9.)
Stromerzeugung mit Stirlingmotor
9.) Stromerzeugung mit Stirlingmotor 96
Den Wärmebedarf für das Haus kann die Solaranlage dieser Größe (100m²) bereits Anfang - Mitte Februar vollständig decken.
Ein Laden den Wärmespeichers zu diesem frühen Zeitpunkt erscheint hingegen nicht ratsam. Zum Ersten wird dadurch das kalte Wasser erwärmt, es steht nun nicht mehr zum Kühlen und zum Klimatisieren des Hauses im Hochsommer zur Verfügung. Zum Zweiten erwärmt das heiße Speicherwasser durch den unwillkürlichen Wärmeverlust das Haus von innen, so daß es an heißen Tagen in der Wohnung unerträglich warm werden kann. Ein Laden des Wärmespeichers sollte deshalb auf den spätmöglichsten Termin (Herbst) verschoben werden.
- Das Laden des erkalteten Speichers auf seine Solltemperatur von 95°C dauert bei voller Sonneneinstrahlung ca. 14 Tage. -
Doch was soll die Solaranlage in den Sommermonaten leisten, in denen keine Heizwärme, sondern nur Brauchwasserwärme benötigt wird? Sie könnte entweder die enorme Überschußenergie einfach wieder an die Umgebung abgeben oder mit Hilfe eines Stirling-Motors Strom erzeugen. Ein Stirlingmotor ist eine Maschine, die von außen zugeführte Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt.
Da im Sommer kaum Heizenergie benötigt wird, Strom aber sehr wohl,
bietet sich eine Nutzung der Solaranlage zur Stromerzeugung an.
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Solch hohe Temperaturen sind allerdings nur von Kollektoren zu erreichen, die ein 200faches Konzentrationsverhältnis besitzen, und das auch nur bei idealem Sonnenschein. Solche Kollektoren benötigen, abhängig von ihrem Konzentrationsfaktor, einen sehr genauen Sonnenstandnachführmechanismus, der sofort den Preisrahmen sprengen würde.
In Frage kommt höchstes ein einfacher Verstellmechanismus, der den Kollektor auf den monatsabhängigen Sonnenstand einstellt; durch die integrierte Dachmontage muß diese Lösung ausreichen.
Weiter kann die Erwärmung des Brauchwassers genutzt werden; eventuell
noch die Erwärmung des "kalten" Brauchwassers, das zum Autowaschen,
Gartenbewässerung etc. benutzt wird.
Voraussetzung wäre zum einen, daß die benötigten Temperaturen
von 300°C bis 400°C bei vollem Sonnenschein von 1000 W/m²
erbracht würden, zum anderen, daß auf eine allzu genaue Nachführung
zum Sonnenstand verzichtet werden könnte.
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Sehr hohe Konzentrationsfaktoren von über 15 setzen eine direkte Sonnenstrahlung (1000W/m²) voraus, wie sie nur bei schönstem Wetter in Erscheinung tritt.
Jegliche Trübung der Atmosphäre lassen nicht nur die Strahlleistung insgesamt abfallen, sondern in viel stärkerem Maße deren direkten Anteil; also jene Strahlung, die höher konzentrierende Kollektoren nur verwenden können. Da strahlend blaue Schönwettertage eher selten auftreten, kann auf höhere Konzentrationsfaktoren verzichtet werden.
Der Konzentrationsfaktor sollte so ausgewählt werden, daß die überwiegend schönen Tage mit leichter Trübung voll ausgenutzt werden können.
Kollektoren mit geringeren Konzentrationsfaktoren nützen außerdem nicht nur die direkte Sonnenstrahlung, sondern auch jene - leicht versetzt von der Sonne - aus der Trübung der Atmosphäre.
Um eine Aussage über die Intensität und den Nutzen dieser
nahen Trübungsstrahlung machen zu können, zeigt das folgende
Diagramm 23 die Globalstrahlung im Vergleich zur Direktstrahlung wie auch
die Direktstrahlung plus der um 5° und 10° aus der Direkt- oder
Sonnensenkrechten kommenden Trübungsstrahlung.
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Die Messung wurde mit drei Röhren erstellt, wobei die 5° und
10° Messung von je einem oben offenen Rohr erbracht wurde. Der exakte
Öffnungswinkel von 5° oder 10° wird mit der entsprechenden
Rohrlänge zum Sensor zum Rohrdurchmesser erreicht. Die Direktstrahlungsmessung
wird von einem langen Rohr mit einer Lochblende von der Größe
des Sensors am Eintritt und in der Mitte des Rohres erbracht.
Der Hochtemperaturkollektor, der hier benötigt wird, muß
ein parabelförmiger Rinnenkollektor sein, dessen Absorberblech von
zwei Glasröhren umgeben wird. Der Raum zwischen den beiden Glasröhren
muß evakuiert, werden um die Wärmeleitungsverluste zu verhindern;
ferner wäre ein Infrarotreflektor (Silberdampfbeschichtung) an der
Innenseite des Außenrohres sinnvoll, da sich das Innenrohr auf Arbeitstemperatur
erwärmt.
Skizze vom Parabelkollektor:
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Das richtige Konzentrationsverhältnis hängt ferner vom Sonnenstand zur Dachfläche ab. Frühmorgens steht die Sonne noch zu ungünstig; erst um 10°° Uhr bis 11°° Uhr trifft genügend Strahlung auf die Kollektoren.
Während des Laufes der Sonne über 12°° Uhr mittags
bis 14°° Uhr Nachmittags verändert die Sonne ihren Elevationswinkel
(Höhenstandswinkel) nur gering, wie die Diagramm 24 zeigt.
Diagramm 24:
Eine leichte Nachführung während der Tageszeit von 10°°
Uhr bis 14°° Uhr könnte eventuell über Bimetallstellelemente
erreicht werden.
Die nächste Abbildung 7 zeigt den Stahlengang direkt von der Sonne
(Direktstrahlung) und den Strahlengang, der 10° aus dieser Senkrechten
links oder rechts zu der Kollektorsenkrechten eintrifft. Der innere Kreis
enspricht einem Konzentrationsfaktor von 10, der mittlere Kreis von 8 und
der Äußere von 6. Wird eine auftretende Reflektion bei zu steilem
Auftreffwinkel auf die Hüllrohre bedacht, erscheint der Konzentrationsfaktor
von 6 als die richtige Wahl.
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Die beiden nächsten Diagramme zeigen einen Vergleich der Wirkungsgrade
von Hochtemperaturkollektoren bei verschiedenen Temperaturen und verschiedenen
Konzentrationsfaktoren, sowohl des belüfteten Absorber als auch des
evakuierten Absorber.
Konzentrationsverhältnis
Konzentrationsverhältnis
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Der evakuierte Absorber, wie er im Stirlingbetrieb Verwendung finden soll, bringt bei einem Konzentrationsverhältnis von 6 noch ca. 50% Wirkungsgrad bei 300°C; bei 350°C sind es noch an die 35%.
Die verbliebenen 90m² Luftkollektoren arbeiten nahe an ihrer Leerlauftemperatur von 180°C bis 200°C mit geringen Wirkungsgradpunkten und die Hochtemperaturkollektoren erwärmen die Luft weiter bis über 300°C.
Durch diese Reihenschaltung der beiden Kollektortypen im Verhältnis 9:1 lassen sich Wärmeleistungen von 3 KW - 4 KW Wärmeenergie bei 350°C erzeugen; durch leichtes Absenken der Temperatur wird die Wärmeleistung der Kollektoren rasch ansteigen.
Der Wirkungsgrad des Stirling-Motors fällt hingegen bei leichter
Temperaturabnahme mindestens genauso schnell.
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Aktuell wird der Stirlingmotor weiterentwickelt : http://www.stirling.saarberg.de/german/frame2c.html
Saarbergaktivitäten
Die ersten Berührungspunkte der
Saarbergwerke AG mit der Stirling-Motortechnik ergaben sich durch
die Übernahme der Fa. Bomin Solar
im Jahre 1990. Die Fa. Ecker Maschinenbau GmbH & Co. KG
wurde von den Saarbergwerken beauftragt
für Bomin 20 Stirling-Maschinen mit einer elektrischen
Leistung von 3 kW el fertiggungstechnisch
zu optimieren (Bild 1).
Nach der Auslieferung dieser Maschinen
Anfang 1992 wurde eine Projektgruppe Stirling Saar
gegründet, mit dem Ziel die Grenzbedingungen
für den Stirling-Einsatz aufzuzeigen. Sie bestand aus
den Stadtwerken Saarbrücken, der
Vereinigten Saar-Elektrizitäts-AG, der Saarberg Fernwärme und
der Ecker Maschinenbau. Schnell wurde
klar, daß in verschiedenen Nischenanwendungen die
Stirling-Maschine durchaus sinnvoll
betrieben werden kann.
Nach Festlegung der Randparameter entschloß
man sich zur Übernahme einer eigenen Lizenz für
Großmaschinen bis 405 kWel und
meldete diese zum Europapatent an. Anschließend erhielt man
vom Bundesministerium für Forschung
und Technik (BMFT) einen Forschungsauftrag zur Anpassung
einer Stirling-Maschine mittlerer Leistung.
Nach dem Konkurs der Fa. Ecker übernahmen
die Saarbergwerke das Forschungsvorhaben und das
Europapatent.
Die Firma SAARBERG hat die Entwicklungen eingestellt. Bitte keine Anfragen
an die Firma senden, da momentan kein Ansprechpartner vorhanden ist.
(August 1999)
http://www.bhkw-info.de/spezielle_themen/stirling-motor.HTML
Siehe auch Blockheizanlage
mit Sachsmotor der Firma Senertec
Als ausgeführter Stirling-Motor, wie er bei der Stromerzeugung
in einem Heizkessel eingesetzt wird, soll der Motor der Fa. Herrmann aus
Schwerte aufgeführt werden.
Die folgende Abbildung zeigt die thermodynamische Arbeitsweise dieses
Stirling-Motors das dem eines Carnot-Prozesses entspricht.
Auf den nächsten beiden Seiten ist der Stirling-Motor und die technische
Abbildung mit den technischen Daten des Stirling-Motors dargestellt.
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Auf dem Weg zum Ziel entdeckt:
Ein autonomes Energiesystem für die heutige Praxis.
Dies ist ein Stirling-Motor.Ein Heißgasmotor, der wie eine Dampfmaschine
mit äußerer Wärmezufuhr betrieben wird. Anstelle von Dampf
arbeitet er jedoch mit dem eingeschlossenen Arbeitsmedium Helium, welches
sich nicht verbraucht. Das macht ihn ideal für den Einsatz im Heizkessel
eines Wärmesystems. Im Umkehrprozeß, das heißt, wenn mechanische
oder elektrische Energie zugeführt wird, stellt der Stirling-Motor
eine FCKW-freie Kältemaschine dar.
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Begründet wird dieser eklatante Nachteil durch die zu geringe Wärmetauschfläche an den Erhitzerröhrchen des Stirling-Motors und den schlechten Wärmeübergangskoeffizient von Gasen (hier der heißen Luft).
Dieses Problem kann nur dadurch umgangen werden, daß der Wärmeübergangskoeffizient an den Erhitzerröhrchen erheblich verbessert wird. Hier bietet sich ein Wärmeträgeröl als Transporteur der Wärmeenergie vom heißen Luftstrom zu den Erhitzerröhrchen an.
Die Wärme der heißen Luft wird in einem ausreichend großen Wärmetauscher auf das Wärmeträgeröl übertragen, das dann seinerseits die Übertragung, also den Wärmestrom in den Motor ermöglicht. Die Erhitzerröhrchen werden von dem heißen Ölstrom umspült und geben nun genügend Wärmeenergie an das Arbeitsgas weiter.
Der Wirkungsgrad eines modifizierten Motors für solche Bedingungen liegt bei ca. 10% der zugeführten Wärmeenergie.
Da ein Stirling-Motor auch bei Teillast seinen Wirkungsgrad nur unwesentlich verschlechtert, darf mit einer elektr. Nutzleistung von 200 W bis 400 W gerechnet werden.
Das scheint auf den ersten Blick nicht viel, jedoch wird diese Leistung
dauernd über die ganzen Sonnenscheinstunden in der Mittagszeit erbracht.
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Die folgende Abbildung zeigt den Schwungradspeicher.
Ob sich diese Art der elektr. Energiegewinnung lohnt oder nicht, ist
sicher keine wirtschaftliche Frage, sondern eher eine politische.
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