CARTON Clément CHAFFRAIX Valentin · 2014-11-26 · Le moteur Stirling est aussi appelé « moteur à air chaud ». e n’est pas pou ien. En effet il est constitué de plusieurs

Lycée René Cassin

75, route de Saint-Clément

69173 Tarare

CARTON Clément

CHAFFRAIX Valentin

SUARD Tancrède

GAGNARD Nicolas

[email protected]

Etablissement René Cassin TARARE MOTEUR STIRLING [email protected] Olympiades de Physique 2014-2015

© SUARD Tancrède, CHAFFRAIX Valentin, CARTON Clément, GAGNARD Nicolas 2

Table des matières Introduction ......................................................................................................................................... 3

I. Explication générale du projet .................................................................................................... 4

1. Panneau solaire (thermique) ................................................................................................... 4

2. Moteur Stirling ........................................................................................................................ 5

3. L’absence de maquette .......................................................................................................... 9

II. Mesures et exploitations des données ..................................................................................... 10

1. Température entrée sortie du panneau solaire .................................................................... 10

2. Températures entrées sorties du moteur ............................................................................. 11

3. Récupération de la pression du gaz interne .......................................................................... 14

4. Récupération de la position du déplaceur ............................................................................ 15

5. Diagramme PV ....................................................................................................................... 16

6. Tours/min .............................................................................................................................. 17

7. Mesure du couple .................................................................................................................. 18

8. Rendement ............................................................................................................................ 18

III. Limites de notre projet .............................................................................................................. 19

1. Réalisation maquette et optimisation ................................................................................... 19

2. Imprécisions des mesures ..................................................................................................... 19

3. Améliorations possibles et utilisations déjà existantes ......................................................... 20

IV. Conclusion ................................................................................................................................. 21

V. Sources et documentations ....................................................................................................... 22

VI. Remerciements .......................................................................................................................... 22

Annexes : ........................................................................................................................................... 23



Introduction

Nous venons du lycée général et technologique René Cassin à Tarare, dans le Rhône. Notre groupe

est composé de quatre élèves de terminale en section Sciences de l’Ingénieur : Clément CARTON,

Valentin CHAFFRAIX, Nicolas GAGNARD et Tancrède SUARD. Nous sommes soutenus par deux

professeurs de Sciences de l’Ingénieur, M. VALLON et M. PINAULT ainsi qu’un professeur de

Physique-Chimie M. BRUNO. Nous remercions aussi M. ERRAMI qui nous a fait découvrir les

Olympiades de la Physique et qui nous a aidés à mener notre projet jusqu’ici.

Pour notre projet de TPE de première, nous nous sommes intéressés aux différentes solutions de

conversion d’énergie. Nous nous sommes tournés vers le moteur Stirling qui permet de convertir une

chaleur (du fait d’une différence de température entre deux sources) en énergie mécanique. Nous

avons donc entrepris de réaliser une maquette d’un moteur Stirling et de l’étudier. En fin de

première, notre maquette réalisée à partir d’une canette de coca fonctionnait, cependant il était

difficile de complètement l’étudier, dû à la structure même de la maquette et aux très grandes

pertes que nous avions (structure des matériaux, frottements, pertes thermiques au niveau de la

zone chaude, refroidissement difficile).

Cette année nous avons donc décidé de reprendre notre projet, repartir de zéro en réalisant une

nouvelle maquette, cette fois-ci, conçue pour réaliser le plus d’études possible avec le moins de

perte. Nous sommes bien sûr limités par le temps et la capacité de réalisation, c’est pourquoi notre

réalisation ne peut pas être parfaite. Cependant, l’expérience de l’année dernière nous a permis de

savoir où se trouvaient nos principales pertes et ainsi, de les réduire pour ce nouveau moteur.

Pour obtenir un meilleur rendement avec une maquette plus facilement réalisable, nous avons

même changé le type du moteur par rapport à notre première maquette. En effet, le moteur Stirling

fonctionne avec deux sources thermiques qui agissent sur la dilatation et la compression d’un gaz. Le

changement du volume du gaz entraine un piston qui convertit l’énergie pneumatique en énergie

mécanique. Le déplacement du piston entraine à son tour un « déplaceur » qui se charge de déplacer

l’air du côté chaud au côté froid et inversement. Or, ce fonctionnement n’oblige pas une structure

particulière pour le moteur. C’est pourquoi nous distinguons trois types de moteurs.

Alpha Bêta

Projet de Première Gamma

Projet de Terminale

Nous étudions cette année le moteur Stirling de type Gamma. L’étude du moteur en elle-même étant

intéressante, le projet l’est d’autant plus si nous étudions le moteur dans un système. Le but

principal est d’étudier la production d’énergie électrique grâce aux énergies renouvelables et ainsi de

proposer une alternative à la plus connue : le panneau photovoltaïque.

Notre système est composé d’un panneau solaire thermique qui récupère l’énergie solaire (gratuite

et renouvelable) pour la convertir en énergie thermique. Cette énergie est acheminée jusqu’au



moteur Stirling qui la convertir en énergie mécanique de rotation. L’énergie mécanique est à son tour

convertie en énergie électrique grâce à une génératrice.

I. Explication générale du projet

1. Panneau solaire (thermique)

En été, les capteurs solaires produisent un surplus d'énergie qui n'est pas négligeable. Nous avons

donc réfléchi à un moyen d'utiliser cette perte d'énergie. Nous sommes dans une époque où nous

essayons de diminuer le gaspillage. Or, ne pas utiliser cette énergie, même si elle ne coûte rien, peut

être considéré comme tel.

Dans le panneau solaire thermique, le liquide circule dans des tubes soudés sur une plaque noire

appelée absorbeur. Pour obtenir un meilleur rendement, l'ensemble est placé dans une boîte vitrée

isolante. Dans cette configuration, le rayonnement du soleil (correspondant à un rayonnement

thermique de haute température) passe quasiment entièrement à travers la vitre tandis que le

rayonnement émis par les tubes et le fond du panneau (correspondant à un rayonnement thermique

de basse température) ne passe pas à travers la vitre. Il en découle ce que nous appelons

classiquement l’effet de serre. L'absorbeur est chauffé par le rayonnement solaire et transmet

sa chaleur à l'eau qui circule dans les tubes.

Les premiers absorbeurs étaient peints en noir mat afin de capter un maximum d'énergie lumineuse.

Mais la peinture noire mate a souvent l'inconvénient d'avoir une émissivité importante dans

l'infrarouge (qui transmettent très bien l’énergie thermique). Ce qui représente une perte

importante et nuit au rendement. C'est pourquoi il est intéressant d'utiliser des absorbeurs traités au

chrome (par exemple), qui émettent un rayonnement infrarouge beaucoup plus faible. On parle de

surfaces sélectives, elles absorbent bien le rayonnement visible où se situe la grande partie de

l'énergie provenant du Soleil (un corps noir à haute température), mais réémettent peu dans

l'infrarouge (rayonnement de l'absorbeur, corps à relativement basse température).

Dans notre cas, il nous était impossible de nous procurer un absorbeur spécial traité au chrome, mais

nous gardons cette idée pour une utilisation plus industrielle du moteur Stirling couplé au panneau

solaire thermique.

Si l’eau ne circule pas, la température interne au capteur monte jusqu’à ce que les déperditions

soient égales à l’énergie reçue, ce qui peut entraîner l’ébullition de l’eau. Cette température peut

être très élevée en été, l’après-midi, quand les besoins de chauffage sont déjà couverts. On appelle

température de stagnation la température de l’absorbeur dans cette situation.

Nous nous sommes donc procuré un vieux panneau solaire thermique industriel, ce qui nous a

permis de pouvoir réaliser des mesures dans de bonnes conditions, avec un panneau à rendement

élevé.

http://fr.wikipedia.org/wiki/Transfert_thermique



2. Moteur Stirling

Tout d’abord : qu’est-ce que le moteur Stirling ?

Le moteur Stirling est aussi appelé « moteur à air chaud ». Ce n’est pas pour rien. En effet il est

constitué de plusieurs parties qui remplissent chacune un rôle très important pour le fonctionnement

du moteur. Tout en expliquant le fonctionnement et les pièces du moteur, nous définirons leur nom

que nous utiliserons dans la suite de notre projet.

La pièce principale est un cylindre renfermant un gaz. Nous appellerons cette pièce le Conteneur. En

effet cette pièce joue un rôle majeur, elle contiendra le gaz que nous compresserons puis dilaterons

suivant la loi de la thermodynamique, que nous développement plus tard. Elle doit absolument être

hermétique, car la moindre fuite du gaz provoque des pertes énormes et un rendement en chute

libre.

Deux zones sont dédiées aux apports d’énergie. Nous nommerons Conteneur extérieur chaud et

Conteneur extérieur froid les deux pièces qui permettront de mettre en contact les fluides

caloporteurs avec les parois du Conteneur. En effet le Conteneur va être divisé en deux parties, l’une

qui sera chauffée, une seconde qui sera refroidi.

Nous ajoutons un Piston relié à la chambre hermétique qui convertira l’énergie pneumatique en

énergie mécanique. Ainsi qu’un piston non hermétique qui se déplacera à l’intérieur du Conteneur

dans le but de déplacer l’air sur la zone de chauffage ou sur la zone de refroidissement. D’après sa

fonction, nous le nommerons Déplaceur.

Un vilebrequin et des bielles permettront de transmettre les énergies mécaniques mises en évidence

dans le fonctionnement du moteur, telles que le mouvement du piston et celui du déplaceur. Nous y

rajouterons un disque d’inertie ou volant d’inertie pour assurer le bon fonctionnement du moteur et

la génération d’énergie électrique.

Fonctionnement

Il est possible d’obtenir un mouvement de translation en chauffant un gaz, qui se dilate, poussant

ainsi un piston. Cependant il n’est pas commode de chauffer indéfiniment un gaz. Le moteur Stirling

exploite donc une étape de chauffage, puis une de refroidissement pour créer un cycle.

Ce cycle est caractérisé par les quatre phases élémentaires :

Un chauffage isochore, c’est à dire à volume constant :

Chauffage Gaz

froid Gaz

chaud Chauffage

Piston

Conteneur



Une détente isotherme, c’est-à-dire à température constante, ce qui pousse le piston.

Il y a création d’énergie mécanique en poussant le piston.

Un refroidissement isochore, donc de nouveau à volume constant :

Une compression isotherme, c’est-à-dire à température constante, ce qui ramène le piston :

Il y a création d’énergie mécanique en ramenant le piston à sa position initiale.

Le rôle du déplaceur est de créer les phases de chauffage et de refroidissement. En effet, il déplace

l’air sur la partie chaude puis sur la partie froide et ainsi de suite suivant la position du piston.

Ainsi nous pouvons le représenter :

En combinant le tout dans un moteur de type gamma :

Le nom des pièces n’est pas redéfini pour plus de clarté dans les schémas.

Il faut remarquer que le piston et le déplaceur sont reliés à un vilebrequin, ainsi, le schéma suivant

représente bien les différentes étapes, mais ne prend pas en compte le fait que le piston se déplace

en même temps que le déplaceur. Le schéma est simplifié. Seulement avec une animation, nous

pourrions correctement montrer et expliquer le fonctionnement du moteur.

Chauffage Détente Gaz

détendu Chauffage

Piston

Conteneur

Refroidissement Refroidissement

Gaz

chaud

Gaz

froid

Piston

Conteneur

Refroidissement Refroidissement

Compression Gaz comprimé

Piston

Conteneur

Refroidissement

Chauffage

Zone chaude

Zone froide

Déplaceur



1 - Chauffage isochore 2 – Détente isotherme

3 - Refroidissement isochore 4 – compression isotherme

On remarque que le mouvement des deux pièces est déphasé de 90°. Dans notre moteur, comme

représenté ici, le piston est du côté froid, ainsi il est en retard d’un quart de période par rapport au

déplaceur.

La position du piston et du déplaceur peuvent être représentées dans le temps :

C’est une représentation simplifiée de la position des pièces. En effet, comme elles sont rattachées

au vilebrequin, qui a un mouvement circulaire uniforme, le déplacement des pièces est plus proche

d’un mouvement sinusoïdal.

Le régénérateur :

L’énergie mécanique à la sortie du moteur est égale à l’énergie fournie durant la phase de détente

(en négligeant les pertes dues aux frottements). Puis le gaz est refroidi pour créer une compression.

De ce fait, le moteur consomme de l’énergie pour la convertir en énergie mécanique et en énergie

thermique perdue (gaz chaud refroidit). Il serait intéressant de pouvoir réutiliser cette énergie

thermique perdue pour la réinjecter dans la phase de chauffage. C’est pour quoi a été inventé le

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Position de la pièce

États du cycle

Position des pièces en fonction des états du cycle

Piston

Déplaceur

Chauffage Chauffage

Refroidir Refroidir

Refroidir

Chauffage

Chauffage

Refroidir



Régénérateur. Ainsi, notre seule dépense d’énergie est celle due à la

conversion en énergie mécanique.

Le régénérateur est une poche de gaz qui relie la partie chaude à la

partie froide. Dans notre moteur, il est présent au niveau du déplaceur.

En effet, ayant un diamètre plus petit que celui du Conteneur ; il reste

un espace entre la paroi interne du conteneur et du déplaceur. Ce

volume constant représente notre régénérateur.

La dernière pièce essentielle du moteur est le volant d’inertie :

Seule la phase de détente (étape 1->2) est motrice. Il faut donc ajouter un volant d’inertie pour

permettre au moteur de passer les étapes 2->1. En effet la phase de compression nécessite

néanmoins un apport d’énergie. Cela se remarque lorsque l’on souhaite faire tourner un moteur

Stirling à la main sans apport d’énergie. Ainsi le volant d’inertie permet de conserver de l’énergie

pour effectuer toutes les étapes correctement. De plus, cela permet au moteur d’acquérir une

vitesse de rotation constante, car la perte de vitesse durant les phases non motrices est comblée par

l’apport d’énergie cinétique de la phase de détente.

Pour améliorer le rendement et le fonctionnement de notre moteur, nous sommes obligés d’ajouter

un volant d’inertie, cela permettra d’éviter une oscillation de la manivelle durant le fonctionnement

de la maquette.

Pourquoi le moteur Stirling ?

Le Moteur Stirling est très avantageux ; il émet très peu de vibrations (il n’y a aucune explosion,

comme un moteur à explosion), et donc est très silencieux. Bien optimisé, il peut avoir un excellent

rendement (notamment grâce au cycle de Carnot, que nous développerons plus bas), concurrencent

le moteur « classique ». Il est également adaptable à toute source de chaleur. Enfin, il pollue très

peu, à sa création, durant son utilisation et à sa destruction, puisqu’il peut être facilement

réutilisable. Cependant, son étanchéité parfaite est difficile à établir, et sa conception reste délicate.

Avantages

Il y a très peu de vibrations et un silence de fonctionnement dû à l’absence d’explosion, de gaz

d’échappement et à la simplicité du mécanisme, ce qui le rend fiable et facile à entretenir.

Très bon rendement suivant le type de moteur qui suit le rendement de Carnot, pouvant

dépasser les 35% pour le moteur à explosion du fait des différences de températures entre

sources chaudes et froides qu’il génère.

Cycle réversible, c'est-à-dire capable de produire une différence de température allant jusqu’à

700°C et -200°C, si on lui apporte un mouvement de rotation et ceci sans employer de gaz avec

des propriétés spéciales.

Multi-source: il est adaptable à toute source de chaleur et permet donc la combustion d'un

carburant quelconque, énergie solaire, énergie nucléaire, chaleur humaine, bois…

Régénérateur



Pollution potentiellement faible : Tout dépend du combustible ou du réfrigérant, car il est plus

polluant d’utiliser une combustion de carburants que d’utiliser l’énergie solaire ou la géothermie.

Inconvénients

L'étanchéité au niveau du Conteneur est difficile à résoudre lorsque l’on souhaite avoir des

pressions de fonctionnement élevées.

Le moteur Stirling est une conception très délicate.

Le manque de souplesse dans la difficulté à obtenir des variations rapides et efficaces de

puissance. Celui-ci est plus apte à marcher à puissance nominale constante. C’est notamment un

problème dans l’automobile.

3. L’absence de maquette

La grande ambition de notre projet a été d’entreprendre la réalisation de A à Z notre maquette et de

l’étudier. Nous ne voulions pas étudier un moteur prêté, mais réellement le fruit de notre travail.

Cependant, la modélisation du moteur a pris énormément de temps. Il a fallu d’abord nous

documenter sur le fonctionnement du moteur Stirling de type Gamma, que nous n’avions pas

exploité en Première année. Nous avons été confrontés à de nombreuses contraintes. Tout d’abord,

nous nous sommes formés à la modélisation de pièces sous le logiciel SolidWorks, puis nous avons

imaginé la structure de notre moteur. Il a fallu prendre en compte dans la réalisation du système, la

faisabilité des pièces, d’un point de vue réalisation réelle et au niveau du coût. Nous voulions partir

sur un moteur entièrement usiné, en aluminium, pour sa faible densité (cela allège les bielles et le

vilebrequin). Or certaines pièces trop complexes n’étaient pas usinables, seul un moulage nous aurait

permis de les réaliser et cela dépassait largement le budget. Il a fallu revoir à plusieurs reprises la

modélisation des pièces, pour enfin arriver à un compromis.

Nous avons convenu de faire usiner en aluminium le vilebrequin, les bielles, le piston et le déplaceur

par le lycée Carnot à Roanne, qui possède une section Bac Pro Technicien Usinage. Le choix de ces

pièces n’est évidemment pas pris à la légère. Nous avons besoin d’une grande précision pour réaliser

le piston et le cylindre dans lequel il va coulisser. Nous avons aussi besoin que les bielles et le

vilebrequin soient équilibrés pour optimiser le rendement de notre moteur, en diminuant la création

de vibration.

À cause de la complexité des pièces, notamment pour le Conteneur, le Conteneur extérieur chaud et

le Conteneur extérieur froid, nous avons décidé de les faire imprimer en plastique ABS par le biais

d’un particulier possédant une imprimante 3D. Le plastique ABS ne fondra pas à des températures

proches de celles de nos tests (entre 50°C et 95°C, notre moyenne espérée étant de 80°C). Ainsi, en

utilisant cette nouvelle technologie, nous avons pu faire imprimer exactement les pièces que nous

avions modélisées (avec une précision faible face à de l’usinage, mais ce n’est pas important pour ces

pièces). De plus, cela nous a permis de diminuer considérablement les couts et le temps de

réalisation. Il a fallu environ 16 heures pour imprimer notre Conteneur extérieur chaud qui est la

pièce la plus volumineuse du moteur. Le temps d’impression parait long, alors qu’en réalité, il suffit

de lancer l’impression tôt le matin et la pièce est prête en début de soirée.

Malheureusement, nous avons manqué de temps pour arriver au stade d’avoir toutes les pièces de

notre maquette. De ce fait, nous n’avons malheureusement aucune maquette pour mettre en



application tous nos tests (que nous avons conçu et préparé en parallèle du développement de la

maquette).

Heureusement, le type de moteur n’influence pas sur les différents calculs et mesures réalisables sur

une maquette de moteur Stirling. De ce fait, toutes les mesures qui seront exprimées dans la suite

du dossier correspondront aux mesures faites sur notre première maquette réalisée durant l’année

de Première.

Modélisation : Vue en coupe du moteur

1 Conteneur

2 Conteneur extérieur chaud

2’ Isolation thermique par mousse polyuréthane

3 Conteneur extérieur froid + cylindre du piston

4 Déplaceur

5 Piston

6 Bielles

7 Vilebrequin

8 Disque d’inertie

9 Roulements à bille

10 Supports de la manivelle

11 Supports du moteur

II. Mesures et exploitations des données

1. Température entrée sortie du panneau solaire

Le panneau solaire est la source de notre système. Même si nous ne l’avons pas construit, il est

important de l’étudier dans le but d’avoir un premier ordre d’idée de l’énergie fournie au moteur.

Par manque de moyen et d’information, nous ne pourrons pas calculer précisément le rendement du

panneau solaire testé. Cependant nous pouvons déterminer une approximation de la puissance utile.

La puissance utile est celle qui permet de réchauffer le débit d’un fluide caloporteur de la

température d’entrée jusqu’à la température de sortie .

La relation de la puissance utile est la suivante :

Avec

𝑃𝑢 la puissance utile en Watt

𝑚 le débit massique en Kg.s-1, on utilise

de l’eau, donc 1L = 1Kg

𝐶𝑝 la capacité thermique massique de

l’eau en J.kg-1.K-1

∆𝑇 les températures en Kelvin

1

Les entrée et sorties d’eau chaude et froide n’apparaissent

pas sur cette vue en couple.



Notre montage:

Après plusieurs tests en extérieur et un temps non favorable, seule une mesure est exploitable.

Sachant que notre panneau solaire couvre une surface de 2 m2, nous obtenons 910 W.m-2 de

puissance utile.

2. Températures entrées sorties du moteur

Nous nous intéressons aux différentes entrées sorties de notre moteur en ce qui concerne la

température. En effet, en mesurant la température d’entrée et de sortie de l’eau chaude, nous

sommes capables de savoir quelle quantité d’énergie a été absorbée durant le fonctionnement du

moteur. Et inversement avec les températures de l’eau froide, nous sommes capables de savoir la

quantité d’énergie dissipée par le refroidisseur.

Ainsi, en soustrayant l’énergie absorbée par l’énergie dissipée, nous pouvons déterminer une

approximation de l’énergie thermique convertie en énergie mécanique.

Montage :

Eau du robinet

Eau en sortie 𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟 𝑒 73 + 7 𝐾

𝑚

𝐾𝑔 𝑠−1

𝐶𝑝 𝐽 𝐾𝑔−1 𝐾−1

Avec :

𝑇𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 73 + 𝐾

On obtient donc

Conteneur

𝑇𝑓𝑟𝑜𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟 𝑒

𝑇𝑓𝑟𝑜𝑖𝑑𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒

𝑇𝑐ℎ𝑎𝑢𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟 𝑒 𝑇𝑐ℎ𝑎𝑢𝑑𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒

Panneau thermique

Pour cette expérience, nous souhaitons

réaliser des relevés dans le temps. Car

nous pensons que durant le démarrage du

moteur jusqu’à sa stabilisation, la quantité

d’énergie absorbée n’est pas la même.



Pour cela nous réalisons un montage avec un PicKit, une carte équipée d’un microcontrôleur 16F690

que nous programmerons à l’aide du logiciel MikroBasic pour faire un relevé des températures à

chaque fois que l’utilisateur le lui demande (en utilisant un bouton déclencheur ou une horloge

générant un niveau logique 1).

La représentation du montage sou le logiciel Proteus ISIS :

Les relevés sont stockés dans la mémoire interne du microcontrôleur, cependant celle-ci est limitée.

Une fois pleine, toutes les LED s’allumeront pour informer l’utilisateur que le microcontrôleur ne

peut plus enregistrer de relevé. Nous utilisons 4 LED de sortie, car la platine est prévue ainsi à l’achat.

La température est relevée grâce à des thermistances CTN de 10KOhms qui font varier la tension,

tension mesurée par le PIC.

N’ayant pas de mesure, nous nous basons sur les mesures réalisées l’année dernière avec notre

précédente maquette.

Les conditions n’étant pas le même, voilà comment nous avons procédé :

On calcule la puissance réelle absorbée par notre moteur :

L’année dernière nous utilisions la chaleur dégagée par une flamme issue de la combustion de

l’éthanol en dessous du moteur. Nous nous étions donc intéressés à l’énergie emmagasinée par

notre cannette et les pertes dans l’air. On peut faire une analogie entre la température chaude en

entrée et celle en sortie pour notre moteur actuel. Notre montage consistait à faire chauffer de l’eau

dans une cannette et de mesurer la température de l’eau après un certain temps. Ainsi, nous avons

pu connaitre la quantité d’énergie absorbée par la partie chaude du moteur, et surtout la quantité de

perte avec l’air.



Le montage :

7 −

7

Notre première maquette emmagasinait 171W au niveau de la source chaude.

On peut calculer la puissance délivrée par la lampe à alcool à chaque seconde: (analogie de la

puissance fournie par le panneau solaire)

3 −

−

La combustion de l’éthanol avec cette lampe à alcool libère une puissance de 212 W

On peut calculer le rendement de notre partie chaude :

On sait que la Puissance Absorbée est égale à la Puissance Utile additionnée avec les pertes. De

ce fait nous pouvons calculer le rendement η qui est égal au rapport entre la Puissance Utile et la

Puissance Absorbée.

Avec

7

7

On calcule la puissance dissipée par le refroidisseur :

Le refroidisseur fonctionnait avec de l’eau. Pour obtenir le débit, nous avons mesuré le temps qu’il

fallait pour remplir une éprouvette graduée de 60 mL. Nous avons mesuré 16 s. En entrée l’eau de

notre siphon était à 21,1 °C et en sortie à23 °C, donc il y a une variation de 1,9.

∆

−

3

Nous avons pris une canette vide que nous avons remplie avec

278.44 g d’eau. La température initiale de l’eau était de 20,7 °C, après

le chauffage qui a duré 140s, elle était de 41,2 °c, il y a donc une

variation ΔT de 20,5 °C (de même en Kelvin).

𝑃𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑏 𝑒 𝑚 𝐶𝑝 𝛥𝑇 avec

Canette

Eau

Combustion

D’éthanol

𝑚 7 −

𝐾𝑔 𝑠−1


𝛥𝑇 𝐾

𝑚 −

𝐾𝑔 𝑠−1


𝛥𝑇 𝐾

𝑷𝒍𝒊𝒃 𝒓 𝒆 Puissance libérée en Mj 𝑬𝒄𝒐𝒎𝒃𝒖𝒔𝒕𝒊𝒐𝒏 Puissance molaire libérée par l’éthanol en MJ/mol

= 1,366 MJ/mol (constante) 𝒏 Quantité de matière en mol

𝜂 Le rendement, sans unité

𝑃𝑢 La Puissance Utile en J.s-1

𝑃𝑎 La Puissance Absorbée en J.s-1



Notre système de refroidissement dissipait donc 30W de chaleur.

On peut donc déduire la puissance utilisée pour notre moteur :

7 3

Notre moteur utilise donc une puisaance de 151W, ce flux d’énergie sera ensuite transformé en un

débit d’énergie mécanique, mais le rendement étant très faible nous n’allons évidemment pas

obtenir une puissance mécanique de 151W.

3. Récupération de la pression du gaz interne

Nous nous intéressons à la pression interne du moteur. En effet, la pression du gaz contenu dans la

pièce conteneur varie sous l'effet du chauffage et du refroidissement. La pression est le cœur de

notre moteur. C'est la pression qui exercera une force sur la surface du piston et ainsi entraînera le

mouvement de la manivelle. Il est important de la relever plusieurs fois, pour pouvoir tracer la

courbe sinusoïdale de la pression en fonction du temps. Comme notre maquette de l'année dernière

n'était pas prévue pour étudier la pression, et qu'il était difficile de percer notre conteneur pour

avoir accès à la pression interne, nous n'avons aucun relevé de cette expérience. Cependant, nous

avons appris de nos erreurs et nous avons spécialement imaginé une ouverture à l’intérieur de notre

maquette permettant de relier l'intérieur du conteneur à un capteur de pression extérieur à la

maquette.

De ce fait, nous avons conçu un montage permettant de réaliser cette expérience. Nous nous

sommes fourni un capteur de pression analogique dont la valeur des sorties est absolue. Le capteur

est alimenté en +12 volts. Nous avons deux sorties dont seule la soustraction de l'une par l'autre

permet d'obtenir la valeur analogique de notre pression. L'avantage de ce système est la possibilité

d'obtenir une valeur négative, s’il est alimenté en +12, -12V. Pour cela, nous avions songé à utiliser

une carte équipée d'un microcontrôleur et de convertir nos valeurs analogiques en valeurs

numériques, et ensuite les soustraire pour obtenir le résultat. L'inconvénient est le temps de

réponse, la précision limitée

du convertisseur analogique

numérique et l'impossibilité

de relier nos résultats

directement sur un

oscilloscope. Le rôle de

l’oscilloscope est très

important, car en étudiant la

pression en fonction du

volume, nous pouvons

établir le cycle de Carnot,

qui est représentatif de la

puissance de notre moteur.



Nous avons donc préféré utiliser un amplificateur opérationnel que nous avons raccordé en

différentiel comme sur le schéma ci-dessus.

Pour ce montage si et alors

1

Nos variations étant faibles, nous avons opté pour et comme ça nous

avons une amplification de

1

1 1

1 .

Ce choix repose sur le fait que nos variations sont faibles et donne une différence de l’ordre du

millivolt ce qui est trop faible pour être correctement exploité, en plus de la différence on profite de

l’amplification.

4. Récupération de la position du déplaceur

Nous nous intéressons à la position de notre déplaceur. En effet, le déplaceur dépend de la position

de la manivelle, qui dépend elle-même de la position du piston. De ce fait, nous pouvons nous

intéresser à la position de l'un de ces trois éléments. Cependant, la position du piston est très

représentative du volume : en effet, c’est en fonction du déplaceur que nous allons déterminer la

phase dans laquelle se trouve notre moteur (en cours de chauffage ou en cours de refroidissement).

Nous pouvons alors en déduire le volume du gaz en fonction du temps dans la chambre hermétique

du conteneur. C’est la seconde information nécessaire à la réalisation du cycle de Carnot. Tout

comme la pression, nous n'avions pas pu réaliser cette mesure sur notre moteur de première. En

revanche, nous avons pu imaginer une solution pour connaître la position du déplaceur dans le

temps.

Notre montage devait pouvoir relever la position du déplaceur et en même temps son sens de

déplacement. Puisqu'il est sinusoïdal, il fallait connaître la phase de descente et de remontée du

déplaceur. Nous avions pensé premièrement à coller un aimant sur la bielle du déplaceur et à utiliser

un capteur à effet Hall pour relever le l’intensité du champ magnétique, et ainsi en déduire la

position du déplaceur. Plus tard, nous avions pensé à utiliser un filtre hachuré collé verticalement le

long de la bielle du déplaceur, puis à placer un laser pointant à travers le filtre pour arriver sur une

photodiode. Avec ce montage, nous pouvions compter le nombre de fronts montants produits par la

photodiode. Cependant, cela ne nous permettait pas de savoir dans quel sens se déplaçait le



LASER

TIGE DU DEPLACEUR

FILTRE DÉGRADÉ

PHOTODIODE

déplaceur. Avec ces contraintes, nous avons pensé à reprendre le système, avec un filtre dégradé (de

très opaque à peu opaque, voir totalement transparent). Ainsi, un côté du filtre aura une plus grande

absorbance que l'autre côté. Ce système nous permettra donc d'avoir une variation de tension au

niveau de la photodiode, et d’en déduire la position exacte de notre déplaceur (une fois avoir

étalonné les valeurs de la photodiode).

5. Diagramme PV

Le diagramme Pression-Volume, plus

connu sous le nom de diagramme PV

détaille les quatre phases du

fonctionnement du moteur. Il met en

relation ces phases avec pour l’axe des

abscisses le volume et en ordonnée la

pression du gaz.

L’air en jaune représente le travail

récupéré au cours d’un cycle. C’est donc

la quantité d’énergie transformée en

énergie mécanique.

Nous cherchons à retrouver ce diagramme avec notre moteur, premièrement sur un oscilloscope

puis sur ordinateur pour pouvoir l’étudier correctement. C’est l’expérience la plus dur de tous les

montages, car elle nécessite une grande précision et réactivité des capteurs de pression et de volume

ainsi qu’un décalage d’un quart de cycle entre la pression et le volume.



Notre montage qui met en lien le capteur de pression et la photodiode pour connaitre le volume :

6. Tours/min

Pour compléter l'étude du moteur, nous nous intéressons au nombre de tours par minute réalisés

durant le fonctionnement du moteur par notre disque. Cela permet notamment, lors du lancement

du moteur, de voir l'évolution de la vitesse pour arriver à une stabilisation de la vitesse de rotation

du moteur, et ainsi arriver à déterminer sa vitesse nominale constante pour la différence des

températures connues. Ces mesures nous permettront de déterminer le couple, car celui-ci est

proportionnel à la vitesse de rotation et à la puissance du moteur. Or, pour pouvoir fonctionner,

notre moteur doit avoir une vitesse minimale à respecter, un nombre assez important de tours par

minute. En connaissant la vitesse de rotation, nous pourrons alors déterminer s'il est possible de

ralentir volontairement cette vitesse de rotation pour augmenter le couple. De plus, la vitesse de

rotation est en lien avec celle de la génératrice. En effet, la génératrice n’a un bon rendement qu’à

une certaine vitesse, et par conséquent, la vitesse de rotation du moteur influe sur le ratio de

proportionnalité des rouages entre la manivelle et la génératrice.

Sur notre première maquette, nous avions fixé un papier sur le bord de notre volant d'inertie, puis

utilisé un tachymètre, qui nous a fourni une tension de sortie, que nous avons convertie ensuite,

selon les données constructeurs, en nombre de tours par minute.

Cette année, nous récupérerons le nombre de tours par minute avec un compte tour. Nous fixerons

une partie réfléchissante sur le disque qui tient le moteur en inertie pour compter le nombre de fois

qu’un rayon laser est réfléchi sur cette partie.



7. Mesure du couple

Nous cherchons à connaitre l’énergie délivrée par le moteur au niveau de la manivelle. En effet, si

nous souhaitons relier la manivelle à une génératrice, il nous faut connaitre le couple du moteur pour

pouvoir adapter le couple et la vitesse de rotation nécessaire pour faire tourner une génératrice.

Nous pourrions mettre un poids sur la bielle pour voir quel est le poids que le moteur peut soulever,

cependant cela inclut d’arrêter le mouvement de la manivelle, et malheureusement, le moteur ne

peut pas tourner s’il n’a pas une certaine énergie cinétique emmagasinée au niveau du volant

d’inertie.

De ce fait nous avons dû imaginer un autre système pour mesurer le couple. Nous avons donc pensé

à mesurer l’angle de déformation d’un ressort, qui tournera en même temps que la manivelle. Ainsi,

en utilisant une caméra à haute fréquence, nous pourrons regarder par image, l’angle de

déformation du ressort. Puis nous étalonnerons le ressort sur un Newton-mètre. Nous pourrons donc

mesurer de manière approchée le couple de notre moteur.

Montage :

On peut concevoir le Poids comme étant la représentation de la résistance de la génératrice.

8. Rendement

Il est nécessaire de s’intéresser au rendement pour pouvoir réaliser un système correct de

génération d’énergie électrique écologique. En effet, si notre système perd toute l’énergie que nous

utilisons en entrée, nous ne pouvons pas prétendre réaliser une bonne solution écologique. Or,

n’étudiant que des maquettes, nous ne pouvons réaliser un moteur avec un grand rendement.

N’ayant pas les mesures de la maquette de cette année, nous ne pouvons pas nous avancer sur le

rendement de notre moteur actuel. Cependant, nous pouvons déduire un rendement maximum

théorique d’après la formule du rendement du cycle de Carnot. Le rendement du cycle de Stirling

n’est pas égal au rendement du cycle de Carnot, cependant grâce au régénérateur, il devient possible

de s’approcher du rendement du cycle de Carnot :



En négligent toutes les pertes thermiques et mécaniques, et en partant sur une base d’une différence

de température de 50°C (été 30 degrés extérieurs la zone froide, 80 au niveau du panneau, zone

chaude), nous obtenons :

73 + 3

73 +

Nous sommes bien conscients que nous n’atteindrons jamais ce rendement, cependant cela donne

une idée du rendement s’il était parfait avec une différence de température de 50°C en été.

En ce qui concerne le système, le rendement dépend de l’énergie de sortie sur celle d’entrée. Nous

pourrons le calculer une fois que nous aurons raccordé une génératrice à la manivelle de notre

moteur. Nous aurons donc en Watt la puissance utilisée en entrée par le moteur, sous forme

thermique, et en Watt sous forme électrique l’énergie en sortie.

III. Limites de notre projet

1. Réalisation maquette et optimisation

La maquette a tout d’abord été réalisée par un logiciel de conception assistée par ordinateur,

Solidworks. La conception a pris beaucoup de temps, car il a fallu la prévoir pour pouvoir réaliser

toutes nos expériences facilement et rapidement avec. Elle a été optimisée pour que l’on puisse

réduire un maximum de perte. Des roulements à billes pour l’axe de la manivelle ont été prévus,

l’équilibrage du vilebrequin a été travaillé. Les dimensions sont travaillées pour que le moteur puisse

fonctionner avec une différence de température moyenne, soit on espère une différence de 50°C. De

ce fait le diamètre du moteur n’est pas élevé, pour une très faible différence température, ni trop

petit, pour les moteurs fonctionnant avec de très grandes différences de température. Limités par le

cout, le temps et la difficulté d’usinage des pièces, nous avons entrepris d’imprimer en ABS, via une

imprimante 3D, toutes les pièces de notre moteur qui ne nécessitait pas de grande précision dans la

réalisation. Ainsi le moteur, contrairement à ce qui se fait habituellement dans le domaine industriel,

n’est pas principalement en métaux. De ce fait, nous aurons des pertes au niveau des frottements et

de la conductivité thermique.

2. Imprécisions des mesures

Nos mesures seront ou ont été réalisées plusieurs fois, même si toutes les mesures n’apparaissent

pas dans le dossier, nous avons quand même éliminé les erreurs de mesures et avons toujours fait

une moyenne de nos relevés, avec soin et avec des capteurs suffisamment précis pour obtenir des

valeurs significatives, mais cela n’exclut pas le fait que beaucoup d’entre elles peuvent avoir un

certain degré d’imprécision.

Certains calculs dépendent de plusieurs précédentes mesures et de ce fait, le résultat du rendement

du moteur est par exemple l’un des résultats les plus incertains. En effet, pour en être sur il faudrait

étudier toutes les pertes à tous les niveaux du fonctionnement du moteur. De même pour le

panneau solaire, le temps était partiellement nuageux, il a donc été très difficile de faire des mesures

correctes et constantes (notre panneau ayant une très grande réactivité, le moindre nuage

provoquait instantanément une variation de température durant son fonctionnement).



3. Améliorations possibles et utilisations déjà existantes

Le Moteur Stirling est pour l’heure méconnu du grand public, et a une grande variété de modèles, ce qui fait que les prix ne peuvent pas baisser. C’est un des problèmes majeur du moteur ; nous avons donc tout intérêt à le faire connaitre. Pour ce qui est des améliorations possibles :

Choisir un gaz "idéal" pour le problème d’étanchéité (l’hydrogène par exemple, mais étant inflammable on préfèrera l’hélium pour sa légèreté et sa capacité à absorber les calories, cependant étant très faiblement visqueux, il pose souvent des problèmes d'étanchéité).

Trouver une solution technique qui permettrait au moteur d’être plus souple. (problèmes de

matériaux.) Le manque de souplesse signifie la difficulté à obtenir des variations rapides et

efficaces de puissance. Celui-ci est plus apte à marcher à puissance nominale constante, ce

qui peut être un handicap dans certaines situations, notamment dans l’automobile.

Améliorer les matériaux pour obtenir le moins de frottements possible : peut-être utiliser un

roulement à billes dans une application industrielle du moteur.

Actuellement, le moteur de Stirling est surtout utilisé dans des usages ponctuels à la pointe de la

recherche technologique (espace, sous-marins) et, à une échelle plus petite, par des étudiants et des

passionnés. La réciproque du moteur de Stirling est aussi utilisée dans la cryogénie et la réfrigération,

c'est avec ce système qu'on peut « faire du froid ».

Cependant, il revient actuellement dans les laboratoires de conception de prototypes de grands

constructeurs au fur et à mesure que l'on prend conscience de l'épuisement des ressources en

hydrocarbures et que le développement durable, préservant l'environnement, devient de plus en

plus nécessaire.

Dans un futur proche, on peut imaginer que le moteur de Stirling sera de plus en plus utilisé dans de

petites installations autonomes, pour fournir chaleur et électricité à une maison ou à un bateau.



IV. Conclusion

Pour conclure, nous pensons avoir atteint notre objectif, à savoir étudier un moteur Stirling de sa

conception à sa réalisation dans un système permettant de répondre à un besoin d’énergie

écologique.

Tout d’abord, nos recherches de première sur le moteur Stirling ont constitué une première

approche nécessaire afin d’appréhender le fonctionnement global du système, les différentes

contraintes et les erreurs à ne pas reproduire pour cette nouvelle maquette.

De ce fait, nous en avons tiré des expériences et cela nous a permis de mieux nous approprier son

fonctionnement et d’en tirer des conclusions énergétiques, à savoir que le moteur Stirling est une

réelle alternative écologique lorsqu’il est utilisé à bon escient.

En ce qui concerne la conception de la maquette, nous avions à cœur de créer et d’étudier notre

propre moteur pour pouvoir l’étudier dans des conditions précises, ce qui nous a fait rencontrer des

difficultés pour pouvoir réaliser nos expériences à temps.

Mais ceci nous a permis de faire encore plus de recherches et par conséquent nous avons pu mettre

à profit toute cette énergie théorique pour réaliser nos expériences dans de bonnes conditions,

concernant la première maquette, la seconde n’étant pas encore terminée.

Toutes les expériences qui sont ou seront effectuées vont être l’occasion de mettre en pratique des

connaissances acquises notamment en physique, en chimie, mais également en informatique et

notamment en sciences de l’ingénieur, en électronique pour les capteurs et en mécanique pour la

modélisation du moteur. En plus de nos connaissances, l’étude du moteur nous a fourni

l’opportunité de nous familiariser avec des notions qui n’ont pas encore été étudiées en cours

comme la thermodynamique.

Durant cette année et l’année de Première, nous avons pu découvrir qu’il était possible, avec

beaucoup d’investissement, de réaliser un projet sur le long terme. Nos méthodes de travail ont

changé, nous nous sommes réparti les tâches et avons pu travailler en parallèle dans le but de gagner

en temps et en productivité. Cet engouement pour le projet nous a montré qu’il était possible

d’opter pour une répartition des tâches de travail contrairement à ce qui est demandé

habituellement par les professeurs, qui notent le travail personnel de chacun. Ainsi, notre projet est

l’aboutissement d’un travail collectif. Il nous a également fait apparaître les difficultés d’une

démarche expérimentale ainsi que l’exigence de la rigueur et de la précision, de la conception à la

réalisation. Nous avons pu travailler avec d’autres personnes extérieures au groupe, qui ont su nous

aider et c’est grâce à leur aide que nous avons pu avancer correctement notre projet.

Nous avons pu réaliser aussi l’importance de la charge de travail par rapport au temps restant. Et

c’est pour cela que nous sommes contraints à fournir un dossier léger, basé sur les mesures de notre

première maquette, parce que nous avons juste manqué de quelques jours pour rassembler tout le

matériel nécessaire à la réalisation de notre maquette finale.



V. Sources et documentations Nous nous sommes principalement documentés sur internet puisque le fonctionnement de ce

moteur était peu connu de notre entourage.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_Stirling

http://www.moteurstirling.com/index.php

http://www.moteur-stirling.com/

http://thecarnotengine.blogspot.fr/

http://www.phywe.fr/786/pid/26391/Moteur-Stirling-avec-oscilloscope.htm

http://jeanclaude.deponte.free.fr/stirling2.htm

http://www.cder.dz/download/Art13-1_1.pdf pour l’optimisation de la réalisation de la

modélisation.

VI. Remerciements Nous adressons nos remerciements à nos professeurs :

M. Mustapha ERRAMI, notre professeur coordinateur, qui nous a permis de mener à bien notre

projet,

M. Fabien BRUNO, professeur agrégé de physique-chimie, pour son aide précieuse durant l’étude de

la maquette et le temps passé avec,

M. François PINAULT et M. Christian VALLON, nos professeurs de sciences de l’ingénieur, pour leurs

conseils avisés.

Nous remercions également, les intervenants et partenaires, M. Roger DUFFAIT de l’Université

Claude Bernard de Lyon pour nous avoir conseillé sur la forme de notre projet et de nous avoir

permis d’améliorer notre méthode de travail, la communauté 3DHUBS pour nous avoir permis de

contacter M. Remy CONJARD pour l’impression des pièces en plastique ainsi que M. Antonio Manuel

Jorge pour ces précieux conseils, le lycée Carnot à Roanne pour usiner les pièces, le Rectorat de

l’académie de Lyon, le Conseil général de Rhône-Alpes.

http://www.moteurstirling.com/index.php

http://www.moteur-stirling.com/

http://thecarnotengine.blogspot.fr/

http://www.phywe.fr/786/pid/26391/Moteur-Stirling-avec-oscilloscope.htm

http://jeanclaude.deponte.free.fr/stirling2.htm

http://www.cder.dz/download/Art13-1_1.pdf



Annexes : Photos du moteur de première :

Notre première bielle Notre membrane déplaceur

Notre moteur actuel, les pièces imprimées en 3D (plastique ABS):

Conteneur Conteneur extérieur chaud Conteneur extérieur froid

Le conteneur avec la manivelle et les bielles

Le déplaceur en paille de fer

Documents

CARTON Clément CHAFFRAIX Valentin · 2014-11-26 · Le moteur Stirling est aussi appelé « moteur à air chaud ». e n’est pas pou ien. En effet il est constitué de plusieurs