Stirling motoru, kapalı bir haznenin dışardan ısıtılmasıyla oluşan enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren makinadır. Sıcak hava motoru olarak da bilinir. Isınan havanın genişleyip sıkışmasıyla motor hareket etmeye başlar. 1816 yılında iskoç rahip Reverent Robert Stirling icat etmiştir. Motor daha sonra kardeşi olan James Stirling geliştirmiştir. Mucitlerin yaşadığı dönemde buharla çalışan makinalar kullanılıyordu ve oldukça tehlikelilerdi. Daha güvenilir bir alternatif bulmak için işe koyulurlar. İstedikleri ısı enerjisini doğrudan hareket enerjisine dönüştürmekti.
 

Şekil 1: Stirling motorunun ilk örneklerinden

►İlginizi Çekebilir: İçten Yanmalı Motorlar


 

 

Stirling Motoru'nda Neler Bulunur?

► Güç pistonu (displacer): Kapalı hazne içerisinde bulunan gazı hareket ettirmeye yarar. Genellikle beta tipi ve alfa tipi motorlarda kullanılır.
► Piston: Motorda bulunan silindirler içerisinde hareket ederek ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştürmeye yardımcı olur.
► Volan: Pistonların bağlı olduğu yapıdır. Bu yapının görevi oluşan mekanik enerjiyi hareket edecek parçalara aktarmaktır.
► Sogutucu: Kapalı hazne içinde bulunan gazı soğutmaya yardımcı olur. Motorun daha uzun süreler kullanılmasına yardımcı olur.
► Isıtıcı: Motorun en önemli parçasıdır. Isı enerjisini hareket enerjisine dönüştürmek için kapalı haznede bulunan gazı ısıtmak için kullanılır.

Ayrıca bazı motor çeşitlerinde bunlar haricinde farklı kompanentlerde kullanılabilir. Bu tamamiyle geliştiricilerin tercihleri doğrultusunda gerçekleşir.

 

Stirling motoru, yalıtılmış olarak bir miktar çalışma gazının (genellikle hava veya helyum, hidrojen gibi gazlar) ısıtılma ve soğutulma işleminin tekrar edilmesi ile çalışır.

Gaz, gaz kanunları (basınç, sıcaklık ve hacimle ilgili olarak) ile tanımlanmış davranışları gösterir. Gaz ısıtıldığında, yalıtılmış bir alan içinde olduğundan, basıncı yükselir ve güç pistonunu etkileyerek güç stroku üretir. Gaz soğutulduğunda basınç düşer ve bunun sonucunda piston dönüş strokunda gazı tekrar sıkıştırmak için oluşan işin bir kısmını kullanır. Ortaya çıkan net iş mil üzerinde güç oluşturur. Çalışma gazı sıcak ve soğuk ısı eşanjörleri arasında periyodik olarak akar. Çalışma gazı piston silindirleri içinde yalıtılmıştır. O yüzden burada egzoz gazı yoktur. Diğer tip pistonlu motorlardan farklı olarak valflere ihtiyaç yoktur.

Bazı Stirling motorları soğuk ve sıcak depolar arasında geri ve ileri çalışma gazı hareketi için bir ayırıcı piston kullanır. Çoklu silindirlerin güç pistonlarının birbirine bağlı olması sayesinde silindirlerin farklı sıcaklıklarda tutulması ile çalışma gazı hareket eder.

Şekil 2: 55 kW elektrik gücü sağlayabilen bir Stirling motoru ve jeneratör uygulaması

Gerçek Stirling motorlarında bir rejeneratör, depolar arasına yerleştirilmiştir. Sıcak ve soğuk taraf arasında gaz çevrimi olurken, rejeneratörden bu ısı transfer edilir. Bazı tasarımlarda, ayırıcı piston rejeneratörün kendisidir. Bu rejenaratör Stirling çevriminin verimine katkı sağlar. Burada rejeneratör olarak belirtilen yapı aslında içerisinden bir miktar hava geçmesine engel olmayacak bir katı yapıdır. Sözgelimi çelik bilyeler bu iş için kullanılabilir. Hava bir soğuk oda ile sıcak oda arasında hareket ederken bu rejeneratör içerisinden geçer. Sıcak hava soğuk bölüme ulaşmadan önce bir kısım ısı enerjisini bu bilyeler üzerinde bırakır. Soğuk hava da sıcak tarafa geçerken daha önce bırakılan ısı enerjisiyle bir miktar ısınır. Yani hava sıcak kısma girmeden önce ön-ısıtma, soğuk kısma girmeden önce de ön-soğutma işleminden geçerek motorun verimini artırır.

İdeal Stirling motor çevrimi aynı giriş ve çıkış sıcaklıkları için Carnot ısı makinesi olarak aynı teorik verime sahiptir. Termodinamik verimi buhar makinelerinden yüksektir. (veya basit haldeki bazı içten yanmalı ve dizel motorlardan)



Herhangi bir sıcaklık kaynağı Stirling motoruna güç sağlayabilir. Dıştan yanmalı motor, ifadesindeki yanma çoğu zaman yanlış anlaşılır. Isı kaynağı, yanma sonucu oluşabilir fakat, güneş enerjisi, jeotermal enerji veya nükleer enerji de olabilir. Aynı şekilde sıcaklık farkı yaratmak için kullanılan soğuk kaynak, çevre sıcaklığının altındaki değişik maddeler olabilir. Soğuk su veya soğutucu bir akışkan kullanımı ile soğutma sağlanabilir. Fakat soğuk kaynaktan elde edilecek sıcaklık farkının düşük olması daha büyük kütleler ile çalışılmasını gerektireceğinden, pompalamada oluşacak güç kaybı çevrimin verimini düşürecektir.Yanma ürünleri motorun iç parçaları ile temas etmez. Stirling motorunda yağlama yağı ömrü içten yanmalı motorlara göre daha uzundur.  

 

Stirling Motoru Çeşitleri 
 

3 ana stirling motoru çeşidi bulunmaktadır. Diğer motor çeşitleri 3 adet motorun geliştirilmiş versiyonlarıdır.

 

► Alfa tipi stirling motoru:

İki adet piston, bir adet volan, pistonların bulunduğu kapalı bir gaz haznesi, ısı eşanjörleri, ısı üreteci, bir adet volandan oluşmaktadır. Üst kısıma yerleştirilmiş olan pistonun etrafı ısı kaynağıyla ısıtılarak içerisinde bulunan gazın aktifleşmesi hedeflenir. Isınan gaz pistonu ileri geri itmeye başlar, bağlı bulunan diğer pistonda harekete başlar bu sayede sıcak ve soğuk gaz hazne içerisinde yer değiştirmiş olur. Bu iki pistonun bağlı olduğu volan yardımıyla oluşan enerji aktarılır. 


► Beta tipi stirling motoru: 

Aynı şaft üzerinde 2 adet piston bulunur. Bu iki piston birbirine bağlıdır. Alt tarafta bulunan pistonun bulunduğu hazne ısıtılarak kapalı hazne içerisindeki gazın ısınarak aktifleşmesi sağlanır. Bu sayede piston yukarı yönlü hareketine başlar. Bağlı bulunan diğer pistonda bununla birlikte soğuk gazı hazne içerisinde hareket etmesine yardımcı olur. Pistonların bağlı bulunduğu volan oluşan enerjiyi aktarır.

 

► Gamma tipi stirling motoru: