L'historique et les principes de fonctionnement du moteur Stirling et Ericsson

Résumé du document

La société actuelle est de plus en plus soucieuse de l'empreinte laissée par l'homme sur l'environnement et d'économiser les énergies non renouvelables. C'est ainsi que l'on voit de plus en plus se développer des systèmes à même d'utiliser des énergies renouvelables telles que l'énergie solaire, la biomasse, la géothermie, etc.

Dans le domaine de la motorisation, nombreux sont les moteurs convertissant l'énergie thermique d'une combustion interne en énergie mécanique. Mais cette notion de combustion « interne » implique quelques contraintes. En effet, ils ne peuvent fonctionner pratiquement qu'avec des combustibles liquides. Les énergies vertes citées précédemment ne sont pas utilisables avec de tels moteurs. En ce sens, le principe du moteur à combustion externe est révolutionnaire. Ce type de moteur nécessite pour fonctionner qu'on lui fournisse de l'énergie thermique sur son échangeur à haute température prévu à cet effet. Tout est alors possible : concentration des rayons solaires (pour rester dans les énergies propres), mais aussi chaleur fournie par la combustion d'un combustible quelconque, énergie atomique, etc. Et ce type de moteur présente bien d'autres avantages par rapport aux moteurs à combustion interne classiques  mais aussi quelques inconvénients.

Extraits

[...] ~ 18 ~ Une autre des grandes applications du moteur Stirling est la production d'énergie électrique en utilisant l'énergie solaire comme source chaude. L'air sert de source froide, il n'y a donc même pas besoin d'eau à proximité. Ce genre de projet est très développé aux USA. On vient placer un moteur Stirling au foyer d'une parabole (solar dish en anglais) qui concentre les rayons solaires de manière à ce que ceux-ci convergent sur la partie du cylindre qui doit être chauffée. [...]

[...] La nouvelle expression du rendement est alors : ( ( ) ( ) ) Cette fois-ci, le rendement du cycle d'Ericsson est bien égal à celui du cycle de Carnot. Bien entendu, cela n'est possible que dans le cas théorique et en considérant un régénérateur ayant une capacité de 100%. Maintenant que cette étude théorique et calculatoire a été menée, nous allons décrire plus précisément le fonctionnement mécanique du moteur Ericsson - Le mécanisme du moteur Ericsson Le fonctionnement d'un moteur Ericsson se décompose en deux mouvements pendant lesquels se déroulent quatre phases qui vont être décrites ci-dessous. [...]

[...] C'est à cette plus récente et surtout plus efficace version que nous allons nous intéresser ici. Cycles thermodynamiques d'Ericsson (à gauche) et de Joule (à droite) dans les diagrammes P - V et T - S ~ 21 ~ Dans un moteur Ericsson, le gaz utilisé est renouvelé au cours du cycle du moteur, c'est-à-dire que le cycle comporte des phases d'admission de gaz frais et d'échappement des gaz ayant subi une détente. C'est donc un moteur ouvert. Par ailleurs, l'Ericsson est un moteur à enceintes de détente et de compression distinctes : il y a deux cylindres (mais qui peuvent être réunis en un seul, on se rapproche alors du Stirling double effet). [...]

[...] Ils présentent de plus la particularité d'être simples de conception, nécessitent donc peu d'entretien, sont résistants et fiables. Ils peuvent être utilisés dans des domaines très variables, puisqu'en fonction de la source chaude utilisée, la puissance fournie peut varier du mW au MW. Malheureusement pour eux, leur grande faiblesse est la quasi incapacité à fournir des variations rapides et efficaces de puissance. Ils sont par contre très performants quand il s'agit de fonctionner à puissance nominale constante. Malgré ce désavantage qui peut se révéler gênant si on veut utiliser un moteur à combustion externe dans le cadre de l'automobile, il se pourrait bien que ces moteurs connaissent enfin, dans un futur proche, l'essor qu'ils méritent. [...]

[...] Ceci est réalisé par le transfert du gaz dans une partie froide du moteur ce qui provoquera une baisse de la température jusqu'à et donc de la pression de à (refroidissement isochore). La compression du gaz réalisée en utilisant une partie de l'énergie mécanique créée lors de la phase moteur (inertie du système mécanique) sera ainsi facilitée. La compression d'un gaz à basse pression demandant moins d'énergie que n'en fournit la dilatation d'un gaz à haute pression, chaque cycle du moteur Stirling permet de récupérer un excédant d'énergie mécanique. [...]