Moteur Stirling/en

Aurelpere

https://wiki.lowtechlab.org/wiki/Moteur_Stirling/en

Dernière modification le 01/08/2024

Difficulté

Hard Difficile

Durée

1 day(s) jour(s)

Coût

50 EUR (€)

Description

Things about stirling engines

Sommaire

stirling, solaire, energie, moteur

---

Introduction

We now liv in a post-covid world, and wether you're part of

thos who think billionaires tak very seriously climat chang and want

to adress the question with population "regulation" and with survivalists bunkers,

or wether you'r part of those who think billionaires don't car and want

just keep on getting richer and richer until the last drop of petrol,

it becomes urgent to find alternatives to facism and to the models we are offered,

and it includes technical alternatives.

Stirling engine was invented in the XIX century, before combustion engine

and there are a few "mainstream" industrial uses, in particular in the 60s-70s

(Ford Torino,American ship Caloric).

Also called "hot air engin", its principl is to mov hot air alternatively from 1

cold zon to 1 hot zon and gather the mecanic forc produced by air dilatation (special dedicace Bruno Lemair)

and by air contraction.

Performant Stirling engines have necessited a lot of research and development and have achieved yields

more performant than combustion engines (around 40%).

They ar reliabl, silent, and hav high yields.

They ar however better adapted to regular regimes.

chronicl of a sleepless night before going handout leaflet against facsism in order to take advantage of the 24h after reception and

befor sabotag of the "toy" I hav received.

Étape 1 - web literature review

W hereby list a few videos of diy stirling engine

mor or less diy and in french languag

W can find engin mad with a coca cola can (DDM Brico Voyageur <nowiki>https://www.youtube.com/watch?v=nBxKOkYx2rI), wooden engine

made with glass syringes for the pistons (Incroyables Experiences https://www.youtube.com/watch?v=s79odgWz6BM) , a 125 cm3 manufactured engine with an estimated power of 0,8kW to 8kW (0,6 horsepower to 6 horsepower) considered the measurement of 800 rpm and a tray mass estimated between 100g and 1kg (French Stirling Fablab https://www.youtube.com/watch?v=Z24dZ3St_JE from series https://www.youtube.com/playlist?list=PLE1TyIvCXNyjlvWRi10LUsEMXKyRS6Ltx on channel https://www.youtube.com/@FrenchStirlingFablab)

You can find notably resources to try to build

your own stirling engin that you won't find in th text below

As a bonus, for teachers, 1 example of a tractor and cran toys build in meccano here:

http://cm1cm2.ceyreste.free.fr/stirling.html

Étape 2 - Toy power

W will now try to measur th power of stirling engin called "scientific toys"

qu'on peut trouver sur aliexpress ou chez des revendeurs comm science labs.

You will find attached two videos showing 1 stirling engin "scientific toy" that run

with heat sourc 1 flamm coming from 1 candl and alcool combustion.

Th engin comes with 1 small container and a wick that has to be filled with alcool that produc 1 power

adapted to the engine (video 1).

In video with the candl (video 2), the candl flam doesnt produc a power adapted

and the engin only runs for a few seconds and then stops and becomes very capricious to restart (a bit aleatory after

a few tries even after cooldown).

Therefor w measur the power of the two flams (video 3 and 4):

tim to boil 10mL of water from 20°C to 100°C

energi=10*80 cal=800*4,184J=3347,2J

tim for alcool lamp flam: 40s to 1min (wether simmering or boiling)

tim for candl: 90 to 120s

"alcool lamp:"

max_power=3347/40=84W

min_power=3347/60=56W

"candl"

max_power=3347/90=37W

min_power=3347/120=28W

To try to measur yields, we fix a mass to the motor (her a broken nut of 5g in video 5)

and w measur tork traction

and angular speed.

Broken nut mass is 5g and is fixed at a distanc of d=3cm of th rotation axis.

Rotation speed measurement with a 25€ tachymeter this tuesday 25 june 2024: th tachymeter works by friction (rubber traction that turns an axis of which rotation speed is measured): th traction happens after half a second to 1 second and displays values between 100 and 500 rpm and makes th engin stops.

Rotation speed measurement with 1 laser tachymeter (video 5): 1400 rpm with 5g broken nut attached at 3cm of axis

Rotation speed measurement with laser tachymeter for engine 2 (video 6): 1000 to 5000 rpm with 5g broken nut attached at 1,6 cm of the axis

Th yields is low, but w must recall this is a toy and not a engin made for performanc. We could however mak th measurement exercis with performant scientific toy (multi cylinders, L rendement est faibl, mais il faut s rappeler qu c'est un jouet et pas un moteur fait pour etr performant. On pourrait cependant prolonger l'exercic avec des jouets moteurs stirling dits "performants" (multi cylindres, vertical mover, etc.). Philips stirling engin can hav yields up to 40%.

Étape 3 - Rotation speed verification with video analysis

To measur angular speed, w will us two softwar: 1 python cod sampl based on opencv, and ffmpeg

python commands:

sudo apt install virtualenv

virtualenv --python=/usr/bin/python3 .

source bin/activate

pip3 install opencv-python

import cv2

import os

def charger_images_video(video_filename, output_folder):

"""

Loads video frames from a file and saves each frame as a JPG image.

Args:

video_filename: The path to the video file.

output_folder: The folder where to save JPG images.

Returns:

A NumPy array containing the video images (3D array: frames, rows, cols).

"""

# Open video with OpenCV

cap = cv2.VideoCapture(video_filename)

#Check successful opening

if not cap.isOpened():

print("Erreur d'ouverture du fichier vidéo:", video_filename)

return None

# Check that the output folder exists, if not create it

if not os.path.exists(output_folder):

os.makedirs(output_folder)

# Empty list to store video frames

images_list = []

frame_number = 0

# Play video frames frame by frame

while True:

ret, frame = cap.read()

# Check image playback

if not ret:

break

# Save each frame as a JPG image

frame_filename = os.path.join(output_folder, f'frame_{frame_number:04d}.jpg')

cv2.imwrite(frame_filename, frame)

# Add image to list

images_list.append(frame)

frame_number += 1

# Close video capture

cap.release()

return images_list

# Example of use

video_filename = '00009.MTS'

output_folder = 'frames'

images_list = charger_images_video(video_filename, output_folder)

commands ffmpeg:

sudo apt install ffmpeg

ffmpeg -i 00009.MTS -vf fps=25 output_frame_%04d.png

You can reproduc the measurment with the sourc video fil (link here) and the previous sampl code

Unfortunatly at this stag of experienc, the 25fps video doesnt allow to measur correctly

the angular speed of the engin is too fast et makes blurred images on the video broken down in 25 images per second

Unfortunatly the captation at 60fps or more is expensiv (sony camera or zcam at mor than 1000€ on amazon. the advantag is you hav 14 days to test the camera on get reimbursed if it doesnt fit)

w can find 60fps webcam but after a test (Svpro Full HD 1080P Webcam USB Objectif de Mise au Point Manuelle 4 mm, 30fps/60fps/100fps Caméras de Bureau USB CMOS OV2710 pour Linux Windows Android Mac OS, Plug and Play at 33€ on amazon) this wednesday 26 of june captures at 30fps. And you cant really configure video captation software adequately, see this page for exempl wher ther s no parameters to defin fps:

https://wiki.archlinux.org/title/Webcam_setup

Test avec la zcam e2:

vidéo d 60s à 60fps (en théori 3600 frames) avec un fond de thérébentin (plus d'alcool à 90° confisqu par les flics): le moteur tourne mais visiblement plus doucement que lorsque le pot est plein d'alcool à 90°. On verifie la vitess d rotation.

Bizzarement, j'ai un message"processus arret" à la frame 273 avec le script python

et ffmpeg fait le taff et on obtient un demi tour entre deux frames, soit 30 tour secondes, soit bien 1800 tours minutes

Fichier disponible ici si vous souhaitez vérifier:

https://vpn.matangi.dev/stirling.mp4 (1,8Go)

Étape 4 - faire tourner le moteur avec une source solaire

Fair 1 moteur stirling performant exige beaucoup d r&d (go! pour les hackers qui veulent faire des leaks des archives d philips ou d la ford torino -oui les années 60/70 cest pas q génial pour la musiqu-).

En théori, avec 1 rendement d 40%, il faudrait 1 recepteur solair d 2,5m2 (soit approximativement un recepteur de 90cm de rayon) pour 1 moteur d 1 kW

et on va ici s caler sur la puissance d la flamm qui fait tourner l moteur correctement:

60W à 90W

On va d'abord utiliser 1 reflecteur d petit taill sur lequel on va venir fixer des bouts d mirroir pétés (apres test d fixation d bouts d mirroir c'est nettement moins bon qu'avec la surfac initial du reflecteur) et mesurer l temps d'ébulition d'1 petit quantit d'eau

et on viendra fair 1 regl d trois pour 1 diametr adapt (la puissanc du soleil est linéair d la surfac ensoleill):

test c mardi 25 juin 2024 ensoleill.

Reflecteurs d 6cm d rayon en photo dont la surfac reflechissant est constitu d "bumps" pas nécessairement aussi bon que les surfaces dédiées telles que vendues par solar brother (https://www.solarbrother.com/acheter/reflecteur-solaire-adhesif-s-reflect-500/)

En mettant l doigt au milieu du reflecteur le midi en pointant l reflecteur en direction du soleil, on a une sensation proch d la sensation d brulur d'1 briquet au bout d 5s.

Le test pour fair bouillir 3mL d'eau a cependant échou, soit parce qu les surfaces ne sont pas assez lisses, soit parc qu la bougi fait trop d'ombr au reflecteur, soit parc que l reflecteur n'est pas assez bien orient par rapport au soleil et/ou la bougi pas plac assez précisément au foyer d convergences des rayons.

L'ensoleillement est d'environ 1000W/m2, et la surfac du reflecteur d'environ 3,14*0,06*0,06=0,0113m2

La puissanc du reflecteur est donc théoriquement d'environ 0,0113*1000=11,3W

Pour avoir 1 puissanc d 90W à midi (qu'on pourra moduler à la baiss avec 1 horair où l'ensoleillement est plus faibl), il faudrait donc 1 reflecteur d rayon r:

r=√(90/3,14*1000)=√(90/3140)=√(0,02866242)=0,17m

Il nous faut donc un bout d spher d 34cm d diametr.

L'antenn satellit (dit paraboliqu) récupér dans une recycleri fait 60cm d diametr, c qui est beaucoup trop grand, la surfac etant proportionell au carr du rayon (en premier approximation).

On va donc acheter une antene paraboliqu parabol d diametr 40cm (pas trouv plus petit) et y fixer un réflecteur solair adhésif.

Test du 12/07 négatif avec parabol d 40cm et réflecteur adhésif: le cylindr du piston est transparent et la chaleur des rayons solaires concentrés n chauff pas bien l cylindr. On peut pas démonter l cylindre pour y mettr dla paill d fer comm dans la vidéo de l'étape 1. Test demain avec collag dfeuill alu. Sinon il faudra trouver un moteur avec un cylindre métal.

La vidéo buggu est n'est pas uploadabl. Retest quand météo numériqu meilleur

Test negatif du 13/07 midi avec papier alu sur le cylindr: régler la parabol sur le cylindr a midi est compliqu, il fzut etr tres précis et avec l materiel qj'ai (un pied de micro) il faut suspendr l moteur en l'air,etc.

Test négatif du 16 juillet 18h: parabol d 40cm, concentration des rayons a peu près satisfaisant, puissanc solair insuffisant

Test négatif du 23 juillet 18h: parabol d 60cm, concentration des rayons solaires trop dispers, puissanc solair insuffisant

Le carr d lumièr concentr est trop dispersé. Il semblerait judicieux d fair un concentrateur plus précis (un véritable bout dsphère).

On essaierai après les vacances d fair un concentrateur sphériqu (donc avec un point focal plus concentr) avec un moul en plâtr sur un spher typ ballon d kin/yoga. Si vous voulez fair l tutoriel pour fair c typ d concentrateur, libr à vous!

Étape 5 - optimiser et fabriquer un recepteur solaire mobile

Là, j vous pass la balon.

D'abord, il faudrait réfléchir à 1 récepteur qui suit l soleil dynamiquement en fonction d sa position dans la journ (du jour et d l'heur) et d la latitud et longitud,

et plus important: qui soit capabl d renvoyer les rayons concentrés sur 1 point fix quel q soit l'heur.

Ensuit, on peut imaginer 1 truc constitu d plusieurs recepteurs d diametres distinct adapté à 1 ensoleillement variabl.

On a alors 1 sourc d'énergi renouvelabl infini et transportabl qui va fonctionner pour 1 ensoleillement avec 1 seuil haut et 1 seuil bas.

On peut mêm aller jusqu'à imaginer 1 sociét dont les machines n tournent pas quand il n'y pas assez ou trop d soleil, mais c'est d la scienc fiction.

Pour donner des points d repères, les plus grands mirroirs non pétés qu'on est actuellement capables d fabriquer sont les mirroirs d téléscop géants d 30m d diametr.

Les mirroirs d téléscopes d 5m à 10m d diametres sont plus courants pour les grands téléscopes.

J n suis pas spécialist du tout, just 1 vulgarisateur préoccupé par l changement climatiqu

et la mont du fascism.

A c titr et à c stad d mon expérimentation, seuls deux aspects "pratiques" m'interrogent pour 1 utilisation courant:

stopper l moteur (il suffit pas d stopper l'injection de carburant)

pour des utilisations longues: garder la sourc froid froid assez longtemps sans surdimensionner la puissanc en entr d la sourc chaud (pour 1 deltaT performant)

Et parc qu'à l'heur du fascim rampant qui mont dans tout la société, il faut arreter d s'auto censurer pour parler d politiqu quand on parl en son nom,

1 gouvernement qui prend au sérieux l changement climatiqu aurait depuis longtemps mis

les moteurs stirling dans les problemes d prépa, incité des consortiums à travailler dessus,

cr des groupes mixtes d'ingénieur.e.s-technicien.e.s-bricoleurs.e.s non diplomé.e.s multi territoriaux pour travailler sur c type d questions!

Les connaissances scientifiqu et techniques sont contextuelles d'époques et c n'est pas q dans le spatial (aller sur la lun)

qu'on a perdu des savoirs faires, si les lobbys empechent d remettr à l'ordr du jour des techniques oubliées

qui ont fait leur preuv, c'est au politique d créer les incitations nécessaires!

Étape 6 - a vous

voilà, vous avez maintenant des ressources web pour fabriquer un moteur stirling, des pistes pour faire des recherches sur les fabricants de moteurs stirlings performants, une methodo pour tester et verifier les vitesses de rotation de moins de 3600 tours/minutes dans un contexte numérique de flicage surveillance et entrave, une idée pour des moteurs à concentration à base de concentrateurs dynamiques.

Pour un algo de suivi du soleil, vous pouvez reprendre du code ici:

Dimensionner et faire un tracker solaire photovolatïque low tech

Cependant, un dispositif à base de 4 celulles photoelectriques et un petit circuit electronique de recherche de maximum par rotation/entrainement d'un moteur pourrait avantageusement remplacer le codage en dur et s'adapter à toutes les latitudes et longitudes.

J'ai aussi le soucis du sabotage des concentrateurs (rayures, reflecteur décollés) assez vite, mais je suis sur que vous trouverez des parades à ça aussi!

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