DE3535414A1

DE3535414A1 - Stirlingmotor mit sonnenenergie betrieben

Info

Publication number: DE3535414A1
Application number: DE19853535414
Authority: DE
Inventors: Alfred Dipl.-Ing. 8721 Oberwerrn Weidinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-10-04
Filing date: 1985-10-04
Publication date: 1986-07-10

Description

Beschreibung:
otirlingmotor mit onnenenerg;ie betrieben Die Erfindung betrifft den Stirlingmotor bzw. Heißluftmotor.
Der nachfolgend beschriebene Motor arbeitet nach dem bekannten Stirlingschen Kreisprozeß. Viele Patente der Gloeilampenfabriken Philips in Eindhoven decken verschiedene Ausführungs formen dieser Motoren ab.
Es ist bekannt, daß diese Motoren mit festen, flüssigen, gasförmigen Brennstoffen und Sonnenenergie betrieben werden können. Die Verbrennungsgase der Brennstoffe lassen keinen zufriedenstellenden Wärmeübergang auf die Wärmetauscherrohre zu. Die dadurch erforderlichen langen Wärmetauscherrohre erhöhen die Strömungsverluste, die Leistungseinbußen bewirken.
Bei der bisherigen Nutzung der Sonnenenergie werden die Lichtstrahlen auf einen Metallbolzen konzentriert. Der Metallbolzen leitet die Wärme ins Kolbeninnere, wo sie durch Strahlung und Konvektion an das Arbeitsgas abgegeben wird. Mit der geringen Oberfläche des Metallbolzens werden nicht sehr hohe Temperaturen des Arbeitsgases erzielt. Der Wirkungsgrad und auch das Leistungsgewicht hängen von der Temperaturdifferenz des Arbeitsgases während Entspannungsphase und Verdichtungsphase ab. Die Temperaturen werden nach oben durch die Warmfestigkeit der Werkstoffe begrenzt. Die Arbeitsgastemperatur bleibt in der Praxis weit unter der Wärmetauscherrohrtemperatur. Einen guten überblick über die Vielfalt der Ausführungen und deren Vor- und Nachteile gibt das Buch "Stirling engines von Reader Graham T.
erschienen 1983 in London, SPON-Verlag. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Sonnenenergie in mechanische Energie umzuwandeln, den Wirkungsgrad zu steigern und somit auch das Leistungsgewicht zu verringern.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Maschine gelöst, die nach den in Anspruch 1 aufgeführten Bedingungen hergestellt ist.
Der hohe Wirkungsgrad wird durch hohe Temperaturen des Arbeitsgases und durch Wegfall von erhitzerseitigen Strömungsverlusten bei einer Ausführung nach Anspruch 2 erreicht, Die erzielbaren Vorteile sind die einfache Umwandlung von Sonnenenergie in mechanische Energie und die Verringerung der Spiegelflächen durch hohen Wirkungsgrad. In sonnenscheinreichen Gegenden kann der erfindungsgemäße Motor in Großanlagen zur elektrischen Energieerzeugung eingesetzt werden. Bisherige Großanlagen mit Verdampfer und Dampfturbinen sind teuer und haben einen schlechten Wirkungsgrad, wodurch wiederum große teuere Spiegelflächen erforderlich sind.
Der erfindungsgemäße Motor hat auch als Kleinanlage einen hohen Wirkungsgrad. In entlegenen Regionen eignet er sich als Wasserpumpenantrieb. In Hausanlagen kann das notwendige Kühlwasser zum Heizen und zur Warmwasserbereitung benutzt werden. Die erzeugte elektrische Energie kann in Batterien gespeichert, jederzeit verbraucht werden.
Ausführungen Die einzelnen Teile sind in den Ausführungen wie folgt gekennzeichnet: 1 Verdrängerkolben 2 Arbeitskolben 3 Kühler 4 Regenerator 5 Erhitzerraum 6 Sammellinse 7 Glasscheibe oder -körper 8 Spiegelfläche 9 Gitter zur Abstützung der Glasscheibe 10 Kühlschlitze 11 ölabstreifung Zu den Ausführungen gehören Spiegel systeme wie Flachspiegel und/oder Parabolspiegel, die der Sonne nachgeführt werden.
Wegen ihrer Bekanntheit sind sie nicht dargestellt. Die Auffangflächen, auf die die Lichtstrahlen konzentriert werden, sind in den Darstellungen zu erkennen. Kühler und Regenerator sind nicht Gegenstände dieser Erfindung und sind deswegen nur schematisch dargestellt. Auch das Abtriebsaggregat ist nicht gezeichnet, da wie bei jedem anderen Stirlingmotor verschiedene Abtriebsaggregate Verwendung finden können. Verdrängerkolben und Arbeitskolben sind in der Position gezeichnet, in der das Arbeitsgas am höchsten verdichtet ist; es folgt die Entspannungsphase.
Die dargestellte Wasserkühlung kann in allen 3 Ausführungen auch durch Luftkühlung ersetzt werden. Die Art der Kühlung ist abhängig von der Energiedichte der ankommenden Lichtstrahlen und der vorherrschenden temperatur im Zylinder. Ist Wasserkühlung für Sammellinsen und/oder Glasscheiben notwendig, muß das Kühlwasser klar, sauber und blasenfrei sein und eventuell unter Druck stehen. Für die Glaskörperkühlung ist ein eigenes Kühlsystem vorteilhaft.
Das verdampfende öl, das zur Schmierung der Kolben notwendig ist, kann sich auf den Linsen und Glasscheiben innen niederschlagen. Die Gläser werden entweder in Intervallen ausgewechselt und gereinigt oder automatisch gereinigt. Bei automatischer Reinigung wird mit einer Waschemulsion der Arbeitsraum gespült bis die Gläser sauber sind. Nach dem Ablaufen der Waschemulsion wird der Betrieb wieder aufgenommen. Die Zeiten zwischen den Reinigungen der Gläser optimieren sich bei Verwendung geeigneter öle und deren sorgfältiger Dosierung. Die Führung des Verdrängerkolbens geschieht durch seine Kolbenstange in der Arbeitskolbenstange. Der Verdrängerkolben berührt die Zylinderwände nicht, d.h. es ist keine Schmierung erforderlich. Heiße Gase, die durch den langen Spalt zwischen Zylinder und Verdrängerkolben nach unten strömen, werden von der kalten Zylinderwand gekühlt. Der Arbeitskolben wird im unteren Bereich geführt und abgedichtet (die Arbeitskolbenstange zusätzlich im Gehäuse), so daß das Arbeitsgas auch im kalten Bereich nicht mit dem Schmieröl in direkten Kontakt kommt.
Ausführung 1 In dieser Ausführungsform fällt das Licht vom gekrümmten Spiegel (8) zum ringförmigen Glaskörper (6), der die Strahlen in die Mitte des Zylinders lenkt. Die Lichtstrahlen müssen ringförmig auf die gekrümmten Spiegelflächen fallen, um eine Einstrahlung in den Zylinder von allen Seiten zu ermöglichen. Bei dieser Konstruktion ist die Entfernung des Brennpunktes und des empfindlichen, jedoch auch gekühlten Glaskörpers groß, wodurch der Glaskörper nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
Der Kolben kommt immer nur kurzzeitig in die Nähe des Brennpunktes. Die Zylinderkopfinnenwand, die dem Brennpunkt relativ nahe liegt, wird ständig von außen gekühlt.
Steht der Verdrängerkolben im oberen Todpunkt, strömt das Arbeitsgas durch eine Vertiefung im Kolben zum Regenerator.
Ausführung 2 Dies ist die konstruktiv einfachste Bauform. Der Brennpunkt bzw. Brennfleck wird ständig vor dem Verdrängerkolben hergeschoben. Er ist somit von der Zylinderkopf innenfläche meist weit entfernt, und die Zylinderseitenflächen werden nur im Vorbeiziehen kurz erwärmt. Der Verdrängerkolben ist aus warmfestem Material, die glanzverchromte Kolbenoberseite reflektiert die Lichtstrahlen zum Brennpunkt. Das von unten durch die Schlitze strömende kalte Arbeitsgas kühlt die heiße Verdrängcrkolbenseite.
Ein Gitter (9) stützt sie Glasscheibe ab, so daß auch große Zylinderduchmesser herstellbar sind. Die senkrechtstehenden Gitterstreben verringern die Lichteinfallfläche nur wenig.
Ausführung 3 Bei dieser Konstruktion ist der Brennpunkt nach außen verlagert.
Der Erhitzerraum kann seitlich wie gezeigt oder oben angeordnet sein. Das Licht kann auf einer relativ großen Fläche einfallen, wird durch vier um den Erhitzerraum angeordnete Spiegel(8) zu den Linsen(6) gelenkt. Durch die fünfte Linse fällt das Licht direkt ein. Fünf Linsen konzentrieren nun das Licht auf einen Punkt.
Dadurch können höchste Temperaturen in der Mitte des Erhitzerraumes erzeugt werden. Die Linsen können wegen ihrer Temperaturempfindlichkeit nur eine bestimmte Lichtmenge = Energie durchlassen. Die Erhitzerraum-Rückwand und der dünnwandige Glaskörper (7) sind gekühlt. Die dünne Glaskörperwand ist notwendig, weil Glas die Wärme schlecht leitet, und eine kleine Temperaturdifferenz von Außen- und Innenfläche nur bei dünnen Wänden erreicht wird.

Claims

Patentansprüche Stirlingmotor (auch Heißluftmotor genannt) zur Erzeugung mechanischer Energie, dadurch geknnzeichnet, daß durch lichtdurchlässige Körper Energie in Form gezielt konzentrierter (gebündelter) Lichtstrahlen zugeführt wird. Die lichtdurchlässigen Körper können Teile des Zylinders sein oder Teile eines separaten Erhitzers.
2. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gezielte Konzentrierung der Lichtstrahlen hohe Temperaturen in der Mitte des Zylinders bzw. Erhitzers erzeugen, nicht aber an den Innenflächen des Zylinders bzw. Erhitzers.