suécia, está desenvolvendo um motor experimental de quatro cilindros que usa peróxido de hidrogênio como oxidante em sistemas de abastecimento subaquáticos.
Motores de bomba
Os motores Stirling podem acionar bombas para mover fluidos como água, ar e gases. Por exemplo, a potência ST-5 da Stirling Technology Inc. de 5 cavalos de potência (3,7 kW) que pode operar um gerador de 3 kW ou uma bomba de água centrífuga.
Usando o motor Stirling para aquecimento e resfriamento
Se fornecido com energia mecânica, um motor Stirling pode funcionar ao contrário como uma bomba de calor para aquecimento ou resfriamento. No final da década de 1930, a Philips Corporation da Holanda usou com sucesso o ciclo Stirling em aplicações criogênicas. Experimentos foram realizados usando energia eólica acionando uma bomba de calor de ciclo Stirling para aquecimento doméstico e ar condicionado.