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Seminararbeit / Hausarbeit

Der Stir­ling­motor – Ein effi­zi­entes Prinzip und Lösung der Ener­gie­krise?

5.553 Wörter / ~21 Seiten sternsternsternsternstern Autor Herbert B. im Apr. 2013
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Seminararbeit
Physik

Universität, Schule

Werner-von-Siemens-Gymnasium Bad Harzburg

Note, Lehrer, Jahr

14 Punkte, 2012

Autor / Copyright
Herbert B. ©
Metadaten
Preis 8.00
Format: pdf
Größe: 0.14 Mb
Ohne Kopierschutz
Bewertung
sternsternsternsternstern
ID# 29639







Werner-von-Siemens-Gymnasium

Facharbeit im Seminarfach


Der Stirlingmotor – Ein effizientes Prinzip und Lösung der Energiekrise?

Inhaltsverzeichnis

1.Einleitung  1

2.Geschichtliche Entwicklung des Stirlingmotors 2

3.Physikalische Hintergründe 3

3.1Erster Hauptsatz der Thermodynamik 3

3.2Wärmeleitung 4

3.3Energieumwandlung bei Volumenänderung 4

4.Schrittweise Darstellung der Funktionsweise eines Stirlingmotors 5

4.1Die „Verdrängerdose“ 5

4.2Erste Erweiterung 5

4.3Erweiterung zum Stirlingmotor 6

5.Die vier Arbeitstakte  7

5.1Verdichten 7

5.2Heizen und Arbeit verrichten 7

5.3Entspannen und Arbeit verrichten 8

5.4Kühlen und Arbeit verrichten 8

6.Regenerator 8

7.Erzeugung einer Wechselspannung 9

8.Der Wirkungsgrad beim Carnotschen Kreisprozess 10

9.Durch Vielstoff-fähigkeit Sonnenlicht „tanken“ 10

9.1Stirling-Maschinen mit Kollektoren betreiben 10

9.2Solare Einheiten in der Praxis 11

10.Anwendungsmöglichkeiten 12

10.1Zentrale und Dezentrale Stromerzeugung 12

10.2Stirlingmotoren als Fahrzeugantrieb 13

10.3Das Wirken als Wärmepumpe und Kältemaschine 14

11.Schluss 15

11.1Zusammenfassung 15

11.2Stirlingmotoren in der Zukunft 15

12.Literaturverzeichnis 17

13.Selbständigkeitserklärung.18


1.Einleitung

Seit der industriellen Revolution im 19. Jahrhundert wurde mit der Entdeckung des dynamoelektrischen Prinzips und der damit verbundenen Nutzbarkeit des elektrischen Stroms, eine Abhängigkeit des Menschen von dieser Energiequelle geschaffen: Heute ist diese aus unserem alltäglichen Leben nicht mehr wegzudenken.

Elektrischer Strom wird hauptsächlich durch Verbrennungsanlagen bereitgestellt: In einem Kohlekraftwerk wird die chemische Energie aus dem Holz durch eine exotherme Reaktion zuerst in Wärme-, anschließend in Bewegungs- und letztendlich in elektrische Energie umgewandelt. (vgl. Prof. Dr. Kuhn, Wilfried, 1996, S. 352) Demgegenüber wird in Atomkraftwerken unter Verbrauch von Uran-Isotopen, besser gesagt durch den radioaktiven Zerfallsprozess dieses Elements, elektrischer Strom bereitgestellt. (vgl. ebd., S. 342 ff.) Im Allgemeinen wurden bis heute viele Verfahren entwickelt, in denen unter Umwandlung von Energien Strom zu erzeugen.

Viele dieser Verfahren haben einen gemeinsamen Nachteil: Die Stromerzeugung erfolgt bei ihnen aus der „Verbrennung“ von fossilen Brennstoffen. Zu ihnen zählen natürliche Stoffe wie Holz, Erdöl, aber auch Uran, die in der Lithosphäre nur im begrenzten Maß vorkommen. „Ausgehend vom gegenwärtigen Erschöpfungsgrad der Reserven wird konventionelles Erdöl [ ] in absehbarer Zeit nicht mehr im bisherigen Maße zur Verfügung stehen.“ (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (Hrsg.), Hannover 2009, S. 5) Das Ausweichen auf andere Rohstoffe wie Stein-, oder Braunkohle verschafft lediglich einen zeitlichen Aufschub. (vgl. ebd.) Das bedeutet, dass in absehbarer Zeit auch diese Ressourcen aufgebraucht sein werden und wir uns die Frage stellen, wie wir zukünftig unseren Energiebedarf decken können.

Ein weiteres Problem, dass durch die Verbrennungsprinzipien gestellt wird, ist die starke Umweltbelastung: Bei der Oxidation von kohlenstoffhaltigen Energieträgern entstehen neben Wärme auch Treibhausgase, welche in die Umwelt abgegeben werden. Diese werden dadurch Teil der Atmosphäre und bewirken, dass die Wärmestrahlen, die ihren Ursprung in der Sonne haben, nicht vollständig in den Kosmos gelangen, sondern zum Teil wieder zur Erdoberfläche reflektiert werden.

Diese zunehmende Emission bewirkt also einen anthropogenen Treibhauseffekt, welcher die Atmosphäre in künstlicher Weise erwärmt. (vgl. Haberlag, Bernd et al., 2008, S. 224 ff.) Die Veränderungen, die diese Erwärmung mit sich bringt, sind bislang noch unzureichend erforscht. Jedoch belegen wissenschaftliche Publikationen, dass „die Klimaerwärmung [nicht nur die Lufttemperatur beeinflusst], sondern [auch die globalen Windsysteme und die Meeresströmungen verändert].

Dadurch können sich Regen- und Trockengebiete verschieben, so dass eine ganze Region kühler und feuchter werden kann.“ (Bayerisches Landesamt für Umw.....[Volltext lesen]

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Da viele Firmen deren Lösungen zeitlich nicht in ausreichender Nähe sahen, entschlossen sich Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg (MAN), MWM, Ford und schließlich Philips, die Forschung im Bereich des Stirlingmotors zu beenden. (vgl. ebd.)


3.Physikalische Hintergründe

3.1Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Ein wichtiges physikalisches Gesetz, dass beim Stirlingmotor berücksichtigt wird ist im so genannten Energieerhaltungssatz niedergeschrieben: „In einem abgeschlossenen System ist die Summe der Energien konstant.“ (Prof. Dr. Kuhn, Wilfried, 1996, S. 135) Im Fall des Stirlingmotors kann man aber nicht verhindern bzw. ist es gewollt, dass dieses System Energie nach außen abgibt und von außen erhält.

Weil der Motor zwar Wärme an die Umgebung abgibt, jedoch kein Stoffaustausch mit ihr hat, spricht man von einem geschlossenen System. In solchen Fällen ist die Energieänderung die Differenz aus zu- und abgeführter Energie. (vgl. ebd, S. 365) Der Stirlingmotor kann also nur Energie umwandeln - und keine herstellen. (vgl. Viebach, Dieter, 2009, S. 114) Zusätzlich findet im Stirlingmotor eine Übertragung von Wärme statt.

Um die Prozesse im Motor zu verstehen, ist es daher notwendig zu erfahren, wie eine Wärmeübertragung im Allgemeinen erfolgt:


3.2Wärmeleitung

Gegeben sei ein Körper, der eine bestimmte Temperatur hat. Diese Temperatur ist eine Zustandsgröße, weil sie nur für einen expliziten Zeitpunkt angegeben werden kann. Bei Gasen und Flüssigkeiten sagt sie aus wie groß die mittlere kinetische Energie der frei beweglichen Teilchen ist.

Für Stoffe in fester Phase macht sie Aussage über die Schwingungsenergie der Teilchen, die an feste Plätze gebunden sind. Kommt es nun zu einem materiellen Kontakt zweier Körper, die eine unterschiedliche Temperatur haben, so bewirken Stöße zwischen den Teilchen, dass sich die Temperatur der beiden Körper angleicht. Die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen des Körpers mit der höheren Temperatur, überträgt sich dabei auf die des anderen Körpers.

Diese Energieübertragung, auch Wärmeenergie genannt, geschieht in diesem Beispiel durch Wärmeleitung. (Grehn, Joachim und Krause, Joachim (Hrsg.), J. Krause, 2007, S. 164)

Die Wärmeenergie hat nicht immer eine Temperaturänderung zur Folge, sondern kann auch einen Phasenübergang bewirken. Denn dabei wird Wärme „verbraucht“, um die zwischenmolekularen Anziehungskräfte zwischen den Teilchen zu überwinden und diese weiter voneinander zu entfernen. Die zugeführte Energie ist dann im System als potentielle Energie der Teilchen gespeichert. (vgl. ebd.)


3.3Energieumwandlung bei Volumenänderung

Man stelle sich ein Gas in einem geschlossenen Raum vor. Wird diesem nun Wärmeenergie zugeführt, so entfernen sich laut 2.2 die Gasteilchen voneinander. Dadurch vergrößert sich die Kraft auf die Innenwände des Raumes. Der Druck steigt. Um diese Kraft nutzbar zu machen, hat der Arbeitsraum des Stirlingmotors einen beweglichen Arbeitskolben.

Wenn der Druck steigt, erhöht sich auch die Kraft auf diesen. Nach dem ersten Newton´schen Axiom wird er dadurch beschleunigt und hält diesen Bewegungszustand so lange bei, wie keine Gegenkraft auf ihn wirkt. (vgl. ebd., S. 44) Die Definition der mechanischen Energie besagt, dass eine Kraft auf einen Körper in Richtung des zurückgelegten Weges wirkt. Da der Arbeitskolben auch bewegt wird und sich dabei das Volumen des Raumes vergrößert, muss eine Energieumwandlun.....

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Da der Aggregatszustand schon gasförmig ist, erhöht sich dessen Temperatur. Die Gasteilchen bewegen sich also mit einer höheren Geschwindigkeit und üben dadurch eine größere Kraft auf die Innenwände der Dose aus. Der Druck steigt.

Nun wird die Pleuelstange wieder hineingedrückt, sodass die Ausgangslage erreicht wird. Die Wärmeleitung läuft in entgegengesetzte Richtung ab: Das aufgeheizte Gas gibt dabei seine Wärme an die Umgebung ab. Das bedeutet die Luft im Inneren wird gekühlt und das (Kühl-)wasser erwärmt sich.

Die potentielle Energie der Teilchen reicht nun nicht mehr aus, um die zwischenmolekularen Anziehungskräfte zu überwinden. Aus diesem Grund sind die Gasteilchen nun wieder dichter beieinander. Laut 2.2 haben sie deshalb auch eine geringere Bewegungsenergie, wodurch der Druck auf die Innenwände wieder sinkt.

Es ist an dieser Stelle wichtig zu betonen, dass der Kolben in diesem Beispiel im Gegensatz zu dem in 2.3 durch eine äußere Krafteinwirkung bewegt wird. Das bedeutet, dass das Ausdehnen des Gases nicht die Ursache für das Verschieben ist, da es seitlich am Verdrängerkolben vorbeiströmen kann.

„Dadurch, dass die Dose oben ständig gekühlt und unten ständig geheizt ist, wird das Aufheizen und Abkühlen der Luft nur durch das Verschieben des Verdrängerkolben [beeinflusst].“ (ebd. S. 13) Er hat eine Steuerfunktion. Sein Verschieben ist die Ursache für die Temperaturänderung. Ferner hat er dadurch auch einen Einfluss auf die rasche Druckänderung. (vgl. Viebach, Dieter, 2009, S. 13)


4.3 Erweiterung zum Stirlingmotor

Der Zylinder, wie die Dose im Weiteren genannt werden soll, wird im folgenden um ein entscheidendes Bauteil erweitert: Dem Arbeitskolben. Durch sein Wirken macht er Aussage über die Druckverhältnisse im System. Bislang hatte der Druck keinen Nutzen. Wenn man nun aber einen weiteren kleinen Zylinder mit einem darin befindlichen Arbeitskolben auf den anderen aufsetzt, wird eine Nutzbarkeit geschaffen.

Dazu ist es erforderlich, dass im Gegensatz zum Verdrängerkolben keine Luft an diesem vorbeiströmen kann. Die Kombination aus beiden Zylindern bleibt luftdicht, jedoch veränderlich im Volumen. Wenn nun der Druck im Motor steigt, wird der Arbeitskolben nach oben gedrückt. Andersherum ist der Druck im Motor gering, so ist der natürliche Luftdruck der außen vorherrscht größer, sodass eine Kraft wirkt, die den Arbeitskolben zurück in den Zylinder treibt.

Bislang musste man jedes Mal von außen eine Kraft aufwenden, um den Verdrängerkolben zu bewegen. Damit der Motor aber eine verwertbare Leistung bringt, muss man dafür sorgen, dass die Druckänderung, und damit auch der Arbeitskolben, periodisch laufen. Dazu fügt man ein weiteres Element .....

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5.2 Heizen und Arbeit verrichten

Dreht sich das Rad um weitere neunzig Grad, so befindet sich der Arbeitskolben am unteren Totpunkt. Das System hat also sein kleinstmögliches Volumen. Es wurde jedoch schon etwas Luft in den warmen Teil befördert und erhitzt. Aus diesem Grund hat das System an dieser Stelle seinen größtmöglichen Druck, wodurch der Arbeitskolben sich einerseits durch die Trägheit des Schwungrades und andererseits durch die Kraft, die das ausdehnende Gasgemisch auf diesen ausübt, aufwärts bewegt.

Hierbei wird erstmalig mechanische Arbeit vom System geleistet. (vgl. ebd., S. 15)


5.3 Entspannen und Arbeit verrichten

Durch die verrichtende Volumenarbeit, wird der Druck im Motor stetig abgebaut. Ferner beginnt nun die Luft in den kälteren Teil des Systems zu strömen, weil sich der Verdrängerkolben vom oberen Totpunkt umkehrt. Hier gibt das Gas Wärme an die Kühlflüssigkeit ab, wodurch der Druck weiter sinkt. (vgl. ebd.)


5.4 Kühlen und Arbeit verrichten

Auf dem Weg zur Ausgangslage befördert der Verdrängerkolben die Luft ganz in den kalten Raum. Hier gibt sie weitere Wärme ab, wodurch der Druck auf seinen minimalen Wert fällt. Zu diesem Zeitpunkt ist der natürliche Außendruck vorherrschend. Das bedeutet, es wirkt eine Kraft auf den Arbeitskolben, die ihn nach unten drückt.

In seiner Abwärtsbewegung verdichtet er dabei wieder die Luft im kalten Teil. Das System ist damit wieder im ersten Arbeitstakt angelangt. Da wieder die Trägheit des Schwungrades- und zusätzlich der höhere Außendruck wirkt, ist der weitere Verlauf nicht mehr abhängig von einer äußeren Kraft. Das Gas durchläuft vier Zustandsänderungen, die es am Ende jeder Periode in den Anfangszustand zurückbringen.

Diese ideale Änderung wird als Carnotscher Kreisprozess .....

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Es findet also weniger Austausch von Wärme mit der Umgebung statt, wodurch mehr mechanische Energie bereitgestellt wird.

Bei einer Differenztemperatur, auch Temperaturspreizung genannt, von achtzig Kelvin, muss die Wärmemenge, die auf den Regenerator übertragen wird, fünf Mal größer sein, als diejenige, die mit der Umgebung ausgetauscht werden würde. Dieses Verhältnis steigt bei einer Temperaturspreizung von 200 Kelvin auf das Zwölf-fache an. (vgl. ebd., S. 12) Die Leistungsfähigkeit eines Stirlingmotors hängt demnach stark von der Qualität seines Regenerators ab.

Aus diesem Grund müsste er idealer Weise eine unendlich große Wärmekapazität haben. Das bedeutete alle Wärmeenergie, die er aufnähme, erhöhte ausschließlich nur seine Temperatur. Des Weiteren gäbe er diese Temperaturänderung in gleichem Maße als Wärme wieder an die Luft ab. Der Edelstahl kann dieser Anforderung in der Realität jedoch niemals gerecht werden. Es werden daher immer Verluste auftreten. (vgl. ebd., S. 14)


7.Erzeugung einer Wechselspannung:

Im folgenden Abschnitt soll erklärt werden, wie aus der Bewegung des Schwungrades elektrischer Strom erzeugt werden kann. Dazu soll angenommen werden, dass die Kreisbewegung des Schwungrades, mithilfe eines Riemens, auf eine rechteckige Leiterschleife übertragen wird. Rotiert diese Leiterschleife in einem homogenen Magnetfeld mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit, so nimmt der Drehwinkel mit der Zeit zu.

Dabei ändert sich die vom Magnetfeld durchsetzte Spulenfläche. Diese effektive Spulenfläche ergibt sich, wenn man die momentane Stellung der Leiterschleife in eine Ebene projiziert, die senkrecht zu den magnetischen Feldlinien steht. Wohingegen sie zu Beginn noch der Gesamtspulenfläche entspricht, ist sie nach einer halben Umdrehung nicht mehr vorhanden. Dreht sich die Spule weiter, dann ist nach einer ganzen Umdrehung die Fläche der Projektion wieder auf das Anfangsniveau angewachsen.

Der magnetische Fluss, die Anzahl der magnetischen Feldlinien, die die Leiterschleife durchqueren, ändert sich demnach periodisch mit der Zeit. (vgl. Grehn, Joachim und Krause, Joachim (Hrsg.), 2007, S. 272)

Nach dem von Michael Faraday entwickeltem Induktionsgesetz, bewirkt die Relativbewegung einer Spule zu einem Magneten eine Spannung. Mithilfe von Mathematik kann man diese Induktionsspannung berechnen, indem der magnetische Fluss nach der Zeit differenziert wird. Im oben genannten Beispiel ergibt sich eine sinusförmig veränderliche Spannung, die „Wechsels.....

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Zur Berechnung subtrahiert man das Verhältnis aus oberer- zur unterer Prozesstemperatur von Eins. Demnach ist der Wirkungsgrad desto größer, je höher die obere Prozesstemperatur ist. Angenommen diese betrage 100°C und die untere 25°C, so wäre bei einem idealen Carnotschen Kreisprozess ein Wirkungsgrad von nur von nur 20% möglich. (vgl. Frank Schleder, Würzburg 2011, S. 22, S. 13) In der Realität kann man Wärmeverluste jedoch nicht verhindern, sodass in diesem Temperaturfenster der Wirkungsgrad nicht höher als 5% sein dürfte. (vgl. ebd., S. 13) Demgegenüber haben heutige Ottomotoren Wirkungsgrade von 20% bis 30%. (vgl. Internetquelle1) Mit diesem Motor verglichen ist eine Stirling-Maschine demnach recht ineffizient.


9.Durch Vielstoff-fähigkeit Sonnenlicht „tanken“

9.1Stirling-Maschinen mit Kollektoren betreiben

Otto- und Dieselmotoren werden Verbrennungsmotoren genannt. Das bedeutet sie werden durch die kontrollierte Explosion ihres jeweiligen Brennstoffes angetrieben. Sie sind daher abhängig von dessen Eigenschaften: Es ist zu berücksichtigen welche Menge dem Verbrennungsraum zugeführt, wie stark das Luft-Kraftstoff-Gemisch verdichtet und in welcher Weise die Reaktion in Gang gesetzt wird.

Ferner ist bei der Wahl des Kraftstoffes zu beachten welche Energie bei der Reaktion im Motor freigesetzt wird.

Diesen Problemen muss man sich beim Stirlingmotor nicht stellen. Im Gegensatz zu den oben genannten Motoren findet bei ihm keine Verbrennung im Inneren statt. Er ist also unabhängig von der Art der Wärmequelle. Die größte, die zur Verfügung steht, ist die Sonne. Um eine nutzbare Leistung zu erhalten, reicht es jedoch nicht aus den Zylinder dem Zenit der Sonne auszusetzen.

Es bietet sich daher an die einfallenden Sonnenstrahlen mit Spiegel- oder Linsenkollektoren zu konzentrieren. Fallen parallele Sonnenstrahlen auf einen Paraboloid-Spiegel, reflektiert er diese so, dass sie sich in einem Punkt treffen. In diesem Fokus, dessen Entfernung sich durch die geometrischen Größen des Kollektors ergibt, werden die Strahlen auf das Tausendfache konzentriert.

Damit der Erhitzer des Stirlingmotors nicht ausschließlich in diesem einen Punkt erwärmt wird, wird die Energie vorerst von einem so genannten „Receiver“ absorbiert. Nachdem dieser großflächig auf eine Temperatur von beispielsweise 700°C gebracht wurde, gibt er Wärme an den Erhitzer des Stirlingmotors ab. (vgl. Beschor.....

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