Le rôle de ce type de moteur est de convertir l’énergie thermique en énergie mécanique. Pour cela il effectue un cycle:
Le gaz à l’intérieur du moteur est déplacé vers le milieu chauffé ou la source chaude, ce qui a pour conséquence une augmentation de sa température donc de sa pression. Puis dans le piston, sous l’effet de la pression le gaz se dilate; c’est cette dilatation qui permet de fournir l’énergie mécanique.
Un gaz à haute pression qui se dilate fourni beaucoup d’énergie mécanique. De sorte à ce que le travail soit fournit graduellement il faut compresser le gaz dans le piston jusqu’à son état initial en utilisant le moins d’énergie possible; car pour compresser un gaz il faut de l’énergie mécanique. Le gaz va donc être déplacé du côté chaud vers le côté froid du moteur, diminuant ainsi la pression. On retourne donc au point de départ, c’est repartit pour un nouveau cycle.
En utilisant une partie de l’énergie mécanique précédemment fournie(par la dilatation), on comprime le gaz . Comme comprimer un gaz à basse pression demande moins d’énergie que celle qui est fournit par la dilatation d’un gaz à haute pression, à chaque fois qu’on répète ce cycle on récolte un surplus d’énergie mécanique.
La source chaude du moteur est alimentée par une source externe quelconque(combustion externe à l’aide d’énergie fossile ou d’énergie renouvelable, ou une autre source chaude).
Le cycle de stirlingComme la plupart des cycles thermiques il comprend quatre phases: compression, chauffage, détente, refroidissement.
De 4 à 1: chauffage isochore. Le gaz circule dans le régénérateur et capte de la chaleur. La température et la pression augmentent.
De 1 à 2: c’est la détente isotherme. La zone de détente est chauffée par l’extérieur, ainsi le gaz suit une détente isotherme.
De 2 à 3: refroidissement isochore(à volume constant). Le gaz passe dans le régénérateur, se refroidit en lui transférant sa chaleur qui sera utilisée pour le cycle suivant. La pression et la température diminuent.
De 3 à 4: c’est la compression isotherme. La zone de compression est refroidie, ainsi le gaz suit une compression isotherme.
Avantages et inconvénients de ce système
-Contrairement au moteur à combustion classique il n’y a pas d’explosion et pas d’échappement de gaz . Ce moteur est silencieux et les contraintes mécaniques sont réduites.
-L’Entretien est facile : effectivement , il n’y a pas de réaction chimique interne et aucun échange de matière avec son environnement. Par apport au moteur à combustion interne il se détériore plus difficilement.
-Le rendement: il peut aller jusqu’à 40 % contre environ 35 % pour les moteurs à explosion: si la différence de 5 points paraît faible, elle signifie quand même près de 15 % d’énergie en plus.
-Le cycle de Stirling est réversible: entraîné par un autre moteur il devient une pompe à chaleur capable de refroidir à -200 °C ou de chauffer à plus 700 °C, selon le sens d’entraînement. Ceci, sans employer de gaz avec des propriétés spéciales qui leur confèrent des inconvénients pratiques ou chimiques .
-Ce moteur peut fonctionner à partir de n’importe quelle source de chaleur (combustion d’un carburant quelconque, solaire, nucléaire, ou chaleur humaine)
-La chaleur venant de l’extérieur il est possible, de la fournir de façon moins polluante notamment grâces aux énergies renouvelables.
-Du fait qu’il soit étanche et qu’il faille utiliser un gaz qui soit le plus léger possible, la réalisation de ce prototype est difficile.
-Il est difficile à commander. La variation de régime de ce moteur est très difficile à réaliser, car elle ne peut théoriquement se faire qu’en agissant sur le taux de compression du fluide de travail
-Ce moteur est bien plus cher que le moteur à combustion interne
-En terme de recherche et de développement les industriels ne lui accordent pas le même intérêt.
Les applications de ce moteur
Le moteur Stirling a des applications de niche, dans des situations où le coût initial du système n’est pas un inconvénient important par rapport aux avantages (l’applications dans la recherche surtout).
-La principale application commerciale du Stirling est dans le domaine de la réfrigération industrielle et militaire. Il sert de machine pour la liquéfaction des gaz et comme refroidisseur pour les systèmes de guidage militaire infrarouge.
-Il est utilisé comme générateur d’électricité en Islande, au Japon et dans les milieux extrêmes tels que les déserts australiens et arctiques par de nombreuses missions scientifiques et militaires.
-Il est aussi utilisé par les marines suédoises, australiennes et bientôt les sous-marins d’attaque américains en tant qu’ensemble propulseur principal, notamment pour les sous-marins suédois, non seulement en raison de son silence, propriété cruciale pour les sous-marins, mais aussi pour la faible production de gaz imbrûlés nécessaire à l’apport d’une différence de température à un moteur Stirling ; effectivement, un sous-marin en plongée ne peut évacuer des gaz qu’en les comprimant à une pression au moins égale à celle du milieu ambiant, nécessitant une part non négligeable de l’énergie disponible à bord.
-Ce moteur équipe aussi certaines classes de frégates américaines(navires de guerre), le système de refroidissement du réacteur nucléaire de nombreux sous-marins et porte-avions ainsi que des drones(aéronef sans pilote à bord, qui a souvent pour mission de surveiller).
-En raison de sa capacité polycarburant il a été testé avec succès par l’URSS sur quelques prototypes de chars lourds.
-La Nasa et d’autres agences spatiales l’utilisent pour fournir de l’énergie aux satellites et aux sondes spatiales en complément aux panneaux solaires qu’il contribue à orienter pour en optimiser le rendement.
-Le constructeur de cartes mères d’ordinateur personnel MSI a présenté début 2008 un système de refroidissement dont le ventilateur est actionné par un moteur de Stirling utilisant comme source de chaleur l’énergie dégagée par la puce à refroidir.
-La plupart des grands constructeurs de chaudières proposent en 2009 une centrale de micro cogénération utilisant un moteur Stirling. Ce type de chaudière de la taille d’un chauffe-eau permet non seulement de chauffer de l’eau à des fins domestiques comme le chauffage et l’eau sanitaire mais aussi de produire de l’électricité sur place.
-Beaucoup d’exemplaires sont utilisés dans la pédagogie, en classe de physique pour démontrer les principes de la thermodynamique. Certains fonctionnant grâce à la chaleur du soleil concentrée par une parabole à l’instar des modèles utilisés dans certaines centrales solaires produisant de l’électricité, d’autres ne nécessitant que de la chaleur d’une tasse à café ou de celle de la paume d’une main pour fonctionner.
Vers quelles évolutions du principe?
De nombreuses variantes ont été proposées. En voici quelques-unes:
-Des pièces élastiques remplaçant les pièces mécaniques solides : membrane, gaz ou liquide, ils permettent d’obtenir des moteurs à pistons libres, à déplaceurs libres, ou les deux. On peut noter aussi le cas d’une pompe à moteur Stirling appelée fluidyne dont les clapets sont les seules pièces mécaniques en mouvement.
-Le montage du moteur Stirling en série permet à chaque pistons de jouer le double rôle déplaceur et moteur c’est le cas du moteur « double effet » par exemple.
-La transposition au moteur rotatif comme le quasi turbine du principe du moteur Stirling permet de combiner des cycles en séries dans un mouvement rotatif unique.
Des recherches sont en cours afin de pouvoir adapter ce type de moteur aux énergies renouvelables.
Le moteur de Stirling méconnu par beaucoup de monde, pourrait servir de base pour la création de nouveaux dispositifs.
Voici quelques exemples:
-Lors d’un incendie, la différence de température entre le feu et l’air ambiant peut actionner une pompe à eau pour éteindre le feu.
-On équipe des portes de ce moteur: la différence de température entre l’air ambiant et celle du corps humain permet d’ouvrir la porte automatiquement et de la refermer après.
-Faire de la soupe: grâce aux gradient de température entre les légumes et l’air ambiant, l’appareil broie les légumes.