Stirlingmotor, Prinzip und Theorie der Sunmachine

Der Stirlingmotor, auch Heißgasmotor genannt, ist eine Wärmekraftmaschine, in der ein abgeschlossenes Arbeitsgas wie Luft oder Helium von außen an zwei verschiedenen Bereichen abwechselnd erhitzt und gekühlt wird, um mechanische Energie zu erzeugen. Der Stirlingmotor arbeitet nach dem Prinzip eines geschlossenen Kreisprozesses und ist ein Beispiel für die Energieumwandlung von einer schlecht nutzbaren Energieform (thermische Energie) in die besser einsetzbare Energieform mechanischer Energie. Der Stirlingmotor kann mit einer beliebigen externen Wärmequelle betrieben werden. Es gibt Modelle, die bereits bei Anfassen durch die Wärme der menschlichen Hand in Gang kommen. Das Arbeitsgas wird im erwärmten Bereich ausgedehnt und im kalten Bereich zusammengedrückt.

noch in der Entwicklung, bald auf dem Markt.

Deshalb erzeugt es nutzbare mechanische
Arbeit. Eine Stirlingmaschine, bei der der erwärmte Raum kälter ist als der gekühlte, muss von außen angetrieben werden und arbeitet als Kältemaschine. Stirlingmotoren haben typischerweise einen permanent heißen (erhitzten) und einen permanent kalten (gekühlten) Raum, zwischen denen das Arbeitsgas hin und her bewegt wird. In nahezu allen Stirlingmotoren gibt das heiße Arbeitsgas einen Teil seiner Wärmeenergie auf dem Weg zum kalten Raum an einen Speicher, den sogenannten Regenerator ab. Dieser nimmt die Wärme vorübergehend auf und gibt sie wieder an das Gas ab, wenn es vom kalten Raum zurück in den warmen Raum geschoben wird. Der Regenerator verbessert den Wirkungsgrad des Stirlingmotors, er speichert bis zu 80 % der pro Zyklus umgesetzten Wärme. Stirlingmotoren werden in der Regel als Hubkolbenmaschinen ausgeführt, es gibt aber auch Flachplatten-, Freikolbenmaschinen und Kreiskolbenmotoren. Beim Stirlingmotor bleibt das Gas innerhalb des Motors und wird nicht ausgetauscht. Wenn die externe Wärmequelle auch keine Abgase erzeugt, gibt es keine Emissionen. Darin unterscheidet sich dieser Motor z. B. von Dampfmaschinen und Verbrennungsmotoren.
Die gesamte Wärmeenergie muss beim Stirlingmotor durch Wärmeleitung quer durch die dicke Zylinderwand, wie sie wegen des hohen Innendrucks erforderlich ist, zu- und abgeführt werden. Das schafft erhebliche Probleme, weil die Wärmedurchgangskoeffizienten aller Metalle relativ klein sind. Bei Stirlingmotoren höherer Leistung umgeht man dieses Problem, indem der Verdrängerkolben das Arbeitsgas durch dünne beheizte Röhrchen drückt. Das hat den Nachteil, dass das “Totvolumen” VUT recht groß und das erreichbare Leistungsgewicht (Masse pro Leistung) vergrößert wird. Stirlingmotoren mit hoher Leistung haben deshalb einen sehr hohen mittleren Betriebsdruck. Beim Stirlingmotor ist es unerheblich, woher die Wärme stammt. Er benötigt im Gegensatz zum Ottomotor auch keinen besonderen Treibstoff, weil der Zylinderkopf von außen befeuert wird. Diesen kann man z. B. in den Brennpunkt eines Parabolspiegels setzen und Sonnenenergie oder auch thermisch nutzbare Abwärme aus anderen Quellen verwenden. Bei der Sunmachine wird über Pellets die Wärme eingebracht und durch einen hocheffizienten Verbrennungsvorgang, ca 850 Grad, die Pellets verbrannt so das eine Holvergasung entsteht, die Wärme dient der Heizung und wird in Pufferspeicher eingebracht. Der ca 3 KW Stirling kann dann, zusammen mit einem Wechselrichter Strom erzeugen, welcher hochvergütet wird. Die Sunmachine wird z.B. im Raum Nürnberg Fürth und Forchheim von iKratos Forchheim vertrieben und eingebaut. Am 9. Mai findet in Weißenohe, 20 Km nördlich von Nürnberg, der sogenannte “Solartag” statt, hier findet u.a. ein Vortrag über Stirlingmaschinen statt.

Willi Harhammer

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