18°C - Solarnet NRW

Eine Projektarbeit von:
Ann-Christin Artmeier
Julia Naatz
Rebecca Poppenborg
„Unser Gedanke, durch Wärme Kälte erzeugen“
• Entwicklungsländer haben ein großer Bedarf an Lebensmittelund Medikamentenkühlung.Doch herkömmliche Kühlschränke
sind in diesen Ländern Luxusgüter und zum Betrieb benötigen
sie eine elektrische Energieversorgung, die es oft nur in
Ballungszentren gibt.
• In der Schule haben wir eine „Stirling-Kältemaschine“ von
unserem Techniklehrer erhalten, der diese von ihnen
ausgeliehen hat. Wir haben uns gedacht, wenn wir diese
„irgendwie“ an ein Solarmodul anschließen, können wir durch
Sonne Kälte erzielen. Die Sonne scheint überall und liefert –
besonders in südlichen Ländern – Wärme im Überfluss.
Historie des Stirlingmotors
• 1816 vom 26 jährigen Pfarrer Robert Stirling entwickelt
• Wollte die Arbeit in Kohlengruben erleichtern
• Erste Maschine trieb eine Wasserpumpe an
Ericsson
•
1853 Bau von Schiffsmotoren
•
1872 Bau eines Sonnenmotors
Philips
• 1938 Einbau in Radios
für Länder mit warmen
Temperaturen
Weiterer Verlauf
• Verdrängung des Stirlingmotors vom Markt durch die Verbreitung
von Otto-, Diesel- und Elektromotoren
• Anfang der 50er Jahre Entwicklung der industriellen Kältemaschine
von Philips
• 1973 erste Ölkrise  mit Stirlingmotor betriebene Versuchsautos
• Nach der Ölkrise  Beendigung der Versuchsreihen
• Anfang der 90er Verwendung im Irakkrieg als Kühlaggregate für die
Soldaten
Carnot
• Der Carnot-Wirkungsgrad ist der höchste theoretisch
mögliche Wirkungsgrad. Von allen
Wärmekraftmaschinen kommt ihm die
Stirlingmaschine am nächsten.
• Bei der Wärmepumpe erhält man als Wärme mehr
Energie als man durch die mechanische Arbeit bei
der Kompression aufgewendet hat.
Stirlingkühlmaschine mit Linearmotor
(Rohmodell)
Wirkungsweise des Freikolben-Stirling-Cooler
• Linearmotor: • Der Arbeitskolben ist mit einem Dauermagneten verbunden. Um
diesen Kolben liegt eine.Spule. Die Spule erhält von der Platine
eine getaktete Spannung (Rechteckspannung).
• d. h. in bestimmten Zeitabständen wird diese unter Strom
gesetzt und baut ein Magnetfeld auf. Die Magnetfelder vom
Dauermagneten und der Spule sind so gerichtet, dass sie sich
abgestoßen.
• Wird die Spule stromlos, wird der Arbeitskolben durch die
Rückstellfedern wieder in die Ausgangsposition gebracht.
Kühleffekt:
• Die Impulse des Linearmotor treiben den Freikolben-StirlingCooler an.
• Durch die freie Bewegung des Verdrängerkolbens entstehen
zwei Gasräume.
• Im oberen wird das Gas expandiert, im unteren komprimiert.
• Bei der Expansion kühlt das Gas ab, bei der Kompression wird
es erwärmt.
• Die Wärme wird an die Umgebung abgegeben.
• Strömt das Gas vom warmen in den kalten Raum kann
Restwärme im Regenerator zwischengespeichert werden
Modellaufbau
•
•
•
•
Solarmodul
Akku als Strompuffer
» Strompuffer: 110W zu 40W
» Strompuffer: Auch ohne Sonnenstrahlung
Laderegler [Tiefentladung und Überladung das Akkus]
» Diode
Kältemaschine
Schaltskizze
Insellösung
Platine
Versuchsreihe
Kühlen von Wasser (Nase 3 mm im Wasser)
Versuchsaufbau:
Ausgangstemperatur: 19°C
Stirlingmotor
Zu kühlendes Volumen: 250 ml
Wasser
Fühler des
Thermometers
Spannung: 11 V
Werte:
Temperatur
18°C
17°C
16°C
15°C
14°C
13°C
12°C
Zeit (in
Minuten)
1,45
2,25
3,05
3,55
4,55
6,05
7,5
Kühlen von Wasser (Nase ganz in das Wasser getaucht)
Versuchsaufbau:
Ausgangstemperatur: 18°C
Zu kühlendes Volumen: 250 ml
Spannung: 11 V
Stirlingmotor
Wasser
Fühler des
Thermometers
Werte:
____________
Temperatur
(in °C)
Zeit
(in Minuten)
1,70 A_______________________________
17
16
15
14
13
12
11
1,72
10
0,40 1,02 1,27 1,45 2,00 2,16 2,45 3,35
9
4,48
Kühlen von Luft (Prototyp: Thermoskanne)
Versuchsaufbau:
Ausgangstemperatur: 16°C
Zu kühlendes Volumen: 400 ml
Spannung: 9,8 V
Stirlingmotor
Thermoskanne
Werte
:
Temperatur
(in °C)
15
13
11
9
7
4
2
0
-3
-6
-8
Zeit
1,12 2,35 3,40 4,29 5,2 6,4 7,3 8,1 9,2 10,3 11
(in Minuten)
Kühlen von Luft (Für den Stirling-Motor präparierte Kühlbox)
Versuchsaufbau:
• Ausgangstemperatur: auf dem Blech 19,1°C; auf dem Boden
19°C; Mitte (an der Seite) 18°C
Stirlingmotor
• Zu kühlendes Volumen: ca. 5 Liter
• Kühlende Fläche: 3745,44 cm²
leitendes Blech
• Spannung: 12 V
Kühlbox
Werte:
Zeit ( in Min.)
3
4
5
6
7
8
10
15
20
T. Oben (°C)
19
18,5
17,3
16,6
15,4
14,5
13,4
12,5
12
T. Mitte (°C)
18
18
18
18
18
17
17
16
15
T. Unten ( °C)
19
19
19
19
18
18
17
16
15
Stromstärke (A)
2
2,17
2,19
2,2
2,2
2,2
2,21
2,21
2,21
[T. = Temperatur]
Kühlen von Luft (Mit Schaumstoff isolierte Kühlbox)
Versuchsaufbau:
• Ausgangstemperatur: auf dem Blech 19,1°C; auf dem Boden
19°C; Mitte (an der Seite) 18°C
• Zu kühlendes Volumen: ca. 5 Liter
• Kühlende Fläche: 3745,44 cm²
Stirlingmotor
• Spannung: 12 V
leitendes Blech
Kühlbox
Werte:
Zeit ( in Min.)
T. Oben (°C)
3
4
5
18,9 17,9 16,8
6
7
8
10
15
20
16
15,2
14,5
13,2
11
9,6
T. Mitte (°C)
17
17
17
17
17
17
16
15
14
T. Unten ( °C)
19
19
18
18
18
18
16
15
14
Stromstärke (A)
2
2,2
2,2
2,2
2,21
2,21
2,21
[T. = Temperatur]
2,17 2,19
• Unsere erste Kühlbox
• Unsere selbst
entworfene Kühlbox
• Kältemaschine läuft mit 4 Watt und hält eine
konstante Temperatur von 8°C bei einer
Außentemperatur von 25°C
• Die Hälfte allein davon benötigt der Lüfter (er läuft
dauernd und könnte durch eine elektronische
Temperatursteuerung verbessert werden)
• Der Lüfter kann nicht ganz ausgeschaltet werden, da
die Wärme weggeführt werden muss.
Danke für Ihre
Aufmerksamkeit!!!! 
• Die Stirling-Kältemaschine wurde von
Global Cooling in Holland entwickelt:
www.globalcooling.com
• Der japanische Lizenznehmer Twinbird
vertreibt sie
www.twinbird.jp