- PDF Gratis nedladdning

Transkript

1 Page 1 of 6 DETTA ÄR EN UTSKRIFT FRÅN M-TEKNIK Artikelns webbadress: :06 Stirlingmotorn vaknar till liv i Åmål Av Jörgen Städje Stirlingmotorn har länge varit en hypotetisk eller i bästa fall exotisk kraftkälla. Nu är den här. Läs om Jörgen Städjes besök hos Cleanergy i Åmål. Del 1/3 Stirlingmotorn har funnits med oss i nästan 200 år utan att så mycket egentligen hänt. Principen är fantastisk på sitt sät och gör av med en massa problem som tidigare konstruktioner dragits med, men vidareför samtidigt vissa svagheter från dessa. Oavsett för- och nackdelar har stirlingmotorn levt ett liv i tysthet, ja nästan i förtvining, trots att denna snillrika konstruktion mycket väl kan realiseras med goda resultat. Inte minst framgångar inom halvledartekniken har gjort det möjligt att övervinna de tidigare svagheterna med varvtalsregleringen. Den nya, gröna vågen har gjort stirlingmotorn än mer behövlig i och med att den kan eldas med lågvärdiga bränslen, något som bara tändkulemotorn kunde uppfylla tidigare. Solenergi har tillkommit som energikälla, något som stirlingmotorn tar sig an med betydligt större verkningsgrad ä andra konstruktioner. Det här är del 1 i en artikelserie i tre delar där vi ska skärskåda ett verkligt, praktiskt försök att serietillverka stirlingmotorer och dessutom ett svenskt. Det är det (iallafall för närvarande) lilla företaget Cleanergy i Åmål som köpt tillverkningsrätt och utveckling av det tyska företaget Solo Kleinmotoren i Sindelfingen i Tyskland och ska driva tillverkning av gasdrivna stirlingmotorer för elgenerering i en fabrikslokal som intill nyligen hyste ett företag som var underleverantör åt Saab och tillverkade bildelar samt tändsystem för motorsågar. Stirlingmotorns historik När prästen Robert Stirling uppfann sin varmluftsmaskin 1816 var det för att kontra ångmaskinen, som kom redan på 1700 talet. Dåtidens ångmaskiner var farliga och kunde explodera, het ånga kunde läcka ut mm och skada användarna. Det var mindre lyckat i gruvdrift. Bönderna behövde en ofarlig kraftkälla för att driva tröskverk och liknande och den engelska industrin behövde en maskin för att pumpa vatten ur kolgruvorna. Bilden visar en tidig modell från 1800-talet som eldades med biomassa (ved skulle man ha sagt förr). Principen är tämligen enkel: Man eldar med ved... f låt biomassa i eldstaden nere till vänster och varmluft stiger upp och värmer toppen av behållaren där kolven befinner sig. Luften därinne blir naturligtvis varm och trycker ned kolven. Detta får det stora svänghjulet att rotera och stänga till luftströmmen med en lucka. Behållarens topp kallnar och kolven sugs uppåt, varvid varmluftsluckan öppnas igen och varm luft kan börja strömma upp mot kolvtoppen. Och så vidare. Inte gick det fort och verkningsgraden låg runt 5% med tanke på att trycket vid kolven inte rörde sig om mer än en bar, men det hela var tämligen enkelt och ofarligt. Flera tusental såldes redan då och en del av dem finns fortfarande kvar. Men sen kom den dieseldrivna explosionsmotorn och gjorde slut på alla varmluftsdrömmar, eftersom dieselmotorn kunde byggas så effektiv och kompakt att stirlingmotorn inte hade en chans.

2 Page 2 of 6 Philips i Holland började på 1940-talet och hade länge ett patent på kompakta stirlingmotorer som skulle kunna använda i kraftverk, som båtmotorer och så vidare. De hade mycket högre internt tryck, med helium och väte som arbetsgas, och fick upp verkningsgraden och varvtalet. Principen var dock baserad på en dubbelkolv där den ena (den kalla) kolvens vevstake gled som ett rör utanpå den varma kolvens. De båda samverkade i en knepig rombformad anordning som omvandlade den fram- och återgående rörelsen till rotation i en vevaxel. Fint, även måhända tämligen vibrationsfritt, men också tämligen knepigt att tillverka och få tätt. Och tätt måste det vara eftersom gasen inuti motorn, den som expanderar och kontraherar, är helium. Det var sannolikt så stirlingmotorn fick rykte om sig att vara svår att tillverka. Philips började emellertid intressera sig mera för elektronrör och transistorer och sålde istället tillverkningslicenser på sin stirlingmotor. Olika biltillverkare har provat att använda stirlingmotorn i bilar, men som du intuitivt förstår måste en bilmotor kunna varvas upp och ned tämligen snabbt, medan en motor vars drift baseras på att man värmer upp kolvtoppen, en massiv metallklump, till 700 grader inte ändrar varv så enkelt. Med mycket omfattande yttre kopplingar, pumpar och växellådor kunde man omvandla det konstanta varvtalet till ett variabelt genom att ändra gastrycket inuti motorn, men det blev för komplicerat. Dessutom tar det en stund att få upp arbetstemperaturen, vilket inte är fallet med bensinmotorer. Där drog stirlingmotorn på sig sitt andra dåliga rykte för att vara svår att använda i bilar. Den stora stirling-tystnaden har sedan härskat under slutet av 1900-talet, utom på en punkt, där vi svenskar som vanlig har hållit oss framme. Kockums har haft en utvecklingsverksamhet på gång ganska länge och tagit fram flera modeller av stirlingmotorer för bruk i bilar och lyckades göra en motor på 60 hästkrafter med verkningsgrad i stil med dieselmotorn med betydligt större problem vad gällde varvtalsregleringen. En dieselmotor med katalysator klarade ungefär samma avgaskrav Kockums gjorde det enda rätta och började utveckla motorer för att ladda batterier i svenska ubåtar och det har man hållit på med i 20 år.

3 Page 3 of 6 Genomskärningen föreställer den fyrcylindriga motorn i den svenska ubåten HMS Uppland (gotlandsklassen) som författaren besökte under Skåpet döljer en av ubåtens två stirlingmotorer och en ruskig massa rör och slangar. Här har stirlingmotorn lyckats över hövan bra. Ubåtarna i gotlandsklassen har vardera två stycken Kockums V4-275R Mk2 i vad Kockums kallar sitt Air Independent Propulsion (AIP) System som laddar batterierna i u-läge genom att bränna diesel och syrgas, för övrigt samma diesel som ubåtens dieselmotorer använder (dock bara i ytläge). Stirlingmotorn fungerar inte bara bra, den är otroligt bra, och dessutom vibrationsfri.

4 Page 4 of 6 Samma motor utan skåp, dock Mk3. Motorn fungerar ned till 450 meters djup, eller ska vi säga, den kan göra sig av med avgasernas ned till 450 meters djup djupare än vad det någonsin blir i Östersjön. Man kan fundera på hur ubåtarna gör sig av med avgaserna, eftersom alla bubblor som avges i vattnet orsakar kavitering och därmed ljud och avslöjar ubåtens position. Förklaringen är enkel. I och med att motorn eldas med diesel och ren syrgas är resultatet bara koldioxid och vattenånga. Trycket i brännkammaren hålls så högt att det överstiger vattentrycket utanför skrovet varför avgaserna kan passera rätt ut i vattnet. Väl där absorberas koldioxiden efter bara ett par meter och resultatet är kolsyrat vatten. Hade luft använts som oxidator hade man fått med kväve i avgaserna. Kvävet hade inte lösts i vattnet utan bubblat upp, men så är det nu inte. Ubåten lämnar därför inga bubbelspår efter sig och kan stanna under vatten i tio dagar. Stirlingmotorn i Kockums tappning är absolut ljudlös, vilket kan vara en bidragande orsak till att USA:s, Kanadas och Storbritanniens försvar hållit på i två år att försöka lyssna sig fram till HMS Gotland utan att lyckas. Så är vi framme vid år 2009 och en praktiskt användbar motor för civilt bruk som tillverkas med helt vanliga delar och med helt vanliga tillverkningsmetoder. Kraven är här delvis annorlunda än i ubåtarna. Vibrationsfrihet är inte ett krav och man behöver inte samma effekt som i en ubåt. Dessutom ska den kunna eldas med vad som helst som står till buds, ved om så erfordras.

5 Page 5 of 6 Den här röda godbiten står på produktionslinjen hos Cleanergy i Åmål och kan, eldad med exempelvis naturgas, butan eller dylikt, åstadkomma mellan 2 och 9 kw elenergi i den tillkopplade trefasgeneratorn (bakom själva motorn). Motorn är under uppbyggnad och den varma kolvens topp sticker upp till vänster. Den blanka burken överst är början av brännkammaren och den vita plastburken är en del av smörjsystemet. Allt kablage slutar i ett elskåp till höger. När den blir klar kommer hela härligheten att väga cirka 450 kilo och då är det trefasgeneratorn som väger mest.

6 Page 6 of 6 Som du ser rör det sig inte om särskilt exotiska grejor. Handen till höger håller den varma kolven. Just det här exemplaret har svartnat av att ha varit igång länge. Det är inte sot - förbränningen är extern - utan kolven, som inte ens är i rostfritt stå utan vanligt kolstål, har helt blivit anlöpt. Temperaturerna är inte så fantastiskt höga. Kolvringarna, de tre bruna nederst på kolven, är av teflon och tål inte mer än 400 grader. Den till synes lösa ringen mitt på vevaxeln är den tätning som isolerar vevhuset och dess olja från heliumatmosfären som kolven arbetar i. Cylindern, till vänster, är helt vanlig, i gjutjärn. Eller, nästan vanlig. Cylindern är delad i två, en varm och en kall del. Det du ser är den kalla delen, i vilken teflontätningen löper Ovanpå denna staplar man en varm del med kolvtopp, utanpå vilken man bränner på med värme. I nästa avsnitt ska vi titta närmare på hur Cleanergy har tänkt sig framtiden, marknaderna och strategierna och hur en motor fungerar. Läs mer Cleanergy: Förra artikeln om Cleanergy: Kockums produktsida, välj Stirling: Kockums stirlingsida: Copyright International Data Group AB