Bättre och renare energi på riktigt Stirlingmotorn har länge varit en hypotetisk eller i bästa fall exotisk kraftkälla. Nu är den här. Stirlingmotorn har funnits med oss i nästan 200 år utan at så mycket egentligen hänt. Principen är fantastisk på sitt sätt 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 än andra konstruktioner. I denna artikel ska vi 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. Artikeln beskriver ett besök i september 2009.
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. Philips i Holland började på 1940- talet och hade länge ett patent på kompakta stirlingmotorer som skulle kunna användas 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 vanligt 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. Genomskärningen föreställer motorn i den svenska ubåten HMS Uppland (gotlandsklassen) som författaren besökte under 2002. 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 Layout och grafisk formgivning: Audrone Vodzinskaite-Städje 2 2009 Teknik360, IDG AB, Karlbergsvägen 77, 106 78 Stockholm, Tel: 08-453 60 00
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. 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. 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. 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 stål 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. 2009 Teknik360, IDG AB, Karlbergsvägen 77, 106 78 Stockholm, Tel: 08-453 60 00 3
Om Cleanergy och strategier Cleanergy i Åmål köpte ritningar, patent, maskindelar och allt från det tyska företaget Solo Kleinmotoren i Sindelfingen som i sin tur hade utvecklat motorn från idéer kring Kockums produkter. I början av 2009 flyttade alltihop till Åmål. Det hela började med att en tysk professor ville göra solspeglar i form av stora polerade stålspeglar som böjdes till parabolform genom att man pumpade ut luften i en burk bakom dem. För att generera strömmen behövde han en stirlingmotor och köpte två stycken av Kockums, men Kockums övergick snart till militär produktion. Kockums dotterbolag SPS (Stirling Power Systems) i Linköping kunde erbjuda motorer, men det dröjde inte länge förrän SPS flyttade till USA och började utveckla värmepumpar. De fick bidrag från amerikanska DoE, tillverkade 50 enheter och drev teknologin framåt en hel del, men så tog bidragspengarna slut och SPS ville sälja. Företaget Solo köpte rubb och stubb och började med soldrivna motorer, men kom fram till att mera utveckling behövdes innan solenergimaskiner kunde börja marknadsföras. Cogeneration, alltså el och värme från samma enhet, hade större marknadspotential varför Solo skippade den fd. svenska teknologin och gjorde nya verktyg och gjutformar. Resultatet av detta blev motorn 161. Det nystartade företaget Cleanergy i Åmål köpte Solos alla rättigheter och kvarvarande maskinvara och tänker nu bedriva tillverkning av gasdrivna stirlingmotorer för elgenerering. Det är i princip motorn 161 som står på Cleanergys fabriksgolv idag. Det var ett mycket lyckat drag att ta den typen av produkt till Sverige. Konjunkturnedgången är till och med till fördel i Åmål. Motorn är uppbyggd med detaljer som liknar de som används i bilindustrin. Dagens fd. bilarbetare och tekniker behöver inte nödvändigtvis tillverka bilar och för underleverantörerna kvittar det vilken typ av motor delarna ska sitta i, så lika är de. Stirlingmotorer går lika bra. Mycket av tekniken är densamma. Dessutom gick det att få billig konsulthjälp att bygga upp fabriken, eftersom konsulterna har det lika besvärligt som alla andra i spåren efter den kraschande bilindustrin. Energi, däremot, behöver vi alla, och det ser inte ut att bli någon ändring på den saken framöver. Mediauppgifter gjorde gällande att Cleanergy skulle börja starta storkskalig tillverkning och år 2012 ha cirka 1000 medarbetare och producera cirka 10.000 enheter per år, men siffrorna har justerats nedåt och blivit mera realistiska. Man ser det numera som rimligt att ha cirka 60 medarbetare år 2012 och bygga cirka 1000 enheter per år. Men marknaden är det inget fel på. Europa som helhet är mycket beroende av naturgas, men vill gärna ha el och bygger därför onödigtvis nya kärnkraftverk. Den ryska och engelska gasen genomflyter Europa och markanden för småskalig elproduktion synes vara mycket god. Med småskalig menas enskilda hushåll. 9 kilowatt el och 25 kilowatt värme räcker utmärkt för en eller två villor. Annars går gas att få tag i på annat håll. Biogas blir allt vanligare och kan genereras i rötkammare hos bönder. Den andra stora tillverkaren av biogas är avloppsreningsverk som också kan röta fram gas. Deponigas är en tredje möjlighet, på de ställen i världen man fortfarande får slänga sopor på soptippar. Där kan man slå ned rör i soporna och suga ut gasen. Deponigasen är smutsig och förorenad med svavelväte och siloxan (mjukgörare i schampo och tvättmedel) som skulle skada en ottomotor, men det bekommer inte stirlingmotorn. Solo har tidigare ställt ut solkraftanläggningar i Spanien, Frankrike, Tyskland och USA och har uppnått 25% verkningsgrad på solljus. Länderna i mellanöstern har också sett ljuset och håller på att försöka göra sig fria från oljeberoende. Israel är ett sådant land, som helt ska försöka bli av med oljan från år 2020. Teknologin har framtiden för sig, men för närvarande ser Cleanergy bara detta som ett alternativ i svårtillgängliga trakter. Funktionsprincip Motorns funktionsprincip är väldigt enkel, ja betydligt enklare än ottomotorns. Den varma och kalla kolven sitter på samma vevaxel så att när den varma komprimerar så expanderar den kalla och tvärt om med ett kvarts varvs förskjutning. Man tillför energi genom att värma utanpå den varma cylindern varvid gasen inuti expanderar. Den pyser över till den kalla cylindern och pressar tillbaka denna. Då denna är kall krymper gasen och kolven drar sig utåt. Gasen pressas tillbaka till den varma cylindern och expanderar där, och så vidare. För att inte all värme i den varma gasen ska kylas bort i den kalla cylindern mellanlagras en del av den i regeneratorn där den kan hjälpa till att värma gasen på återvägen. Detta höjer verkningsgraden. Layout och grafisk formgivning: Audrone Vodzinskaite-Städje 4 2009 Teknik360, IDG AB, Karlbergsvägen 77, 106 78 Stockholm, Tel: 08-453 60 00
Grunddelarna i en stirlingmotor skiljer sig väldigt lite från en ottomotor och heter ungefär detsamma. De båda kolvarna (pistons), den varma kolven (expansion piston) och den kalla kolven (compression piston) sitter via vevslängar (connectiong rods) fast på en vevaxel (crankshaft) som snurrar runt i ett oljefyllt vevhus (crank case) med ett kvarts varvs eftersläpning. Vevaxeln sitter direkt på en generator. Det är viktigt att man förstår hur motorn är delad mitt på. Den del där arbetsgasen finns, alltså över och under kolvarna, är torr och heliumet håller ett grundtryck på 150 bar. Under kolvarnas nedre tätning finns vevhuset med luft av vanligt atmosfärstryck. Denna del är våt, eller egentligen fylld med olja eftersom vevaxeln behöver smörjning. Heliumet under cylindrarna deltar inte i processen, utan spolas bara fram och tillbaka mellan cylindrarna för att utjämna trycket. Toppen på den varma cylindern är ansluten till en värmare (heater), vilket är den värmeväxlare man eldar på, vars uppgift det är att värma arbetsgasen. Värmaren sitter inuti brännkammaren som visas i nästa bild. I värmaren blir gasen cirka 700 grader och inne i den varma cylindern bibehålls ungefär 630 graders temperatur. Alltihop börjar med att man dragit igång motorn medurs med yttre kraft. 1. Vi kan börja med att varma kolven står halvvägs. Då är kalla kolven helt uppe och volymen i kalla cylindern minimal. Brännaren värmer gasen i den varma kolven och detta trycker den varma kolven nedåt. 2. Den varma kolven når till sist bottenläget och dess kraft på vevaxeln blir noll. Då har den kalla kolven börjat röra sig nedåt och suger åt sig den expanderande gasen. På väg in i den kalla cylindern går gasen genom regeneratorn som tar upp mycket av värmen. Den kalla cylindern hålls vid cirka 80 grader genom att gasen går igenom gaskylaren (gas cooler) som genomflyts av kylvatten, vatten som sedan tas ut för användning som varmvatten. 3. Samtidigt börjar den varma kolven att röra sig uppåt och trycker in mera gas i den kalla cylindern. Till sist når den kalla kolven botten och dess kraft på vevaxeln är noll. Den har då sugit åt sig så mycket arbetsgas den kan. 4. Vevaxeln har gått nästan runt och den kalla kolven börjar gå uppåt och komprimera den kalla gasen. I detta läge är den varma kolven helt uppe. 5. Cykeln fortsätter och den kalla kolven pressar tillbaka gasen genom regeneratorn där den återfår en del av sin energi från metallnätet på dess väg till den varma cylindern. Där värms den ytterligare. 6. Gasen i den varma cylindern expanderar och vi är tillbaka i steg 1. Det är temperaturskillnaden som håller motorn igång. Skulle båda cylindrarna bli lika varma, skulle motorn stanna. Det är trycket inuti motorn som bestämmer hur mycket effekt den utvecklar vid en given temperaturskillnad. Cleanergys motor kan utveckla 9 kilowatt elenergi vid 150 bars arbetstryck, men skulle man bara vilja ha minimala 2 kilowatt kan man sänka trycket till 40 bar. Motorn startar inte av sig själv. Processen är inte självstartande utan motorn måste dras igång med en startmotor. Cleanergy 161 har redan sen startmotor, nämligen generatorn, som går som motor tills allting är uppe i varv, sen kör man det hela något snabbare än nätfrekvensen och då blir den en generator istället. Värmaren sitter inuti en värmeisolerad brännkammare placerad direkt ovanpå motorn. I denna blåser man in förvärmd luft och en brännbar gas och antänder dem med ett tändstift varpå blandningen värmer värmaren, som glöder 700 grader varm. De varma avgaserna går ut längs brännkammarens utsida och tillbaka genom förvärmaren och värmer därvid inloppsgasen. Intressant buffertburk Den avlånga svarta burken som tycks vara ansluten mellan den varma och kalla cylindern, är verkligen det. Det är den buffertbehållare som ska ta upp tryckförändringarna bakom kolvarna (som nämnts ovan). När en kolv rör sig, drar den ju med sig helium underifrån också. Om utrymmet under kolven vore förslutet skulle det bli vakuum där vilket skulle få kolven att gå trögt. Därför kopplar man ihop utrymmet under varma och kalla kolvarna och låter dem byta bakom-gas med varandra. Den gasen varken värms eller kyls så den påverkar inte driften, men i vilket fall som helst ändras inte den sammanlagda volymen bakom kolvarna med denna metod. Det är emellertid en effektförlust att inte utnyttja gasen på undersidan. Kockums fyrcylindriga ubåtsmotor gör det och kommer upp i en verkningsgrad på 40 %, medan Cleanergys tvåcylindriga bara når cirka 30%. Principen är emellertid så mycket mera komplicerad att Cleanergy inte satsar på den. 2009 Teknik360, IDG AB, Karlbergsvägen 77, 106 78 Stockholm, Tel: 08-453 60 00 5
Reservhelium Det finns ytterligare en tryckbehållare, som inte syns, nämligen heliumförrådet för arbetsgasen. Det är i princip omöjligt att stänga inne helium, särskilt vid ett tryck på 150 bar och i en maskin med rörliga delar som här. Helium har så små atomer att det slinker ut genom i stort sett vilken tätning som helst. Skulle man bara fylla på motorn med helium vid tillverkningen skulle den snart ha läckt ut och motorn bli verkningslös. Därför har man en tryckbehållare med extrahelium som pyser in om trycket i cylindrarna skulle sjunka. Det förlänger serviceintervallet betydligt. Väte ännu bättre Avsikten är att i framtiden slippa den dyra arbetsgasen helium och använda vätgas istället. Den leder värme ännu bättre än helium, men kostar nästan ingenting i jämförelse. Den har dock ännu mindre molekyler och är ännu duktigare på att läcka ut. Skulle extrabehållaren gå läck och ett par kilo väte läcka ut i lokalerna kan det bli lite knivigt. Vi nämnde hindenburg-effekten för Cleanergys folk och de hade redan tänkt på saken. De kommer bara att använda väte i motorer för solenergi, som ändå måste vara utomhus. För biogasmotorer kommer man att fortsätta med helium. rit svår att använda direktverkande i bilar. Med moderna, switchade spänningsomvandlare är detta inte längre ett problem, eftersom man enkelt kan förse motorn med en generator och switcha om utgående kraft till önskad spänning eller frekvens och driva en elbil. Vägen ligger öppen för massproduktion. Men att den skulle vara vibrationsfri... Nja. Verkningsgraden 31% är inte lika bra som hos en diesel, som når en verkningsgrad på 40 % men stirlingmotorn har å andra sidan mycket lägre krav på bränslet. Stirlingmotorn kan eldas med ungefär vad som helst som brinner, naturgas, rötgas (gas från soptippar eller avloppsreningsverk), vegetabilisk olja, tjockolja m fl lågvärdiga bränslen. Eftersom förbränningen sker på utsidan av motorn spelar föroreningarna ingen roll. De hamnar i brännkammaren och den kan man ta ut och spola ren med högtryckstvätt. Bara rent Men det är renare än så. I och med att det inte finns några föroreningar i cylindern, som i sin tur skulle förorena smörjoljan, behöver den inte bytas på långt när lika ofta som i dieslar. Serviceintervallen blir betydligt längre än för ottomotorer, nämligen på mellan 5000 och 8000 timmar. Efter denna tid är det istället kolvringarna av teflon man behöver byta ut. Behändig apparat i liten låda Vår rundvandring i Cleanergys verkstad börjar i provrummet. En av de först byggda seriemaskinerna provkörs på butangas. Den spinner som en katt, mja eller som en arg tiger kanske. Men inuti den ljuddämpande lådan är det knappast besvärande. Provrummet. Teknikern ser till att det pyser in lagom mycket butangas under startfasen, sen rullar motorn av sig själv. Maskinen på bilden är en produktionsmodell på 9 kilowatt klar för leverans. Praktiska problem eliminerade Stirlingmotorn har inte massproducerats hittills eftersom den traditionellt dragits med två problem, som idag är helt eliminerade. Dels ansågs den komplicerad att tillverka, men föreliggande artikel visar att dessa problem inte finns kvar. Den är snarare mindre komplicerad än en vanlig bilmotor. Det andra problemet var att den inte enkelt kunde varvtalsstyras. Är den varm i ena änden (och det rör sig om en hel massa metall) och kall i den andra, är det svårt att ändra detta tvärt. Därför har den va- Nya, obrukta kolvar och cylindrar ser så märkligt rena ut att man kunde tro att det är rostfritt stål, men det är vanligt kolstål. Det finns ingen fukt eller olja inuti motorn, bara rent helium, så korrosion förekommer inte. I och med att förbränningen är extern kan man använda kolvringar av teflon. Den varma cylindertoppen är visserligen 630 grader och det är lite i mesta laget för teflon, men det har man löst genom att ha cylindern delad i två, en övre, het del och en undre, kall. Kolvringarna tätar mot den kalla delen. Öppnar man locket och tittar ned i lådan är den blanka brännkammaren det första som slår emot en. Under denna ser du den röda generatorn med kylflänsarna. Själva stirlingmotorn syns knappt på denna bild, men det tjocka kylröret gör en Layout och grafisk formgivning: Audrone Vodzinskaite-Städje 6 2009 Teknik360, IDG AB, Karlbergsvägen 77, 106 78 Stockholm, Tel: 08-453 60 00
90-graderskrök och slutar i denna. Den svarta buffertbehållaren syns längst till vänster. man eventuellt tänka sig köpa av andra. Fördelen med en motor som kan gå på all slags värme är att man kan köra den på solenergi på dagen och elda gas på natten, så behöver elströmmen aldrig ta slut. Å andra sidan får man tillerkänna solcellerna den fördelen att de fungerar utan parabolspegel och även när vädret är gråmulet. Det blir inte mycket ström, men lite. Modellmotorn Det mest iögonenfallande röret är det blanka avgasröret. Det är knappt mer än 40 grader varmt och man kan utan vidare hålla i det. Värmen hamnar inte där utan i kylvattnet som cirkulerar i kopparrören. Det är ju där värmen ska vara och inte blåsa ut med avgaserna. Det blir en del kondens runt den kalla kolven och det rinner ut iden vita plastbaljan. Solenergi Solenergi är framtiden och stirlingmotorn är rätt sätt att utvinna den. Elenergi direkt från solen har teknikerna spetsat på ganska länge och hittills har solceller, alltså halvledare som skapar el direkt ur solenergi varit den enda framgångsvägen. Verkningsgraden är dock inte särskilt imponerande. Ser man systemet som helhet kan man med monokristallina solceller maximalt nå upp i 11-13% verkningsgrad. Cleanergys stirlingmotor i mitten av en solreflektor kommer upp i 22-25% verkningsgrad, trots allt nästan dubbelt så bra. Cleanergy tänker dock satsa allt på gasdrivna motorer inom den närmaste framtiden och har inga planer på att tillverka solspeglar. Dessa kan Ska motorn drivas med solenergi gäller det att koncentrera solljuset direkt på värmaren som värmer arbetsgasen. Här är en dylik värmare. Solen kan göra en fläck med cirka 20 centimeters diameter på de svarta rören. Varma kolvtoppen är till vänster och anslutningen till regeneratorn är till höger. Varför inte Cassegrain-montage? När man ser bilderna av motorn monterad för utvinning av solkraft, uppe på en fackverksmast i mitten av reflektorn undrar man varför ingen provat Cassegrain-montage, dvs att ha motorn på spegelns baksida och bara ha en liten sekundärspegel mitt i primärspegeln och reflektera ned energin genom ett hål i mitten av primärspegeln? Då skulle ju motorn hamna betydligt närmare marken och det borde väl vara fördelaktigt ur viktsynpunkt, såväl som ur underhållsynpunkt. Det har provats, men problemet var att sekundärreflektorn riskerar att bli så varm att den förlorar sin exakta form, och då kommer inte energin fram dit den ska. I varje bättre hobbyaffär kan man köpa modeller av stirlingmotorer. Den här lilla gyllene godingen eldas med en spritbrännare och den varma cylindern är genomskinlig så man kan se kolven arbeta. Den kalla cylindern är dock i metall för att kylflänsarna ska fungera. Man bara tänder spritlågan och låter cylindern bli lite varm och sen kan man slå igång hjulet med handen. När man släckt lågan fortsätter motorn att gå ett tag, tills cylindern har kallnat. 2009 Teknik360, IDG AB, Karlbergsvägen 77, 106 78 Stockholm, Tel: 08-453 60 00 7
Om den praktiska motorn Rundvandringen i Cleanergys lokaler fortsätter. Vi ska nu titta på alla maskinens lösdelar för att du ska få en uppfattning om hur enkelt allt i själva verket är. Det här är värmaren, den del man eldar på. Arbetsgasen passerar från den varma cylindertoppen närmast oss, genom värmaren, till regeneratorn som sitter före den kalla kolven och tillbaka igen. Regeneratorns lock syns längst bort. Det här varma kolven. Att den har varit varm, kan du tydligt se eftersom den har blivit anlöpt. Den är alltså inte smutsig. Du ser också de tre bruna kolvringarna i teflon längst ned på kolven. Där har metallen inte varit så varm, eftersom denna del löper i cylinderns kalla del. Den till synes lösa ringen mitt på vevaxeln med vit tätring är den tätning som isolerar vevhuset och dess olja från heliumatmosfären som kolven arbetar i. Det här är kalla koloven. Den behöver inte vara så lång som den varma för att teflonringarna ska slippa överhettas, eftersom den är kall helt och hållet. Pinnen som sticker upp mitt på öppnar en ventil i cylindertoppen varje kolvslag. Vevaxeln ser ut som vilken vevaxel som helst och det är det också. Inget konstigt. De båda vevstakarna går ett kvarts varv förskjutna. Här har vi lagt ut alla de rörliga delarna på rad, från vänster den varma cylinderns nedre ände (den övre änden är cylindertoppen och den kommer sen), den varma kolven, en extra, rörlig vevstake till vevslängen, vevaxeln, vevslängen med sin extra vevstake till den kalla kolven, själva den kalla kolven och slutligen den kalla cylindern. Anledningen till att man har en extra transmissionslänk mellan vevaxel och kolv är att vevstaken inte sitter rörlig med en kolvbult inuti kolven. Vevstaken som kommer ut ur kolven är fast eftersom den ska glida igenom tätningen som isolerar heliumatmosfären från det vanliga atmosfärstrycket i vevhuset. Därför måste det finnas ett gångjärn lite längre ned. Det var Kockums som så elegant löste det knepiga problemet. För att värmen i arbetsgasen ska kunna ta vägen någonstans kyls den i en gaskylare som genomflyts av kallvatten. Den ska klara att kyla 630-gradig gas till omkring 80 grader på bara tio centimeter och det är den här delen som är Cleanergys lilla hemlighet. Ju bättre den är, desto bättre blir verkningsgraden. Den fick vi inte plocka sönder. Ledningen som sticker upp, kommer från en temperatursensor som används i motorns övervakning. Förvärmaren tar upp inluften till 630 grader innan den blandas med gasen för att antändas, för att förbränningen ska bli så effektiv som möjligt. Gasen kommer in genom de små hålen i mitten och luften strömmar genom de något större rören. Framför detta sitter en brännkammare som är Layout och grafisk formgivning: Audrone Vodzinskaite-Städje 8 2009 Teknik360, IDG AB, Karlbergsvägen 77, 106 78 Stockholm, Tel: 08-453 60 00
bortplockad för denna bild, med ett tändstift. När gasen brunnit och strömmat kring värmaren som skymtar i bildens nedre vänstra hörn vänder den tillbaka och strömmar ut genom förvärmarens vridna galler. Detta fångar upp den resterande värmen och låter denna förvärma den inströmmande gasen. En frånvärmeväxlare, helt enkelt. Därför är avgaserna så kalla. Så här ser motorn ut monterad i sin låda, men utan brännkammare och värmare. Du ser kolvtoppen på den varma kolven sticka upp, eftersom den ska täckas av den varma cylindertoppen, som sitter fast på värmaren. Generatorn sitter bakom alltihop med sin lyftögla uppåt. Den svarta avlånga burken är buffertbehållaren som utjämnar trycket under kolvarna. Generatorerna som monteras in i motorerna är i princip vanliga trefas asynkronmotorer. All el som genereras hamnar i elskåpet som sitter på maskinens sida. Där finns också reglerelektroniken som ser till att hålla motorn nöjd och glad och varm, och tändspolen som skickar ut högspänning till tändstiftet. Bygget har en air av kråkbo och är kanske inte helt optimerat, men är inte det som Cleanergy lägger ned mest krut på för närvarande. Det fungerar alldels utmärkt i det skick det befinner sig nu. Framtiden är biomassa Stirlingmotorn kan eldas med nästan vad som helst, även biomassa, även om det inte går något vidare för tillfället. Bilden ovan visar en försöksanläggning i Tyskland där man eldar motorn med pellets. Det återstår att se om det blir något i framtiden. Motorn går att köra baklänges också. Veva stirlingmotorn med en yttre kraftkälla så kan den fås att fungera som kylmaskin och kan då åstadkomma temperaturer betydligt under vad man kan göra med vanliga köldmedier av typerna R22 och R134. Med kompressorprincipen vill de vanliga köldmedierna inte vara med längre än ned till ungefär 50 grader, medan stirlingmotorn arbetar obehindrat ned under 80 grader. Som tekniker förundras man dock över att vi högteknologiska människor inte kan slita oss loss från principen med en fram- och återgående rörelse som måste omvandlas till en roterade dito via en komplicerad mekanism och skapa vibration och förslitning. Kan ingen knäcka problemet och skapa roterande rörelse direkt, som i wankelmotorn? Visst, wankelmotorn hade sina problem, främst med tätningen mellan lameller och cylindervägg och Cleanergys tekniker skakar misstroget på huvudet när jag för detta på tal. För närvarande står Cleanergy 161 i praktisk drift på 60 ställen i Tyskland och generar värme och el i bostadshus och gaspumpstationer. Visst finns det konkurrenter, som bland andra Kockums som gör sina egna soldrivna motorer. Andra viktiga konkurrenter att se upp med, är Whispergen, som tillverkar en enhet som genererar 750 watt el och 6 kw värme, Stirling Technology Company vars enhet ger 800 watt el och 5 kw värme och Stirling Biopower vars enhet ger 25 kw el och 67 kw värme. Bosch och NASA är också med i leken. Slutsatsen får ändå bli att det här kan låta sig göra i praktiken. Sista bilden visar en Cleanergy 161:a som stått ute hos en kund i ett helt vanligt tyskt hyreshus i staden Claustal och genererat el och värme sedan 2003. Kan de, varför kan inte vi? 2009 Teknik360, IDG AB, Karlbergsvägen 77, 106 78 Stockholm, Tel: 08-453 60 00 9
Tekniska data Cleanergy 161 microchp Elektrisk uteffekt: 2 9 kw Termisk effekt: 8 24 kw Elektrisk verkningsgrad: 25 % Total verkningsgrad: 95 % Arbetsgas: Helium Varma kolvens temperatur: 630 grader Kalla kolvens temperatur: 80 grader Serviceintervall: 5000 8000 tim Avgaser CO, max.: 50 mg/m³ Avgaser NOx, max.: 80 mg/m³ Avgaser HC, max.: 2 mg/m³ Dimensioner L x B x H: 1280 x 700 x 980 mm Vikt: 450 kg Läs mer Cleanergy: www.cleanergyindustries.com Förra artikeln om Cleanergy: http://t360.idg.se/2.8229/1.236515/cleanergy-gor-nagot-at-solenergin Kockums produktsida, välj Stirling: www.kockums.se/products/products.html Kockums stirlingsida: www.stirlingenergy.com En artikel från webbplatsen Teknik360 Utgiven 2009-11-11 IDG AB Karlbergsvägen 77 106 78 Stockholm Tel: 08-453 60 00 Vill du veta mer om Teknik360 eller har synpunkter, läs mer på http://t360.idg.se eller ta kontakt med webbredaktören Jonnie Wistrand på Jonnie.Wistrand@idg.se Författaren till faktabladet Jörgen Städje, nås på Jorgen@Qedata.se eller www.qedata.se, eller www.qedata.se/js.htm Hans artiklar finns på följade IDG-sajter http://teknik360.idg.se http://techworld.idg.se/2.4702 och i papperstidningen Techworld Ytterligare faktablad hittar du på IDGs webbplats på http://tjanster.idg.se/globalincludes/globalservices/whitepapers/ Ytterligare praktikfall hittar du på: http://kundcase.idg.se Ytterligare enstaka artiklar hittar du i PDF-shopen: http://shop.idg.se/pdf Allt om IDGs copyright hittar du på: www.idg.se/2.1085/1.71375 Layout och grafisk formgivning: Audrone Vodzinskaite-Städje 10 2009 Teknik360, IDG AB, Karlbergsvägen 77, 106 78 Stockholm, Tel: 08-453 60 00