DE19507511C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Umwandeln von Strahlungsleistung, insbesondere Sonnenstrahlung, in mechanische Leistung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Umwandeln von Strah­ lungsleistung, insbesondere Sonnenstrahlung, in mechanische Leistung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 6.

Mit der Zielrichtung, die in Sonnenstrahlung enthaltene Leistung bzw. Energie in mechani­ sche Energie umzuwandeln, wird an Stirling-Motoren gearbeitet (vgl. Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Robert Bosch GmbH, 21. Auflage, VDI-Verlag, 1991, Seite 406). Solche Stirling-Motoren, bei denen gasförmiges Arbeitsmedium durch einen Kühler, Regenerator und strahlungsbeaufschlagten Erhitzer hindurch zwischen zwei Arbeitsräumen hin- und her­ geschoben wird, arbeiten theoretisch mit Nutzleistungswirkungsgraden von bis zu 30%. Der erforderliche Bauaufwand ist jedoch beträchtlich. Somit hat die Stromgewinnung mit Hilfe von Stirling-Motoren das gleiche Problem wie die direkten, photovoltaische Stromge­ winnung, die bezogen auf die Nutzleistung oder den erzeugten Strom hohen Investitionen.

In der US-PS 4,452,047, deren Gegenstand die Gattung der Patentanspruche 1 und 6 bildet, ist eine Zweizylinderhubkolbenmaschine beschrieben, mit der Sonnenstrahlung un­ mittelbar in mechanische Energie umgewandelt werden soll. Dazu weist die Maschine ei­ nen optischen Schalter auf, der die Sonnenstrahlung dem jeweiligen Arbeitszylinder vom Beginn seines Kompressionshub bis zu einem Zeitpunkt während seines Arbeitshubs zulei­ tet. Als Arbeitsmedium wird in den als offenen System arbeitenden Arbeitszylindern Um­ gebungsluft benutzt, der feine Kohlenstoffpartikel zugesetzt sind, wobei zur Unterstützung der Füllung der Zylinder mit frischem Gemisch ein Kompressor verwendet wird. Die Maschine ist in ihrem Aufbau wegen des optischen Schalters und der diesem zugeordneten zwei Arbeitszylinder sowie der benötigen Kohlenstoffpartikelnaufbereitungseinrichtung ver­ hältnismäßig aufwendig. Der Wirkungsgrad ist dadurch beeinträchtigt, daß die Zufuhr der Strahlungsleistung zur frischen Ladung während des gesamten Kompressionshubs und wei­ ter eines Teils des Expansionshub erfolgt. Die Umwelt wird beeinträchtigt, da mit Kohlen­ stoffpartikeln gearbeitet wird, die, mehr oder weniger zu CO₂ oxidiert, in die Atmosphäre gelangen.

Aus der GB 2 060 781 A ist ein Solarenergiekraftwerk bekannt, das einen Kreiskolbenmo­ tor enthält, dessen Brennraum ein mit einer Linse versehenes Strahlungseintrittsfenster hat. Eine Eigenart von Kreiskolbenmotoren liegt darin, daß die äußere Umfangsfläche des Ar­ beitsraums sich laufend ändert. Dadurch ist das Strahlungseintrittsfenster im Vergleich zur Außenfläche des Arbeitsraums verhältnismäßig klein, wodurch der Wirkungsgrad der Um­ wandlung von Strahlungsenergie in mechanische Arbeit nachteilig beeinflußt wird.

Aus der DE 31 09 681 A1 ist ein Stirling-Motor mit doppelwandig ausgebildetem Zylin­ derkopf bekannt, wobei zwischen den beiden Wänden zur thermischen Isolierung ein Vakuum vorgesehen ist. Stirling-Motoren erfordern, wie eingangs geschildert, einen außerordentlich hohen Bauaufwand.

Die US-PS 4,135,367 beschreibt eine Vorrichtung zum Umwandeln von Strahlungsenergie in mechanische Energie, die einen Arbeitszylinder aufweist, auf dessen Stirnwand eine Wärmerohrkammer angebracht ist, die eine der Strahlungsquelle zugewandte Kammer auf­ weist. Die Kammer grenzt an einen teilweise mit Flüssigkeit gefüllten Raum, der wieder­ um an die Stirnwand des Arbeitszylinders angrenzt. Die Kammer ist mit docht- bzw. textilartigen Material ausgekleidet, das die Flüssigkeit von der Stirnwand des Zylinders zur strahlungsbeauftragten Wand transportiert. Die Stirnwand des Zylinders kann zum Kolben hin mit Ausdehnungslöchern versehen sein, um die Austauscherfläche zu vergrößern. Aus dem Funktionsprinzip ergibt sich unmittelbar, daß die Temperatur der Stirnwand des Arbeitszylinders unterhalb der Verdampfungstemperatur der für das Wärmerohrprinzip verwendeten Flüssigkeit liegt, d. h., daß der Wirkungsgrad des Arbeitszylinders einge­ schränkt ist.

Aus der DE 32 38 797 C2 ist ein Energieturm mit unterschiedlichen Reflektoren bekannt, die einfallende Sonnenstrahlung möglichst effizient auf einen Empfänger bündeln sollen.

Aus der DE-OS 29 09 211 ist ein Solarabsorber für Hochtemperatur-Prozeßwärmegewin­ nung bekannt, dessen Wandung Strömungskanäle für ein Wärmetransportmedium aufweist. Die Strömungskanäle bilden insgesamt einen geschlossenen Pfad von einem Einlaß zu ei­ nem Auslaß, der eine möglichst große Oberfläche aufweisen soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Um­ wandeln von Strahlungsleistung, insbesondere Sonnenstrahlung, in mechanische Leistung anzugeben, das bzw. die gegenüber dem Stand der Technik bezogen auf die erzeugte Nutz­ leistung mit vermindertem Aufwand auskommt.

Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Strahlungsenergie der Frischladung weit­ gehend vollständig um den oberen Totpunkt der Kolbenbewegung herum zugeführt, was eine wichtige Voraussetzung für einen guten Wirkungsgrad des Verfahrens ist. Der Strah­ lungsabsorber/Wärmetauscher wird ständig mit Strahlungsenergie beaufschlagt, so daß die­ se optimal genutzt wird und ein optischer Schalter oder eine ähnliche Einrichtung überflüs­ sig ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in seiner Durchführung außerordentlich ein­ fach und daher kostengünstig.

Gemäß dem Anspruch 2 kann als Arbeitsmedium Umgebungsluft dienen, so daß keinerlei schädliche Rückstände entstehen.

Die Ansprüche 3 und 4 sind in ihrer Durchführung einfache Steuerverfahren des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens gerichtet, mit denen je nach erzeugter mechanischer Leistung ein möglichst guter Wirkungsgrad aufrechterhaltbar ist.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 5 wird die nicht in mechanische Arbeit umgesetzte Restenergie genutzt.

Der Anspruch 6 kennzeichnet die Lösung für den die Vorrichtung betreffenden Teil der Erfindungsaufgabe.

Kern der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist danach ein im Arbeitsraum angeordneter Strahlungsabsorber/Wärmetauscher, der ein zum Arbeitsraum hin freiliegendes, jedoch im wesentlichen in ihm untergebrachtes Volumen aufweist, in dem im oberen Totpunkt der Kolbenbewegung das im Zylinder befindliche Arbeitsmedium im wesentlichen vollständig aufgenommen ist.

Der Anspruch 7 und die diesem nachgeordneten Ansprüche kennzeichnen Ausführungsfor­ men der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem die externe Strahlung durch die an der Stirnseite des Zylinders vorgesehene durchsichtige Wand hindurchtritt und dann in den Strahlungsabsorber/Wärmetauscher gelangt, der durch die durchsichtige Wand von der Außenwelt getrennt ist.

Die Ansprüche 8 und 9 kennzeichnen vorteilhafte Weiterbildungen, bei denen der Strah­ lungsabsorber/Wärmetauscher der durchsichtigen Wand benachbart fest im Zylinder ange­ ordnet ist, wobei mit den Merkmalen des Anspruchs 9 eine sehr gute Überträgung der Strahlungsenergie auf das Arbeitsmedium erzielt wird.

Der Anspruch 10 kennzeichnet eine Ausführungsform, bei der der Strahlungsabsorber/- Wärmetauscher unmittelbar am Kolben befestigt ist.

Die Ansprüche 11 bis 20 kennzeichnen vorteilhafte Ausführungsformen des Strahlungsab­ sorbers/Wärmetauschers.

Die Ansprüche 21 bis 25 sind auf Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ge­ richtet, mit denen sich der Arbeitsprozeß vorteilhaft steuern läßt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine weitere Abwandlung der Vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 4 eine Kurbelgehäusespülung, wie sie für die erfindungsgemäße Vorrichtung ein­ setzbar ist,

Fig. 5a) bis k) Ausführungsbeispiele für Strahlungsabsorber/Wärmetauscher und

Fig. 6 eine Gesamtansicht einer Vorrichtung mit Steuerung.

Gemäß Fig. 1 weist ein Motor einen Zylinder 2 auf, in dem ein Kolben 4 auf- und ab­ wärtsbewegbar ist, der über ein Pleuel 6 mit einem nicht dargestellten Kurbeltrieb verbun­ den ist. Oberhalb des unteren Totpunkts des Kolbens 4 weist der Zylinder eine Einlaßöff­ nung 8 und eine Auslaßöffnung 10 auf, die unmittelbar durch die Bewegung des Kolbens 4 freigegeben bzw. abgesperrt werden.

Der Aufbau und die Konstruktion der bisher geschilderten Bauteile kann weitgehend einem konventionellen Zweitaktmotor ähnlich sein. Im Unterschied zu konventionellen Motoren ist die dem Kolben 4 gegenüberliegende Stirnseite des Zylinders 2 mittels einer Scheibe 12 verschlossen, die für Sonnenstrahlung möglichst über deren gesamtes Spektrum weitgehend durchlässig ist, die Sonnenstrahlung an ihrer Oberfläche wenig reflektiert, hochtemperatur­ fest ist und hohen Drücken standhält. Weitere Anforderungen an die Scheibe 12 werden weiter unten erläutert. Vorteilhafterweise besteht die Scheibe 12 aus Quarzglas. Innerhalb der Scheibe 12 ist in dem zwischen der Scheibe 12 und dem Kolben 4 ausgebildeten Ar­ beitsraum 14 ein Strahlungsabsorber/Wärmetauscher 16, im folgenden als Umsetzer be­ zeichnet, angeordnet, dessen Aufbau weiter unten anhand der Fig. 5 genauer erläutert wird. Der Umsetzer 16 hat die Aufgabe, die in durch die Scheibe 12 eindringender Strah­ lung enthaltene Energie in Hitze umzuwandeln und diese Hitze auf das Arbeitsmedium zu übertragen, das sich in der oberen Totpunktstellung des Kolbens 4 weitgehend vollständig in dem Umsetzer 16 befindet.

Oberhalb der Scheibe 12 befindet sich eine Strahlungsbündelungseinrichtung 18, die Son­ nenstrahlung auf die Scheibe 12 bündelt, so daß die Sonnenstrahlung in den Umsetzer 16 eindringt. Solche Strahlungsbündelungseinrichtungen 18 sind an sich bekannt und werden hier nicht näher beschrieben. Es versteht sich, daß der Zylinder 2 auch derart angeordnet sein kann, daß die in Reflektoren gebündelte Strahlung von unten her die Scheibe 12 durchdringt. Auch versteht sich, daß ein Motor mit mehreren Zylinder 2 vorgesehen sein kann, deren Kolben auf eine gemeinsame Kurbelwelle arbeiten. Die Bereiche des so gebil­ deten Motors zwischen den Scheiben 12 sind dann, soweit es nicht gelingt, die Strahlung sauber auf die Scheiben 12 zu bündeln, vorteilhafterweise gekühlt (beispielsweise wasser­ gekühlt), so daß der dort auftreffende Strahlungsteil als Wärmeenergie genutzt werden kann. Des weiteren versteht sich, daß außerhalb der Scheibe 12 nicht notwendigerweise eine Strahlungsbündelungseinrichtung zum Bündeln von Sonnenstrahlung vorgesehen sein muß. Außerhalb der Scheibe 12 kann auch ein Brenner oder Strahler vorgesehen sein, des­ sen Strahlungsenergie die Scheibe 12 beaufschlagt.

Die Strahlungsdurchlässigkeit der Scheibe 12 ist vorteilhafterweise auf den jeweiligen An­ wendungszweck abgestimmt. Bei Nutzung von Sonnenstrahlung beispielsweise ist es, wie ausgeführt, vorteilhaft, wenn die Scheibe für die Wellenlängen der Sonnenstrahlung mög­ lichst durchlässig ist, so daß die Sonnenstrahlung den Umsetzer 16 möglichst effizient auf­ heizt, wohingegen die Scheibe 12 für die vom heißen Umsetzer ausgesandte Strahlung mö­ glichst gut reflektierend sein soll, damit die Wärmeenergie im Arbeitsraum 14 bleibt. Dies wird durch Auswahl des Materials sowie gegebenenfalls eine Beschichtung der Scheibe 12 erreicht.

Der in Fig. 2 dargestellte Zylinder 2 unterscheidet sich von dem der Fig. 1 dahingehend, daß die Scheibe 12 und der Umsetzer 16 zu einem Bauteil 20 vereint sind.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der der Fig. 1 dahingehend, daß der Umsetzer 16 unmittelbar auf dem Kolben 4 befestigt ist.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zylinders mit zugehörigen Kurbeltrieb. Der Aufbau entspricht hinsichtlich seiner Mechanik einem konventionellen Zweitaktmotor mit Kurbelkastenspülung. Dazu mündet ein Einlaßkanal 22 in das Kurbelgehäuse. Vom Kurbelgehäuse führt ein Überströmkanal 24 in den Zylinder 2 und mündet etwa gegenüber der Mündung eines Auslaßkanals 26. Die Öffnungen der Kanäle 22, 24 und 26 sind derart angeordnet, daß während des letzten Teils des Kompressionshubs des Kolbens 4 Frischluft in das Kurbelgehäuse eingesaugt wird, während der Abwärtsbewegung des Kolbens ver­ dichtet wird und gegen Ende der Abwärtsbewegung durch den Überströmkanal 24 in den Arbeitsraum gelangt, aus dem das expandierte Arbeitsmedium durch den Auslaßkanal 26 ausströmt. Es versteht sich, daß die Strömung des Arbeitsmediums auch auf andere Weise gesteuert werden kann, beispielsweise mittels Ventilen, Schiebern usw.

Fig. 5 zeigt Beispiele für Ausführungsformen des Umsetzers 16 bzw. des Bauteils 20:
Der Umsetzer 16 soll für die einfallende Strahlung einen "schwarzen Körper" bilden, das heißt die Einfallstrahlung möglichst weitgehend absorbieren und sich dadurch aufheizen. Andererseits soll der Umsetzer 16 die in ihm gespeicherte Energie gegen Ende des Kompressionshubs des Kolbens 4 möglichst weitgehend an das Arbeitsmedium, insbeson­ dere Luft, abgeben, die sich gegen Ende des Kompressionshubs für einen wirksamen Wär­ metausch möglichst weitgehend im Umsetzer 16 befindet. Dazu ist der Umsetzer 16 vor­ teilhafterweise derart ausgebildet, daß er eine hohe Wärmeleitfähigkeit bzw. die Fähigkeit zur Leitung hoher Wärmeströme, eine große Oberfläche einerseits zur Aufnahme der Strahlung und andererseits zur Abgabe der gespeicherten Energie sowie ein definiertes Vo­ lumen aufweist. Vorteilhafte Ausführungsformen sind beispielsweise die Ausbildung des Umsetzers 16 als ein spiralförmig gewickeltes Blech gemäß Fig. 5a mit der Spiralachse pa­ rallel zur Zylinderachse, als spiralförmig gewickeltes Blech mit zwischen dem Spiralblech angeordnetem Wellblech gemäß Fig. 5b, als Körper aus ineinander gesetzten Stegblechen (Fig. 5c), als ein Körper mit beispielsweise Stahlwolle zwischen zwei Deckschichten, die als Lochblech oder als Drahtgewebe ausgebildet sein können (Fig. 5d) oder auch als Draht­ gewebe gemäß Fig. 5e. Es versteht sich, daß zahlreiche weitere Ausführungsformen für den Umsetzer denkbar sind, wenn sie nur die geschilderten Grundanforderungen erfüllen.

Der Umsetzer 16 kann in geringem Abstand von der Scheibe 12 angeordnet sein und die Gesamtanordnung einschließlich Kolben 4 kann derart unsymmetrisch sein, daß beim Kom­ pressionshub des Kolbens 4 eine Strömung des Arbeitsmediums durch den Umsetzer 16 hindurch erfolgt, beispielsweise in Form einer Wirbelströmung, wodurch gewährleistet ist, daß die in den heißesten, weil gemäß Fig. 1 obersten Teil des Umsetzers 16 gedrückte Luft dort nicht stehen bleibt.

Die Anordnung des Umsetzers 16 unmittelbar auf dem Kolben gemäß Fig. 3 hat den Vor­ teil, daß der gemäß Fig. 3 oberste und gleichzeitig heißeste Teil des Umsetzers 16 in wirk­ samstem Wärmeaustausch mit der während des Kompressionshubs in den Umsetzer 16 ge­ drängten Luft ist, was den Wirkungsgrad der Vorrichtung günstig beeinflußt. Nachteil die­ ser Anordnung ist, daß die Strahlung außerordentlich gut gebündelt, das heißt parallel ge­ richtet sein muß, damit sie vollständig auf den Umsetzer 16 auftrifft und nicht die Zylin­ derwand aufheizt. Es versteht sich, daß bei dieser Ausführungsform des Umsetzers 16 die Öffnungen 8 und 10 vorteilhafterweise nicht, wie in Fig. 1 dargestellt, angeordnet sind, sondern mittels Ventilen gesteuert, in den oberen Bereich des Arbeitsraums 14 münden.

Fig. 5a) bis k) zeigen verschiedene Ausführungsformen des Umsetzers 16, wobei die Aus­ führungsformen a) bis i) zusammen mit einer Scheibe 12 verwendet werden und die Aus­ führungsformen j) und k) keine Scheibe 12 benötigen.

Gemäß Fig. 5a) ist der Umsetzer durch spiralförmiges Blechband 30 gebildet, so daß zwi­ schen den einzelnen Windungen liegende, zur Zylinderachse parallele beidseitig offene Zwischenräume 31 gebildet sind. Bei der Ausführungsform gem. Fig. 5b) ist zwischen die Windungen des Blechbandes ein gewelltes Blech 32 eingefügt, das die Oberfläche des Umsetzers 16 vergrößert. Bei der Ausführungsform gem. Fig. 5c) ist der Umsetzer 16 durch Bleche 33 gebildet, die als Stegbleche rechtwinkelig zueinander angeordnet sind und zwischen sich beidseitig offene, zur Zylinderachse parallele Kanäle 34 begrenzen. Zur Erhöhung der Wirksamkeit laufen die Bleche gem. Fig. 5d) vorteilhafterweise zur Strah­ lungsseite hin spitz aus. Gem. Fig. 5e) ist der Umsetzer durch eine Lochplatte 35 bzw. ein Lochblech gebildet, von der bzw. dem zur Strahlungsseite hin Stäbe 36 vorstehen, die mit unterschiedlichen Querschnitten ausgebildet sind und die vorteilhafterweise zur Strah­ lungsseite hin spitz auslaufen. Bei der Ausführungsform gem. Fig. 5b) ist der Umsetzer 16 durch ein Röhrenbündel 37 gebildet, dessen beidseitig offene Röhren an ihren Außenseiten aneinandergefügt sind und dabei ggfs. weitere Durchlässe bilden. Gem. Fig. 5d) ist der Umsetzer 16 durch ein Drahtgeflecht 38 gebildet. Bei der Ausführungsform gem. Fig. 5h) sind Lochplatten bzw. Lochbleche 39 aufeinandergestapelt, deren Löcher axial zueinan­ der ausgerichtet sind aber vorteilhafterweise unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Bei der Ausführungsform gem. Fig. 5i) ist zwischen zwei Lochbleche ein Drahtgewirke 40 aufgenommen.

Fig. 5j) und 5k) zeigen Ausführungsbeispiele von Umsetzern 42, die ohne Scheibe 12 auskommen. Der Umsetzer 42 gem. Fig. 5j) ist durch ein in sich stabiles ziehharmonikaartig gefaltetes Blech bzw. eine Platte gebildet, das bzw. die nebeneinander angeordnete, ab­ wechselnd von der Strahlungsseite und der Kolbenseite ausgehende sackartige, endseitig geschlossene Ausbauchungen 43 bildet. Die Ausführungsform gem. Fig. 5k) weist ab­ wechselnd zur Strahlungsseite und zur Kolbenseite hin offene Ausnehmungen bzw. Sackka­ näle 44 und 45 auf, die eine außerordentlich großflächige Wärmetauscherfläche bilden. Es versteht sich, daß der Querschnitt der Sackkanäle 28 vorteilhafterweise kleiner ist als der der Sackkanäle 30, welch letztere das Arbeitsmedium zeitweilig aufnehmen müssen. Auch versteht sich, daß der Querschnitt der zur Strahlungsseite hin offenen Kanäle zur Strahlung hin zunehmen kann und die sich im Querschnitt ergebende Mäanderform, wie dargestellt, zur Strahlungsseite hin gerichtete Spitzen ergeben kann.

Fig. 6 zeigt eine Gesamtanordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Kolben 4 weist dort eine Kolbenstange 62 auf, die in einer Kreuzkopfführung 64 in das Pleuel 6 übergeht, welches über einen Kurbeltrieb 64 mit einem Generator 66 zum Erzeugen elek­ trischer Energie verbunden ist. Der Auslaßkanal 26 ist über eine Leitung 68 mit einem Wärmetauscher 70 verbunden, der wiederum über eine weitere Leitung 72 mit dem Einlaßkanal 22 verbunden ist. In der Leitung 68 befindet sich eine Drossel 74, ein Spülge­ bläse 76 und ein Anschluß an ein Be-/Entlüftungsventil 78.

Im Wärmetauscher 70 kann die ausgetauschte Wärmeenergie an einen Verbraucher 80 ab­ gegeben werden. Zur Steuerung/Regelung der beschriebenen Vorrichtung ist ein Steuerge­ rät 82 mit folgenden Sensoren verbunden: einem Strahlungssensor 84 zur Aufnahme der einfallenden Strahlung, einem Drucksensor 86 zur Ermittlung des herrschenden System­ drucks, einem Leistungssensor 88 zur Ermittlung der augenblicklichen Generatorleistung sowie einem Drehzahlsensor 90 zur Ermittlung der Generatordrehzahl. Als Aktuatoren werden von dem Mikroprozessor gesteuerten Steuergerät 82 folgende Elemente angesteu­ ert: ein Leistungssteller 92 des Generators 66, die Drossel 74, das Spülgebläse 76 und das Be-/Entlüftungsventil 78.

Der Betrieb der beschriebenen Vorrichtung ist folgender:
Sobald der Strahlungssensor 84 eine zur Energieerzeugung ausreichende Strahlungsintensi­ tät feststellt, wird der Motor von einem nicht dargestellten Anlasser in Betrieb gesetzt. Gleichzeitig läuft das Spülgebläse 76 an, so daß für einen Luftdurchsatz durch den Motor gesorgt ist. Über Vorsteuerwerte für die Drossel 74 und das Spülgebläse 76 ist der Betrieb so eingestellt, daß der Motor auf eine Solldrehzahl des zunächst lastfrei laufenden Genera­ tors 66 hochläuft. Sobald diese vom Drehzahlsensor 90 sensierte Solldrehzahl erreicht ist, wird die Last vergrößert und vom Leistungssensor 88 sensiert. Durch Einstellung des Spül­ gebläses 76 der Drossel 74, die den Systemdruck einstellt, sowie des Be-/Entlüftungsven­ tils 78, durch das dem geschlossenen System unter Zwischenschaltung eines Luftfilters zu­ sätzlich Luft zugeführt oder überschüssige Luft abgeblasen wird, wird der Betrieb nun so gesteuert, daß vom Generator 66 eine maximale Leistung erzeugt wird, wobei gleichzeitig im Zylinder 4 vorgegebene Grenzwerte hinsichtlich der Kompressionsendtemperatur, die gegebenenfalls über einen weiteren Temperatursensor sensiert werden kann, eingehalten werden. Es versteht sich, daß bei zu großen Luftdurchsatz durch den Zylinder der Umset­ zer zu stark abgekühlt wird, wodurch der Wirkungsgrad absinkt und daß bei zu kleinem Luftdurchsatz der Umsetzer unzulässig hoch aufgeheizt wird, wodurch sich der Wirkungs­ grad ebenfalls verschlechtert, da der Umsetzer Strahlung nach außen abstrahlt. Mit dem Systemdruck und dem Luftdurchsatz stehen somit zwei Größen zur Verfügung, die einen Betrieb bei konstanter Drehzahl, die insbesondere für eine Netzeinspeisung erforderlich ist, und größtmöglichen Wirkungsgrad ermöglichen. Je nach den Erfordernissen kann der Sy­ stemdruck auf Werte über oder unter den Atmosphärendruck eingestellt werden.

Die Ausbildung des Kurbeltriebes mit dem Kreuzkopf hat den Vorteil, daß innerhalb des Kolbens 4 keine Schmierung erforderlich ist, so daß die Anordnung im Arbeitsraum über lange Betriebsdauern nutzungsfrei arbeitet. Thermodynamisch entspricht die beschriebene Vorrichtung weitgehend dem Betrieb eines Zweitaktmotors, wobei die Erhitzung der Frischladung nicht durch Verbrennung, sondern durch die Aufheizung im Umsetzer und dadurch etwas langsamer erfolgt. Es versteht sich, daß auch andere Arbeitsverfahren ge­ wählt werden können.

Die beschriebene Anordnung ist vielfältig abwandelbar. Beispielsweise kann der Motor un­ mittelbar eine Pumpe oder eine sonstige mechanische Maschine antreiben. Für Zeiten, in denen keine Strahlung zur Verfügung steht, kann elektrische Energie in eine Batterie ein­ gespeist werden oder Energie mechanisch gespeichert werden.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel mit einem Einzylinder von etwa 350 cm³ Hubvolumen, einem Umsetzer von etwa 80 mm Durchmesser und einer geome­ trischen Verdichtung des Arbeitsraums von etwa 7 : 1, wobei der Umsetzer den Arbeits­ raum im oberen Totpunkt des Kolbens im wesentlichen vollständig füllte, konnte bereits bei einer Strahlungskonzentration um einen Faktor von ca. 150 elektrische Energie erzeugt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich ins­ besondere für dezentrale, gegebenenfalls Kraft-Wärme gekoppelte Energieversorgungsein­ heiten, die gemessen an photovoltaischen Anlagen oder mit Stirlingmotoren arbeitenden Anlagen erheblich geringere Installationskosten, bezogen auf die gewonnene Nutzenergie aufweisen.

Claims (25)

1. Verfahren zum Umwandeln von Strahlungsleistung, insbesondere Sonnen­ strahlung, in mechanische Leistung, bei welchem ein in einem Zylinder (2) unter Bildung eines in seiner Größe veränderlichen Arbeitsraums (14) beweglicher Kolben (4) von einem mit der Strahlungsenergie erhitzten Arbeitsmedium unter Expansion des Arbeitsmediums im Arbeitsraum aus einer Stellung, in der der Arbeitsraum minimal ist (Ende des Kompressionshubs), in eine Stellung bewegt wird, in der der Arbeitsraum maximal ist (Ende des Arbeitshubs), wobei die dem Kolben (4) gegenüberliegende Stirnseite des Zylinders (2) zum Einleiten von Strahlungsenergie in den Zylinder ausgebildet ist, wobei
zumindest ein Teil des Arbeitsmediums im Anschluß an den Arbeitshub und vor dem Kompressionshub ausgetauscht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kolben (4) das Arbeitsmedium unter Verkleinerung des Arbeitsraums (14) in einen unmittelbar im Arbeitsraum angeordneten, mit der Strahlungsenergie beaufschlag­ ten Strahlungsabsorber/Wärmetauscher (16; 42) hineindrückt (Kompressionshub), in dem das Arbeitsmedium bei minimalem Arbeitsraum im wesentlichen vollständig aufgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium Umgebungsluft ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Abgabe von mechanischer Leistung durch den Kolben (4) durch Veränderung der Menge des je Arbeitsspiel ausgetauschten Arbeitsmediums gesteuert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Arbeitsmedium in einem Kreis geführt wird und der in dem Kreis herrschende Druck des Arbeitsmediums an Betriebsparameter angepaßt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das nach einem Arbeitsspiel aus der Arbeitskammer (14) ausströmende Arbeitsmedium einen Wärmetauscher (40) durchströmt.

6. Vorrichtung zum Umwandeln von Strahlungsleistung, insbesondere Sonnen­ energie, in mechanische Leistung, mit
einem Zylinder (2), in dem unter Bildung eines in seiner Größe veränderlichen Arbeitsraums (14) ein Kolben (4) hin und her beweglich ist, der mechanische Leistung liefert, wobei die dem Kolben (4) gegenüberliegende Stirnseite des Zylinders (2) zum Ein­ leiten von Strahlungsenergie in den Zylinder ausgebildet ist,
wenigstens einer steuerbaren Einlaßöffnung (8) und wenigstens einer steuer­ baren Auslaßöffnung (10) im Zylinder zum Zu- bzw. Ableiten eines gasförmigen Arbeits­ mediums in den bzw. aus dem Zylinder, und einem Spülgebläse (46) für einen zumindest teilweisen Austausch des im Arbeitsraum befindlichen Arbeitsmediums je Arbeitszyklus,
dadurch gekennzeichnet, daß
im Arbeitsraum (14) eine Wärmeaustauscheroberfläche eines Strahlungs­ absorber/Wärmetauschers (16; 42) derart angeordnet ist, daß das Arbeitsmedium bei minimalem Arbeitsraum im wesentlichen vollständig in dem Strahlungsabsorber/Wärme­ tauscher aufgenommen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite des Zylinders (2) durch eine auch für sichtbare Strahlung durchlässige Wand (12) verschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsabsorber/Wärmetauscher (16; 42) an die strahlungsdurchlässige Wand (12) angrenzend angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsabsorber/Wärmetauscher (16) von der dem Kolben (4) zugewandten Seite zu der der strahlungsdurchlässigen Wand zugewandten Seite für das Arbeitsmedium durch­ lässig und derart angeordnet und ausgebildet ist, daß er vom Arbeitsmedium während der Verkleinerung es Arbeitsvolumens durchströmt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsabsorber/Wärmetauscher (16) auf der Stirnseite des Kolbens (4) angebracht ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlungsabsorber/Wärmetauscher (16) durch ein spiralförmiges Blechband (30) mit zylinderparalleler Achse mit eingelagertem gewelltem Blech (32) gebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlungsabsorber/Wärmetauscher (16) durch Bleche (33) gebildet ist, die zwischen sich beidseitig offene, zur Zylinderachse parallele Durchlässe (34) bilden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche (33) zur Strahlungsseite hin spitz auslaufen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlungsabsorber/Wärmetauscher (16) durch eine dem Kolben zugewandte Lochplatte (35) gebildet ist, von der der Strahlungsseite zugewandte Stäbe (36) vorstehen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Stäbe (36) zur Strahlungsseite hin abnimmt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlungsabsorber/Wärmetauscher (16) durch ein Rohrbündel (37) gebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlungsabsorber/Wärmetauscher (16) durch ein Drahtgeflecht (38) gebildet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlungsabsorber/Wärmetauscher (16) durch übereinander angeordnete Lochbleche (39) gebildet ist, deren Löcher zur Zylinderachse parallele Durchgangskanäle bilden.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strahlungsabsorber/Wärmetauscher (16) ein Drahtgewirke (40) enthält.

20. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Zylinders (2) durch den Strahlungsabsorber/Wärmetauscher (42) gebildet ist, der als ein Bauteil mit nebeneinander angeordneten sackförmigen Ausnehmun­ gen (43; 44, 45) ausgebildet ist, die abwechselnd von der Außenseite des Zylinders und vom Arbeitsraum ausgehen.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Spülgebläse von der Bewegung des Kolbens (4) angetrieben ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung des Arbeitsraums über eine Leitung (68, 72) miteinander verbunden sind, die durch einen Wärmetauscher (70) führt.

23. Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 6 bis 22, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Einrichtung (82, 76) zur Veränderung der Strömungs­ geschwindigkeit des Arbeitsmediums durch den Arbeitsraum (14) vorgesehen ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Einrichtung (74, 76, 82) zur Veränderung des Druckniveaus des Arbeitsmediums vorgesehen ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23 und 24, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Steuereinrichtung (82) vorgesehen ist, welche in Abhängigkeit von der einfallenden Strahlungsleistung die Strömungsgeschwindigkeit und/oder das Druckniveau des Arbeitsmediums für eine Abgabe maximaler Leistung regelt.