Stirling Engine Study

Universidade de Évora

Energia Solar Térmica

2012/2013

Discentes: Docente: Paulo Canhoto

Davide Pereira nº29233 ERR

Ricardo Andrade nº29592 EER

Sistemas de Concentração com Motor de Stirling


1 Energia Solar Térmica 2012/2013

Índice

Índice……………………………...…………………………………………………...1

Introdução ............................................................................................................ 2

História ................................................................................................................... 3

Esquema do Motor de Stirling ............................................................................ 4

Ciclo Termodinâmico do Motor de Stirling ...................................................... 5

Tipos de Motor de Stirling .................................................................................... 7

Motor de Stirling Ideal e seu Funcionamento ................................................. 9

Possíveis Aplicações do Motor de Stirling……………………….....………….13

Prós e Contras do Motor de Stirling em Geral……………..…........…………15

Vantagens e Desvantagens dos diversos Motores de Striling…...……......17

Atividade Laboratorial……………………………………………….......……….18

Objetivos………….....……………………………………………………….18

Material utilizado……………………………………………...…………….18

Calibrações………………………………...………………………………..19

Equações usadas……………………………………......………………....20

Conversão da área dos gráficos obtidos para Energia………...….21

Tabelas dos Resultados……………………………………………………24

Comparação entre gráficos……………………………………………..25

Fotos do esquema de montagem……………………………..……….25

Dificuldades na Atividade Laboratorial………………………………..27

Conclusões da Atividade Laboratorial……………………………...…28

Considerações Finais…………………………………….………………………..30

Bibliografia……………………….…………………………………………...……..32



Introdução

Este trabalho tem como tema “Sistema de concentração com

Motor de Stirling” e consiste no estudo de um Motor de Stirling,

abordando tópicos como a sua história/origem, o seu funcionamento,

as suas vantagens e desvantagens, as suas aplicações; sendo também

nos proposto um ensaio (medições) de um Motor de Stirling no

laboratório, obtendo conclusões face a várias condições de

funcionamento do mesmo.

Escolhemos este tema, devido ao facto de o Motor de Stirling nos

ter parecido um mecanismo bastante interessante, que na nossa

opinião, poderá vir a ter várias aplicações futuras, nomeadamente no

aumento do rendimento de um motor de combustão externa,

combatendo deste modo a nossa dependência face aos combustíveis

fósseis, diminuindo também a emissão de GEE.

Por fim, mas de forma não menos importante, podemos

felizmente afirmar que este sistema está diretamente relacionado com

a energia renovável Solar Térmica, devido ao facto de aproveitar o

potencial energético do Sol como chave para o funcionamento do

Motor de Stirling.



História

Este mecanismo foi inventado por Robert Stirling em

1816, com auxílio do seu irmão, também engenheiro, de

modo a substituir os motores a vapor da época, que

explodiam com muita frequência, provocando imensas mortes

em acidentes devido ao rompimento das caldeiras que eram

sujeitas a condições de pressões muito elevadas.

A sua primeira aplicação foi em 1818, tendo sido construído um

Motor de Stirling para bombear água numa pedreira. Ao longo do

tempo, este motor foi aperfeiçoado, pelo que em 1843 foi utilizado para

mover máquinas numa fundição.

Para além desta invenção ter apresentado condições mais

seguras de funcionamento, ostentava uma maior eficácia

relativamente aos outros motores, devido ao facto de conter um

regenerador (economizador), permitindo obter uma maior eficiência

relativamente aos motores de gasolina, diesel e máquinas a vapor e

ainda a capacidade de economizar energia.

Figura 1 - Robert Stirling

Figura 3 - Máquina a Vapor Figura 2 - Motor de Stirling



Esquema do Motor de Stirling

Principais componentes:

Figura 4 - Motor de Stirling utilizado na Actividade Laboratorial

Fonte Quente (Resistência)

Cilindro de trabalho

Pistão desfasado para passagem de gás

Lã de cobre (Regenerador)

Pistão de trabalho

Fonte Fria (mangueira de água de refrigeração)

Câmara onde a água fria flui)

Rolamentos do pistão excentricamente desfasados

em sentido inverso aprox.90°



Ciclo Termodinâmico do Motor de Stirling

Este tipo de motor funciona através de um Ciclo Termodinâmico,

constituído por 4 fases, sendo executado em dois tempos do pistão. As

fases que compõem o ciclo são:

1. Expansão isotérmica: O gás é aquecido por uma fonte de

calor externa até que a temperatura fique constante, enquanto

se dá o processo de expansão;

2. Resfriamento isocórico: Nesta fase o calor é retirado do gás;

3. Compressão isotérmica: Dá-se um resfriamento do gás

enquanto o volume diminui, de modo a que a temperatura não

aumente;

4. Aquecimento isocórico: Dá-se um aquecimento do gás até à

sua temperatura inicial, recomeçando o ciclo.

Figura 5 - Ciclo de Stirling/ Funcionamento do Motor de Stirling



Posto isto, existem dois pressupostos que são essenciais para a

compreensão do Motor de Stirling, sendo estes:

Se tivermos uma quantidade fixa de gás num volume também fixo

e a temperatura desse mesmo gás aumentar, irá haver

conjuntamente um aumento de pressão;

Se tivermos uma quantidade fixa de gás e se nós o comprimir-mos

(diminuição de volume) a temperatura do gás irá aumentar.

Deste modo, podemos comparar e afirmar que o Ciclo de Stirling se

assemelha bastante com o Ciclo de Carnot, que estabelece o limite

teórico máximo de rendimento das máquinas térmicas.

Resumidamente, podemos dizer que o funcionamento do Motor de

Stirling consiste basicamente na expansão e contração do gás dentro

dos cilindros. Isto ocorre, devido a diferenças de temperatura,

produzindo deste modo um movimento alternado dos pistões ligados a

um eixo comum, gerando posteriormente a rotação do disco

incorporado no eixo.

Figura 6 - Ciclo de Stirling Figura 7 - Ciclo de Carnot



Este tipo de motor é considerado uma máquina de ciclo fechado,

isto é, um ciclo em que o fluído de trabalho nunca abandona o interior

do motor, ao contrário dos motores de combustão interna.

Relativamente ao gás utilizado, este é principalmente o ar, hélio ou

hidrogénio pressurizado, pelo facto de estes serem gases com elevada

condutividade térmica e baixa viscosidade, ou seja, têm a capacidade

de transportar energia térmica mais rapidamente e de ter uma menor

resistência ao escoamento, permitindo diminuir as perdas de atrito.

Existem diversos tipos de Motor de Stirling, porém todos funcionam no

princípio anteriormente referido, diferindo fatores como a disposição

dos cilindros e pistões.

Os três grandes tipos de Motor de Stirling são:

Alpha é constituído por dois pistões em cilindros separados,

sendo estes últimos ligados exteriormente pelo regenerador;

Figura 6 - Modelo "Alpha"



Beta é constituído apenas por um cilindro, pelo que os dois

pistões funcionam dentre dele. O pistão que atua na zona da

fonte quente encontra-se solto relativamente às paredes do

cilindro, permitindo deste modo as permutas de ar entre a zona

quente e fria;

Gamma é constituído por um mecanismo semelhante ao

“Alpha”, apenas diferindo no facto de o regenerador neste caso

estar incluído no corpo do motor, ao invés de estar separado

como no anterior.

Figura 7 - Modelo “Beta”

Figura 8 - Modelo "Gama"



Motor de Stirling Ideal e o seu Funcionamento

Vamos agora descrever o processo de funcionamento de um

Motor de Stirling Simplificado de dois cilindros, sendo este último o motor

ideal. Primeiramente este tem um esquema em que consiste num motor

com dois cilindros, em que um é aquecido por uma fonte externa e

outro é resfriado também por uma fonte externa. As câmaras de gás

dos dois cilindros são conectadas e os pistões são também conectados

um ao outro por uma articulação mecânica que determina o modo de

movimentação entre eles.

Neste tipo de Motor de Stirling existem quatro partes (ideais),

sendo estas as apresentadas abaixo (começando por uma posição

inicial não incluída nas quatro):

Parte Inicial – Esta é a posição inicial dos pistões antes de ser

adicionado qualquer calor ao sistema.

Figura 9 - Posição inicial do Ciclo de Stirling



1. O calor é adicionado ao gás no interior do cilindro no lado da

fonte quente, causando o aumento da pressão, fazendo com

que o pistão se mova para baixo. Esta é a parte do ciclo

Stirling que realiza trabalho;

2. De seguida o pistão esquerdo move-se para cima enquanto o

pistão direito se move para baixo. Isto vai empurrar o gás

aquecido para o cilindro resfriado, o que arrefece

rapidamente o gás para a temperatura igual à da fonte fria,

baixando também desta maneira a sua pressão. Isto facilita

comprimir o gás na próxima parte do ciclo;

Figura 10 - Expansão isotérmica

Figura 11 - Resfriamento Isocórico



3. O pistão no cilindro resfriado (direito) começa a comprimir o

gás. O calor gerado por essa compressão é removido pela

fonte de resfriamento;

4. O pistão direito move-se para cima enquanto o pistão

esquerdo se move para baixo. Isto força o gás a ir para o

interior do cilindro da fonte quente, onde vai ser aquecido

rapidamente, aumentando a assim a sua pressão, ponto no

qual o ciclo se repete.

Figura 12 - Compressão Isotérmica

Figura 13 - Aquecimento Isocórico



O Motor de Stirling somente gera potência durante a primeira parte

do ciclo, pelo que existem duas maneiras principais de aumentar a sua

produção:

Aumentar a potência na parte 1 – nesta parte do ciclo, a

pressão do gás aquecido empurra o pistão, realizando deste

modo trabalho. Se aumentarmos a temperatura da fonte

quente, irá haver uma maior pressão, fazendo com que o pistão

se movimente mais rápido. Uma forma de aumentarmos a tal

temperatura é de implantarmos no motor um regenerador, que

é um dispositivo que tem a capacidade de armazenar calor

temporariamente. Quando o gás é “empurrado” pelo pistão

esquerdo para a fonte fria, parte do calor fica retido no

regenerador, fazendo com que diminua a quantidade de calor

a ser retida pelas aletas de resfriamento. De seguida, quando o

pistão direito volta a impulsionar o gás para a fonte quente, este

absorve o calor que estava retido no permutador, aumentando

deste modo a temperatura do gás da fonte quente.

Diminuir o consumo de potência no estágio 3 - na parte 3 do

ciclo, os pistões realizam trabalho sobre o gás, consumindo uma

parte da potência produzida na parte 1. Se houver uma

diminuição na temperatura da fonte fria, irá fazer com que haja

uma menor pressão, logo o pistão direito se consegue mover

para cima com uma maior facilidade.

Estes dois ajustes no processo irão aumentar a produção de

potência na primeira parte e reduzir a potência consumida durante a



terceira parte do ciclo, aumentando efetivamente a potência final

produzida pelo motor e consequentemente a sua eficiência.

Possíveis aplicações do Motor de Stirling

Produção de energia: Esta é a

sua aplicação mais comum e prática,

pois pode utilizar diversas fontes de

energia, como combustíveis fósseis,

assim como energias renováveis, como

o sol. Este sistema pode ter a

funcionalidade de funcionar como

geradores de eletricidade, em lugares

onde não seja possível chegar a mesma por via da rede elétrica, tendo

como exemplo as aldeias isoladas, submarinos, iates, ….

Os sistemas Concentrador/Stirling baseiam-se num refletor

parabólico isolado que concentra luz num recetor posicionado para

absorver a radiação direta do sol, devido à sua capacidade de seguir o

movimento solar através de dois eixos. O fluido de trabalho localizado

no recetor é aquecido a 250-700ºC e depois é incorporado num Motor

de Stirling para gerar energia, pelo que resto funciona de acordo com o

Ciclo de Stirling. Entre as diversas tecnologias CSP, o seu carácter

modular facilita a construção em grande escala.

Este tipo de utilização representa a mais eficiente de todos os

sistemas de concentração solar, tendo rendimentos por volta dos 30%.

Locomoção: Este tipo de motor já foi

aplicado em meios de transporte, aumentando



um pouco o rendimento, porém, devido ao baixo torque que este

produzia relativamente ao dos motores de veículos, e ao facto de

demorar bastante a arrancar, esta aplicação foi abandonada. Por

outro lado são bastante usados em submarinos, principalmente devido

ao facto de serem bastante silenciosos e não emitirem vibração

durante o seu funcionamento e também porque permitem que os

mesmos possam passar debaixo de água até várias semanas.

Refrigeradores: Ao invés de utilizar energia calorifica para criar

uma diferença de temperatura e gerar

energia mecânica, os motores de stirling

também podem funcionar do modo

contrário. Isto é, existe um fornecimento

de energia mecânica ao motor e este

gera uma diferença de temperatura,

trabalhando deste modo como um

refrigerador, como por exemplo, num ar

acondicionado. Atualmente, este tipo

de motores já conseguem atingir

temperaturas menores que 60K.



Prós e Contas do Motor de Stirling em Geral

O Motor de Stirling, como todos os motores, apresenta diversas

vantagens e desvantagens que devem ser analisadas.

Vantagens:

É pouco poluente, pois a combustão é contínua, e não

intermitente, o que permite uma queima mais completa e

eficiente do combustível e ainda pelo facto de haver emissão de

gases quase nula;

Baixo desgaste interno e consumo

de lubrificante;

É muito silencioso e apresenta baixa

vibração;

Pode utilizar praticamente qualquer

fonte energética como combustível:

gasolina, etanol, metanol, gás

natural, óleo diesel, biogás, GLP,

energia solar, calor geotérmico e

outros;

Apresenta uma eficiência global

superior a qualquer motor térmico;

Mais amigo do ambiente

Figura 14 - Sistema de Concentração Solar com Motor de Stirling



Desvantagens:

Apresenta algumas dificuldades em iniciar, assim

como variar a sua rotação rapidamente, o

que torna difícil o seu uso em automóveis;

Podem surgir problemas técnicos relacionados

com o sistema de vedação do fluido de trabalho,

pois se forem utilizados gases inertes e leves como o hidrogénio e

o hélio, caso estes sejam expostos a elevadas pressões, poderão

escapar para o exterior.

Os Motores de Stirling são mais caros que um

Motor a Diesel da mesma potência, quer na

adquirição, quer na manutenção.



Vantagens e Desvantagens dos diversos tipos

de motores de Stirling:

Alpha

Vantagens:

Possui um arranjo simples;

O facto de possuir um regenerador aumenta o seu rendimento, pois

deste modo é possível reaproveitar algum calor que seria dissipado ou

“empurrado” para a fonte fria;

Podem ser construídos com elevadas potências de saída.

Desvantagens:

Ambos os pistões necessitam de vedação por conter gás de trabalho.

Beta

Vantagens: Permite obter eficiências superiores ao motor de modelo

Gamma.

Desvantagens:

O facto de as hastes do pistão de deslocamento e o de trabalho

estarem alinhadas torna o mecanismo complicado.

Gamma

Vantagens:

Possui regenerador, que aumenta a eficiência térmica do motor;

Relativamente a este motor, a parte quente é separada do permutador

de calor pelo que o gás é possibilitado de fluir livremente entre os dois

cilindros;

Permite funcionar com pequenas diferenças de temperatura.

Desvantagens:

Não permite gerar uma grande quantidade de potência.



Atividade Laboratorial

Objetivos: Esta parte experimental do trabalho teve como

objetivos a visualização do funcionamento de um Motor de Stirling,

seguida por uma recolha de dados para diferentes condições, para

posteriores conclusões/discussões sobre os resultados obtidos, como por

exemplo a energia produzida pelo motor.

Material utilizado:

Motor de Stirling (Leybold, 388 18/20);

Osciloscópio;

Duas Fontes de Tensão;

Aparelho de conversão de pressão para tensão (caixa azul);

Dois multímetros;

Fonte de alimentação da resistência do motor;

Fios de condução;

Crocodilos.

Parâmetros a ter em conta para o Sensor de Volume:

1. Resistência máxima = 10KΩ;

2. Intensidade de corrente = 0,001101 A;

3. Diferença de Potencial = 11,01 V.

De modo a podermos extrair dados para posterior tratamento dos

mesmos, tivemos de fazer algumas conversões no caso do osciloscópio.

Estas últimas consistiram no facto de a escala do visor do osciloscópio

ter sido representada por quadrados, cada um dividido em 5 partes.



Falando da escala imposta nos canais 1 e 2, podemos dizer que no

eixo xx cada quadrado representava 0,05V e

no eixo yy 0,1V, havendo deste modo a

necessidade de converter a tensão obtida

relativa ao número de quadrados a partir dos

valores acima mencionados (representados nas

tabelas abaixo, nas colunas “Eixo xx e Eixo yy”).

Calibrações

Do Sensor de Pressão:

A Curva de Calibração do Sensor de Pressão era linear, logo a

conversão de volts para Pascal foi realizada através da curva do

mesmo, cuja equação era linear, em que 1 volt correspondia a 2,0×105

Pa.

Do Sensor de Volume:

Esta calibração necessitou de ter em conta a Tensão fornecida ao

Sensor de Volume e a sua Resistência máxima. Deste modo, obtemos

um valor de corrente fixo que passava no Sensor de Volume (0,001101

A), sendo este valor utilizado para calcular a variação da resistência

(∆R) de acordo com a tensão obtida no osciloscópio (∆V).

Foi-nos indicado que a Resistência máxima do sensor de pressão

(10KΩ) corresponde ao deslocamento máximo do fio (1,5m). O

deslocamento do fio (X) é o que determina a variação do volume no

cilindro do motor (∆𝑉𝑐𝑖𝑙), pelo que obtivemos uma fórmula que

relaciona diretamente a tensão no osciloscópio (∆V) com o volume no

cilindro (∆𝑉𝑐𝑖𝑙).



Equações usadas de modo a obter os valores pretendidos:

10KΩ ------------ 1,50 m

∆𝑹 ------------------- X

𝐕𝐜𝐢𝐥 = 𝐀𝐛𝐚𝐬𝐞 × 𝐗 𝐕𝐜𝐢𝐥 = 𝛑 𝐫𝟐 𝐗 𝐕𝐜𝐢𝐥 = 𝛑 𝟎, 𝟎𝟑𝟐 𝐗

𝐗 =∆𝐑 × 𝟏, 𝟓𝟎

𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎

𝐕 = 𝐑 × 𝐈 𝐈 = 𝐕

𝐑

∆𝐑 = ∆𝐕

𝐈

𝐗 =∆𝐕 × 𝟏, 𝟓𝟎

𝐈 × 𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎

𝐕𝐜𝐢𝐥 =𝟎, 𝟎𝟎𝟏𝟑𝟓 𝝅 ∆𝐕

𝟏𝟏, 𝟎𝟏



Conversão da área (cm2) dos gráficos obtidos para

Energia (J)

Após calcularmos a área, dos vários gráficos obtidos para cada

experiência, tivemos que a converter para o seu valor de energia

respetiva. Para tal, tivemos que fazer alguns cálculos de modo a

calcular esta energia.

A primeira etapa consistiu em calcular quantos joules (energia)

correspondiam a uma quadrícula no osciloscópio. Para isto, tivemos que

calcular qual o valor da pressão (Pa) e de volume (m3) por divisão no

eixo yy e xx no osciloscópio, respetivamente.

Sabendo que a saída do sensor de pressão é de 1 volt/2000 hPa e

que cada divisão no osciloscópio no eixo yy representa 0,1 Volt, com

isto concluímos que cada divisão neste eixo vale 200 hPa (20000Pa).

1 Volt---------------------------200000 (Pa)

0,1 Volt (1 divisão) -----------x (Pa) x=20000 Pa/div.

Relativamente ao eixo do x, sabemos que a escala da divisão é

0,05 Volts, isto é, cada divisão corresponde a este valor. Sabendo isto,

fomos calcular qual o volume que corresponde a 0,05 Volts na equação

obtida anteriormente, que relaciona o Volume com a variação da

Tensão no osciloscópio.

𝐕𝐜𝐢𝐥 =𝟎, 𝟎𝟎𝟏𝟑𝟓 𝝅 ∆𝐕

𝟏𝟏, 𝟎𝟏



Pelo que obtivemos o valor que corresponde ao volume por cada

divisão no eixo xx do osciloscópio:

𝐕 = 𝟏, 𝟗𝟐𝟔𝐱𝟏𝟎−𝟓 𝒎𝟑/𝐝𝐢𝐯

Tendo o valor da pressão (Pa) e do volume

de cada divisão (m3), podemos calcular a

energia que corresponde ao volume de uma

quadrícula no osciloscópio através da sua

multiplicação.

Equadrícula=20000 x 1,926x10-5 = 0,386 J

Logo, obtemos 0,386 Joules de energia por centímetro quadrado

de área do gráfico (0,386J/cm2), visto que cada quadrícula no

osciloscópio tem 1 centímetro quadrado de área.

De modo a obter o valor da energia correspondente à área (A)

de cada gráfico que calculámos, bastou multiplicar esta área pelo

valor da energia por unidade de área, obtido anteriormente

0,386J/cm2).

Esta fórmula permite-nos converter diretamente o valor da área

do gráfico (cm2) em energia produzida pelo Motor de Stirling. Este

valor varia à medida que alteramos as suas condições de

funcionamento, como a temperatura da fonte quente e o caudal

de água fornecida à fonte fria.

𝐄𝐪𝐮𝐚𝐝𝐫𝐢𝐜𝐮𝐥𝐚 = 𝐏 × 𝐕 [J/cm2]

𝐄𝐠𝐫á𝐟𝐢𝐜𝐨 = 𝐀 𝐱 𝐏 × 𝐕 = 0,386 × A [J]



Abaixo estão as tabelas dos dados que recolhemos no decorrer da

experiência, bem como os resultados obtidos face às calibrações e

equações apresentadas de seguida:

Tabela 1 - Valores para o primeiro caudal médio (5,1×10-6 m3/s)

Tabela 2 - Valores para o segundo caudal (16×10-6 m3/s)

Caudal médio = 5,1×10-6 m3/s

Tensão

fornecida à

fonte quente

(V)

Volume

Eixo xx (V)

Pressão

Eixo yy (V)

Eixo xx (m3)

(×10-6)

Eixo yy

(KPa)

Área do

gráfico

(cm2)

Energia

obtida

(J)

8 0,255 0,400 98,228 80 3,315 1,280

10 0,265 0,480 102,080 96 4,77 1,841

12 0,290 0,520 111,711 104 4,72 1,822

14 0,320 0,600 123,266 120 5,655 2,183

Caudal médio = 16×10-6 m3/s

Tensão

fornecida à

fonte quente

(V)

Volume

Eixo xx

(V)

Pressão

Eixo yy

(V)

Eixo xx (m3)

(×10-6)

Eixo yy

(Kpa)

Área

do

gráfico

(cm2)

Energia

obtida (J)

8 0,270 0,500 104,006 100 3,32 1,282

10 0,290 0,520 111,711 104 3,84 1,482

12 0,310 0,560 119,415 112 3,9 1,505

14 0,310 0,580 119,415 116 3,69 1,424



Comparação entre gráfico teórico do Ciclo e o obtido

no osciloscópio

Com este gráfico obtido, podemos afirmar que conseguimos

notar algumas semelhanças face ao Ciclo teórico, no entanto existem

algumas discrepâncias que se deveram possivelmente a erros de

medições e incertezas dos instrumentos. Podemos concluir que é

impossível se obter um rendimento igual ao do Ciclo de Stirling Ideal.

Figura 15 - Ciclo de Stirling Teórico Figura 16 - Ciclo de Stirling obtido



Fotos do Esquema de Montagem

Figura 17 - Esquema de montagem 1/2 Figura 18 - Esquema de Montagem 2/2

Figura 16 - Osciloscópio

Figura 15 - Sensor de Volume Figura 19 - Sensor de Pressão

Figura 21 - Multímetro



Figura 17 - Fonte de Tensão Figura 23 - Fonte de Alimentação

Figura 24 - Conversor para Tensão



Dificuldades no Atividade Laboratorial

Durante a execução deste trabalho passámos por algumas

dificuldades inesperadas. O principal obstáculo que encontrámos foi o

facto de a resistência do Motor de Stirling se ter partido, pelo que

tivemos que adiar a experiência para dias mais tarde do que estava

planeado. Felizmente, conseguimos realizar a atividade usando a

mesma resistência.

Outro aspeto que nos dificultou o trabalho foi o facto de termos

tido pouco tempo para a realização de mais atividades laboratoriais

que gostaríamos de ter tido feito, entre elas, o uso do Motor de Stirling

de concentração solar, cuja fonte quente era os raios solares que eram

captados e refletidos através de uma parabólica solar para a câmara

quente do mesmo. Também gostaríamos de ter construído um pequeno

Motor de Stirling, porém, a falta de tempo também nos prejudicou neste

sentido.



Conclusões da Atividade Laboratorial

A parte laboratorial consistiu basicamente em analisar os valores

de potência obtidos para diversos caudais de água e tensão fornecidos

à fonte quente (resistência).

Os resultados foram obtidos a partir da ligação do sensor de

pressão e do sensor de volume ao osciloscópio, pelo que os valores

observados, em xx (Volt) e yy (Volt) tiveram de ser convertidos nas suas

respetivas unidades, xx (m3) yy( Pa), através de vários cálculos de

calibração dos dois sensores.

Variámos os valores da tensão fornecida à fonte quente, que

consistia numa resistência, de modo a aumentar a sua temperatura. O

aumento desta temperatura permitiu obter mais energia, como

explicado na parte teórica.

A variação do caudal de água influencia diretamente a

temperatura da fonte fria e consequentemente a energia produzida,

pelo que com o aumento do caudal de água deveria aumentar a

energia produzida pelo motor, visto que havia uma maior diferença de

temperatura entre as fontes fria e quente.

Face aos resultados alcançados, concluímos que algo não correu

como esperado, devido ao facto de a energia produzida pelo Motor de

Stirling ter aumentado com a diminuição do caudal de água.

O seguinte gráfico mostra os resultados obtidos da energia (J) em

função da tensão fornecida à fonte quente (resistência) para diferentes

caudais impostos à fonte fria. Como se pode analisar, a energia

aumenta com a diminuição do caudal, o que achamos que não está

correto.



0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Ener

gia

Pro

du

zid

a (J

)

Tensão Fornecida (V)

Caudal médio = 16×10-6 m^3/s

Caudal médio = 5,110-6 m^3/s

Gráfico 1 – Energia em função da Tensão para diferentes caudais



Considerações finais

A realização deste trabalho permitiu-nos conhecer e perceber o

funcionamento do Motor e respetivo Ciclo de Stirling, um ciclo

termodinâmico de grande importância e com várias aplicações.

Apesar de os resultados não coincidirem com o que era

teoricamente esperado, concluímos a partir do desenvolvimento do

trabalho teórico que para uma maior diferença de temperatura entre a

fonte quente e a fonte fria, existe uma maior potência extraída, isto é, a

velocidade do ciclo aumenta quanto maior for a variação da

temperatura nas duas câmaras.

Este motor tem diversas aplicações como já referimos, mas, a sua

principal utilização que nos interessa, é no setor das energias renováveis,

isto é, utilizando o sol como fonte quente. Esta aplicação é bastante

eficiente, visto que os raios solares, quando concentrados num ponto,

conseguem transmitir uma quantidade elevada de radiação o que

permite absorver grandes quantidades de energia e posteriormente

gerar potência.

Falando nos sistemas de Concentração/Stirling em particular,

podemos dizer que este se trata de uma aplicação que produz energia

limpa, sem emissão de poluentes e que causa pouquíssimo impacto

ambiental. Além disso, é uma forma de descentralizar a geração

elétrica e aliviar o sistema atualmente sobrecarregado, garantindo uma

maior segurança e estabilidade.

No entanto, ainda deve haver uma evolução tecnológica que

permita diminuir o preço dos componentes do conjunto

Concentrador/Stirling para que a sua instalação possa ser tornada mais

viável nas regiões do país que o mais necessitam, isto é, nas zonas



isoladas dos grandes centros urbanos. Enquanto se consegue adquirir

um gerador a diesel de 7,5 kW por cerca de 1500€, um equipamento

concentrador/Stirling da mesma potência não custa menos que 50000€.

Contudo, as perspetivas são otimistas, enquanto que, hoje um protótipo

custa em média 4500€/kW, estima-se que em 2030 este custará

300€/kW.

As expectativas para o futuro deste tipo de sistema

(Concentração/Stirling) passam também por investimentos de grande

escala, que consiste em construir grandes instalações de produção de

energia através de milhares de dispositivos Concentrador/Stirling.

De modo a combater os problemas associados ao aquecimento

global devido às elevadas emissões de carbono para atmosfera, é

muito importante apostar em sistemas de produção de energia a partir

de fontes renováveis, como o vento, os oceanos, a biomassa e o sol,

cujas emissões de carbono são praticamente nulas, pelo que o motor

de Stirling representa um ótimo exemplo para esta luta.

Portugal apresenta excelentes condições de aproveitamento da

energia solar, pelo que seria bastante vantajoso a vários níveis

(económicos, ambientais, etc.) a implementação de mais sistemas

solares para a produção de energia elétrica.

Consideramos este trabalho bastante importante na nossa

aprendizagem, pois sentimos que é de grande importância relacionar

conhecimentos teóricos, aprendidos nas aulas, com conhecimentos

práticos, como o manuseamento de diversos materiais, de forma

adquirir experiências que nos podem ser úteis num futuro próximo.



Bibliografia

http://pt.wikipedia.org/wiki/Motor_Stirling;

http://ciencia.hsw.uol.com.br/motores-stirling.htm;

http://wikienergia.com/~edp/index.php?title=Concentra%C3%A7%C3%

A3o_de_energia_solar;

http://auto.howstuffworks.com/stirling-engine1.htm;

http://sites.poli.usp.br/d/pme2600/2007/Artigos/Art_TCC_031_2007.pdf;

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAQD8AC/ciclo-stirling;

http://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/ciclo_stirling.htm;

http://motorstirling.wordpress.com/fundamentacao-teorica-2/;

http://motor-stirling-solar.blogspot.pt/p/historia.html;

http://motor-stirling-solar.blogspot.pt/p/vantagens-e-desvantagens.html.

Documents

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