Stirlinggenerator Gen70xx–Serie
Bild 1: Stirlinggenerator, Beispiel Gen70T
Kleines Kraftpaket mit beachtlichen Eigenschaften
Der Stirlinggenerator Gen70xx besteht aus einem alphagamma® Stirlingmotor mit 70 ccm Expansionsvolumen und einem 3-Phasen Synchrongenerator. Das Aggregat basiert auf einer jahrzehntelangen Forschung und Entwicklung mit dem Ziel, einen wartungsfreien Dauerläufer mit hohem Wirkungsgrad zu gestalten.
Die Schnittstellen (Bild 2) bestehen aus der Wärmezufuhr, der Kühlwasserversorgung, dem Generatoranschluss und mehreren Sensorsignalen. Für die Übertragung der Wärmeenergie stehen mehrere Varianten des Wärmetauschers zur Verfügung, die jeweils an die Art der Wärmequelle angepasst sind. Die elektrische Nennleistung des Aggregates beträgt 1,2 kW bei einer Temperatur von 650-680 Grad C am Erhitzer-Wärmetauscher und einer Ausgangsspannung von 55Volt.
Automatische Anpassung an die Ausgangsspannung
Der Stirlingmotor überträgt ein konstantes Drehmoment an den Generator. Die gleichgerichtete 3-Phasenspannung des Generators kann zur Ladung einer Speicherbatterie herangezogen oder direkt in einen geeigneten Netz-Wechselrichter eingespeist werden. Die Drehzahl des Generators orientiert sich auf Grund des konstanten Drehmomentes des Stirlingmotors an der Ausgangsspannung, die beispielsweise im Fall einer Bleibatterie im Bereich von 48 bis 58 Volt (Ladeendspannung) betragen kann.
Bild 2: Schnittstellen des Stirlinggenerators Gen70xx
Betriebsdaten des Stirlinggenerators Gen70xx
Die Performance unserer Motoren offenbart Werte, die im Hinblick auf die kleine Motorgröße einzigartig sind. Grundlage dafür sind die neue alphagamma® Technologie einhergehend mit zahlreichen Optimierungen.
Die in der Tabelle 1 gezeigten Daten wurden auf dem Prüfstand mit einer Heißluftströmung gemessen, die vom Wärmetauscher des Motors Gen70T (wie Wärme-Transport durch einen Luftstrom) in das Prozessgas der Maschine übertragen wird. Die Daten stehen repräsentativ für alle Varianten der Wärmeübertragung. Diese kann durch Wärmestrahlung, Wärmeleitung oder durch Konvektion mittels Heißgasstrom erfolgen. (Siehe Bild 5)
Tabelle 1: Betriebsdaten des Stirlinggenerators Gen70T
Bemerkenswerte Leistungsdaten
Die Qualität einer Stirlingmaschine lässt sich bei Betrachtung der Leistungsabgabe in Abhängigkeit von der Erhitzerkopf-Temperatur gut beurteilen. Die im Bild 3 gezeigten Messwerte offenbaren die Abgabe der Nennleistung von ca. 1200 Watt bei einer Kopftemperatur von 670 Grad C. Bei 500 Grad C stehen immer noch 800 Watt zur Verfügung. Kennzeichnend für die ausgereifte Technik sind die Werte am unteren Ende der Temperaturskala: bei etwa 230 Grad C findet der Übergang von der Leistungsabgabe zum Leerlauf statt. Der Leerlaufbereich setzt sich bis etwa 185 Grad C, bis zum endgültigen Stillstand fort.
Bild 3: Leistungsabgabe in Abhängigkeit von der Erhitzerkopf-Temperatur
Der leichte Weg zum Mikro-BHKW
Betrieb mit einer Steuerungseinheit (Control Unit CUxx)
Bild 4
Der Wärmetauscher des Stirlingmotors wird von einer externen Wärmequelle aufgeheizt und ab einer eingestellten Temperatur wird der Generator automatisch gestartet. Der hocheffiziente Synchrongenerator liefert einen Dreiphasen-Wechselstrom, der von der Steuerungseinheit gleichgerichtet und an einen geeigneten Wechselrichter (netzabhängiger Betrieb) oder an eine Speicherbatterie (Back-up oder Inselbetrieb) weitergeleitet wird.
Der Motor erzeugt darüber hinaus eine Kühlwasserleistung von ca. 3 kW, die in das Heizungsnetz oder an andere Wärmesenken abzuleiten ist. Für Netzausfall oder andere Störeinflüsse sind Vorkehrungen integriert.
Nach dem Abstellen der externen Wärmezufuhr sinkt die abgegebene Leistung kontinuierlich ab und der Stirlingmotor kommt in Abhängigkeit von der eingetragenen Restwärme nach einer gewissen Zeit zum Stillstand. Sobald wieder ausreichend Wärme zugeführt wird, wird der Startvorgang neuerlich eingeleitet.
Bild 4: Komponenten für Mikro-KWK
Flexible Schnittstelle bei der Wärmeübertragung
Bild 5
Ein ausreichender und zuverlässiger Eintrag der zugeführten Wärmeenergie in den Erhitzerkopf des Stirlinggenerators ist Grundlage für eine hohe Performance des Mikro-BHKW. Umso entscheidender ist das richtige Design des Wärmetauschers, den wir an die jeweilige Wärmequelle anpassen.
Gen70DR
Wärmezufuhr vorwiegend durch Strahlung (z. B. Pellets Feuerungen)
Gen70T
Wärmezufuhr vorwiegend durch Konvektion (z. B. Heißgasströmung)
Gen70C
Wärmezufuhr vorwiegend durch Wärmeleitung (z. B. Wirbelschichtfeuerung)
Gen70G
Wärmezufuhr durch integrierten Brenner (z. B. Gasbrenner)
Alles im Blick: Control Unit CU1 und CU2
Der Eigenschaften von Stirlingmotoren unterscheiden sich grundsätzlich von Motoren mit innerer Verbrennung. Für einen sicheren und dauerhaft störungsfreien Betrieb ist eine entsprechende Überwachung der Prozessparameter und der Schnittstellen von hoher Bedeutung. Unsere Steuerungseinheiten CU1 und CU2 wurden für diese Aufgaben entwickelt. Die Funktionen und Unterschiede der beiden Ausführungen sind in folgenden Darstellungen aufgeführt.
Bild 6: Schnittstellen Control Unit CU1
Die diskret aufgebaute Kompaktsteuerung bildet die Basis für unterschiedliche Ausbaustufen eines Mikro-BHKW. Ausgehend von den Basisfunktionen der CU1 sind die Funktionsmodule für den Turboblower, den Kühlerventilator und die Kühlwasserpumpe integrierbar.
Bild 7: Schnittstellen Control Unit CU2
Turboblower TB60/48
Das wassergekühlte Turbogebläse ist in der Lage, Heißgas bei Temperatur bis zu 750 Grad C zu fördern. Es dient zur Umwälzung von Heißluft oder Heißgasen aus thermischen Batterien, Feuerungen oder Prozessöfen. Die Konstruktion wurde speziell auf den Einsatz beim Stirlinggenerator Gen70T abgestimmt, wo der Einbau auf der kühleren Abluftseite des Erhitzer-Wärmetauschers erfolgt.
Das mit 60 mm Rohranschlüssen ausgestattete Gebläse wird mit 48 Volt über ein Controller Modul versorgt, das eine stufenlose Einstellung der Drehzahl und somit eine optimale Einstellung des Gasmassenstromes und der Leistungsaufnahme erlaubt. Das Controller-Modul kann bei Verwendung der Control Unit CU2 in diese integriert werden.
Bild 8: Turboblower TB 60/48
Gen70T-HB
Heißgas-BHKW
Bild 9: Gen 70T-HB Heißgas-BHKW
Dieses anschlussfertige BHKW repräsentiert unser Top-Produkt aus der Gen70 Generatoren Reihe. Der Kühlkreislauf ist integriert, weshalb neben dem Batterieanschluss nur mehr eine Heißgasquelle mit einem Temperaturbereich von 950°C bis 1000°C zur Verfügung zu stellen ist. Mögliche Wärmequellen sind Verbrennungsgase aus Feuerungen, Heißluft aus thermischen Batterien oder aus Hochtemperatur-Prozessöfen. Das BHKW besteht aus:
- Gen70T Stirlinggenerator
- Turboblower TB60/48
- Steuerungsmodul CU2
- Umwälzpumpe
- Kühler – Radiator
- Kühlergebläse
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