• convertitore termoelettrico
• FPSE
• free-piston Stirling engines

SOMMARIO

Il presente lavoro di tesi vuole proporre un metodo non lineare di modellizzazione matematica, in grado di fornire indicazioni valide sul comportamento di un moderno convertitore Stirling a pistoni liberi, un dispositivo utilizzato nel campo della generazione di potenza elettrica non solo in ambito terrestre ma recentemente anche nell’industria spaziale. Basandosi sull’architettura dei recenti prototipi realizzati negli Stati Uniti per conto di NASA, e sui risultati ottenuti da precedenti lavori sull’argomento, viene realizzato un sistema di equazioni non lineari per la descrizione di ogni componente del motore. Allo scopo di dimostrare la validità del modello matematico, tale sistema di equazioni è applicato all’architettura del motore sperimentale a pistone libero RE-1000 della NASA. Per l’implementazione del modello viene utilizzato un codice in ambiente Matlab che permette la risoluzione iterativa del sistema di equazioni differenziali , in modo da ottenere il comportamento temporale ti tutti i parametri prestazionali del motore e confrontare i risultati ottenuti con le misurazioni sperimentali. Dimostrata la validità del modello, viene affrontata una modellizzazione dei principali tipi di alternatori elettrici lineari utilizzati nei moderni convertitori Stirling, ricavandone le grandezze caratteristiche di progetto. Successivamente, viene studiata l’influenza di tali grandezze e del tipo di carico sostenibile dal motore sui suoi parametri prestazionali. Questo modello rappresenta uno strumento in grado da un lato di analizzare e predire il comportamento di convertitori Stirling a pistoni liberi esistenti e dall’altro di fornire le relazioni fondamentali che ne possano guidare il futuro progetto.


ABSTRACT

The present work intends to propose a non-linear method of mathematical modeling, that can provide useful indications on the behavior of modern free-piston Stirling converter, a device used in the generation of electrical power, not only in terrestrial but recently even in space applications. Based on the architecture of recent prototypes in the United States on behalf of NASA, and on the results obtained from previous works on the subject, it produces a system of non-linear equations for the description of each engine components. In order to demonstrate the validity of the mathematical model, this system of equations is applied to the architecture of the experimental free-piston engine RE-1000 of NASA. For the implementation of the model it uses a Matlab code that allows the iterative solution of the differential equations system, in order to obtain the time behavior of the performance parameters of the engine and compare the results with the experimental measurements. Demonstrated the validity of the model, is dealt with modeling of the main types of linear electric generators used in modern Stirling converters, obtaining the characteristic parameters of the project. Subsequently, it is studied the influence of these parameters and the type of load sustainable by the engine on its performance parameters. This model represents a tool that, on the one hand, allows to analyze and predict the behavior of existing free-piston Stirling converters, and the other, to provide the fundamental relationships that can guide the future design.