Moteur Stirling
Le moteur Stirling est un moteur à combustion externe et à fluide de travail en cycle fermé. Le fluide est un gaz soumis à un cycle comprenant quatre phases : chauffage isochore (à volume constant), détente isotherme (à température constante), refroidissement isochore et enfin la compression isotherme.
Robert Stirling a inventé en 1816 le moteur à air chaud mais, pour améliorer son efficacité. Il l’a muni d’une modification suffisamment importante pour lui donner un réel développement : un régénérateur entre les deux pistons qui a très considérablement amélioré sa performance.
Moteur Stirling en photos
Principe de fonctionnement
Le fluide principal qui produit un travail est un gaz (air, hydrogène ou hélium) soumis à un cycle comprenant quatre étapes :
Étape 1 : Le but est de produire de l’énergie mécanique à partir d’énergie thermique. Au début du cycle, le gaz à l’intérieur du moteur est placé dans la chambre chaude, chauffée par une certaine source d’énergie : sa température et sa pression augmentent, ce qui produit une dilatation du gaz.
Étape 2 : Le piston de la chambre chaude étant en butée. Le gaz se détend vers la chambre froide en repoussant le piston de celle-ci. L’énergie thermique est ainsi transformée en énergie mécanique qui est transmise à la roue.
Étape 3 : Ce mouvement de la roue est transmis au piston de la chambre chaude qui repousse presque tout le gaz dans la chambre froide. Lorsque c’est fait, le gaz arrivé dans la chambre froide se refroidit.
Étape 4 : Le volume du gaz diminue, entraînant le piston froid dans l’autre sens.
Types de moteurs Stirling
Moteur Stirling Alpha
Les moteurs Stirling alpha ont deux pistons décalés de 90° :
- Piston « chaud » près de la source de chaleur.
- Piston « froid » près de la source froide.
Le mouvement décalé des pistons déplace :
- Le fluide froid (du piston froid au piston chaud).
- Le fluide chaud (du piston chaud au piston froid).
Moteur Stirling Bêta
Les moteurs Stirling bêta possèdent deux pistons sur le même axe :
- Un piston de puissance.
- Un déplaceur séparant les fluides chaud et froid.
Avec déplaceur étanche, le fluide se déplace via un conduit parallèle à la chemise du piston. Avec déplaceur non étanche, le fluide se déplace via un espace libre entre le déplaceur et la chemise.
Moteur Stirling Gamma
Le moteur gamma est un compromis entre les types alpha et bêta. Un cylindre contient le déplaceur, tandis que l’autre a le piston moteur qui modifie le volume global et récupère l’énergie. Ces moteurs sont couramment utilisés pour exploiter de faibles différences de température (moteurs LTD).
Les quatre phases élémentaires :
- Chauffage : Le piston moteur bouge peu, le déplaceur effectue une longue course et le gaz se réchauffe.
- Détente : Le déplaceur bouge peu, le piston moteur effectue plus de 70% de sa course et récupère l’énergie motrice.
- Refroidissement : Le déplaceur effectue une grande partie de sa course et le gaz est refroidi. Le piston moteur bouge peu.
- Compression : Le déplaceur reste en partie supérieure, le gaz est froid. Le piston moteur effectue la majorité de sa course et comprime le gaz en cédant de l’énergie mécanique.
Principe, composants et applications
C’est un type de moteur à pistons qui fonctionne grâce à la chaleur et présente un potentiel intéressant dans le domaine des énergies renouvelables.
Type de moteur
Un moteur thermodynamique à pistons qui utilise la chaleur pour produire du travail mécanique.
Il existe plusieurs variantes, dont les moteurs Stirling alpha, gamma et rotatif.
Pistons, déplaceurs et échangeurs
Le moteur Stirling se compose généralement de deux pistons, le piston chaud et le piston froid, ainsi que d’un déplaceur qui permet de transférer l’air chaud et froid entre les zones chaudes et froides à travers un échangeur.
Fonctionnement grâce à la chaleur
Il fonctionne grâce à la chaleur apportée de l’extérieur pour chauffer l’air ambiant par combustion, l’énergie solaire, ou d’autres sources de chaleur.
L’utilisation d’un récupérateur permet d’éviter trop de pertes d’énergie.
Rendement et énergies renouvelables
Ce moteur est particulièrement adapté pour convertir l’énergie solaire avec un rendement supérieur à d’autres types de moteurs, ce qui le rend attrayant dans le contexte des énergies renouvelables.
Développements et perspective écologique
Ces dernières décennies, le moteur Stirling fait l’objet de nombreuses expérimentations par des amateurs et des entreprises spécialisées, notamment pour améliorer son rendement et son adaptabilité à différentes sources de chaleur.
Des avancées ont été réalisées grâce à l’utilisation de matériaux composites et à la mise en place de paraboles solaires géantes pour optimiser la conversion de l’énergie solaire.
Le moteur offre une perspective écologique intéressante grâce à la possibilité de coupler son fonctionnement avec des sources d’énergie renouvelable, telles que l’énergie solaire ou la biomasse.
Il est également étudié pour des applications telles que la propulsion aérodynamique et l’alimentation de machines dans les usines.
Le cycle de Stirling
Cycle de Stirling et zones chaudes/froides
Le cycle de Stirling est un processus thermodynamique, essentiel au fonctionnement du moteur.
Ce moteur possède une zone chaude et une zone froide. L’air se déplace entre elles, générant un mouvement mécanique.
Son succès initial était limité.
Néanmoins, des études récentes l’ont relancé, grâce à sa capacité à utiliser de faibles écarts de température et des sources de chaleur renouvelables.
Adaptabilité et personnalisation
Le moteur est adaptable et personnalisable selon les besoins. Sa flexibilité de fonctionnement et la diversité des sources de chaleur le rendent polyvalent.
Ainsi, on peut concevoir des moteurs Stirling de tailles et puissances variées.
Limitations et défis
Ce moteur a des avantages mais aussi des limitations. Il est sensible aux fortes pressions et nécessite un entretien régulier.
Des recherches visent à résoudre ces défis, améliorant la fiabilité et l’efficacité du moteur.
Innovations et avenir
L’intérêt croissant pour les énergies renouvelables et les solutions écologiques renforce le potentiel du moteur Stirling. Il pourrait jouer un rôle important à l’avenir.
Les avancées technologiques et expérimentations élargissent les possibilités d’application. Ainsi, de nouvelles opportunités pour divers secteurs se créent.
L’optimisation du moteur
Améliorations de l’efficacité
Les chercheurs et ingénieurs améliorent l’efficacité du moteur Stirling.
Ils optimisent la conception des composants, tels que l’échangeur et le déplaceur.
Ainsi, ils réduisent les pertes de chaleur et améliorent le transfert thermique.
Systèmes couplés et hybrides
Ce moteur se couple à d’autres systèmes, tels que les éoliennes et les piles à combustible.
Il crée des solutions énergétiques hybrides.
Celles-ci offrent une meilleure fiabilité et une grande flexibilité pour les sources d’énergie.
Applications dans l’espace
Le système Stirling est étudié pour des applications spatiales. Il sert à produire de l’énergie dans les vaisseaux spatiaux.
La propulsion des satellites est également envisagée. La chaleur du Soleil ou des sources radioisotopiques est utilisée.
Impact environnemental et durabilité
Ce moteur sert dans diverses applications. Son utilisation aide à réduire l’impact environnemental.
La consommation de combustibles fossiles est limitée. Les énergies renouvelables sont favorisées. Ainsi, une économie plus durable est encouragée.
Formation et vulgarisation
Des initiatives facilitent l’adoption du moteur Stirling. Elles visent à sensibiliser le grand public et les professionnels.
Les avantages du moteur sont mis en avant. Des formations, ateliers et ressources éducatives sont proposés. Ils couvrent son fonctionnement et ses applications potentielles.
Politiques et régulations
Le développement et l’adoption du moteur Stirling peuvent bénéficier de politiques et régulations.
Ces mesures encouragent la recherche et le financement de technologies propres.
Elles favorisent également l’intégration de solutions renouvelables dans les infrastructures énergétiques actuelles.
Pourquoi le moteur Stirling n'est-il pas couramment employé ?
Malgré ses avantages, le moteur Stirling n'a pas connu un large succès en raison de plusieurs facteurs. Tout d'abord, il est confronté à des problèmes mécaniques qui peuvent entraîner des pannes. De plus, sa puissance est généralement inférieure à celle des machines à vapeur et des moteurs à combustion interne, limitant ainsi son application à des domaines spécifiques. Ces facteurs combinés ont empêché le moteur Stirling d'atteindre la popularité et l'adoption espérées dans l'industrie.
Quel est le mécanisme de fonctionnement du moteur Stirling ?
Le fonctionnement du moteur Stirling repose sur un concept assez simple : il consiste à chauffer et refroidir alternativement un gaz confiné dans un cylindre fermé équipé d'un piston. Ce processus provoque une variation de pression à l'intérieur du cylindre, permettant ainsi de convertir cette différence de pression en énergie mécanique. Le moteur Stirling fonctionne grâce à un cycle thermodynamique composé de quatre étapes principales : la compression isotherme, le transfert de chaleur isochore, la détente isotherme et le transfert de chaleur isochore inverse. Les échanges de chaleur entre les parties chaudes et froides du moteur provoquent les mouvements du piston, générant ainsi de l'énergie mécanique utilisable.
Quel est le principal désavantage du moteur Stirling ?
L'un des inconvénients majeurs du moteur Stirling réside dans son inertie thermique. Cette caractéristique signifie que le moteur ne peut pas ajuster rapidement sa vitesse en fonction des changements de charge, ce qui peut être perçu comme un point faible dans certaines applications. Toutefois, cette inertie thermique peut également être considérée comme un avantage dans des situations où l'approvisionnement en chaleur est irrégulier, comme dans le cas de l'énergie solaire. En effet, le moteur Stirling peut continuer à fonctionner même lorsque l'apport de chaleur varie, permettant ainsi une utilisation plus stable et continue de l'énergie disponible.
Comment déterminer le rendement d'un moteur Stirling ?
Le rendement d'un moteur Stirling peut être calculé à l'aide de la formule suivante : Rendement (η) = 1 - (Tc / Ta) . Dans cette formule : η représente le rendement du moteur Stirling ; Tc correspond à la température de la source froide (en Kelvin) ; Ta désigne la température de la source chaude (en Kelvin).
Qui est l'inventeur du moteur Stirling ?
Le moteur Stirling a été inventé par le révérend écossais Robert Stirling en 1816. Robert Stirling était à la fois pasteur et ingénieur, et il a développé ce moteur dans le contexte de la révolution industrielle.