Die
Dynamik eines ungeregelten Stirlingmotors ist nicht vergleichbar mit
Dampfmaschinen oder Motoren mit innerer Verbrennung. Bei diesen regelt
man die
Wellenleistung, indem man die Dampfzufuhr bzw. die Spritzufuhr dosiert,
das
heißt, die Energiezufuhr bestimmt die Abtriebsleistung an der Welle.
Die
Temperaturregelung
Wollte
man dasselbe beim Stirlingmotor durchführen, und allein mit der Flamme
am
Erhitzer die Leistung regulieren, würde man automatisch dabei die
Temperatur am
Erhitzer variieren. Aber bei niedrigerer Temperatur hätte man
zwangsläufig eine
massive Wirkungsgrad-Beeinträchtigung. Keine gute Idee.
Es
gibt beim Stirlingmotor andere, viel bessere Möglichkeiten, die
Wellenleistung
zu regeln. Im Folgenden sollen die wichtigsten davon aufgezählt werden.
Die
Drehzahlregelung
Wie
im
Beitrag “Warum gibt es keinen Stirlingmotor?“ ganz zum Schluss erwähnt,
hat
diese Regelung durchaus Sinn, wenn man selten eine hohe Leistung
benötigt und
es dann nicht so sehr auf den Wirkungsgrad ankommt. Denn der
Wirkungsgrad eines
Stirlingmotors steigt nicht nur mit steigender Temperatur, sondern auch
mit
sinkender Drehzahl. Am einfachsten ist eine solche Regelung mit einem
Generator
zu realisieren, der z.B. von 4 auf 6 Pole umschalten kann. Dieses
Umschalten
kann allerdings nicht während des Laufes geschehen. Man muss dazu den
Motor
kurz anhalten.
Eine
andere Möglichkeit stellt ein stufenloses Getriebe zwischen Motor und
Generator
dar. Solche Getriebe sind allerdings nicht billig und haben meist viel
Verschleiß.
Bei
stufigen Getrieben zwischen Motor und Generator muss wieder ein
Zwischenhalt
beim Verändern der Drehzahl eingelegt werden.
Die
Druckregelung
Hierbei
variiert man den Mitteldruck im Kurbelgehäuse. Diese Art der
Leistungsregelung
ist langsam, weil das Arbeitsgas an den Kolbenringen des Arbeitskolbens
vorbei
muss. Je nach Kolbenring-Dichtigkeit sind es 50 bis 500 Umdrehungen,
bis die
neue, gewünschte Leistung erreicht ist. Das ist ein Nachteil. Aber die
Druckregelung hat auch einen unschlagbaren Vorteil: Sie ist die
preiswerteste
Regelung unter den stufenlosen Regelungen ohne Wirkungsgradverluste.
Den
Mitteldruck erhöht oder verringert man stets während des Laufes. Bei zu
schnellem Druckwechsel kann der Motor kurzzeitig weniger Leistung
bringen.
Bei
Stirlingmotoren ab 10 kW lohnt es sich, alle Arbeitskolben mit
Kolbenstangen
auszustatten und einen Pufferraum hinter den Arbeitskolben
einzurichten. Man
lässt dann den Motor bei geringem Mitteldruck an (smarte
Anfahr-Leistung) und
pumpt dann mit einem kleinen Kompressor allmählich immer mehr Gas vom
Getrieberaum in den Pufferraum. Um einen solchen sanft anfahrenden
Stirlingmotor mit einer Druckregelung zu versehen, benötigt man dann
nur
noch ein
Magnetventil mit Drossel, so dass
das Arbeitsgas vom Pufferraum wieder in den großen Getrieberaum
zurückströmen
kann. Der Vorteil dieser Aufteilung in Getrieberaum, Pufferraum und
Arbeitsraum
ist nebenbei der, dass man für den großen Getrieberaum nur noch kleine
Wandstärken benötigt. Das Gewicht kann dadurch um meist 50% (bei
gleicher
Leistung) gesenkt werden.
Die
Totraumregelung
Hier
geht es wieder um eine stufige Leistungsregelung. Am Überströmrohr
zwischen
Arbeitszylinder und Verdrängerzylinder sind T-Stücke angebracht und
gleich daran
Magnetventile, die in verschieden großen Toträumen enden. Damit wird
der
Arbeitsraum künstlich erweitert. Man kann die Toträume auch
hintereinander
schalten oder sich verzweigen lassen. Die Vorteile der Totraumregelung
ist die
Geschwindigkeit und kaum Wirkungsgrad-Verluste bei großen Toträumen.
Nachteil
ist die Stufigkeit, wobei viele Toträume, gut miteinander kombiniert,
die
Stufen klein halten, ja fast verschwinden lassen.
Die
Kolbenhubregelung
Den
Kolbenhub des Arbeitskolbens mechanisch zu variieren, ist nicht zu
empfehlen.
Es sind meistens aufwändige Maschinenelemente am
Arbeitskolben-Triebwerk
notwendig, die dann im Betrieb hohem Verschleiß ausgesetzt sind.
Die
Phasenwinkelregelung
Bei
der Phasenwinkelregelung werden das Verdrängerkolben-Triebwerk sowie
das
Arbeitskolben-Triebwerk je mit einer eigenen Kurbelwelle ausgestattet.
Nach der
getrennten Auswuchtung jeder dieser beiden Triebwerke werden die beiden
Wellen
wieder miteinander verbunden, aber nicht starr, sondern mit einem
Zahnriemen
oder einer Kette. Der Zahnriemen bzw. die Kette wird dabei in Kreuzform
um
weitere sechs Zahnräder geschlungen, so dass durch Hin- und Herschieben
der
beiden mittleren Zahnräder der Phasenwinkel zwischen den beiden Kolben
von 0°
bis 70° variiert werden kann (siehe auch Beitrag „Rekuperation“). Da
das
benötigte Drehmoment für den Antrieb des Verdrängerkolben-Triebwerkes
klein
(meist sogar vernachlässigbar kein) ist, können Zahnriemen bzw. Kette
und die
Zahnräder für eine hohe Lebensdauer ausgelegt werden.
Diese
Regelung ist die erste Wahl, wenn eine schnelle Regelung gefragt ist.
Außerdem
hat sie den Vorteil, dass man den Motor bei 0° Phasenwinkel leicht
anfahren
kann, was vor allem bei großen Motoren notwendig ist. Der dritte
Vorteil dieser
Regelung ist es, dass man eine Rekuperation realisieren kann, wenn man
das
Zahnrad-Kreuz so erweitert, dass auch minus 70° Phasenwinkel gefahren
werden
können. In diesem Fall gibt es schließlich noch den vierten Vorteil,
den der
Rückwärtsfahrt. Aber dazu mehr im Beitrag „Rekuperation“.
Was
für alle Regelungen gilt Bei
allen Regelungs-Arten (außer der anfänglichen Temperaturregelung) ist
zu
beachten, dass der Erhitzer einen zweiten unabhängigen Regelkreis
benötigt, um
sein Temperaturniveau in den verschiedenen Lastpunkten zu halten. Bei
hoher
Wellenleistung braucht er mehr Energiezufuhr, bei niedriger
Wellenleistung
entsprechend weniger. Das scheint trivial zu sein, aber tritt bei der
Planung
oft in den Hintergrund. Dieser
Artikel stammt aus
„www.stirling-und-mehr.de