WO1994021917A2 - Solarmotor - Google Patents

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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Definitions

  • solar motors have been developed, in which a heat engine according to the STIRLING reciprocating principle was used, which is attached at the focal point of a concave mirror.
  • the present invention consists of a self-invented heat engine which, due to its relatively simple function, can be built elongated without high cost, so that the receiver surface is relatively large compared to previous solar motors with the aid of a parabolic mirror (higher concentrator efficiency than concave mirror), and When using high-temperature waste heat from exhaust gases or combustion processes to heat the receiver of the heat engine, a larger receiver area is also available in this invention.
  • Another advantage of the present invention is the relative simplicity of the heat engine, so that it could be produced more cheaply.
  • Drawing 1 shows the solar motor as a whole
  • Drawings 2a and b show: overall the heat engine in cross section (2a) and in longitudinal section from A to B (2b), in detail: 1st left axis
  • Spare sheet 75 In drawings 2a and 2b, 1 and 2 represent the hollow axes of two tubular rotors (3, 4) which rotate in an elongated motor housing (5). Both are connected to each other outside the motor housing via gears (22) so that they run in unison.
  • the right rotor is the actual working piston (4).
  • the motor housing has a larger wall distance to the rotor on the right side than on the left, so that a so-called compression space (6) and an evaporation space (7) were created there.
  • the piston plates 8 run through these spaces. 10 the
  • the left rotor (3) serves as a receiver for the piston plates (8, 10).
  • the left-hand rotor is equipped with sealing rails (16) at its entry points to the compression and evaporation space, along "the motor housing, which avoid possible gas flow there. It is located in the compression and evaporation spaces
  • the regenerator (25) is from
  • piston plate 10 causes a pressure in the compression space, which is then potentiated many times (by the supply of heat from the outside (sun)) into the evaporation or. Expansion space (7) flows, and

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Abstract

Zur Nutzung der Solarenergie sind u.a. sog. Solarmotoren entwickelt worden, bei denen eine Wärmekraftmaschine nach dem STIRLING-Hubkolbenprinzip verwendet wurde, die im Brennpunkt eines Hohlspiegels angebracht ist. Trotz des 42 %igen Wirkungsgrad des Stirlingmotors, erreichte die Anlage nur einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 17 %, hauptsächlich wegen der Wärmeverluste am 'Receiver' und dem rel. geringen Konzentratorwirkungsgrad (System von Schlaich u. Partner). Vorliegende Erfindung benutzt eine selbsterfundene Wärmekraftmaschine, die durch ihre relativ einfache Funktionsweise ohne hohen Kostenaufwand sehr langgestreckt gebaut werden kann, sodaß die Receiverfläche mit Hilfe eines Parabolspiegels (höherer Konzentratorwirkungsgrad als beim Hohlspiegel) verhältnismäßig groß im Vergleich zu bisherigen Solarmotoren ist, und so ein besserer Gesamtwirkungsgrad erzielt werden kann. Bei der Verwendung von Hochtemperaturabwärme aus Abgsen o.ä. zur Erhitzung des Receivers der Wärmekraftmaschine, steht bei dieser Erfindung ebenso eine größere Receiverfläche zur Verfügung.

Description

Beschreibung
Solarmotor
Es ist bekannt, daß 1816 R.STIRLING eine Wärmekraft¬ maschine zum Patent angemeldet hat.
Zur Nutzung der Solarenergie sind u.a. sogenannte Solar¬ motoren entwickelt worden, bei denen eine Wärmekraftmaschine nach dem STIRLING-Hubkolbenprinzip verwendet wurde, die im Brennpunkt eines Hohlspiegels angebracht ist.
Trotz des 42%igen Wirkungsgrad des Stirlingmotors, erreichte die Anlage nur einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 17%, hauptsächlich wegen der Wärmeverluste am "Receiver" und dem relativ geringen Konzentratorwirkungsgrad. (System: Schlaich § Partner) .
Vorliegende Erfindung besteht aus einer selbsterfundenen Wärmekraftmaschine, die durch ihre relativ einfache Funktions¬ weise ohne hohen Kostenaufwand sehi langgestreckt gebaut werden kann, sodaß die Receiverfläche mit Hilfe eines Parabol- spiegeis (höherer Konzentratorwirkungsgrad als beim Hohlspiegel verhältnismäßig groß im Vergleich zu bisherigen Solarmotoren ist, und so ein besserer Gesamtwirkungsgrad erzielt werden kann. Bei der Verwendung von Hochtemperaturabwärme aus Abgasen bzw. Verbrennungsprozessen zur Erhitzung des Receivers der Wärme¬ kraftmaschine, steht bei dieser Erfindung ebenso eine größere Receiverfläche zur Verfügung.
Als weiterer Vorteil vorliegender Erfindung ist die verhält¬ nismäßige Einfachheit der Wärmekraftmaschine zu nennen, sodaß diese kostengünstiger produziert werden könnte.
Das zuletzt geschriebene bezieht sich insbesondere auch auf den von Jürgen SCHUKEY erfundenen "Alpha-Omega-Motor" (SITA GmbH Hamburg) Nur die verhältnismäßige Einfachheit des konstruktiven Auf- baus der Wärmekraftmaschine ermöglicht die Längsstreckung des Kolbengehäuses und damit deren optimalen Verwendung für einen Parabolspiegel oder anderen Erhitzungsmedien (z.B: Hochtemperaturabwärme) .
Ersatzblatt Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeich- nungen 1, 2a,b, Anlage 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben: Zeichnung 1 zeigt den Solarmotor insgesamt mit
1. Rinnenbrennspiegel, der Sonne nachführbar 2. Wärmekraftmaschine mit Generator
Es zeigen Zeichnung 2a und b: insgesamt die Wärmekraftmaschine im Querschnitt (2a) und im Längsschnitt von A nach B (2b), im Einzelnen: 1. linke Achse
2. rechte Achse
3. linker Rotor
4. rechter Rotor 5. Motorgehäuse
6.Verdichtungsraum
7. Verdampfungsraum
8. länglicher Zahn (Kolbenplatte 1) 9. Längliche Nut (Aufnehmer für 8)
10. länglicher 2. Zahn (Kolbenplatte 2)
11. längliche Nut (Aufnehmer für 10)
13 Luftkühlungsöffnungen durch die hohlen Achsen
14. Wasserkühlsystem
15. Wasserkühler
16. Dichtungsbolzen 17.Dichtungsbolzen auf den Kolbenplatten
18. Kühlwasserpumpe
19.Ventilator für den Wasserkühler
20. Luftkühlungssystem mit Ventilator 21. Kugellager
22. Verbindung zwischen linkem und rechtem Rotor über
Zahnräder
23. Überleitungsrohre von 6 nach 7, gleichzeitig Receiver 24.Überleitungsrohre wie 23, gleichzeitig Kühlrohre
25. Regenerator ("Wärmeschwamm")
Ersatzblatt 75 In Zeichnung 2a und 2b stellen 1 und 2 die hohlen Achsen zweier Röhrenförmiger Rotoren (3,4) dar, die in einem läng¬ lichen Motorgehäuse (5) drehen. Beide sind außerhalb des Motorgehäuses über Zahnräder (22) miteinander verbunden, sodaß sie im Gleichtakt laufen.
80 Der rechte Rotor ist der eigentlichen Arbeitskolben (4). Das Motorgehäuse hat auf der rechten Seite einen größeren Wandabstand zum Rotor als links, sodaß dort ein sog. Ver¬ dichtungsraum .(6) und ein Verdampfungsraum (7) entstand. Durch diese Räume laufen die Kolbenplatten 8 u. 10, die,
85 mit ihren Dichtungsschienen auf ihren Spitzen (17), die Verdichtungs- und Verdampfungsräume gasdicht hinter und vor sich abschließen.
Der linke Rotor (3) dient, mit seinen längsseits eingefrästen Kerben (9,11), als Aufnehmer für die Kolbenplatten (8,10).
90 Der linke Rotor ist an dessen Eitrittsstellen zum Verdich¬ tungs- und Verdampfungsraum, entlang "dem Motorgehäuse, mit Dichtungsschienen (16) bestückt, die dort möglichen Gasfluß vermeiden. In den Verdichtungs-und Verdampfungsräumen befindet sich
95 eine niedrigsiedende Flüssigkeit bzw. andere Gase.
Die Funktionsweise des Motors sei im folgenden anhand des Umlaufs der beiden Kolbenplatten beschrieben:
Die eine Kolbenplatte (8) tritt, nachdem sie im Verdichtungs¬ raum (6) die Nut (9) verlassen hat, in den Verdampfungsraum ein,
100 in den durch die Receiverrohre (23) und dem Regenerator (25) sofort unter Druck heiße Luft eintritt, da gleichzeitig die gegenüberliegende Kolbenplatte (10) die niedrigsiedende Flüssig¬ keit durch die Überleitungsrohre (23,2.4) und den Regenerator(25) in den Verdampfungsraum drückt. Der Regenerator (25) ist von
105 der Kolbenplatte (8) einige Sekundenbruchteile vorher, bei" seinem Weg vom Austritt der Überleitungsrohre (24) zur Nut (9) aufgeladen worden, dadurch daß sie (8) heißes Gas durch die Receiverrohre (23) in den Regenerator gesogen hat. Nach dieser Stellung der Rotoren wird durch die Kolbenplatte 10
110 die niedrigsiedende Flüssigkeit im Verdichtungsraum verdichtet
Ersatzblatt und in die Überleitungsrohre hineingedrückt. In dem Augen¬ blick, wo dann die Kolbenplatte 8, wie oben beschrieben, an der Eintrittsöffnung der Receiverrohre (23) vorbeigelaufen ist, strömt die verdichtete, im Regenerator und im Receiver 115 erhitzte, dadurch unter hohem Druck stehende Flüssigkeit (hier gasförmig) auf die Kolbenplatte 8 und treibt diese voran (Arbeitsphase), derweil gleichzeitig die gegenüber¬ liegende Kolbenplatte (10) das Gas wieder zu verdichten beginnt. 120 im folgenden wird der eben beschriebene Vorgang am sog.
Stirling Prozess (Quelle: M.Werdich "Stirling Maschinen" ökobuch-Verlag, Freiburg 1992 S.25) erklärt:
"Zustandsänderungen" :
1...2) "Isotherme Kompression": bei der Stellung der Kolben-
125 platte 10 , wie auf Zeichnung 2a (Anlage 1) dargestellt, wird diese Kolbenplatte in den gekühlten (Tmi.n. ) Raum 6 g Je- sogen, bei gleichzeitiger Kühlung der Überleitungsrohre. 2...3) Eine "isochore innere Wärmezufuhr vom Regenerator" tritt ein, wenn Kolbenplatte 8,vor dem Eintauchen in die
130 Nut 9, bei dem gerade herrschenden Unterdruck in Raum 6, die Hitze vom Receiver in den Regenerator saugt und kurz danach diese Hitze wieder über die Receiverrohre in den Expansions-bzw. Verdampfungsraum zurückgeleitet wird. 3...4) Eine "isotherme Expansion" tritt danach beim Passieren
135 von Kolbenplatte 8 der Einmündungen der Receiverrohre (23) ein, weil gleichzeitig dann Kolbenplatte 10 einen Druck im Verdichtungsraum bewirkt, der dann , um ein vielfaches potenziert (durch die Wärmezufuhr von außen (Sonne)), in den Verdampfungs-bzw. Expansionsraum (7) strömt, und da-
140 durch Arbeit verrichtet.
4...1) Eine "isochore innere Wärmeabfuhr"findet fast gleich¬ zeitig auf der Unterseite der Wärmekraftmaschine statt, in der die niedrigsiedende Flüssigkeit durch die Kolbenplatte 10 verdichtet und in den Überleitungsrohren abgekühlt wird.
ERSATZBLATT

Claims

Patentansprüche
1.Solarmotor, dadurch gekennzeichnet, daß er sich zu¬ sammensetzt aus einer sonnenbeheizten Wärmekraftmaschine und einem Generator, und für eine einfache, kostengünstige Bauweise optimale Wirkungsgrade erzielt.
2.Solarmotor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Seite der Wärmekraftmaschine durch Sonnenkraft, gebündelt im Rinnenbrennspiegel, beheizt wird, die untere Seite durch ein Kühlsystem gekühlt wird.
3.Solarmotor nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß t die Wärmekraftmaschine so beschaffen ist, daß sie läng¬ liche Kreiskolben besitzt, die eine längliche Ausdehnung des Motors bewirken, sodaß ein Rinnenbrennspiegel eine große Fläche erhitzen kann.
4.Solarmotor nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet,daß die Wärmekraftmaschine so gestaltet ist, daß sich in einem tonnenartigen, länglichen Motorgehäuse zwei längliche Röhren (Kreiskolben) befinden, die jeweilig ihre Achsen drehen,die durch das Motorgehäuse nach außen gehen und durch Zahnräder miteinander verbunden sind.
5.Solarmotor nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine so gestaltet ist, daß das Motor¬ gehäuse auf der r.echten Seite zur in Anspruch 4 erwähnten Röhre einen bestimmten Abstand besitzt, sodaß dadurch ein sog. Verdichtungsraum und ein Verdampfungsraum ent- stand.
6.Solarmotor nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine so gestaltet ist, daß auf die rechte Röhre zwei längliche Zähne (Platten) befestigt sind, die die eigentlichen Kolben bilden, und die,mit Dichtungsschie- nen auf ihren Spitzen, die Verdichtungs- und Verdampfungs¬ räume gasdicht vor- und hinter sich abschließen.
7.Solarmotor nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine so gestaltet ist, daß die linke Röhre mit ihren,in Längsrichtung eingefrästen Kerben (Nut) als Aufnehmer für die Kolben (s.Anspruch 6) und als "Verdichtungsraumbildnerin" dient.
Ers atzblatt
8. Solarmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine so gestaltet ist, daß sich im Ver¬ dichtungsraum und im Verdampfungsraum (s.Anspruch 5) eine niedrigsiedende Flüssigkeit befindet.
9.Solarmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Wärmekraftmaschine ein Parabolspiegel installiert ist, dessen Brennlinie die Oberfläche von Überleitungs¬ rohren erhitzt, die vom Verdichtungsraum in den Verdam- pfungsraum gehen.
10.Solarmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine so gestaltet ist, daß durch die hohlen Achsen der Kreiskolbenröhren zur Kühlung der niedrigsiedenden Flüssigkeit und zur Wärmeabfuhr der Verdichtungswärme, kühle Frischluft von einem Ventilator geblasen wird und ein
Wasserkühlsystem weitere Kühlung, insbesondere der Überlei¬ tungsrohre (s.Anspruch 9) ermöglicht.
11.Solarmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiskolbenröhren an ihren Stirnseiten durch Dichtungs- ringe gegen Gasundichtigkeit gesichert sind, und die linke
Kolbenröhre durch Dichtungsschienen am inneren Motorgehäuse.
12.Solarmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmekraftmaschine so gestaltet ist, daß der Verdich¬ tungsraum mit dem Verdampfungsraum durch Überleitungsrohre verbunden ist, die einen Regenerator ( "Wärmeschwamm" ) durch¬ laufen.
13.Solarmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überleitungsrohre (s.Anspruch 12) unterhalb des Motors gekühlt, oberhalb des Motors solar erhitzt werden.
ERSATZBLATT
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DEP4402494.0 1994-01-28
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121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
AK Designated states

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AL Designated countries for regional patents

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122 Ep: pct application non-entry in european phase
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