Sterlingmotor. Sterlingdriven Elgenerator BOX TUBE

Transkript

1 Sterlingmotor Sterlingdriven Elgenerator BOX TUBE Bakgrund Projektet startade med ett besök på designhögskolan i Sundsvall. Årets uppgift i Design Opentävlingen var att undersöka vilka möjligheter man har att ta tillvara på den energi som lämnar en serverhall i form av konstant flöde av varmluft. Där flödet av varmluft varierar mellan grader. Teknikdesignklassen som tog sig an det här projektet är 25 elever på Parkskolan, Örnsköldsviks Gymnasium. Klassen delade in sig i fem olika grupper med fem personer i respektive grupp. Grupperna diskuterade sinsemellan olika idéer och scenario. Enklare skisser diskuterades utifrån trovärdighet, funktionalitet och möjligheter. Vid två tillfällen presenterade klassen idéerna för varandra. Vi bjöd in vår handledare och en koordinator för Vi fick tillfälle att diskutera omvandling av energi, befintlig teknik och vad regionen har för energi försörjning. Vissa idéer stack ut mer än andra och där efter valdes två idéer att arbeta vidare med. Klassen angrep problemet från flera olika ståndpunkter. Frågeställningar utarbetades och kravspecifikationer diskuterades utifrån regionala perspektiv och befintliga samt kända tekniker. Idégenerering Några av utgångspunkterna från vår idégenerering: Kalendarium Serverhallen behöver ett högre flöde av kylluft på sommaren jämfört med vinterhalvåret. Vi konstaterade att flödet inte var energimässigt sett konstant. Tidpunkter när stort respektive lägre behov av energi sker diskuterades. Lösningar som inte är årstidsstyrda diskuterades Sterlingmotordrivning Omvandlar varm luft med hjälp av sterling motor/motorer till elenergi. Vad kyler man processen med eller hur detta skall göras? Vilka material kan användas i konstruktionen? Vart finns det exempel på hur tekniken praktiseras?

2 Distribuera Alternativ att växla mellan olika energiformer. Olika scenario diskuterades. Vem/vilka kan utveckla en liknande produkt? Frågeställning - Kan man driva en stirlingmotor för att alstra el? - Kan man driva en sterlingprocess med låg diskrepans mellan värme och kyla? Kan olika drivgaser för att optimera en lågtemperaturmotor användas? - Kan man använda sig av olika system för att ta tillvara på energi utifrån det behov som finns i närområdet? Om det behövs ett tillskott av energi för processen kan man använda solceller och ackumulatorer som support? - Vad finns det för forskning och teknik inom sterlingmotorers användning? - Hur har man använt teknik i liknande fall av varmluftsöverskott? Krav 1. Medge omvandling av varmluft till elektrisk energi. 2. Ta vara på det totala flödet av spillenergin genom att låta den kylda luften efter sterlingprocessen värma närliggande byggnader. 3. Kunna växla mellan olika funktioner utifrån behov. T.ex. elnätverk, bostäder. 4. Medge återkoppling av elenergi till serverhallen. Användningsområden Det har diskuterats uppvärmning av närliggande bostäder även att en bostad är byggd ovanpå serverhallen. En diskussion att förlänga odlingstiden (kommersiellt?) genom att serva växthus genom spillvärmen från serverhallen. Policyfrågor kring energi runt studentboenden. Är det möjligt att sänka kostnader för grupper i samhället? T.ex. studenter, kopplat till företagets/distributörens policy. Ovan ses grundprincipen i hur en motormodul kan vara uppbyggd den bladlika delen i motorn är kylaren i cylindrarna ser man kolvarna arbeta i par två cylindrar(i rött på bilden) startar gasexpansion.

3 Slutlig idé En modul av ett antal sterlingmotorer kopplade till två axlar som roterar i motsatt riktning med elgeneratorer på varje axel som drivs av sterlingmotorerna. Monteringen av motorerna liknar en förbränningsmotor av typen Boxer, alltså en liggande motor där kolvarna ligger i 180 grader mitt emot varandra. I vårt förslag uppnås samma funktion men där arbetar cylindrarna växelvis mot varandra i stället, därför finns det två axlar/kamaxlar i vår sterling-generator. Ovan syns hur motorerna arbetar i par röd markerar när två synkroniserade kolvar expanderar. I förslaget med seriekopplade motorer så har axlarna balansering i form av tappar med magneter i ena änden som hjälper till att dra in kolven som också har en attraherande magnet i kolvens topp. Rent fysiskt så skapar inte magneterna någon energi men med boxerprincipen så kommer motkrafterna att kunna öka balansen och jämnheten i ett ultralätt bygge. Se bild ovan.

4 Balansering och låg friktion är centrala faktorer för att så mycket energi som möjligt ska kunna omvandlas till elenergi. Genom att föra varm luft i centrum av konstruktionen så behöver inte varmluften fördelas samtidigt kyls motorerna på utsidan av kamaxlarna. Genom att sterlingkolvarna på respektive motor arbetar in och förbi centrummet mellan axlarna så uppstår en naturlig balansering enligt fysikens lagar. Ovan illustreras varmlufts-kanalen i centrum av maskinen ( BOX TUBE )Nedan syns vattenkylarna som omsluter varje Sterlingmotors kylare.

5 Avgränsningar Experiment, avancerade tekniska beräkningar och laborationer kommer inte att redovisas i tävlingsbidraget. Endast koncept, skriftliga förklaringar och illustrationer kommer att visas i förslaget. Analys/Diskussion Genom att använda en stirlingmotor möjliggörs ett kontinuerlig utväxlande av elenergi där man kan addera flera funktioner beroende på företagets policy t.ex. kan kostnaderna sänkas med ström försörjning i serverhallarna eller så distribueras överskottet av energi till andra alternativ av distributören som t.ex. ålderdomshem eller studentboenden. Överskottet i form av varmluft efter, det att stirlingmotorn gjort sitt, kan värma en vinterträdgård alternativt ett växthus. Att värma upp ett boende byggt på eller intill serverhallen med överskottet av varmluft är också möjligt. Även om överskottet av varmluften är relativt låg, t.ex grader så kan ändå en värmeväxlare kopplas till flödet. En blandning av Klorgas och helium( Cl + He )i rätt blandning kan man uppnå en högexpansiv gas för att utnyttja och optimera motorn samt öka vrid-momentet. Det har gjorts framsteg med sterlingmotorer på senare tid. I ökenområden har försök gjorts med hjälp av solenergi driva sterlingmotorer för framställning av elenergi. Ett annat exempel är Kockums ubåtsmotorer, sterlingmotorer som är nära nog vibrationsfria och tystgående. Vi tror att med mera forskning tillsammans med redan goda resultat och exempel på användningen av sterlingmotorer kan göra sterling motorn till ett bra alternativ även vid låga temperaturer. Ett smart styrsystem som med hjälp av extrema gasblandningar kan göra motorerna tillräckligt effektiva för att kunna driva elgeneratorer. Tanken med småskalighet och motorer kopplade i serier har fördelen att samarbeta jämt och balanserat, Slutresultat I sista illustrationen ses 4 moduler sammankopplade. De blå cylindrarna ansluter till respektive kamaxel totalt 8 elgeneratorer i detta ex. Varmluften från serverhallen passerar i centrum, kallt vattenförs in i de separerade kylelementen. Ett shunt-system kan hålla kylningen på en konstant temperatur. Utanför maskinen finns ett gassystem som anpassar blandning/proportioner mellan olika gastyper för att optimera prestandan på maskinen. I förslaget har klorgas som, vid rätt temperaturområde, är aggressivt expansivt och Helium som förhindrar att klorgasen blir i fast eller flytande form. Naturligtvis krävs mycket av laborationer och tester för att undersöka detta koncept.

6 Referenser Besök på en svensk U-båt med Sterlingdrift Tekniska tidskrifter, nätet.