Solarer Niedertemperatur-Stirling-Motor 12 Schüler der Montessori-Oberschule haben sich etwas ganz besonderes vorgenommen. Sie wollen mit innovativer Technik ihren Schulgarten bewässern. In Kooperation mit dem Stirling Technologie Institut gemeinnützige GmbH aus Potsdam soll ein solarer Niedertemperatur-Stirling-Motor errichtet werden. Die Erfindung beruht auf dem Patent des Instituts mit der Nr. 100 16 707.     1   2   3   4   5   6   7   8   9 10 11 12 Zugfeder oberer heißer Arbeitsraum Parabolspiegel Verdränger Regenerator-Kanäle Faltenbalg/Arbeitskolben unterer kalter Arbeitsraum Stativ Pleuelstange Getriebe Bewässerungsmembranpumpe Schwungrad Abb.: Konstruktionszeichnungen des solaren Niedertemperatur-Stirling-Motors Der Motor ist ein spezieller Freikolbenmotor, dessen Arbeitskolben aus einem Faltenbalg besteht. Das Getriebe ist sehr einfach und reibungsarm. Das Stativ des Motors besteht aus Holz. Den Arbeitsraum des Motors bilden 2 große Parabolspiegel. Der obere wird durch Sonneneinstrahlung erhitzt, der untere bleibt entsprechend der Umgebungstemperatur kühl. Innerhalb dieses Arbeitsraumes bewegt sich freischwingend der Verdränger. Durch ihn wird das Arbeitsgas vom heißen, oberen Bereich in den kalten, unteren Bereich und wieder zurück transportiert. Die hierdurch entstehende thermische Ausdehnung bzw. Kompression des Arbeitsgases erzeugt einen Über- bzw. Unterdruck auf den Arbeitskolben, welcher seinerseits über die Pleuelstange die Kurbelwelle antreibt. Die für Stirlingmotoren nötige Phasenverschiebung von etwa 90° zwischen Verdränger und Arbeitskolben wird durch die vom Arbeitskolben indizierte Bewegung des federnd aufgehängten Verdrängers des Feder-Masse-Systems erreicht. Durch die Kurbelwelle wird die Kolbenpumpe angetrieben, mit der das Wasser gepumpt wird.   Während der Projektphase wurden von den Schülern zahlreiche Fotos erstellt, die Sie zum Teil hier einsehen können.   Abb.: Schüler der Montessori-Oberschule       beim Bau des solaren Niedertemperatur-       Stirling-Motors Die von dem Lehrer und Schülern der 7/8 Jahrgangstufe erstellten Berichte über den Projektverlauf und die dabei gesammelten Erfahrungen, können Sie den folgenden Dokumentationen entnehmen. Bitte klicken Sie hierzu den Link mit der rechten Maustaste an und wählen „Ziel speichern unter . . .“. Sie benötigen für die Darstellung der Datei Acrobat Reader.  Kurzer Bericht zum Jahrbuch (von N. Fischer, Lehrer)  Projektberichte der Schüler Studienarbeit: „Inbetriebnahme und Optimierung einer solaren Stirlingpumpe“ Als Teil des Projektes „solare Stirlingwasserpumpe“ behandelt die vorliegende Studienarbeit die Inbetriebnahme einer solaren Stirlingwasserpumpe, die von Schülern der Montessori Oberschule Potsdam unter fachlicher Anleitung des Stirling-Technologie Institutes Potsdam gGmbH entworfen und gebaut wurde. Bei der Stirlingwasserpumpe handelt es sich um eine sogenannte Niedertemperatur-Stirlingmaschine mit einer neuartigen Zylinderraumanordnung. Neuartig ist der sich im Verdränger befindende Arbeitskolben, der aus einem Faltenbalg besteht. Aufgrund dieser Anordnung wirkt der Verdränger ebenfalls als Arbeitszylinder. Eine Umsetzung des Arbeitszylinders als Freikolben ermöglicht eine vereinfachte Mechanik des Kurbeltriebes. Nachteilig ist dies bei der Auslegung der Stirlingmaschine, da die Wechselwirkung zwischen der Thermodynamik und dem Schwingungsverhalten des Freikolbens mitberücksichtigt werden müssen. Der erste Teil der Arbeit widmet sich der allgemeinen Theorie von Stirlingmaschinen. Es wird das Funktionsprinzip sowie die Thermodynamik des Stirling-Prozesseses erläutert. Ein wichtiger Aspekt ist die mathematische Berechnung der dazugehörigen Thermodynamik. Als geeignetes Berechnungsverfahren wird hier die Schmidt-Theorie genutzt. Anschließend wird die behandelte Stirlingwasserpumpe näher vorgestellt und das Funktionsprinzip erläutert. In der Arbeit wird die Fertigstellung der Stirlingwasserpumpe sowie die Durchführung kleinerer Korrekturen an der Konstruktion beschrieben. Eine Inbetriebnahme der Stirlingpumpe konnte mit der originalen Konstruktion nicht erreicht werden, daher wird eine Fehlersuche durchgeführt und auf mögliche Ursachen der Fehlfunktion eingegangen. Als Resultat werden auf Grundlage der vorgestellten Theorie zu Stirlingmaschinen eine Neuauslegung der Stirlingpumpe vorgenommen und einzelne Komponenten neu aufgebaut. Dazu werden die benötigten Rechnungen zur Thermodynamik sowie Mechanik des freischwingenden Kolbens durchgeführt. Schwerpunkt liegt dabei auf den Effekten der Regeneratoren, da diese den thermodynamischen Wirkungsgrad sowie die auf den freischwingenden Kolben wirkende Dämpfung maßgeblich beeinflussen. Trotz der Veränderungen gelang es nicht während der Durchführung dieser Arbeit den Motor in Betrieb zunehmen. Mögliche Ursachen hierfür werden diskutiert und es wird auf theoretischer Ebene gezeigt, dass bei diesem Motor der Einfluss der Regeneratoren ausschlaggebend für das Betriebsverhalten ist. Die vom Regeneratormaterial verursachte Dämpfung beeinflusst das Schwingungsverhalten des Kolbens und begrenzt so die Kolbenbewegung. Dabei geht eine hohe Dämpfung mit einer großen Menge an Regeneratormaterial, und so einem hohen Regeneratorwirkungsgrad, einher. Obwohl die Arbeit das Ziel der Inbetriebnahme nicht erreichte, konnten zahlreiche Erkenntnisse in Bezug auf das Schwingungsverhalten des Freikolbens erarbeitet werden. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse sollte es möglich sein, eine Inbetriebnahme der Stirlingwasserpumpe zu einem späteren Zeitpunkt umzusetzen.   Die Studienarbeit von Jonas Marotzke können Sie sich als pdf-Datei herunterladen. Sie benötigen für die Darstellung der Datei Acrobat Reader. „Inbetriebnahme und Optimierung einer solaren Stirlingpumpe“ (pdf-Datei, 68 Seiten, 2,3 MB) Animation eines Beta-Stirling-Motors Parallel zur Projektphase wurde von Prof. Reiner Nollau eine Animation erstellt, die einen Beta-Stirling-Motor darstellt. Dieser Motor ist das Vorgängermodell des von den Schülern gebauten Motors. Hier wird die Stirling typische Bewegungsdynamik eines Beta-Stirling-Motors simuliert.   Durch die besondere Innovation des indiziert freischwingenden Verdrängers, konnte gegenüber dem etablierten System die Mechanik deutlich vereinfacht werden. Technikinteressierte haben hier die Möglichkeit, sich die Animation in einer größeren Darstellung als gif-Datei herunter zu laden. Bitte klicken Sie hierzu den Link mit der rechten Maustaste an und wählen „Ziel speichern unter . . .“. Animation Beta-Stirling-Motor gif-Datei (620 x 690 px) Abb.: Animation eines Beta-Stirling-Motors     von Prof. Reiner Nollau