Der Stirlingmotor-Generator

Das Stirling Engine Generator ist eine versiegelte, hocheffiziente “Wärmemaschine” das durch die Strahlungsenergie angetrieben wird, die von der Sonne oder einer anderen externen Wärmequelle geliefert wird. Der Stirling-Motor wurde vor fast zweihundert Jahren von Robert Stirling erfunden, daher sein Name. Er ist eine Art Solarmotor oder Sonnenmotor, der nach dem Prinzip der Thermodynamik arbeitet und zwischen heißen und kalten Temperaturzyklen eines Arbeitsgases wechselt.

Der “Stirlingmotor” bestand im Wesentlichen aus einem extern beheizten, normalerweise durch die Sonne beheizten Heißluftmotor, der von einem von Robert Stirling als „Economiser“ bezeichneten Motor gesteuert wurde. die Wärme zu und von einem umschlossenen inneren Luftraum aufnimmt und abgibt. Wenn die Luft (oder eine andere Form von Arbeitsgas) in diesem umschlossenen Raum erwärmt wird, dehnt sie sich aus, und wenn sie gekühlt wird, zieht sie sich zusammen. Ein Kolben wird durch Kompression oder Expansion des Arbeitsgases angetrieben, typischerweise Helium oder Wasserstoff, das den Motor nie verlässt.

Stirlingmotor-Generator und Schüssel

Der Stirlingmotor arbeitet also durch abwechselndes Erhitzen und Abkühlen des Gases durch eine externe Wärmequelle und entzieht Energie aus der Expansion und Kontraktion des Gases. Dies führt zu einer Druckänderung, die verwendet wird, um einen Kolben im Inneren des Motorzylinders anzutreiben, ähnlich wie eine Rankine-Dampfmaschine.

Der Unterschied besteht diesmal darin, dass ein Gas anstelle von Dampf verwendet wird einen Kolben antreiben. Diese hocheffiziente solarthermodynamische Heizmaschine wandelt die Temperaturdifferenz (thermische Energie) in mechanische Energie (kinetische Energie) um.

Wir können sehen, dass ein Stirlingmotor ein thermischer, solarbetriebener Hubkolbenmotor ist, der Sonnenstrahlung verwendet, um Wärme anstelle herkömmlicher fossiler Brennstoffe zu erzeugen. Der Freikolben-Stirlingmotor nutzt das Schwingungsverhalten zweier Kolben unterschiedlicher Masse, wobei der schwere gegenüber dem leichteren um eine halbe Schwingungsperiode verzögert wird.

Ein elektrischer Generator ist direkt mit der Welle des Stirlingmotors gekoppelt, der die mechanische Energie in die gewünschte elektrische Wechselstromenergie umwandelt und als solches ein System ist, in dem Temperaturunterschiede eine bedeutende Rolle spielen. Die Leistungsabgabe des Stirlingmotors wird hauptsächlich durch Variation des Arbeitsgasdrucks im Kolbenzylinder gesteuert.

Sonnenlicht enthält viele tausend Mal mehr Energie, als wir Menschen nutzen können, aber die Nutzung dieser kostenlosen Energie kann teuer sein. Die gebräuchlichste Methode ist die Verwendung von Photovoltaikzellen, die das Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln. Aber wir können auch die immense Kraft der Sonne nutzen, um Wasser und Flüssigkeiten entweder direkt zu erhitzen oder indem wir einen Solarturm und Heliostatspiegel verwenden, um die Wärme auf Stirlingmotoren zu reflektieren, die wiederum Kolben bewegen, um Strom zu erzeugen.

Aber um die Sonnenwärme auf eine Temperatur zu bringen, die hoch genug ist, um einen Stirlingmotor-Generator zu betreiben, ist es notwendig, die Sonnenstrahlung zu konzentrieren. Konzentrierende Solarstromsysteme (CSP) verwenden Parabolspiegel, Parabolrinnen und Solarstromtürme, um die Sonnenenergie auf einen zentralen Empfänger zu fokussieren. Die konzentrierte Sonnenenergie wandelt die Sonnenenergie in Hochtemperaturwärme um, die zur Stromerzeugung genutzt werden kann.

Im Allgemeinen benötigen trogförmige parabolische Konzentratoren und Krafttürme Wasser, um Dampf zu erzeugen, der eine Dampfturbine antreibt, um Strom zu erzeugen, aber für ein Solarschüssel-/Motorenergiesystem wird kein Wasser benötigt.

Schüssel-Solarenergie verwendet a zweiachsige parabolische Parabolschüssel mit Hauptfokussierung, um Sonnenenergie in einem Empfänger zu konzentrieren. Der Receiver absorbiert die vom Konzentrator reflektierte Sonnenstrahlung und wandelt sie in nutzbare Wärme um und überträgt sie an die Wärmekraftmaschine/den Generator.

Parabolische Reflektoren fokussieren die Sonnenenergie auf einen Empfänger mit einem Konzentrationsverhältnis von über 2.000 Sonnen, um eine Übertragungsflüssigkeit im Inneren des Solarmotors auf mehr als 1.000 °F zu erhitzen. Daher treten die höchsten Temperaturen des Systems am Empfänger auf, und daher haben Stirlingmotorgeneratoren ein relativ großes Umwandlungsverhältnis von Wärme zu elektrischer Energie.

Einzelne zweiachsige Tracking-Dish/Stirling-Systeme verfolgen die Bewegung der Sonne über den Himmel den ganzen Tag und fokussieren die Sonnenintensität. Die Sonne überträgt ihre Wärme auf die eingeschlossene Luft oder normalerweise ein Gas wie Wasserstoff oder Helium, um den im Brennpunkt des Kollektors positionierten Stirlingmotor anzutreiben. Das Design des Stirlingmotors erzeugt eine Drehbewegung, die einen elektrischen Generator antreibt, der Strom erzeugt.

Stirlingmotoren sind ideal für solarthermische Energie geeignet, da diese Art von Solarmotor-Generatordesign erfordert, dass der Stirlingmotor Teil der Kollektorbaugruppe ist. Diese Parabolspiegelsysteme sind in der Regel kleiner als die Parabolrinnensysteme und können mit den weniger effizienten Photovoltaikmodulen für Anwendungen in kleinen Wohngebieten, entfernten oder tragbaren Stromerzeugungstypen konkurrieren.

Die typische Ausgangsleistung aktueller Parabolspiegel/Stirling-Wärmemaschinen ist relativ bescheiden, da ihre Ausgangsleistung typischerweise von nicht mehr als einigen Kilowatt bis zu 20 kW reicht, bei einem Spiegeldurchmesser von etwa 10 Metern. Diese Dish/Stirling-Motorsysteme sind jedoch modular aufgebaut, da jedes System ein in sich geschlossener Stromgenerator ist, was bedeutet, dass sie miteinander verbunden werden können, um Solaranlagen mit einer Größe von einigen Kilowatt bis zu vielen zehn Kilowatt zu produzieren >

Der Solarkonzentrator (Schale) ist ein Schlüsselelement jeder Solarschale und jedes Stirling-Systems. Die ideale Konzentratorform ist ein konkav geformtes Paraboloid, bedeckt mit kleinen kugelförmigen Glasspiegeln, bedeckt mit Aluminium- oder Silberreflektoren oder reflektierenden Membranen, die Konzentrationsverhältnisse weit über 1.000 Sonnen erreichen. Die Sonnennachführung des Konzentrators erfolgt normalerweise durch Polarnachführung, bei der sich der Konzentrator um eine Achse parallel zur Rotation der Erdachse dreht “Stirlingmotor”. Ein Nachteil eines Dish-Stirling-Systems ist jedoch, dass es keinen sofortigen Strom erzeugen kann, da ihm ein thermischer Speicher fehlt, der schnell herunterkühlt, wenn er nicht von der Sonne erwärmt wird. Es funktioniert nur, wenn die Sonne scheint, kann also nachts oder bei schlechtem Wetter keinen Strom produzieren.

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Außerdem benötigen die meisten Stirling-Wärmekraftmaschinen einige Zeit zum Aufwärmen, bevor sie mit der Produktion beginnen können nutzbare Kraft. Die von einem Solar-Stirling-Generator erzeugte elektrische Energie kann jedoch zur späteren Verwendung in Batterien gespeichert werden.

Diese Freikolben-Stirlingmotor- und solarbasierten Wärmekraftmaschinen-Designs haben in der Vergangenheit keine weit verbreitete Verwendung gefunden, aber der Stirlingmotor ist wieder in Mode, da in letzter Zeit aufgrund von Fortschritten in Technologie und Materialien Interesse an dieser Technologie besteht. Auch aufgrund der Flexibilität der Wärmequelle kann ein Stirlingmotor auch mit einem Solar/Erdgas- oder Solar/Biomasse-Hybridthermoempfänger betrieben werden, wenn nicht genügend Sonnenlicht verfügbar ist.

Infolgedessen kann Verbrennungswärme aus der Nutzung von Sonne, fossilen Brennstoffen oder Biokraftstoffen zum Antrieb des Stirlingmotors und zur Stromerzeugung genutzt werden, so dass erwartet wird, dass diese Art von Technologie innerhalb weniger Jahre in jedem Haus installiert sein wird Platz größerer Photovoltaikmodule als Teil eines Heimstromsystems, das hilft, den Energieverbrauch zu senken.

Einer der Hauptvorteile des Stirlingmotor-Generatordesigns ist sein leiser Betrieb, da es sich um einen externen Verbrennungsmotor handelt zum Steuern von Ventilen oder Zündkerzen, ist wartungsarm und das Beste daran: Als geschlossenes System erzeugen die Arbeitsgase keine Umweltemissionen. Neben der Stromerzeugung kann der Stirlingmotor auch als Antriebsmaschine (Stirlingmotor) für Pumpwassersysteme verwendet werden, was zu einer extrem hohen Zuverlässigkeit führen kann, da weniger Teile ausfallen können.

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